Исследовать зависимость сопротивление металлов и полупроводников от температуры
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Лабораторная работа №1
Изучение зависимости терморезистивных датчиков.
- Цель работы:1. .Исследовать зависимость сопротивление металлов и полупроводников от температуры.
- Теоретическое введение.
В настоящее время для измерения температуры в промышлен-
ности широко распространены следующие датчики (сенсоры) температуры:
резистивные, термоэлектрические, полупроводниковые, оптические, пьезо-электрические, акустические, датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры.
В нашей работе изучим принцип измерения температуры резистивным методом.
Действие термометров сопротивления основано на том, что электрическое сопротивление металлов изменяется одновременно с изменением температуры. Удельное сопротивление металла опре деляется по формуле
(3.6)
где n_ — число свободных электронов в единице объема;
е — заряд электрона;
μ_ — подвижность электрона, характеризуемая его скоростью в поле, имеющего напряженность 1 в /см.
Удельное сопротивление металлов достаточно мало, ÷ Ом/см,
что объясняется высокой концентрацией электронов, не зависящей от температуры. При высоких температурах ρ зависит от колебаний кристаллической решетки металла, т. е. определяется подвиж ностью электронов. При изменении температуры подвижность электро нов изменяется. Подвижность элек тронов зависит также от концентра ции примесей в металле. Поэтому удельное сопротивление достаточно чистых металлов можно представить в виде ρ = ρ0 + ρ (Т), где ρ0 не зависит от температуры. При понижении температуры до 30° - 40° К сопротивление металлов уменьшается почти линейно, т.е. ρ (Т) = kT, а при Т 0° К оно становится пропорциональным Т5. На рис. 3.4 приведены характеристики некоторых проволочных металлических термомет ров сопротивления. Наиболее часто для термометров сопротивления используется чистая платина. Эти термометры применяются для измерений температур до 20° К. Платина химически инертна и обладает высоким удельным сопротивлением, зависимость от тем пературы которого линейна до 60° К. При температурах ниже 20° К температурный коэффициент сопротивления платины мал и приме нение ее становится нецелесообразным. В области температур жид кого гелия и ниже рекомендуется применять бронзовые термометры сопротивления. Это объясняется тем, что температурный коэффи циент их не зависит от магнитных полей, которые обязательно при сутствуют при этих температурах. В интервале температур 1—5° К применяют сплав бронзы с оловом и свинцом, а также фосфористую бронзу. Эти сплавы обладают более высоким температурным коэф фициентом, хотя его величина и зависит от силы магнитного поля. В диапазоне от 3 до 5° К применяется сплав серебра.
Рис. 1.1. Характеристики проволочных металлических термометров сопротивления:
1 – медь (диам. 0,04 мм, l = 2000 мм)
(R273°К = 280 Ом);
2 – платина (R273°К = 50 Ом);
3 – индий (диам. 0,25 мм, R273°К = 3,4 Ом).
В настоящее время в промышленности нормализованы только термометры сопротивления из платины и меди (ГОСТ 6651—59). Термометры сопротивления выпускаются следующих типов: ТСП — термометр сопротивления платиновый, ТСМ — термометр сопротив ления медный. В зависимости от целей применения медные и плати новые термометры сопротивления выпускаются герметичными и негерметичными. Промышленные медные термометры сопротивле ния применимы в диапазоне температур от —50° С до +180° С. Платиновые — в диапазоне от —200° С до +500° С. Постоянная времени промышленных термометров сопротивления колеблется от нескольких секунд до сотен секунд. Чувствительность термометра определяют по формуле
где R — изменение сопротивления при изменении температуры
на Т.
Из этой формулы следует, что с увеличением .сопротивления чув ствительность возрастает. Однако существует оптимальное значение сопротивления, зависящее от условий работы. Термометр сопротив ления является самым точным чувствительным элементом из числа применяемых для измерений температур. Он позволяет измерять температуру с точностью до 0,001° С. Для получения такой точ ности измерения температуры необходимо измерять сопротивление с точностью не ниже (2 ÷ 4) х 10-6. Термометр сопротивления обладает наибольшей надежностью при измерениях высоких тем ператур. Основным недостатком этих термометров являются боль шие габариты, препятствующие применению их при измерениях температур в малых объемах.
Полупроводниковые измерители температур. Сопротивление по лупроводников, в противоположность металлическим термометрам, увеличивается с понижением температуры. Это можно объяснить следующим. Электропроводность полупроводникового элемента опи сывается формулой
где n+ — число дырок в единице объема;
+ — подвижность их.
При понижении температуры числа n+ и п_ в полупроводнике быстро убывают, значительно. быстрее, чем их подвижности. Для из мерения температур широко применяются полупроводниковые термосопротивления (термисторы). Удельное сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры по экспоненциаль ному закону
ρ = АеB/T, (3.9)
где A и В — постоянные.
Таблица 1.1
Параметры некоторых термосопротивлений
Это является большим недостатком термисторов. На рис. 3.5 приведены зависимости удельного сопротивления от температуры для платины, серебра, германия с небольшим количеством примесей, а также для термистора. Из приведенных кривых видно, что удельное сопротивле ние полупроводниковых материалов мо жет возрастать на несколько порядков при небольшом даже понижении темпе ратуры. Промышленность в настоящее время выпускает следующие типы тер мисторов: КМТ-1, КМТ-4, ММТ-4, ММТ-6, ТОС-М (см. табл. 3.2). Мате риалами для изготовления термисторов служат: медномарганцевые и кобальто-марганцевые соединения. Термисторы изготовляются в виде стержней (ММТ-1, КМТ-1 и др.), а также в виде дисков (ТОС-М) или шариков. Термисторы ша риковой формы монтируются на тонких проводах в вакуумированной или на полненной газом ампуле. Большое сопро тивление термисторов позволяет распо лагать их на значительных расстояниях от измерительных схем. В результате не больших габаритов и малой теплоемкости термисторы обладают меньшей постоянной времени по сравнению с другими термометрами сопротивления. Диапазон измеряемых температур составляет от —60° С до +180° С. Термисторы позво ляют измерять температуру с точностью до 0,0005° С. Некоторые полупроводниковые соединения, отличные от применяемых для изготовления термисторов, используются для измерения температур как более высоких, так и более низких, чем это допускают промыш ленные образцы. Например, корундовый полупроводник позво ляет измерять температуру в диапазоне от 850 до 1100° С.
Рис. 1.2. Кривые зависи мости удельного сопротив ления от температуры:
/ ■— серебро; 2 — платина; 3 — германий; 4 — термистор
Известно что термометр в виде электропроводящего слоя на стекле позволяет измерять температуру в диапазоне от 1 до 300° К. Следует указать, что при низких температурах сопротивление полупроводника за висит от магнитных полей. Методы измерений, применяемые при полупроводниковых чувствительных элементах, не отличаются от применяемых при металлических.
Элементарные полупроводники. При низких температурах (вбли зи от 1° К) наиболее удовлетворительные результаты можно полу чить с полупроводниковыми элементами из кристаллов германия и кремния. Однако в настоящее время нет никакой универсальной формулы, удовлетворительно описывающей зависимость сопротив ления полупроводника от температуры. При измерениях низких
температур необходимо учитывать, что сопротивление этих термо метров изменяется пропорционально квадрату магнитного поля. Кроме того, германиевые термометры необходимо защищать от действия светового потока. На рис. II 1,6, а приведена характери стика германиевого диода при постоянном измерительном токе.
Угольные термометры. Для измерений температур применяют также угольные термометры сопротивления, имеющие высокое удельное сопротивление и большой отрицательный температурный коэффициент. Они изготовляются из графита и углей. При низких температурах графит имеет отрицательный температурный коэффи циент сопротивления, зависящий от содержания примесей и от величины кристаллических зерен. Для чистого графита величина удельного сопротивления р при низких температурах пропорцио нальна 1 IT. Графит не теряет своих свойств и при высоких темпера турах и поэтому может применяться при измерениях температур в диапазоне 0—2300° К. Угольные термометры нечувствительны к магнитным полям. Термометр, изготовленный путем нанесения угольной сажи на бумагу, применялся для измерений температуры ниже 1°К. Применяются термометры, изготовленные в виде взвесей графита в воде, спирте и других веществах, однако их характери стики воспроизводятся только при температурах жидкого водорода или ниже. В настоящее время для измерений низких температур используются промышленные угольные радиотехнические сопро тивления, однако различные типы сопротивлений имеют отличные характеристики. Эмпирически получена зависимость сопротивления от температуры в виде
(ШЛО)
где R — сопротивление в омах;
— константы, определяемые экспериментально
- Порядок выполнения работы.
Измерение сопротивления в зависимости от температуры.
Для измерения не очень малых (больше одного ома) сопротивлений проводников существует несколько различных методов. В данной работе используется метод вольт-амперметра. Метод вольт-амперметра основан на законе Ома для участка цепи
(1)
где R _ сопротивление проводника, Ur _ напряжение на концах про водника, Jr _ сила тока, текущего по проводнику.
При измерении сопротивления этим методом вольтметр и амперметр могут быть включены в цепь по одной из схем, представленных на рис.1.
Рис.1.4
В схеме 1.4 вольтметр измеряет сумму падений напряжения на ампер метре и сопротивлении, а амперметр _ ток, проходящий через сопро тивление. Поэтому показание U вольтметра и показание J амперметра связаны с Ur и Jr соотношениями
(2)
где Ra - сопротивление амперметра.
Из (1) и (2) следует, что точное значение сопротивления находится по формуле
(3
Относительная ошибка этого значения равна
где εU и εJ _ относительные ошибки U и J, а εA _ относительная ошиб ка, с которой задано значение RA.
При выборе схемы 2 вольтметр измеряет падение напряжения на со противлении, а амперметр _ сумму токов, текущих через сопротивление и вольтметр.
В этом случае
(5)
где RV _ сопротивление вольтметра.
Согласно (1) и (5), истинное значение сопротивления расчитывается по формуле
(6)
Относительная ошибка полученного результата равна
(7)
где εV _ относительная ошибка значения RV.
Если измерить сопротивление R проволоки, ее длину ` и диаметр D, то по формуле
(8)
можно определить удельное сопротивление ρ материала проволоки. Относительная ошибка полученного значения ρ будет равна
(9)
где— относительные ошибки измерений
Цель настоящей работы _ методом вольт-амперметра определить со противление проводника ,полупроводника.
|
Действительное значение температуры |
Измеренное сопротивление |
Сопротивление по градуировочной таблице |
Погрешности |
|
|
Абсол. |
Привед. |
|||
2. Улицы Земляного города
3. Теория познания 8
4. консьюмеризм означает
5. Державне управління у сфері регулювання відносин, що виникають у звязку із надзвичайними екологічними ситуаціями
6. Эпизод 1
7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ БАЗЫ ДАННЫХ
8. Валютні операції Валютний ринок і його структура
9. В Председателю правительства РФ Медведеву Д
10. бюджетные права для характеристики компетенции государства его территориальных подразделений и соответс
11. В большинстве же случаев он должен действовать на эти средства- изменять комбинировать
12. 04 2013 Знакомство с соц
13. Создание комфортных условий предусматривает обеспечение многих параметров среды обитания и характеристи.html
14. реферату- Державне управління природокористуванням і природоохороною в УкраїніРозділ- Екологія Державне у
15. модульконтролю з навчальної дисципліни КОНСТИТУЦІЙНЕ ПРАВО УКРАЇНИ денна форма навчання
16. Введениестр
17. тема пристрій для керування програматором однокристальна мікропроцесорна система з портами вводуви
18. Все мы родом из детства Цели- помочь ученикам мысленно вернуться в детство и ощутить его как величайш
19. Политическая власть и механизм ее функционирования
20. Регистрация сигнальных молекул