Измерение температуры терморезистором

Цель работы: изучение способа измерения температуры с помощью терморезистора.

Приборы и принадлежности: терморезистор, жидкостный термометр, измерительный мост постоянного тока, электроплитка, сосуд со льдом.

При измерении температуры изменяется проводимость чистых металлов, сплавов и полупроводников. Сопротивление металлов при увеличении температуры увеличива­ется, так как подвижность носителей заряда уменьшается вследствие возрастания числа столкновений их с атомами кристаллической решетки, т.е. уменьшения средней длины свободного пробега. У полупроводников при нагревании увеличивается концентрация свободных носителей заряда, что приводит, несмотря на уменьшение их подвижности, к уменьшению сопротивления по экспоненциальному закону. Сопротивление металлов при изменении температуры на 1К изменяется примерно на 0,4–0,6%, у полупровод­ников соответствующие изменения сопротивления в 8–10 раз больше, чем у металлов.

Это свойство металлов и полупроводников используется для измерения темпера­туры. Приборы, основанные на зависимости сопротивления металлов от температуры, называются термометрами сопротивления, в случае полупроводников – терморези­сторами или термисторами. Они представляют собой температурные датчики, входной величиной которых является температура, а выходной – сопротивление.

Термометры сопротивления изготавливаются из тонкой металлической проволо­ки, намотанной на каркас из изолирующего материала. Они имеют линейную характе­ристику. Чувствительным элементом терморезисторов является кристаллический полу­проводник, имеющий малые размеры, что делает терморезисторы очень удобными для медицинских и биологических исследований. Вследствие малых размеров терморези­сторы обладают малой теплоемкостью, что значительно повышает точность измерения температуры. Существенным недостатком терморезистора является нелинейность его характеристики. Однако характеристики отдельных элементов отличаются высокой стабильностью во времени.

Для измерения температуры термометрами сопротивления и терморезисторами их предварительно градуируют, т.е. строят график зависимости сопротивления от темпера­туры.

Описание установки

Установка состоит из терморезистора, помещенного в специальный защитный футляр, и измерительного моста (ИМ) постоянного тока. Терморезистор опус­кают в сосуд с водой. Вода подогрева­ется, а изменение температуры фикси­руется жидкостным термометром (рис.1).

И змерительный мост состоит из четырех резисторов, гальванометра и

источника питания. Схема собрана так, чтобы резисторы образовывали четырехугольник, в две диагонали которого включены соответственно гальванометр и ис­точник питания (рис.2).

Если потенциалы точек 2 и 4 одинаковы, то через гальванометр ток не пройдет. Определим соотношение сопротивлений резисторов в том случае, когда через гальванометр не идет ток. По закону Ома

,

,

,

.

Если U₂ = U₄, то I₁ = I₂ и I₃ = I₄. Тогда левые части первых двух или двух вторых уравнений равны друг другу, откуда

I₁R₁ = I₂R₂; I_tR_t = IR.

Тогда или ,

откуда , (*)

т.е. зная три сопротивления можно определить четвертое.

При нажатой кнопке К (рис.3) и выбранном положении переключателя 2, меняя величину R (шкала переключателя 1), добиваются, чтобы ток через гальванометр Г стал равным нулю. В этом случае мост находится в равновесии и выполняются условия:

если R₁ = R₂, то R_t = R;

е сли , то R_t = 10R;

если , то R_t = 100R и т.д.

С помощью переключателя 2 (рис.3) можно менять отношение .

Величина этого отношения показана на шкале переключателя. Значит для определения R_t надо величину сопротивления R, показанную на шкале 1, умножить на показания переклю­чателя 2.