Xreferat.com » Рефераты по радиоэлектронике » Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам

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

Электрорадиоматериалы 1

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

Контрольные вопросы 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

Контрольные вопросы 11

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

Контрольные вопросы. 14

Работа 4. Исследование свойств фоторезисторов 14

1. Краткие сведения из теории 15

2. Описание экспериментальной установки 16

3. Порядок проведения работы. 16

4. Оформление отчета 17

Контрольные вопросы 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

Контрольные вопросы 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

Контрольные вопросы 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 , температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления (ТК), величиной термоэлектро­движущей силы ЕТ.

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 ( 0,1 мкОмм) – 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 mo = 9,10910-31 кг, e = 1,60210-19 Кл – масса покоя и заряд электрона; 105 м/с – средняя скорость теплового движения электронов; no = 1028 м-3 число электронов в единице объема; ср – средняя длина свобод­ного пробега электронов.

Величина удельного электрического сопротивления проводников в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов 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 ср = а = const.

Температурным коэффициентом удельного сопротивления (ТК) 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 имеет две составляющие: = R +l, (1.3)

где R – температурный коэффициент сопротивления в дан­ном интервале температур; lтемпературный коэффициент линейного расширения проводника, значения которого при­ведены в табл. 1.1. У чистых металлов  l, поэтому для них R. для термостабильных металлических сплавов такое приближение не справедливо.

Таблица 1.1

Металлы и сплавы

l 10-4, K-1

Медь
0,167
Константан 0,17
Манганин 0,181
Нихром 0,163

Температурный коэффициент электрического сопротивле­ния (ТКR) резистора определяется выражением

, (1.4)

где Ro –сопротивление проводника при температуре То. Производная определяется по касательной к кривой R(T) (рис.1.2). Для определения производной dR/dT = dR/d температура в градусах Кельвина, в °С) строится зависимость R() (рис. 1.2). При заданной температуре (точка A) проводится касательная к кривой R(), на кото­рой выбирается участок ab произвольной длины. Производ­ная определяется выражением dR/d R.

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=1,38110-23 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

Э
кспериментальная установка изображена на рис. 1.3. Образцы проволочных резисторов R1R4, 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 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


, oС

20 30 40 50 60 70 80 90
медь

R1









1









R1









1









Константан

R2


























3.2. Определение зависимости термо-э.д.с термопар от тем­пературы.

Одновременно с нагреванием проводников нагреваются помещенные в термостат спаи трех термопар. Холодные концы термопар поочередно подключить переключателем П1 к милливольт­метру. Значения измеренных термо-э.д.с. занести в табл. 1.3.

Таблица 1.3

, °С


ET, мВ

Термопара
медь – константан хромель – алюмель хромель – копель
20





90


4. Оформление отчета

  1. Привести схемы экспериментальных установок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а также таблицы измерений.

  2. По данным измерений табл. 1.1 построить график зависимости R(). По графику R(), а также по формулам (1.3), (1.5) рассчитать и занести в таблицу 1.1 значения R, , и для каждого из исследованных проводников. По данным таблицы 1.1 построить графики зависимостей R(), (), R() и .

  3. Рассчитать длины свободного пробега электронов для исследованных проводников при комнатной температуре.

  4. По данным таблицы 1.2 и по формуле (1.6) рассчитать средние значения относительной удельной термо-э.д.с. для исследованных термопар. построить графики зависимостей ЕТ().

  5. Привести краткое описание исследованных в работе материалов (хими­ческий состав, электрические свойства, области применения).

  6. Дать краткие выводы по результатам работы.


Контрольные вопросы

  1. Какие материалы относятся к классу проводников?

  2. Чем обусловлена высокая электропроводность проводников?

  3. Как можно классифицировать проводники?

  4. Какие факторы и почему влияют на удельное электрическое сопротивление?

  5. Что такое температурный коэффициент удельного сопротивления?

  6. Для каких материалов и почему важно учитывать линейное расширение при нагревании?

  7. Что такое термо-э.д.с., в чем причина ее возникновения?

  8. Исходя из каких соображений подбираются материалы для термопар?


Работа 2. Исследование свойств терморезисторов

Цель работы:

а) определение зависимости сопротивления терморезисторов от температуры;

б) определение энергии активации и коэффициента температурной чувствительности полупроводника;

в) оценка величины постоянной времени тепловой инер­ции терморезисторов;

г) построение динамических вольтамперных характеристик терморезисторов.

1. Краткие сведения из теории

Терморезистором называется полупроводниковый резистор, сопротивление которого в сильной степени зависит от температуры.

Удельная электрическая проводимость полупроводников

, (2.1)

где – концентрация, – подвижность электронов и дырок соответственно.

В примесных (n-типа или p-типа) полупроводниках одним из слагаемых в приведенном выражении можно пренебречь.

Подвижность носителей при нагревании изменяется сравнительно слабо (по степенному закону, ), а концентрация очень сильно (по экспоненциальному закону, ). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости полупроводников подобна температурной зависимости концентрации основных носителей, а электрическое сопротивление терморезисторов может быть определено по формуле:

(2.2)

где Nо – коэффициент, зависящий от типа и геометрических размеров полупроводника; Э – энергия активации примесей (для примесных полупроводников) или ширина запрещенной зоны (для собственных полупроводников), k – постоянная Больцмана.

постоянная В =Э/k носит название коэффициент температурной чувствительности и приводится в паспортных данных на терморезистор. экспериментально коэффициент температурной чувствительности определяют по формуле

(2.3)

где Т1 и Т2 – исходная и конечная температуры рабочего температурного диапазона, R1 и R2 – сопротивления терморезистора при температуре соответственно Т1 и Т2.

На рис. 2.1 приведен график зависимости сопротивления полупроводникового резистора от температуры.

Чаще всего терморезисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления R. Выпускаются также терморезисторы, имеющие в сравнительно узком интервале температур положительный R и называемые позисторами. При нагревании величина сопротивления терморезисторов убы­вает, а позисторов возрастает в сотни и тысячи раз. В справочниках значение R приводится для температуры 20 оС. Значения R терморезисторов для любой температуры в диапазоне 20…150 оС можно определить по формуле:

(2.4)

терморезистор характеризуется оп­ределенной тепловой инерцией, зависящей от химических свойств полупроводника и конструкции элемента (площади излучающей поверхности). Тепловая инерция оценивается постоянной времени – временем, за которое разность между собственной температурой тела и температурой среды уменьшается в е (2,7183) раз.

Если терморезистор, имеющий температуру о, поместить в среду с температурой со, то его температура будет изменяться с течением времени по показательному закону:

. (2.5)

На рис.2.2 показан процесс изменения температуры терморезистора при его остывании.

С остыванием терморезистора сопротивление его увеличивается (рис. 2.3). Знание зависи­мостей R() (рис.2.1) и R(t) (рис. 2.3) позволяет, задаваясь значениями R и определяя по кривым рис. 2.1 и 2.3 соответствующие им значения и t, построить зависимость (t) и определить .

Различают статическую и динамическую вольтамперные характеристики (ВАХ) терморезистора. При снятии статической ВАХ ток фикси­руется после длительной выдержки терморезистора при каждом значении напряжения. Динамическая ВАХ показывает реакцию тер­морезистора на воздействие импульсов напряжения разной величины, но одинаковой длительности. ток фиксируется в конце импульса.

Терморезистор обладает одной статической и семейством динамических ВАХ, соответствующих ряду фиксированных длительностей t импульсов напряжения. ВАХ терморезистора являются нелинейными. динамические ВАХ терморезистора приведены на рис. 2.4.

При длительности импульса терморезистор не успевает нагреться и сопротивление его практически не изменяется с ростом напряжения. При длительности терморезистор нагревается, и ВАХ становится существенно нелинейной. Чем больше длительность импульса, тем больше ток при одной и той же величине напряжения. Статическая ВАХ соответствует .

2. Описание экспериментальной установки

Эксперимент проводится на установке аналогичной изображенной на рис.1.3. терморезистор помещается в термо­стат, температура внутри которого измеряется термометром или термопарой. Сопротивление резистора измеряется омметром.

снятие вольтамперных характеристик выполняется по схеме, приведенной на рис. 2.5. Измерительной цепь питается от источника постоянного регулируемого напряжения ИП со встроенным вольтметром V. Ток через терморезистор измеряется миллиамперметром.

3. Порядок выполнения работы.

3.1. снятие зависимости R() сопротивления терморе­зистора от температуры.

Включить термостат, электронный термометр и омметр. Измерить сопротивление терморезистора при различных температурах – от комнатной до максимальной, равной 90°С, с интервалом  =10 °С. Результаты опыта занести в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Опыт


Расчет
Примечание

R


Т


R


oC

Ом


К


град.-l


20

90




Терморезистор типа ...



3.2. опре­деление тепловой постоянной времени терморезистора.

Измерив сопротивление терморезистора при 90 °С, быстро извлечь его из термостата. Момент извлечения принять за t = 0. Отключить термостат.

фиксируя время, измерять сопротивление терморезистора при его остывании до тех пор, пока оно не увеличится примерно в три раза. Данные измерений занести в табл. 2.2.

Таблица 2.2

t


с


0


10


20


30


40


50


60


70


и т. д.


R


Ом












3.3. Снятие динамических вольтамперных характеристик

Собрать электрическую схему установки в соответствии с рис. 2.5.

Установить напряжение на выходе источника питания ИП равное 5В. Замкнув ключ К, записать показания миллиам­перметра в начальный момент времени и далее через каждые 10 секунд. Через 60 с ключ разомкнуть. Перед следующим измерением выдержать минутную паузу для охлаждения терморезистора. Повторить измерения для напряжений 10, 15, 20, 25, 30 В; длительность паузы с ростом напряжения следует увеличивать. Результаты опыта занести в табл. 2.3.

Таблица 2.3

U, В

i (мА) через с

t = 0 10 20 30 40 50 60
Примечание
5






Тип резистора …

10













30







4. Оформление отчета

  1. Привести схемы экспериментальных установок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а также таблицы измерений.

  2. Для исследованного температурного диапазона определить по формулам (2.2) и (2.3) энергию активации Э и коэффициент температурной чувствительности В терморези­стора.

  3. Рассчитать по формуле (2.4) и занести в табл. 2.1 значения R. по данным табл. 2.1 построить графики зависимостей R=f() и R= f().

  4. на основании данных табл. 2.1 и 2.2. построить график зависимости (t). Определить постоянную времени тепловой инерции терморезистора. За температуру среды с принять комнатную температуру.

  5. по данным табл. 2.3 построить динамические вольтамперные характеристики терморезистора.

  6. дать краткие выводы по результатам работы.


Контрольные вопросы

  1. Что называют терморезистором?

  2. Чем обусловлена электропроводность полупроводников?

  3. В чем причина сильной температурной зависимости сопротивления полупроводниковых резисторов?

  4. Что такое коэффициент температурной чувствительности, как его можно определить экспериментально?

  5. Почему терморезисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления?

  6. Что такое постоянная времени терморезистора, отчего зависит ее величина?

  7. Как практически можно определить постоянную времени терморезистора?

  8. В чем различие между статической и динамической ВАХ терморезистора?

Работа З. Исследование свойств варисторов

Цель работы – исследование основных свойств варисторов и иллюстрация их практического применения.

1. Краткие сведения из теории

варистором называется нелинейный полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

Варисторы изготавливаются из размолотого карбида кремния (SiC) с добавкой связующего вещества.

Причинами, обусловливающими нелинейность вольтамперной характери­стики варистора, являются:

микронагрев контактов между отдельными зернами карбида кремния, приводящий к возрастанию проводимости элемента во всем объеме;

– увеличение проводимости вследствие частичного про­боя оксидных пленок, покрывающих зерна карбида кремния, при напряженностях электрического поля E = 105…106 В/м;

– существование на поверхности зерен карбида кремния запирающих р-п-переходов, обусловленных различ­ным характером электропроводности по поверхности и в объеме отдельного зерна SiC.

ВАХ варистора (рис. 3.1), как и всякого нели­нейного резистора, в рабочей точке (точка А) харак­теризуется статическим и дифференциальным сопротивле­ниями

(3.1)

где МU, MI масштабы по осям координат.

Степень нелинейности ВАХ оценивается коэффициентом нелинейности

,

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: