Порядок выполнения работы

3.1. Описание экспериментальной установки.

Установка для измерения зависимости электросопротивления терморезистора от температуры расположена на лабораторном столе в собранном виде. Блок-схема установки показана на рис. 1.

В состав установки входят: штатив – (1), на котором с помощью подвижного кронштейна крепится заполненная техническим маслом стеклянная колба – (2), металлический стакан – (3), нагреватель – электроплитка – (4), термометр – (5), измерительный мост – прибор типа РЗ33 - (7).

Металлический стакан заполняем водой, ставим на электроплитку и опускаем в него стеклянную колбу. Внутри колбы стационарно помещены исследуемый терморезистор – (6) и контактная часть термометра. Наружу из колбы (сквозь пробку) выведены провода для подключения к прибору Р333, измеряющему электросопротивление.

Температуру определяем по шкале термометра, имеющего градуировку в градусах Цельсия.

Принципиальная схема измерения электросопротивления с помощью прибора Р333 показана на рис.2. Эта схема представляет собой так называемый измерительный мост, содержащий электрические контуры, имеющие общую ветвь СД - диагональ моста, в которую включён чувствительный к малым токам гальванометр (Г). Другая диагональ моста содержит источник тока постоянного напряжения (V≈ 3 В), подключённый к точкам А и В.

В ветвях АД и ДВ находятся калиброванные резисторы R₁ и R₂, электросопротивления которых с большой точностью равны между собой.

Резистор R₃ имеет регулируемое электросопротивление, которое можно изменять в широких пределах с помощью переключателей, расположенных на панели прибора Р333 и показывающих величину R₃. В ветвь ВС включается резистор с неизвестным электросопротивлением R_x (в данном случае - терморезистор).

Принцип измерения величины R_x очень прост и основан на том, что при подаче напряжения на мост ток в ветви СД будет протекать только при условии разных потенциалов в точках С и Д. При этом индикатор (стрелка) гальванометра отклоняется от нулевого положения – вправо или влево в зависимости от направления тока в диагонали.

Потенциалы в точках С и Д становятся равными, если R₃ = R_x. В этом случае гальванометр показывает " нуль". Следовательно, при включённом в ветви ВС резисторе R_x величина его электросопротивления определяется отсчётом показаний переключателей на панели прибора Р333 при условии, что индикатор (стрелка) находится в нулевом положении.

Рис.1

Рис.2

Примечание. Строгое доказательство равенства электросопротивлений R_x и R₃ при нулевом токе в ветви СД можно получить с использованием уравнений Кирхгофа.

3.2. Методика выполнения измерений.

3.2.1. Ознакомиться с экспериментальной установкой. Проверить наличие холодной воды в стакане и температуру колбы. Температура колбы перед началом измерений не должна превышать комнатную температуру. Если колба не остыла после предыдущего опыта, необходимо её охладить, опуская в стакан с водой и меняя воду. Если требуется – налить в стакан воду из-под крана и поставить его на электроплитку. При этом стеклянную колбу поднимать и опускать с помощью подвижного кронштейна, закрепляя его на штативе винтом.

3.2.2. Подключить провода от терморезистора к клеммам R_x на панели прибора Р333.

3.2.3. Проверить установку стрелки гальванометра в " нулевом" положении. Если стрелка не указывает " нуль" – обратиться к инженеру или преподавателю, которые выполнят регулировку начального положения индикатора.

3.2.4. Белая метка на указателе кратности отсчётов величины электросопротивления (первый переключатель слева на панели прибора Р333) должна быть против цифры –1 (показано стрелкой).

3.2.5. Набрать переключателями прибора: R = 950 Ом. Это приблизительная величина сопротивления терморезистора при комнатной температуре.

3.2.6. Установить переключатель прибора " Схема" в среднее положение " МВ".

3.2.7. Утопить (нажав пальцем) поочерёдно кнопки №1 и №2 и повернуть их по часовой стрелке (кнопки должны остаться в нижнем положении).

3.2.8. После включения кнопок №1 и №2 стрелка гальванометра обычно отклоняется от нулевого (среднего) положения вправо или влево.

С помощью переключателей прибора (с множителями 1x10 и 1x100) привести стрелку гальванометра в нулевое положение. При этом измерить и записать точное начальное значение электросопротивления терморезистора R_0x и начальную температуру t₀.

3.2.9. Установить переключателями прибора Р333 величину R, равную снова 950 Ом, если измеренное значение R_0x > 950 Ом. Если 900 Ом < R_{0 x} < 950 Ом, тогда установить на приборе Р333 величину R = 900 Ом. Стрелка должна отклониться влево.

3.2.10. Включить электроплитку для нагревания стакана и помещённой в него колбы с терморезистором.

3.2.11. После включения нагревателя внимательно наблюдать за движением стрелки гальванометра, отклонение которой от " нуля" должно уменьшаться, т.к. изменяется электросопротивление R_x. Стрелка должна идти вправо.

3.2.12. В момент, когда стрелка гальванометра вернётся в нулевое положение, измерить и записать температуру. Вращать регулятор нуля гальванометра в процессе измерений категорически ЗАПРЕЩЕНО.

3.2.13. Дальнейшие измерения вести, ступенчато уменьшая показания переключателя прибора на 50 Ом и записывая температуру при " нулевом" положении стрелки гальванометра. Результаты измерений заносить в таблицу. При переходе от значений сопротивлений 900, 800 и т.д. к следующим сначала увеличить значение на 50 Ом, после чего уменьшить на 100 Ом.

Таблица

В случае резкого забрасывания стрелки прибора влево убедиться, что она не застряла в этом положении (легонько рукой стукнуть по корпусу моста).

3.2.14. Окончив измерения, выключить прибор Р333, повернув кнопки №1 и №2 против часовой стрелки (кнопки должны подняться вверх).

Поставить переключатель " Схема" в положение " ПМ". Отключить один из проводов, соединяющих терморезистор с прибором Р333.

3.2.15. Выключить электроплитку и поднять колбу по штативу до выхода её из стакана.

Примечание. Измерения выполнять один раз в процессе повышения температуры (при нагреве колбы с терморезистором).

3.3.Обработка результатов

Результаты измерений должны быть представлены в графической форме. Необходимо вначале построить два графика: зависимость электросопротивления от температуры (по данным прямых измерений согласно таблице 1) и зависимость Y = f (X), где значения X и Y вычисляются по формулам, полученным в п.2.2. При этом все значения температур преобразуют в шкалу Кельвина.

Графики следует строить на миллиметровой бумаге (формат А4). На рис. 3 и рис. 4 показаны образцы соответствующих графических зависимостей, полученных в опыте с одним из типов терморезисторов.

R(Ом)
	Т(К) Зависимость сопротивления от температуры Рис.3
Y•10-2(эВ)	X•10-1
	Рис.4. График для определения W

С помощью второго графика требуется определить энергию активации W (ширину " запрещённой зоны") для исследованного образца терморезистора.

ВНИМАНИЕ! На рис.4 показан график зависимости Y = f (X) для терморезистора, изготовленного на основе собственного полупроводника с постоянной энергией активации W.

В лабораторном опыте могут применяться терморезисторы, изготовленные на основе примесных полупроводников. Для таких терморезисторов зависимость Y = f (X) имеет более сложный вид, чем на рис. 4, так как увеличение электропроводности (уменьшение электросопротивления) с ростом температуры происходит вначале при одной энергии активации, затем – при другой, более высокой энергии активации электронов (см. п. 2.3).

В этом случае требуется найти линейные участки на графике Y= f (X) и по их наклонам определить средние значения энергий активации W для разных интервалов температур.

Для более точного исследования свойств такого терморезистора необходимо вычислить значения W при каждой температуре, используя формулу (9) и данные таблицы, после чего построить график зависимости W = f (T).

Примечание. Доверительный интервал (погрешность) для величины W вычислять по указанию преподавателя. При этом руководствоваться методическими указаниями № 100.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ (ПРИМЕРНЫЕ)

4.1. Объяснить схему установки, цели и методику измерений.

4.2. Каким параметром характеризуется главное различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками? Как объясняется это различие в физической теории твёрдого тела?

4.3. В чём причина разных зависимостей электропроводности от температуры у металлов и у полупроводниковых терморезисторов?

4.4. Вывод формулы для электросопротивления терморезистора. Что называется энергией активации? Как определяется энергия активации в проведённом опыте?

4.5. Понятие о собственных и примесных полупроводниках. Какой полупроводник использован в качестве терморезистора в проведённом опыте?

4.6. Найти в литературе и дать примеры использования фото- и терморезисторов.

ЛИТЕРАТУРА

5.1. Курс физики (под редакцией профессора В.Н.Лозовского), Т.2. – СПб; изд-во " Лань". – 2000.

5.2. Г.И. Епифанов, Физика твёрдого тела, М.: Высшая школа. –1977.