Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»




НазваниеМетодические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»
страница2/5
Дата публикации24.05.2013
Размер0.5 Mb.
ТипМетодические указания
litcey.ru > Физика > Методические указания
1   2   3   4   5
Лабораторная работа №2

«Исследование температурной зависимости электрического сопротивления металлов и полупроводников»

Краткие теоретические сведения

^ Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от —260 до 750°С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000°С.

Действие термометров сопротивления основано на свойстве веще­ства изменять свое электрическое сопротивление с изменением тем­пературы. При измерении температуры термометр сопротивления погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре сре­ды, в которой он находится. При этом необходимо иметь в виду, что длина чувствительного элемента (ЧЭ) у большинства термометров сопро­тивления составляет несколько сантиметров, и поэтому при наличии температурных градиентов в среде термометром сопротивления измеряют некоторую среднюю температуру тех слоев среды, в кото­рых находится его чувствительный элемент.

Раньше считали, что наиболее подходящим материалом для изго­товления термометров сопротивления являются только чистые металлы. Однако исследования последнего времени показали, что ряд полупроводников так же могут быть использованы в качестве материала для изготовления термометров сопротивления.

Температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) называется отношение приращения сопротивления к приращению температуры:

, (2.1)

где

α – температурный коэффициент сопротивления;

ΔT – приращение температуры;

ΔR – приращение сопротивления.

Известно, что подавляющее большинство металлов имеет поло­жительный температурный коэффициент электрического сопротив­ления. Это свя­зано с тем, что число носителей тока - электронов проводи­мости - в металлах очень велико и не зависит от температуры. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов около своих положений равновесия. В полупроводниках наблюдается иная картина - число электронов проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому электрическое сопротивление типичных полупроводников столь же резко (обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. При этом температурный коэффициент электрического сопротивления полупроводников на порядок выше, чем у чистых металлов.

^ Термометры сопротивления из чистых металлов, получившие наибольшее распространение, изготовляют обычно в виде обмотки из тонкой проволоки на специальном каркасе из изоляционного материала. Эту обмотку принято называть чувствительным элемен­том термометра сопротивления. В целях предохранения от возмож­ных механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется термометром, чувствительный элемент его заклю­чают в специальную защитную гильзу. К числу достоинств металлических термометров сопротивления следует отнести: высокую степень точности измерения температуры; возможность выпуска измерительных приборов к ним со стандартной градуировкой шкалы практически на любой температурный интер­вал в пределах допустимых температур применения термометра сопротивления; возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору; возможность использования их с информационно-вычис­лительными машинами.

Известно, что сплавы обладают меньшим значением температур­ного коэффициента сопротивления. Кроме того, воспроизводимость свойств сплавов далеко недостаточна по сравнению с чистыми метал­лами. Исследования показывают, что чем чище металл (при отсут­ствии в нем механических напряжений), тем лучше у него воспроиз­водимость термометрических свойств и больше значение ТКС. Поэтому чистые металлы, предназначенные для изго­товления взаимозаменяемых ЧЭ термометров сопротивления, должны иметь нормированную и при этом высокую чистоту.

Приведенным выше основным требованиям к металлам для изго­товления ЧЭ термометров сопротивления в широком интервале тем­ператур удовлетворяет платина. Если верхний предел температуры применения термометра не высок, то указанным выше требованиям удовлетворяют также медь и никель. В отдельных случаях приме­няют для изготовления ЧЭ термометров сопротивления, но с ограни­ченной областью их использования, и другие металлы, например железо, вольфрам и молибден.

Зависимость электрического сопротивления R меди от температуры в широком интервале температур подчиняется линейному уравнению:

R=R0(1+α·t), (2.2)

где

R0 – сопротивление при 0˚С;

α – температурный коэффициент сопротивления меди равный;

t – температура в градусах Цельсия.
Опыт эксплуатации термометров сопротивления показывает, что надежная их работа в наибольшей степени определяется механи­ческой прочностью конструкции, степенью герметичности и каче­ством изготовления ЧЭ.

При изготовлении ЧЭ медных термометров сопротивления, об­ладающих достаточной надежностью и механической прочностью, не встречается затруднений.

При создании же ЧЭ платиновых термометров сопротивления приходится встречаться с рядом трудностей. Материал, выбирае­мый для изготовления каркаса ЧЭ термометра, должен обладать высокими электрическими изоляционными свойствами, хорошей теплопроводностью и механической прочностью. Кроме того, ма­териал каркаса не должен оказывать вредного влияния на платину. Коэффициент линейного расширения материала каркаса должен быть близким коэффициенту линейного расширения платины. Для изготовления каркасов ЧЭ платиновых термометров сопро­тивления применяют слюду, плавленый кварц, специальную кера­мику и другие материалы. Слюда пригодна для изготовления каркасов ЧЭ платиновых термометров с верхним пределом их применения до 500—650°С.

^ Полупроводниковые термометры сопротивления, как показывает практика их применения, могут быть использованы для измерения температуры от 1.3 до 400 К. В практике технологического контроля они по сравнению с металлическими находят меньшее применение, так как требуют индивидуальной градуировки. Для точных измере­ний сопротивления термометров в лабораторных условиях приме­няют потенциометры и мосты. Тип и класс точности указанных средств измерения выбирают в зависимости от требований к точности измерения сопротивления термометра, а вместе с тем и температуры.

С развитием промышленности, изготовляющей полупроводни­ковые материалы, были значительно расширены исследования полупроводников с целью установления области их применения в термо­метрии. Проведенные исследования германия, как материала для чувствительных элементов термометров сопротивления, позволили создать температурную шкалу в области от 4.2 до 13.81К для обеспечения единства измерений температуры в этом интервале. В результате проведенных исследований германий получил широкое применение.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элемен­тов термометров сопротивления применяют также смеси различных полупроводниковых веществ, например, смеси окислов меди и мар­ганца, смеси окислов кобальта и марганца, смеси двуокиси титана с окислами магния и др. При изменении соотношения компонентов, составляющих материал, меняется значение его электропроводности и температурного коэффициента сопротивления.

Полупроводники, применяемые для изготовления чувствитель­ных элементов термометров, а следовательно, и полупроводниковые термометры обладают большим значением отрицательного темпера­турного коэффициента электрического сопротивления.

Германиевые термо­метры сопротивления (ТСГ) в зависимости от их назначения разде­ляются на три основные группы: эталонные, образцовые и рабочие. Термометры рабочие в свою очередь подразделяются на термометры повышенной точности (лабораторные) и технические.

Термисторы являются малоинерционными термометрами, что имеет существеннее значение, например, для исследования нестационарных тепловых процессов. Большое номинальное сопро­тивление полупроводниковых термометров (от единиц Ом до сотен килоом) позволяет при измерении температуры не учитывать со­противление проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором. Кроме того, к достоинствам полупроводниковых термометров сопротивления(ПТС) следует отнести возмож­ность их использования в качестве бесконтактных температурных сигнализаторов (термореле). К числу недостатков ПТС можно отнести следующее:

1. Отсутствие взаимозаменяемости изготовляемых в настоящее время ПТС. Вследствие этого номинальные значения сопротивле­ний и температурные коэффициенты даже для одного я того же типа ПТС имеют большой разброс. Это исключает возможность получения единой градуировочной таблицы для данного типа ПТС, и каждый ПТС, предназначенный для измерения или сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально.

2. Нелинейный характер зависимости электрического сопро­тивления от температуры.

3. Малая допускаемая мощность рассеяния при прохождении измерительного тока.

У выпускаемых ПТС для измерения температуры от —100 до 300°С зависимость их сопротивления R от температуры в интер­валах, не превышающих 100°С, определяется выражением:

(2.3)

где

T – абсолютная температура, К;

А – коэффициент, имеющий размерность сопротивления, зависящий от величины и концентрации носителей заряда полупроводникового материала;

В – энергетический коэффициент, имеющий размерность температуры.

Градуировка ПТС, предназначенных для измерения темпера­туры в интервале более чем 100°С, должна производиться по ряду экспериментальных точек в заданном диапазоне температур через каждые 10°С.

При измерении температуры в промышленных условиях термо­метры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, автоматическими уравновешенными мостами и автоматическими компен­сационными приборами. При этом необходимо иметь в виду, что эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки тер­мометра сопротивления и заданного значения сопротивления про­водов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

^ Под внутренним фотоэффекто подразумевают изменение сопротивления тел под влиянием освещения. Внутренний фотоэффект возникает в полупроводниках, в диэлектриках. Поглощаемые в объеме этих тел кванты света освобождают электроны, вследствие чего увеличивается электропроводность этих тел. Широкое применение имеют фотоэлементы для целей измерения интенсивности света. В настоящее время разработаны методы, позволяющие измерять световые потоки слабой интенсивности и регистрировать даже отдельные кванты света.

Практическая часть

Задание №1: исследовать зависимость электрического сопротивления полупроводникового термистора от температуры.
Цель работы: достичь понимания физической природы возникновения электрического сопротивления в металлах и полупроводниках. Сравнить температурные зависимости их сопротивления.
Приборы и оборудование: вольтметр универсальный В7-16А, электронагреватель ЕК-2, термометр сопротивления медный ТСМ-3, термистор измерительный коаксиальный ТК-2-75А, соединительные проводники, секундомер.
Порядок выполнения работы

  1. Включить в сеть 220В вольтметр В7-16А. Выполнить начальный прогрев прибора в течении 15-20 минут.




Рисунок 2.1 – Схема установки для исследования термосопротивлений


  1. Выполнить калибровку вольтметра. Для этого включить переключатель «Род работы» в положение «▼». С помощью регулятора «▼» установить показания прибора в значение, указанное на шильдике под регулятором (8941).

  2. Включить вольтметр в режим измерения сопротивлений «R» . Проводником временно соединить между собой входы вольтметра, предназначенные для измерения сопротивлений (они обозначены как «0» и «R» на панели вольтметра). С помощью регулятора на панели вольтметра « >0< » установить показания в нуль.

  3. Установить предел измерения в «1».

  4. Для определения сопротивления термометра сопротивления на вход вольтметра (зажимы вольтметра «0» и «R») подключают термометр сопротивления медный (на стенде обозначен «ТСМ») либо полупроводниковый термометр сопротивления (на стенде обозначен «Термистор»).

  5. Включить в сеть 220В питание нагревателя (провод обозначен «Нагрев»).

  6. Выполнить нагрев термосопротивлений в течении 7 минут (тумблер S4 «Нагрев» на стенде). Отключить нагрев и подождать еще 3 минуты.

  7. С интервалом в 2 мин выполнить 10 измерений сопротивления ТСМ и полупроводникового термометра сопротивлений. Результаты измерений занести в таблицу 2.1.

  8. С помощью градуировочной таблицы ТСМ (таблица 2.2) определить значения температуры при измерениях {с использованием линейной интерполяции}, данные внести в таблицу 2.1.

  9. Построить график зависимости сопротивления полупроводникового термометра сопротивления от температуры.

  10. Рассчитать коэффициенты А и В. Для этого из выражения (2.3) сделаем систему из двух уравнений в которые подставим значения для начала и конца исследования, далее решим эту систему:

, (2.4)

где

T1,T2 – абсолютные температуры в начале и в конце остывания, К.

R1,R2 – значения сопротивления термистора в начале и в конце остывания, Ом.

, (2.5)

. (2.6)

  1. Построить расчетно-экспериментальный график зависимости сопротивления термистора от температуры в диапазоне температур от –10 до +100°С (используя формулу (2.3) и рассчитанные коэффициенты А и В).



Таблица 2.1 – Экспериментальные данные по исследованию зависимости сопротивления полупроводникового термометра сопротивления от температуры

ТСМ,

RТСМ, Ом

Температура

t,ºC

ТК-2-75А,

RТК, Ом











Таблица 2.2 – Градуировочная таблица термометра сопротивления ТСМ

Температура

t,ºC

Сопротивление

R, Ом

0

53

10

55.26

20

57.52

30

59.77

40

62.03

50

64.29

60

66.55

70

68.81

80

71.06

90

73.32

100

75.58

110

77.84

120

80.09

130

82.35

140

84.61

150

86.87


Задание №2: Исследование явления фотопроводимости
Цель работы: достичь понимания физической природы явления фотопроводимости в полупроводниках.
Приборы и оборудование: вольтметр универсальный В7-16А, лабораторный автотранформатор ЛАТР, лампа накаливания 220В 150Вт (встроена в стенд), фоторезистор (встроен с стенд), соединительные проводники.


Рисунок 2.2 – Схема установки для исследования фотосопротивлений


  1. Включить в сеть 220В вольтметр В7-16А. Выполнить начальный прогрев прибора в течении 15-20 минут.

  2. Выполнить калибровку вольтметра. Для этого включить переключатель «Род работы» в положение «▼». С помощью регулятора «▼» установить показания прибора в значение, указанное на шильдике под регулятором (8941).

  3. Включить вольтметр в режим измерения сопротивлений «R» . Проводником соединить между собой входы вольтметра, предназначенные для измерения сопротивлений (они обозначены как «0» и «R» на панели вольтметра). С помощью регулятора на панели вольтметра «>0< » установить показания в нуль.

  4. Установить предел измерения в «1000».

  5. К зажимам вольтметра обозначенным «R» и «0» подключить фотосопротивление (обозначено на стенде «Фотоэлемент»)

  6. К ЛАТРу подключить лампу накаливания (провод питания лампы обозначен «Лампа»)

  7. Включить ЛАТР в сеть 220В. Установить выходное напряжение накала лампы UН=70В.

  8. Снять зависимость сопротивления фоторезистора RФ от напряжения накала лампы. Напряжение накала лампы UН задавать в интервале 60-250В с шагом в 10В. Данные занести в таблицу 2.3.

  9. Пункт 8 выполнить еще 2 раза.

  10. Произвести статистическую обработку данных (см. приложение) и построить график зависимости RФ от напряжения накала UН.

  11. С помощью Microsoft Word и MathSoft MathCad выполнить отчет по лабораторной работе, который должен включать:

  • титульный лист

  • теоретическую часть,

  • задание, цель исследования, приборы и оборудование

  • порядок проведения лабораторной работы, в который помещен расчет и результаты, выполненные в MathCad

  • выводы по работе

Отчет сдается в распечатанном виде.

Таблица 2.3 – Исследование зависимости сопротивления фоторезистора от напряжения накала освещающей его лампы

Напряжение накала UН , В

Сопротивление фоторезистора RФ, кОм

Эксперимент 1

Эксперимент 2

Эксперимент 3














^ Пример выполнения расчетной части в среде MathCad

(не является примером выполнения отчета по лабораторной работе)


Матрица М содержит экспериментальные данные о зависимости сопротивления полупроводника от температуры. Колонка 0 содержит сопротивление ТСМ колонка 1 сопротивление ТК




Градуировочная таблица ТСМ



Пусть массив T содержит значения температур из градуировочной таблицы, массив R - сопротивлений




Зададим функцию m(x) осуществляющую линейную интерполяцию по градуировочной таблице


В колонку 2 матрицы N поместим вычисленные значения температур




Рисунок 1 – Экспериментальная зависимость сопротивления полупроводникового термометра сопротивления от температуры
Определим переменную n как номер последней строки в матрице N



Определим R1 R2 T1 T2 как начальные и конечные значения температур и сопротивлений








Определим коэффициенты А и В



Для построения теоретического графика запишем функцию R(t)





Рисунок 2 – Расчетно-экспериментальная зависимость сопротивления полупроводникового термометра сопротивления от температуры
Определим матрицу М для данных по исследованию фотопроводимости полупроводников.

Колонка 0 содержит значения напряжения накала лампы, колонки 1.2.3 – значения сопротивления фоторезистора в кОм.



Зададим счетчик i для номеров строк начиная с нулевой до последней



Вычислим среднее арифметическое для сопротивлений, получим массив X :



Вычислим среднеквадратическое отклонение среднего арифметического Sx, задав предварительно число наблюдений n :





Подсчитаем коэффициент Стьюдента tp, задав предварительно доверительную вероятность p :





Рассчитаем нижнюю Ngr и верхнюю Vgr границы доверительного интервала :







Рисунок 3 – Экспериментальная зависимость сопротивления фоторезистора от напряжения накала освещающей его лампы (p=0.95, n=3)

Контрольные вопросы:

  1. Как можно охарактеризовать физическую величину «сопротивление» с использованием микроскопического подхода?

  2. Как зависит электрическое сопротивление проводника от его геометрических размеров?

  3. Какой тип термометра сопротивления вы рекомендовали бы для использования на объектах с повышенной радиацией?

  4. Какой тип термометра сопротивления вы рекомендовали бы для использования в криогенных средах?

  5. Какой тип термометра сопротивления вы рекомендовали бы для измерения температуры быстропротекающих процессов?

  6. Для измерения сопротивления термометров сопротивления их включают в электрическую цепь. Требуется ли вводить какие-либо требования на силу тока в этой цепи?


1   2   3   4   5

Похожие:

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Патрушева Т. В., Седалищев В. Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Патрушева Т. В методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» для...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconВ. Н. Седалищев физические основы получения информации
Седалищев В. Н., Физические основы получения информации: учебное пособие/Алт гос техн ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по курсу “Системы передачи...
Исследование протоколов сетевого уровня ip-сетей с помощью анализатора протоколов
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ Омск 2006
П. С. Гладкий, Е. А. Костюшина, М. Е. Соколов, Проектирование баз данных: Методические указания к лабораторным работам. Омск: Издательство:...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по дисциплине «Метрология,...
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» студентами,...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по дисциплине «Метрологическое...
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Метрологическое обеспечение научного эксперимента»...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по дисциплине «Пьезорезонансные...
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Пьезорезонансные нелинейные измерительные преобразователи»...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания по лабораторным занятиям По дисциплине
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании умкс и рекомендованы к изданию
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания Новосибирск 2003 Государственный комитет Российской Федерации
Методические указания предназначены для использования в процессе лабораторного практикума по курсу «Основы теории массового обслуживания»...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
litcey.ru
Главная страница