- •Материалы конструкций электронной техники
- •Лабораторная работа №1 Исследование зависимости электропроводности полупроводника от напряженности внешнего электрического поля.
- •Лабораторная работа №2 Исследование полупроводниковых терморезисторов
- •Лабораторная работа №4 Исследование характеристик ферромагнитных материалов
- •Зарисовать изображение предельной петли гистерезиса на кальку.
- •Снять частотную зависимость удельных потерь энергии и мощности удельных потерь.
- •Градуировка осей осциллографа.
- •Лабораторная работа № 5 Исследование магнитной проницаемости магнитомягких материалов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 Исследование термоэлектрического эффекта
- •Лабораторная работа №7 Исследование электропроводности проводниковых материалов
- •При помощи штангенциркуля и линейки производятся необходимые геометрические измерения, позволяющие вычислить длину l и площадь поперечного сечения s проводников.
- •Лабораторная работа №8 Исследование диэлектрической проницаемости и электрических потерь диэлектрических материалов
- •Измерить емкости и tgδ экспериментальных конденсаторов с различными диэлектрическими материалами.
- •Снять зависимости изменения емкостей c и tgδ от температуры в диапазоне от 0 до 100 ºС для заданных преподавателем образцов конденсаторов, серийно выпускаемых промышленностью.
Лабораторная работа №7 Исследование электропроводности проводниковых материалов
Цель работы
-
Изучение основных электрических характеристик проводниковых материалов.
-
Экспериментальное исследование температурных зависимостей электрических сопротивлений металлов и сплавов.
Пояснения к работе
Одним из основных параметров, характеризующих свойства проводниковых материалов, является удельное сопротивление ρ.
Оно измеряется в Ом*м или . Ом*мм2/м.
Тогда сопротивление R любого проводникового образца длиной l и площадью поперечного сечения S может быть вычислено по известной формуле:
(1)
Величина, обратная ρ, называется удельной электрической проводимостью γ. Этот параметр учитывает вклад обеих характеристик носителей заряда в проводнике - концентрации n и подвижности μ, что подтверждается для плотности тока I в образце,
(2)
где V - скорость электрона в электрическом поле: е -заряд электрона.
Тогда, с учетом того, что ,
(3)
где U – напряжение, приложенное к образцу (Е = U/l), создающее электрическое поле. Сравнение выражении (3) и (1) показывает, что
(4)
Уравнение (4) указывает на двойственную природу удельной электропроводности - зависимость от концентрации носителей и их подвижности.
Зависимость удельной электропроводности от температуры, исходя из выражения (4), можно объяснить только зависимостью от температуры подвижности, которая из электронной теории может быть представлена как:
(5)
где λСР - средняя длина свободного пробега электрона, m -масса электрона.
Из выражений (4) и (5) следует, что удельная электропроводность может определяться только температурными зависимостями скорости движения электрона V и длиной его свободного пробега. Что касается скорости V, то она практически не зависит от температуры, т.к. изменение скорости привело бы к переходу электронов на более высокие энергетические уровни, а в электронном газе зоны проводимости эти уровни заняты. Таким образом, зависимость электропроводности проводника от температуры может определяться только длиной свободного пробега электрона в решетке. Из физики твердого тела известно, что λСР уменьшается при повышении температуры. Следовательно, и удельная электропроводность будет уменьшаться при увеличении температуры. Последнее хорошо подтверждается экспериментальными исследованиями в данной работе.
На основании выражений (4), (5) величину удельного сопротивления можно определить как:
(6)
При кусочно-линейной аппроксимации этой зависимости величина удельного сопротивления ρ2 в конце диапазона (при температуре Т2 ) может быть определена как:
(7)
где ρ1 - удельное сопротивление в начале диапазона, величина αp - характеризует средний температурный коэффициент удельного сопротивления на данном диапазоне температуры и может быть рассчитана как:
(8)
или в дифференциальной форме:
(9)
На практике αр с учетом выражения (1) вычисляется методом графического дифференцирования зависимости R = f(T) как:
(10)
Сопротивление образца, используемое для дальнейших расчетов, определяется в результате обработки экспериментальных данных по следующей формуле:
(11)
где i = 1,2,4,5;
Ricp – среднее арифметическое значение сопротивления i-го образца при нагреве Riн и охлаждении Riо для одной температуры;
R3 – сопротивление соединительных проводов.
Задание к работе
-
Произвести измерения сопротивлений пяти образцов проводниковых материалов при комнатной температуре (R3 – сопротивление соединительных проводов).
-
Снять экспериментальные зависимости сопротивлений 1, 2, 4, 5 образцов в диапазоне температур от комнатной до 160 ºС с шагом 10 ºС.
-
На основе экспериментальных зависимостей, полученных, по п.2 задания и формуле (11), построить графики зависимостей ρ(Т), найденные по формуле (1).
-
Вычислить значения средних температурных коэффициентов удельного сопротивления для всех исследуемых образцов на двух интервалах температур, заданных преподавателем.
Содержание отчета
-
Титульный лист;
-
Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);
-
Исходные данные и данные эксперимента;
-
Расчет значений ρ(Т);
-
Графики зависимостей ρ(Т);
-
Значения αр для двух интервалов температур и образцов, заданных преподавателем;
-
Выводы.
Описание лабораторной установки
Установка состоит из печи 1, в основании которой размещены два нагревательных элемента 2 (рис.1) и датчик цифрового термометра (либо ртутный термометр 3). На тыльной стороне внутренней стенки печи при помощи электрического разъема установлена плата 4 с исследуемыми образцами проводниковых материалов (R1 – константан, R2 – нихром, R3 – соединительный провод, R4 – никель, R5 – манганин).
Рис.1. Функциональная схема экспериментальной установки
Концы исследуемых проводников через разъем XS1 подключены к переключателю SA2 и выведены на клеммы XS2. К клеммам XS2 подключается омметр 5. Переключатель SA2 служит для поочередного подключения исследуемых образцов проводниковых материалов к омметру.
Порядок проведения лабораторной работы