9. После оформления отчета и проверки результатов преподавателем необ­ходимо разобрать схему, предоставить комплект в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту.

6.7. Содержание отчета

1. Название работы. Цель работы.

2. Используемое оборудование и схемы электрических соединений.

3. Результаты измерений.

4. Результаты расчётов и построенные опытные зависимости (графики).

5. Краткие выводы по каждой работе, анализ полученных результатов:

– сравнение опытных зависимостей (графиков) с теоретическими;

– сравнение полученных экспериментальных значений с табличными, с обязательными ссылками на источники информации;

– сопоставление их расхождений с точностью измерений.

6. Обобщающий вывод по всей лабораторной работе. Вывод включает в себя:

а) основные численные результаты работы;

б) погрешность измерений, в случае относительной погрешности более 15% обязательны анализ и указание причин, приведших к снижению точности эксперимента.

6.8. Контрольные вопросы

1.Опишите механизм проводимости электрического тока в проводнике.

2. Как влияют геометрические размеры проводника на его сопротивление?

3. Приведите формулу для расчета сопротивления проводника.

4. Назовите методы измерений сопротивления проводника.

5. Какие методы измерения сопротивления из рассмотренных в теоретиче­ской части являются более точными?

6. Какой метод измерения сопротивления лежит в основе работы цифрового омметра?

Лабораторная работа № 7

ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ
СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА

7.1. Цель работы

Изучить зависимость сопротивления проводника от температуры. Научиться определять темпе­ратурный коэффициент сопротивления.

7.2. Задачи работы

1. Для исследуемых образцов определить темпе­ратурные коэффициенты сопротивления ТК_R.

7.3. Краткие теоретические сведения

Концентрация п электронов проводимости в металлических про­водниках от температуры не зависит, однако от температуры зависит их подвижность а. С увеличением температуры возрастают тепловые колебания узлов кристаллической решетки и создаются большие препятствия на пути дрейфа электронов, что приводит к снижению их подвижности а; в результате удельная электропроводность  уменьшается (см. формулу (6.1)), а обратная ей величина удельное сопротивление  = 1 /  растет.

Величина, на которую изменится удельное сопротивление про­водника при изменении его температуры на 1 К, называется темпе­ратурным коэффициентом удельного сопротивления ТК_ (_). Диффе­ренциальное выражение ТК_, К^–1, имеет вид:

.

На практике пользуются средним значением ТК_.ср, К^–1, для опре­деленного интервала температур:

,

где ₁ и  ₂ – удельные сопротивления проводника при температурах T₁ и Т₂ соответственно, при этом Т₂ > Т₁.

Таким образом, сопротивление проводника R при температуре t находится по формуле

---

, (7.1)

где R₀ – сопротивление проводника при температуре t₀ = 20 °C.

Из (7.1.) следует, что зависимость R(t) имеет вид:

где ₁ = R₀_.ср – угловой коэффициент графика.

Из графика зависимости R(t) (рис. 7.1) определяются коэффициенты α₁ и R₀.

Рис. 7.1. График зависимости R(t)

Коэффициент α₁ находится как тангенс угла наклона графика:

.

Коэффициент α находится из выражения:

.

где R₀ - значение R при t = 20, определяется из графика.

В данной лабораторной работе исследуется ТКС проводников (сплав меди и сплав вольфрама), проволочного и угольного резисторов.

7.4. Используемое оборудование

«Модуль питания», модуль «Магнитомягкие материалы и тепловой коэффициент сопротивления / емкости», модуль «Мультиметры», «Из­меритель RLC», минимодули «ТКС проводников» и «ТКС резисторов», соедини­тельные проводники.

7.5. Задание на выполнение лабораторной работы

1. Для исследуемых образцов построить графики зависимости сопротивления проводников от температуры.

2. Определить темпе­ратурные коэффициенты сопротивления ТК_R.

3. Сравнить результаты со справочными данными.

7.6. Программа работы

1. Прочитать методические указания по подготовке и проведению лабораторной работы.

2. Получить у преподавателя вариант задания исходных данных к работе.

3. При ознакомлении с рабочим местом проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводников (в случае отсутствия какого-либо ком­плектующего элемента типового комплекта необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю или техническому персоналу);

4. Перед сборкой цепи проверить, чтобы все приборы на рабочем столе бы­ли выключены;

5. Согласно рис. 7.2 выполнить электрические соединения модулей. Монтаж схемы производить при отключенном питании.

В качестве источника питания для нагрева использовать нерегулируемый выход «+15В» модуля питания. Установить минимодуль «ТКС проводников» в соответствующие гнезда модуля «Магнитомягкие материалы и тепловой коэффициент сопротивления / емкости» (минимодуль выделен пунктирной линией), рас­полагать его так, как указано на рис. 7.2.

В качестве омметра Р1 использовать RLC-метр, выбрать режим измерения сопротивлении, нажимая кнопку L/C/R; диапазон измерения выбирается автома­тически при измерении.

После проверки правильности соединений схемы преподавателем или лабо­рантом, подать напряжение питания на комплект включением автоматического выключателя и УЗО «Модуля питания».

Включить мультиметр. На мультиметре установить режим измерения тем­пературы «°С» на индикаторе будет отображена комнатная температура. Под­ключить термопару с вилкой к входу «TEMP» мультиметра и, в случае если пока­зания температуры на мультиметре ниже комнатных, изменить полярность под­ключения выводов термопары.

Рис. 7.2. Схема электрическая соединений типового комплекта для измерения ТКС проводников

---

6. Измерить сопротивление проводников при комнатной температуре. По­лученные значения заносить в табл. 7.1.

Таблица 7.1

№ п.п.	Температура Т, °С	Сопротивление проводника R, Ом
		Нагревание				Охлаждение				Среднее сопро­тивление <R>, Ом
		1	2	3	4	1	2	3	4	1	2	3	4
	20
	25
	…

7. Контролировать показания термометра и омметра, и через каждые 5-10 °С одновременно заносить значения сопротивлений проводников и температуры в табл. 7.1. Для переключения между проводниками использовать тумблер SA1. Верхнее положение тумблера соответствует угольному резистору минимодуля «Резисторы» и сплаву вольфрама минимодуля «ТКС проводников», нижнее по­ложение тумблера - проволочному резистору и сплаву меди соответственно. Из­мерения проводить до 100 ^СС. Если скорость нагрева высока, снизить напряжение регулятором модуля питания, повернув его против часовой стрелки на угол 30°–50°. НЕ ДОПУСКАЕТСЯ НАГРЕВАТЬ ОБРАЗЦЫ ВЫШЕ 100°С

8. Вынуть штырь из гнезда «+15B» модуля питания (разрешается выпол­нять при включенном питании комплекта) и провести измерения в тех же темпе­ратурных точках при охлаждении образцов. Полученные значения заносить в табл. 7.1. Так как охлаждение ниже 40 °С происходит значительно медленнее, допускается не охлаждать ниже 30 – 40 °С (по указанию преподавателя).

9. Заменить минимодуль «ТКС проводников» на «ТКС резисторов» и по­вторить измерения в соответствии с пунктами 3-5.

10. После оформления отчета и проверки результатов преподавателем необ­ходимо разобрать схему, предоставить комплект в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту.

11. По данным табл. 7.1 построить графики зависимостей сопротивлений проводников <R> от температуры. За начало координат принять точку 0 °С. Вы­бранные масштабы должны обеспечить угол наклона графиков не менее 40°.

12. По графикам определить сопротивление проводников при температуре 0 °С значение углового коэффициента ₁. Сравнить полученное значе­ние ТКС со справочными данными для материала проводников.

13. Сделать вывод о различии ТКС технически чистых металлов и проводников, используемых для изготовления резисторов. Сопоставить полученные ре­зультаты с теоретическими положениями.

---

7.7. Содержание отчета

1. Название работы. Цель работы.

2. Используемое оборудование и схемы электрических соединений.

3. Результаты измерений.

4. Результаты расчётов и построенные опытные зависимости (графики).

5. Краткие выводы по каждой работе, анализ полученных результатов:

– сравнение опытных зависимостей (графиков) с теоретическими;

– сравнение полученных экспериментальных значений с табличными, с обязательными ссылками на источники информации;

– сопоставление их расхождений с точностью измерений.

6. Обобщающий вывод по всей лабораторной работе. Вывод включает в себя:

а) основные численные результаты работы;

б) погрешность измерений, в случае относительной погрешности более 15% обязательны анализ и указание причин, приведших к снижению точности эксперимента.

7.8. Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие проводников, и диэлектриков?

2. Проводники с каким ТКС используются для изготовления резисторов?

3. Приведите определение ТКС проводника? Единицы его измерения.

4. Приведите определение положительного и отрицательного ТКС?

5. Описать метод определения температурного коэффициента сопротивления.

Лабораторная работа № 8

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И
ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

8.1. Цель работы

Изучить явления, возникающие при контакте двух проводников, измерить термоэдс.

8.2. Задачи работы

Определить удельную термоэдс исследуемой термопары медь-хромель.

8.3. Краткие теоретические сведения

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов. Это явление открыл итальянский физик А. Вольта в 1797 г. Согласно квантовой теории, основной причиной появления разности потенциалов на контакте является различная энергия Ферми у сопрягаемых металлов.

Пусть в изолированном состоянии электронный газ в металлах А и В характеризуется энергиями Ферми W_F^A и W_F^B отсчитываемыми от дна зоны проводимости (рис. 8.1, а). Термодинамические работы выхода электронов равны соответственно A_А и A_В . Кинетическая энергия электронов, находящихся на уровне Ферми, в различных металлах различна. Поэтому при контактировании материалов возникает более интенсивный переход электронов из области с большим значением энергии W_F в область, где энергия меньше, т. е. из металла В в металл А. Действительно, электроны стремятся занять состояние с минимальной энергией. Невероятно, чтобы в одном из металлов оставались свободными состояния с низкой энергией, в то время как в другом металле заполнены состояния с более высокой энергией. Фактически переход электронов из металла В в металл А есть переход электронов в данной системе на более низкие энергетические уровни. В результате такого процесса металл В заряжается положительно, а металл А – отрицательно; между ними возникает разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу носителей заряда. Равновесие наступит тогда, когда работа электрона по преодолению сил возникшего поля станет равной разности энергий электронов, переходящих через контакт (см. рис. 8.1,б):

---

Рис. 8.1. Механизм формирования термо-ЭДС в проводниках:

а) электронного газа в материалах А и В; б) энергия контакта материалов.

, (8.1)

где е – заряд электрона (–1,6 10^-19 Кл).

Таким образом, внутренняя контактная разность потенциалов определяется как разность энергий Ферми, отсчитываемых от дна зоны проводимости, для изолированных металлов А и В.

Наличие контактного поля обеспечивает равенство потоков электронов из одного металла в другой в состоянии равновесия. Так как скорости хаотического движения электронов весьма велики, равновесие устанавливается очень быстро – за время ~ 10¹⁶ с. В условиях установившегося равновесия уровень Ферми в обоих металлах должен быть одинаков: энергетические уровни в металле, зарядившемся отрицательно, поднимутся, а в металле, зарядившемся положительно, опустятся. Благодаря заряду областей выравнивание уровней может произойти при переходе небольшого количества электронов. Двойной электрический слой d, существующий в области контакта, очень тонок (порядка периода решетки) и не влияет на прохождение электрического тока через контакт. Так как энергия Ферми в металлах имеет значение порядка нескольких электрон-вольт, то контактная разность потенциалов между двумя металлами может составлять от десятых долей до нескольких вольт.

Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, называют термопарой (рис. 8.2). При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах разомкнутой цепи появится разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой. По имени первооткрывателя это явление получило название эффекта Зеебска. Как показывает опыт, в относительно небольшом температурном интервале термоэдс пропорциональна разности температур контактов (спаев):

(8.2)

где _Т – относительная дифференциальная или удельная термоэдс.

Рис. 8.2. Схематичное изображение термопары

Значение _Т зависит от природы соприкасающихся проводников и температуры. Термоэдс в контуре складывается из трех составляющих. Первая из них обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов. В металлах с увеличением температуры уровень Ферми, хотя и слабо, но смещается вниз по энергетической шкале. Поэтому на холодном конце проводника он дол жен располагаться выше, чем на горячем. Следствием смещения уровня Ферми и является возникновение контактной составляющей термоэдс.

Вторая составляющая термоэдс обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным. Средняя энергия электронов в металле, хотя и немного, но все же изменяется с температурой. Электроны, сосредоточенные на горячем конце, обладают несколько большей кинетической энергией и большей скоростью движения по сравнению с носителями холодного конца. Поэтому они в большем числе диффундируют в направлении температурного градиента, чем в обратном. Диффузионный поток, унося отрицательный заряд из горячего конца в холодный, создает между ними разность потенциалов.

---

Смотрите также файлы

• Макро 2 семестр.docx

• Компьютерный английский Met_196.doc

• Информатика.docx

• Задачи по физике.docx

• дневник ПГС.doc