FIZIKA_MU_k_LB_atomnaya_fizika
.pdf8.4Порядок виконання роботи і вказівки з її виконання
1.Вхід осцилографа підключіть до клеми макета X1, а екран кабелю
-до Х2.
2.Вимикачем SA вимкніть генератор імпульсів. Перемикач входу осцилографа встановіть у положення (“відкритий” вхід).
3.Зніміть вольтамперні характеристики (ВАХ) зразка при різній вели-
чині освітленості. Величина освітленості задається силою струму Ісв , що проті-
кає через світлодіод. Отримані результати занесить у таблицю 8.1. Таблиця 8.1 – Експериментальни результати
Ісв = 2 mA |
U, B |
|
|
|
|
|
I, mA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ісв = 4 mA |
U, B |
|
|
|
|
|
I, mA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ісв = 6 mA |
U, B |
|
|
|
|
|
I, mA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ісв = 8 mA |
U, B |
|
|
|
|
|
I, mA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ісв = 10 mA |
U, B |
|
|
|
|
|
I, mA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
За отриманими характеристиками побудуйте графіки |
І(U, Ісв ) і за |
||
іхньою допомогою визначте електричну провідність зразка σ = |
|
I |
. Побудуй- |
|
|
U |
|||
|
|
|
|
|
те графік залежності провідності напівпровідника від освітленості. Зробіть ви-
сновок за отриманою залежністю σ(Ісв).
51
5.За допомогою SA увімкніть генератор імпульсів G. Перемикач осцилографа встановіть у положення ~ (“закритий” вхід). Потенціометром RPI установіть максимальну напругу на фоторезисторі.
6.Отримайте на екрані осцилографа криву зміни напруги від часу. За цією кривою побудуйте графік зміни з часом концентрації нерівноважних носіїв заряду, використовуючи співвідношення:
n( f ) = u( f )
nmax umax (8.1)
На графіку вкажіть області генерації і рекомбінації нерівноважних носіїв заряду.
n
Приблизний вигляд залежності nmax (t) представлений на рис.8.2.
n max
1
2 nmax
t0,5
Рисунок 8.2
n
7. За отриманою залежністю nmax зробіть висновок про закон рекомбі-
нації нерівноважних носіїв заряду. Визначте час життя нерівноважних носіїв заряду (час, за який концентрація зменшується в 2,71 рази). Час життя зручно визначати, використовуючи формулу
t0,5 |
|
|
τ = ln 2 |
, |
(8.2) |
де t 0,5 - час, протягом якого концентрація носіїв зменшується в два рази
порівняно з максимальним значенням.
52
8.5. Зміст звіту.
Результати вимірювання ВАХ зразка при різних величинах його освітлен-
ня згідно таблиці 8.1. Визначення σ по ВАХ зразка при U = 10 B. Графік залеж-
ності провідності напівпровідника від освітленості σ = f (Ісв).Обчисліть макси-
мальну похибку вимірюваннь. Наведіть результати обчислень електропровідності, вказавши похибки і надійність. Наведіть графіки зміни напруги на зразку при імпульсному опромінюванні. Відзначте відрізок, який характеризує час життя нерівноважених носіїв.
Контрольні запитання та завдання
1.Поясніть основні положення зонної теорії.
2.Що таке валентна зона, зона провідності, заборонена зона?
3.Запишіть і поясніть співвідношення, яким визначається температурна залежність провідності напівпровідника.
4.Що таке дрейфова швидкість і рухливість носіїв струму?
5.Поясніть характер провідності власних напівпровідників.
6.Поясніть характер провідності домішкових напівпровідників (напівпровідників n- і p-типу).
7.У чому суть внутрішнього фотоефекту?
8.Поясніть різницю рівноважних і нерівноважних носіїв струму. Від чого залежить їх концентрація?
9.Як визначити поріг внутрішнього фотоефекту?
10.Дайте визначення часу життя, середнього часу життя.
11.Запишіть і поясніть співвідношення, яке зв’язує електропровідність напівпровідника з концентрацією і рухливістю.
9 ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА У ТВЕРДОМУ ТІЛІ
53
9.1 Мета роботи
Дослідити явища взаємного перетворення енергії теплового руху й енергії електричного поля. Визначити параметри перетворювачів, використаних у роботі.
9.2 Вказівки з організації самостійної роботи Вивчіть ефекти Зеєбека і Пельтьє [1, с. 217-222]. Зверніть увагу на фізич-
ний смисл рівня Фермі.
Дана робота зводиться до визначення залежності термо-ЕРС εT від різниці те-
мператур спаїв T термопари і різниці температур T p-n переходів напівпровідниківвідпотужностіРелектричногоструму, щопротікаєчерезелемент.
Як відомо, в електричному колі, складеному з послідовно з’єднаних еле-
ментів, виготовлених з різних матеріалів (термопара), виникає термо-ЕРС εT ,
якщо місця контактів підтримувати при різній температурі. Величина ЕРС залежить від температур контактів і типу речовини:
T2 |
α(T )dT , |
|
εT = ∫ |
(9.1) |
|
T1 |
|
|
де T1 і T2 - температури контактів ( T2 >T1 );
α(T ) - термоелектрична здатність, що залежить від матеріалу і техноло-
гії його виготовлення.
Щоб визначити залежність α(T) для термопари, необхідно один її спай нагрівати, а другий підтримувати при постійній температурі. Виниклу термо-
ЕДС εT необхідно вимірювати одночасно з виниклою T .
Ефект Пельтьє полягає в тому, що при проходженні струму в колі з провідниками з різнорідних матеріалів у місцях контакту (крім виділення джоульової теплоти) поглинається або виділяється деяка кількість тепла.
54
|
|
|
|
|
|
|
|
|
±Q = П I t , |
(9.2) |
||||
де П - коефіцієнт Пельтьє, що залежить від матеріалів контактів; |
|
|||||||||||||
I - сила струму; t - час. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Різниця температур |
|
|
T |
нагріваного та охолоджуваного контактів, що |
||||||||||
виникає при цьому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ΔΤ = |
|
|
W |
|
|
= |
|
|
0,5IU − ПI |
|
|
, |
(9.3) |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
χ |
|
|
|
χ |
||||||||
де W - повна потужність, що виділяється в контактах; |
|
|||||||||||||
U - напруга на термоелементі; χ |
- теплопровідність матеріалів; |
|
||||||||||||
I - сила струму в колі.
Коефіцієнт Пельтьє залежить від параметрів матеріалів, що створюють
термоелемент, зокрема, від ширини забороненої зони напівпровідників |
E : |
||||||||
|
|
|
E = 2eП . |
(9.4) |
|||||
Щоб визначити величину коефіцієнта Пельтьє П і ширину забороненої |
|||||||||
зони E , необхідно експериментальним шляхом отримати залежність |
T I від |
||||||||
U . Формулу (11.3) можна записати у вигляді: |
|
||||||||
|
|
T |
1 |
U − |
П |
|
|||
|
|
|
|
= |
|
|
. |
(9.5) |
|
|
|
I |
|
2χ |
χ |
||||
На графіку залежності T |
I |
від U |
пряма, описувана виразом (9.5), від- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тинає на осі ординат відрізок b = П χ . Нахил цієї прямої дозволяє визначити ку-
товий коефіцієнт K = 21χ . Коефіцієнт Пельтьє в цьому випадку
П =b χ = |
b |
|
2K . |
(9.6) |
9.3 Опис лабораторної установки
55
Обладнання: термоелемент, термопари, регульоване джерело живлення, амперметр, вольтметр, термостат.
Схема установки, призначеної для вивчення термоелектричних явищ, наведена на рис. 9.1.
Установка складається з двох частин: термостати з термометрами ВК1 і ВК2 призначені для дослідження термопари. Один із спаїв термопари нагрівають за допомогою нагрівача ЕК, про увімкнення якого сигналізує світлодіод VD. Нагрівач ЕК вмикається кнопкою 3 перемикача SA2. Ця ж кнопка підключає досліджувану термопару через клеми X1 і Х2 до цифрового вольтметра PV.
Джерело, що складається з транзистора VT, реостата RP1, резистора R2, амперметра PA, дозволяє пропускати через термоелемент різну силу струму. Перемикачем SА1 можна змінювати напрямок струму в термоелементі. Різниця температур, що виникає на стовпчику термоелемента, вимірюється термопарою. Параметри термопар, що використовуються в макеті, однакові.
Цифровий мілівольтметр PV підключається до термопар при натисканні кнопки 2 перемикача SA2. Натисканням кнопки 1 перемикача SA2 мілівольтметр PV підключається до термоелемента для вимірювання падіння напруги, що виникає при проходженні електричного струму.
Рисунок 9.1 9.4 Порядок виконання роботи і вказівки з її виконання
56
1.До клеми X1 і X2 макета підключіть цифровий мілівольтметр PV. Увімкніть макет і прилад PV. Внаслідок теплової інерційності процесів, що мають місце при виконанні наступних пунктів 2 і 3 даної роботи, за час виконання (дві академічні години) можна встигнути тільки один раз зняти відповідні температурні залежності. Тому перед виконанням роботи слід ретельно продумати весь хід експерименту і потім уміло його виконати.
2.Проведіть градуювання термопари.
Для цього увімкніть нагрівач EK (натисніть кнопку 3 перемикача SA2) і
вимірюйте величину термо-ЕРС εT через кожні 50С показань термометра. Слід старанно знімати показання як термометра BK1, який нагрівається разом зі спаєм термопари за допомогою нагрівача ЕК, так і термометра ВК2, показання якого дещо змінюються за рахунок того, що нагрівач ЕК нагріває середовище, де знаходиться термометр ВК2. Дані вимірювання занесіть в таблицю 9.1. Побу-
дуйте графік залежності εT ( T ) , де T - різниця в показаннях двох термомет-
рів ВК1 і ВК2. tK - кімнатна температура. Термо-ЕРС εT і T слід вимірю-
вати в процесі нагрівання термопари.
Таблиця 9.1- Градуювальні залежності термопари
|
t0C |
|
t0C |
T |
ε( T) |
|
|
(ВК1) |
|
(ВК2) |
|
mV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t = tK |
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
35 |
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
45 |
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Установіть залежність |
T термоелемента від сили струму і напруги. |
|||||
Для цього слід зняти залежність падіння напруги U і термо-ЕРС εT на термоеле57
менті від струму I в колі елемента. Для установлення стаціонарного теплового режиму після кожної зміни сили струму в колі елемента слід почекати 2-3 хвилини і тільки піля цього проводити вимірювання падіння напруги U і термо-ЕРС εT .
Виміряйте U (натисніть кнопку 1 перемикача SA2) і термо-ЕРС εT (нати-
сніть кнопку 2 перемикача SA2). Перемикачем SA1 змініть напрямок струму в термоелементі і повторіть вимірювання. Дані занесіть в таблицю 9.2.
Таблиця 9.2 - Залежність |
T термоелемента від сили струму і напруги. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
U |
T |
|
T |
|
|
|
A |
mV |
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
|
|
|
|
|
|
|
2,0 |
|
|
|
|
|
|
|
2,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Як було вказано раніше, параметри термопар, що використовуються в ма-
кеті, однакові. Це дає можливість, використовуючи графік εT ( |
T ) , що отрима- |
ний в попередньому пункті, визначити різницю температур |
T на термоеле- |
менті для виміряних термо-ЕРС, що відповідають різним значенням струму в колі термоелемента.
4. Визначте термоелектричну здібність термопари α( T ) , величину кое-
фіцієнта Пельтьє П, ширину забороненої зони напівпровідника E . Використовуючи графік, що одержаний при виконанні П.2 завдання об-
числіть α = |
εT |
для різних T . Зробіть висновок про закон зміни α( T ) . |
|
T |
|||
|
|
58
Використовуючи дані, одержані при виконанні П.3. завдання, побудуйте
графік залежності T
I від U. Виміряйте відрізок на осі ординат і кутовий ко-
ефіцієнт K = |
( T |
I |
) |
|
|
|
|
. За допомогою формули (9.5) обчисліть коефіцієнт Пельтьє. |
|||
U |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
За допомогою формули (9.4) обчисліть ширину забороненої зони напів- |
|||||
провідникового матеріалу термоелемента. |
|
||||
9.5 Зміст звіту |
|
||||
Результати вимірювань надайте у вигляді графіків: εT ( T) , |
T I від U. |
||||
Обчисліть максимальну похибку з надійністю 0,95 і укажіть її на графіках. Результати обчислень термоелектричної здатності α, коефіцієнта Пель-
тьє, ширини забороненої зони напівпровідника наведіть у 4-му розділі звіту, вказавши похибку і надійність.
Контрольні запитання та завдання
1. Які фізичні процеси відбуваються при проходженні струму через p-n пере-
хід?
2.Поясніть ефект Пельтьє.
3.Що таке коефіцієнт Пельтьє і від чого він залежить?
4.Поясніть ефект Зеєбека.
5.Поясніть причину виникнення термо-ЕРС при нагріванні спаю термопа-
ри.
6.Що таке контактна різниця потенціалів?
7.Як можна виміряти температуру за допомогою термопари.
8.Поясніть фізичний смисл термінів: валентна зона, зона провідності, заборонена зона, ширина забороненої зони.
9.Що таке рівень Фермі, його фізичний смисл?
59
10. На що впливає зміна напрямку струму через термоелемент? Від чого залежить знак термо-ЕРС?
10 ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ СКЛА ЗА ДОПОМОГОЮ МІКРОСКОПА
10.1 Мета роботи.
Вимірювання абсолютного показника заломлення скла для білого і монохроматичного світла за допомогою плоскопаралельної пластинки і мікроскопа.
10.2 Методичні вказівки по організації самостійної роботи.
Вивчити теоретичний матеріал [3, с. 16-25, 272-280; 4, с. 64-68].
Нехай АВА1В1 являє собою перетин вертикальної площини тонкої плоскопаралельної скляної пластинки надряпана тонка лінія S (рис.10.1).
Рисунок 10.1
Плоскопаралельна пластинка, якщо дивитися на неї вздовж NS, є найпростішою оптичною системою, в якій зображення точки S знаходиться в S1, вна-
60