Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам

 

Электрорадиоматериалы Методические указания к лабораторным работам

 

Санкт-Петербург

2000

УДК 621.315.4

Составители: ст. преп. Г. И. Иванова, доценты Г. А. Татарникова, Б. В. Фролов, С.А. Гусев.

Подготовка к переизд.: доценты С.А. Гусев, И.К. Желанкина, Л.Ф. Погромская; под ред. С.А.Гусева.

Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам./ Под ред. С.А.Гусева. Изд. второе пер. и доп.; Балт. гос. техн. ун -т, СПб., 2000, с.

Ил. 26, табл. 18.

©

Содержание

Работа 1. Исследование электрических свойств проводниковых материалов........ 4

1. Краткие сведения из теории...................................................................................................................................... 4

2. Описание экспериментальной установки......................................................................................................... 6

3. Порядок проведения работы....................................................................................................................................... 6

4. Оформление отчета........................................................................................................................................................ 7

Работа 2. Исследование свойств терморезисторов............................................................................. 7

1. Краткие сведения из теории....................................................................................................................................... 7

2. Описание экспериментальной установки.......................................................................................................... 9

3. Порядок выполнения работы...................................................................................................................................... 9

4. Оформление отчета...................................................................................................................................................... 10

Работа З. Исследование свойств варисторов......................................................................................... 11

1. Краткие сведения из теории..................................................................................................................................... 11

2. Описание экспериментальной установки........................................................................................................ 12

3. Порядок выполнения работы................................................................................................................................... 13

4. Оформление отчета...................................................................................................................................................... 14

Работа 4. Исследование свойств фоторезисторов............................................................................... 14

1. Краткие сведения из теории..................................................................................................................................... 14

2. Описание экспериментальной установки........................................................................................................ 16

3. Порядок проведения работы..................................................................................................................................... 16

4. Оформление отчета...................................................................................................................................................... 17

Работа 6. Исследование свойств сегнетоэлектриков..................................................................... 17

1. Краткие сведения из теории..................................................................................................................................... 17

2. Описание экспериментальной установки........................................................................................................ 19

3. Порядок выполнения работы................................................................................................................................... 19

4. Оформление отчета...................................................................................................................................................... 21

Работа 7. Исследование свойств ферромагнитных материалов.......................................... 21

1. Краткие сведения из теории..................................................................................................................................... 21

2. Описание экспериментальной установки........................................................................................................ 23

3. Порядок выполнения работы................................................................................................................................... 24

4. оформление отчета...................................................................................................................................................... 25

Работа 1. Исследование электрических свойств проводниковых материалов

Цель работы:

1) определение удельных сопротивлений проводниковых материалов низкого и высокого сопротивления и их зависимости от температуры;

2) определение зависимости величины электродвижущей силы термопар от температуры;

3) оценка длины свободного пробега электронов в раз­личных проводниковых материалах.

1. Краткие сведения из теории

Основные свойства проводниковых материалов характе­ризуются величиной удельного сопротивления электриче­скому току r, температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления a_r (ТК_r), величиной термоэлектро­движущей силы Е_Т.

Наилучшими проводниками электрического тока являются металлы. Механизм протекания тока в металлах, находя­щихся в твердом или жидком состояниях, обусловлен дви­жением свободных электронов, поэтому металлы являются материалами с электронной электропроводностью.

Электропроводность металлов зависит от совершенства кристаллической решетки: чем меньше дефектов имеет кристаллическая решетка, тем выше электропроводность. Поэтому чистые металлы обладают наименьшими значениями удельного сопротивления, а сопротивление сплавов всегда выше сопротивлений металлических компонентов, входящих в их состав.

 Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на проводники малого сопротивления (r £ 0,1 мкОм×м) – медь, серебро, алюминий и т. д., и проводники (сплавы) высокого сопро­тивления. Последние в свою очередь делятся на термостойкие сплавы для электронагревательных приборов – ни­хром, хромаль, фехраль и др., и термостабильные сплавы для образцовых резисторов – манганин, константан.

B соответствии с электронной теорией металлов:

,  (1.1)

где m_o = 9,109×10^-31 кг, e = 1,602×10^-19 Кл – масса покоя и заряд электрона; » 10⁵ м/с – средняя скорость теплового движения электронов; n_o = 10²⁸ м^-3 — число электронов в единице объема; l_ср – средняя длина свобод­ного пробега электронов.

Величина удельного электрического сопротивления проводников в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов l_ср. С повышением тем­пературы амплитуда колебаний узлов кристаллической решетки увеличивается, средняя длина свобод­ного пробега электронов уменьшается (рис.1.1), а удельное сопротивление возрастает. произведение удельного сопро­тивления на величину средней длины свободного пробега электрона является величиной постоянной r×l_ср = а = const.

Температурным коэффициентом удельного сопротивления a_r(ТК_r) называется относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один Кельвин (градус):

(1.2)

Зависимость удельного сопротивления от температуры вызывается не только уменьшением длины свободного пробега электронов, но и увеличением линейных размеров про­водника. Поэтому a_r имеет две составляющие: a_r = a_R +a_l,  (1.3)

где a_R – температурный коэффициент сопротивления в дан­ном интервале температур; a_l – температурный коэффициент линейного расширения проводника, значения которого при­ведены в табл. 1.1. У чистых металлов a_r>> a_l, поэтому для них a_r» a_R. для термостабильных металлических сплавов такое приближение не справедливо.

Таблица 1.1

Металлы и сплавы	al ×10-4, K-1
Медь	0,167
Константан	0,17
Манганин	0,181
Нихром	0,163

Температурный коэффициент электрического сопротивле­ния (ТК_R) резистора определяется выражением

, (1.4)

где R_o –сопротивление проводника при температуре Т_о. Производная  определяется по касательной к кривой R(T) (рис.1.2). Для определения производной dR/dT = dR/dq (Т – температура в градусах Кельвина, q – в °С) строится зависимость R(q) (рис. 1.2). При заданной температуре (точка A) проводится касательная к кривой R(q), на кото­рой выбирается участок ab произвольной длины. Производ­ная определяется выражением dR/dq » DR/Dq.

экспериментально удельное электрическое сопротивление определяется по формуле:

, (1.5)

где R – электрическое сопротивление проводника, S, I – площадь поперечного сечения и длина проводника.

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов. Причиной этого являются неодинаковые значения работ выхода элек­тронов и различные значения концентрации свободных элек­тронов в соприкасающихся металлах.

Термопарой называется устройство, содержащее спай двух проводников или полупроводников. Если спай двух металлов А и В (термопара) имеет температуру T₁, а свободные (неспаянные) концы темпера­туру T₂, причем T₁>T₂, то между свободными концами возникает термо-э.д.с.

, (1.6)

где – коэффициент термо-э.д.с. или относительная удельная термо-э.д.с., k=1,381×10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, е – заряд электрона, п₁, п₂ – концентрации свободных электронов в соприкасающихся металлах.

В термопарах используют проводники, имеющие большой и стабильный в рабочем диапазоне температур коэффициент термо-э.д.с.

2. Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка изображена на рис. 1.3. Образцы проволочных резисторов R₁–R₄, изготовленные из меди, константана, манганина и нихрома, металлопленочный резистор МЛТ-1 (R₅) и термопары ТП1–ТП3 поме­щаются в термостат 1 с термометром 2. Электрическое сопро­тивление резисторов измеряется омметром 3, э.д.с. термопар – милливольтметром 4. Пере­ключатели П₁ и П₂ размещены на плате 5 и позволяют поочередно подключать к измерителям исследуемые проводники и термопары. Там же приведена таблица с указанием вида, длины и сечения исследуемых проводников. 3. Порядок проведения работы

Внимание: все измерения по последующим пунктам проводятся одновременно.

3.1. Определение удельного электрического сопротивления проводников и вычисление a_R, a_r.

Проводники, поме­щенные в термостат, поочередно подключить к входным зажимам омметра и замерить их сопротивления сначала при комнатной температуре, а затем при повышении температуры до 90 °С с шагом 10 ^оС. Результаты измерений записать с максимальной точностью в табл.1.2.

Таблица 1.2

проводник	q, oС	20	30	40	50	60	70	80	90
медь	R1
	r1
	aR1
	ar1
Константан	R2
	…
…	…