Лабораторные по физике / Сборник МУ часть 5 / Лаб №56

Лабораторная работа № 56

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОРЕЗИСТОРА

Цель работы:

1. Исследовать зависимость сопротивления термистора от температуры в интервале от 20 ^оС до 90 ^оС.

2. Определить основные характеристики термистора марки ММТ-1.

Теоретическое введение

Терморезистор (термистор) - один из самых простых полупроводниковых приборов. Это объемный полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры обусловлена тем, что с ростом температуры концентрация свободных носителей заряда - электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается:

n = n ₀ ×exp(-ΔE/2kT), (1)

где n₀ - концентрация свободных носителей заряда в состоянии термоди-

намического равновесия при очень высоких температурах, м^-3,

T - абсолютная температура полупроводника, К,

k - постоянная Больцмана; k = 1.38 ×10^-23 Дж/К,

ΔE - ширина запрещенной зоны полупроводника (энергия активации).

Графически эта зависимость представлена на рис. 1.

Рис.1.График зависимости концен- трации свободных носителей заря- да n от температуры T.

Так как удельная проводимость σ прямопропорциональна концентрации свободных носителей заряда n, то зависимость удельной проводимости полупроводника от температуры имеет аналогичный вид:

σ =  σ ₀×exp(- ΔE/2kT). (2)

Таким образом, проводимость полупроводника с ростом температуры увеличивается, а сопротивление соответственно падает.

Простота устройства термисторов в сочетании с нелинейной, резко выраженной зависимостью величины сопротивления от температуры привела к их широкому использованию. На основе термисторов разработаны простые и надежные схемы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температур, противопожарной сигнализации и теплового контроля машин, механизмов и других объектов, созданы схемы температурной компенсации характеристик ряда элементов электрических цепей, измерения мощности на сверхвысоких частотах, измерения вакуума, скоростей движения жидкостей и газов, теплопроводности газов и т.п. Широко используются полупроводниковые болометры, состоящие из двух термочувствительных резистивных элементов, выполненных в виде тонких полупроводниковых плёнок. Такие болометры применяются в инфракрасной технике для обнаружения слабо нагретых тел, в инфракрасной спектроскопии и т.д.  Таким образом, термисторы - чрезвычайно важный элемент электрической цепи в современной технике.

Наиболее распространенным материалом термисторов являются оксидные валентные полупроводники, в которых по крайней мере один сорт катионов принадлежит к группе переходных металлов, имеющих незаполненные 3d-оболочки и сравнительно легко меняющих в соединениях свою валентность. Температурная зависимость сопротивления термисторов, изготовленных из таких материалов, с достаточной для практики точностью в рабочем диапазоне температур аппроксимируется выражением

R_т = A ×exp(B/T), (3)

где R_т  - сопротивление терморезистора при температуре T, Ом,

А - постоянная, зависящая от физических свойств материала и геометри-

ческих размеров терморезистора, Ом,

B - постоянная, характеризующая свойства материала термистора (про-

порциональна энергии активации), К.

Постоянная В может иметь одно или два значения в интервале рабочих температур.

К основным параметрам термисторов относятся следующие:

1. Величина сопротивления термистора при определенной температуре окружающей среды. Для термисторов, рассчитанных на рабочие температуры примерно от -100 до 125 ÷ 200 ^оC, обычно указывается величина так называемого «холодного» сопротивления R_н, соответствующего температуре 20 - 25  ^оC.

2. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α = 1/R×dR/dt.

Величина ТКС измеряется в % на 1^оC. Обычно она указывается для той же температуры, что и «холодное» сопротивление, и в этом случае обозначается через α _н.

Часто приводится также величина постоянной B (в Кельвинах), т.к. она определяет температурную чувствительность термистора в рабочем диапазоне температур.

В данной работе определяются R_н, α_н и B для термистора марки ММТ-1, выполненного на основе медно-марганцевого оксидного полупроводника, с диапазоном рабочих температур от -60 до +125 ^оC.

Описание установки

Установка для определения основных параметров термисторов (рис.2) состоит из сосуда 1 с дистиллированной водой, в которой находится исследуемой образец 2. Сосуд нагревается электропечью 3 или охлаждается вентилятором 4. Сопротивление термистора измеряется с помощью моста Уитстона 5. Измерение температуры воды в сосуде производится ртутным термометром 6. Включение установки производится выключателем S1, о чём сигнализирует лампа EL1. Переключение нагрев-охлаждение осуществляется переключателем S2, лампа EL2 сигнализирует, ч то электропечь 3 включена.

Рис. 2. Схема установки для снятия характеристик термистора

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

1. Измерить с помощью моста Уитстона величины сопротивлений нескольких резисторов с известными номиналами. Сравнить полученные результаты с номиналами.

2. Измерить «холодное» сопротивление данного термистора R_н при температуре окружающей среды t_н (как вынутого из сосуда с водой и высушенного с помощью вентилятора, так и погруженного в воду). Убедиться, что эти значения совпадают, то есть погрешность, вносимая сопротивлением воды, невелика.

3. Снять экспериментально зависимость сопротивления термистора от температуры в интервале от 25 ^оC до 90 ^оC, сначала повышая, а затем понижая температуру воды в сосуде 1.

4. Построить график зависимости ln(R) = f(1/T). Убедиться, что экспериментальные точки ложатся на прямую линию.

5. Определить постоянную B по формуле:

B = (( Т_н×Т )/ΔТ)×ln(R_н/R) (4)

где Т_н  - начальная температура термистора, K,

ΔТ - превышение температуры термистора над начальной, K,

R - сопротивление термистора при температуре Т.

6. Оценить погрешность определения постоянной B.

7. Определить ТКС  термистора α_н, соответствующий начальной темпера-

туре Тн:

 α_н = - B/T_н², (5)

8. Оценить погрешность найденного значения ТКС α_н.

Контрольные вопросы

1. Понятие о зонной теории твердого тела.

2. Металлы, диэлектрики и полупроводники в зонной теории.

3. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

4. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры.

5. Терморезисторы, их основные параметры и область применения.

Список рекомендуемой литературы

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2003. - §§ 240 – 243.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.-.: 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1999. - §§ 43.1 - 43.5.

3. Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука., 1987. -§§ 42, 43.

4. Грабовский Р.И. Курс физики (для сельскохозяйственных вузов): Учеб. пособие. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 1980. - Часть II, §§16, 19.

4