Визначення температурного коефіцієнта опору металу й дослідження залежності опору напівпровідника від температури

Завдання роботи:

визначити температурний коефіцієнт опору металу та одержати графічну залежність опору терморезистора від температури.

Обладнання:

набірне поле «Школяр», трубчастий нагрівач, досліджуваний зразок металу (нагрівальна спіраль), терморезистор, датчик напруги, датчик струму, датчик температури, з’єднувальні провідники, джерело струму, АЦП (аналогово-цифровий перетворювач) Einstein LabMate+, кабель для під’єднання датчика, ПК.

Основні терміни та поняття

Електричний опір ЗАКОН ОМА ДЛЯ ДІЛЯНКИ КОЛА. ОПІР МЕТАЛЕВИХ ПРОВІДНИКІВ. НАДПРОВІДНІСТЬ – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Електропровідність напівпровідників. Власна і домішкова провідність напівпровідників ВЛАСНА І ДОМІШКОВА ПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ – СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ ЗАСТОСУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКІВ – СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд обладнання

Проходження електричного струму в металах забезпечується вільними електронами, які можуть рухатися незалежно від валентних зон. Середовище проходження струму в металах може створювати опір подібному руху. Це проявляється в наявності в провідника опору, який залежить від температури. Дослідження цієї залежності дало змогу для більшості металів отримати такий закон:

R = R0(1+αt), (1)

де R – опір провідника за певної температури;
R0 – опір провідника за 0°C;
t – температура за шкалою Цельсія;
α – температурний коефіцієнт опору.
У напівпровідниках проходження струму забезпечують два роди носіїв – електрони й вакансії, що утворювалися на валентних зонах. Кількість вакансій, так само і кількість електронів, прямо залежить від умов, у яких перебуває напівпровідник – температури й освітленості. Підвищення температури або збільшення освітленості призводить до різкого зростання розірваних зв’язків електронів з атомами. Переходячи в область провідності, вони фактично збільшують концентрацію носіїв заряду; відповідно, зменшується опір середовища. На цій основі створені напівпровідникові нелінійні елементи – термо- і фоторезистори.

Хід роботи

1. Установіть на столі штатив, закріпивши в ньому трубчастий нагрівач і помістивши в нього досліджуваний зразок.
2. Зберіть електричне коло з досліджуваним зразком.
3. З’єднаєте датчик струму послідовно з досліджуваним зразком, датчик напруги паралельно йому.
4. Під’єднайте електричне коло і трубчастий нагрівач до джерела струму (12 В для нагрівача й регульована постійна напруга для зразка приблизно 6 В).
5. Помістіть у трубчастий нагрівач датчик температури.
6. З’єднайте АЦП із USB-входом вашого ПК (дочекайтеся моменту, коли світлодіод на АЦП змінить колір з червоного на жовтий або зелений).
7. З’єднайте з АЦП датчики струму, напруги і температури.
8. Підготуйте в зошиті таблицю для занесення результатів.
9. Запустіть програму MiLAB, обравши іконку .
10. Натисніть кнопку на АЦП так, щоб світлодіод почав блимати.
11. Оберіть внизу вікна «Повне налаштування».
12. Оберіть дискретизацію «Авто», частоту замірів – 10 замірів на секунду, кількість замірів – 5000.
13. Оберіть «Мінімальні налаштування».
14. Увімкніть джерело струму.
15. Натисніть кнопку «Старт» .
16. Дочекайтеся завершення реєстрації даних.
17. Вимкніть джерело струму.
18. Замініть у нагрівачі досліджуваний металевий зразок на терморезистор.
19. Увімкніть джерело струму.
20. Натисніть кнопку «Старт» .
21. Дочекайтеся завершення реєстрації даних.
22. У верхньому меню оберіть вкладку «Робочий простір» – «Вікно графіка» .
23. У вікні «Історія» оберіть дані попереднього вимірювання і перемістіть «перетягуванням» папку в новостворене вікно.
24. Оберіть вкладку «Аналіз».
25. Установіть «Перший курсор» на графіку струму й виберіть «Лінійну апроксимацію» .
26. У верхньому меню виберіть кнопку «Математичні функції» . Виберіть вкладку «Перетворення» – «Ділення».
27. Виберіть дані «Напруга» й «Лінійна апроксимація сили струму».
28. Натисніть «Ок».
29. Виберіть вісь х – температура, y – результат ділення напруги на силу струму.
30. Установіть «Перший курсор» на отриманий графік і виконайте лінійну апроксимацію.
31. Зчитайте рівняння біля курсору. Доданок зі змінною, множник якого чисельно рівний R0α, де R0 – опір зразка при 0°С. Другий доданок – це і є R0. Занесіть значення R0 у таблицю.
32. Відкрийте графік другого виміру для терморезистора.
33. Повторіть кроки 25…31 для цього графіка.

Аналіз даних

Розрахуйте й занесіть у таблицю температурний коефіцієнт опору α.

Таблиця результатів