Электрический ток в различных средахold.kpfu.ru/f6/b_files/e2!683.pdf · Юльметов А. Р. Электрический ток в различных

Юльметов А. Р.

Электрический ток в различныхсредах

Методические указания к выполнениюлабораторных работ

Оглавление

P3.2.5.1. Определение постоянной Фарадея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

P3.8.1.1. Изучение вольт-амперной характеристики вакуумного диода . . . . . . 6

P3.9.1.2. Зажигание и угасание спонтанного газового разряда . . . . . . . . . . . 10

P4.1.2.1. Снятие вольтамперной характеристики лампы накаливания . . . . . . . 14

P7.2.2.1. Измерение температурной зависимости сопротивления для резистораиз благородного металла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

P7.2.2.2. Измерение температурной зависимости сопротивления полупроводни-кового резистора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1

P3.2.5.1

Определение постоянной Фарадея

Решаемые задачи

• Получение водорода посредством электролиза и измерение объема водорода V .

• Измерение работы электрического тока W при постоянном напряжении U0.

• Вычисление постоянной Фарадея F .

При электролизе протекание электрическо-го тока сопровождается выделением вещества.Количество выделившегося вещества при этомпропорционально заряду Q, прошедшему черезэлектролит. Перенесенный заряд может бытьопределен при помощи постоянной ФарадеяF , которая связана с элементарным зарядом eи числом Авогадро NA:

F = NA · e . (1)

Таким образом, постоянная Фарадея –– этозаряд одного моля электронов.

Обозначим количество молей выделавше-го вещества за n, валентность выделившихсяионов z, при этом перенесенный заряд можноопределить следующим образом:

Q = n · F · z . (2)

В этой работе постоянная Фарадея опреде-ляется путем измерения количества выделив-шегося при электролизе водорода. Полученныйпри электролизе газообразный водород собира-ется в экспериментальной установке под давле-нием p и комнатной температуре T , объем газа

V можно измерить. Количество молей n1 моле-кул водорода можно получить из уравнения со-стояния идеального газа:

n1 =pV

RT, (3)

гдеR = 8,314Дж·моль−1 ·К−1 –– универсальнаягазовая постоянная.

Каждый ион водорода H+ становится ней-тральным достигнув катода, получив 1 электронот источника тока, т.е. валентность z ионов во-дорода равна 1. Один моль ионов H+, таким об-разом получает один моль электронов при выде-лении на катоде, и для получения одного молямолекул водорода H2 требуется 2 моля электро-нов. Необходимое для выделения n1 молей мо-лекул водорода количество молей электронов,можно с учетом выражения (3) записать как

n = 2 · pVRT

. (4)

В работе также измеряется работа W элек-трического тока при постоянном напряженииU0. Перенесенный заряд Q в таком случае мож-но найти как:

Q =W

U0, (5)

2

P3.2.5.1 3

тогда постоянная Фарадея с учетом выражений(2), (4) (5) равна

F =1

2· W ·R · TU0 · p · V

. (6)

U, I, P RANGE AUTO t START/STOP

U max. 250 Vmax.10 A

Рис.1. Экспериментальная установка для определения постоянной Фарадея.

ОборудованиеПрибор для демонстрации электролиза воды 1 шт. 664350Термометр, −10 . . .+ 50◦C 1 шт. 38235Цифровой мультиметр P 1 шт. 531832Источник питания постоянного тока 0 . . .± 15В 1 шт. 52145Пара кабелей 50 см, красный/синий 1 шт. 50145Пара кабелей 100 см, красный/синий 1 шт. 50146Поднос 1 шт. 64945

Замечания по безопасностиПоскольку дистиллированная вода обладает очень низкой проводимостью, в работе

используется раствор серной кислоты концентрацией 1 моль/литр. Разбавленная сернаякислота может вызывать раздражение кожи и слизистых оболочек. При попадании кис-лоты на кожу или глаза немедленно промойте их водой.

Подготовка к работеПримечание: прибор для демонстрации электролиза может оставаться запол-

ненным после окончания эксперимента, и сразу же готов к повторению эксперимен-та другим студентом.

P3.2.5.1 4

Экспериментальная установка показана на рисунке 1.

Прибор для демонстрации электролиза:

• Подготовить прибор для электролиза согласно инструкции (666 446) и установитьего на поднос.

• Установить сосуд (a) так, чтобы его середина находилась на уровне газовых венти-лей (b) и открыть газовые вентили.

• Залить разбавленный раствор серной кислоты (в концентрации примерно 1 моль/литр)в сосуд (a) до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет газовых вентилей.

• Закрыть вентили.

Электрические соединения:

• Соединить, соблюдая полярность, выходы источника постоянного тока с клеммами(c) ваттметра.

• Соединить электроды прибора для электролиза с к клеммами (d) ваттметра.

Ход работыПодготовьте прибор для электролиза. Чтобы насытить раствор газами:

• Включите источник тока, установите напряжение U0 равным 10 В, и дайте установ-ке проработать примерно 5 минут.

• Отключите напряжение U0.

• Осторожно откройте газовые вентили, затем установите уровень жидкости на уровненижней части вентилей немного приподняв сосуд (a).

• Закройте вентили.

Джоуль-ваттметр:

• Включите ваттметр и дайте ему прогреться в течении 15 минут

• Кнопкой «U, I, P» переключите прибор в режим измерения энергии, на экране приэтом должны отображаться единицы измерения «mWs» или «µWs» .

Измерения:

• Включите источник тока, установите напряжение U0 равным 10 В.

• Наблюдайте выделение газообразного водорода на отрицательном электроде прибо-ра для электролиза. Непрерывно смещайте сосуд (a) вниз, так чтобы уровень жид-кости в нем и в трубке прибора над отрицательным электродом находился на одномуровне.

P3.2.5.1 5

• Как только уровень жидкости в трубке прибора достигнет отметки в 5 мл переклю-чите ваттметр в режим измерения кнопкой «START».

• Как только уровень жидкости в трубке прибора достигнет отметки в 25 мл отключи-те напряжение U0, запишите показания ваттметра W .

• Измерьте с помощью термометра температуру воздуха в лаборатории T и определи-те атмосферное давление p.

• На основе полученных данных рассчитайте значение постоянной Фарадея по фор-муле (6).

Дополнительная информацияСистематические ошибки возникают в основном из-за растворения кислорода и дру-

гих газов в электролите, прилипания газовых пузырьков к стеклу и нагрева электролитапод действием электрического тока.

Часть выделившегося при электролизе атомарного кислорода вступает в реакцию иобразует серную перкислоту. Следовательно, количество собираемого в установке газо-образного кислорода меньше чем количество выделившегося при электролизе, поэтому вработе измеряется количество выделяющегося водорода.

Вопросы для подготовки1. Носители электрического тока в электролитах.

2. Электролитическая диссоциация. Коэффициент диссоциации.

3. Электролиз. Законы Фарадея.

4. Проводимость электролитов. Электродные потенциалы.

P3.8.1.1

Изучение вольт-ампернойхарактеристики вакуумного диода


• Регистрация вольт-амперной характеристики вакуумного диода при трех различ-ных напряжениях накала катода.

• Определение области противодействия полю анода объёмного отрицательного за-ряда и области насыщения ВАХ.

• Проверка закона Ленгмюра–Чайльда (закон «трех вторых»).

Вакуумный диод представляет собой герме-тично закрытую стеклянную колбу, из которойоткачан воздух, внутри которой находятся дваэлектрода: катод 2 с нитью накала 3, который ис-пускает электроны и анод 4 (см. рис. 2).

Катод выполнен в виде металлической ни-ти, которая раскаляется под действием пропус-каемого через нее электрического тока. Нагре-тая нить испускает электроны (термоэлектрон-ная эмиссия). Если потенциал анода положите-лен относительно потенциала катода, эти элек-троны под действием электрического поля начи-нают двигаться к аноду, возникает анодный ток.Величина анодного тока зависит от разности по-тенциалов между катодом и анодом (анодногонапряжения). Если изменить полярность анод-ного напряжения, анодный ток прекратится, по-скольку на электроны, покидающие катод, в та-ком поле будут действовать сила направленнаяв направлении от анода к катоду. Электроваку-

умный диод может быть использован как выпря-митель для переменного тока или как детектор.

Таким образом, вакуумный диод в электри-ческих цепях ведет себя аналогично полупро-водниковому диоду. С развитием полупроводни-ковой техники вакуумные диоды стали исполь-зоваться значительно реже, т.к. устройства н.аоснове полупроводников намного компактнее.

В этой работе необходимо получить вольт-амперную характеристику (ВАХ) вакуумногодиода, т.е. зависимость анодного тока IА отанодного напряжения UА. На рисунке 3 показа-на типичная форма ВАХ вакуумного диода.

В вольтамперной характеристике можно вы-делить три участка:

Область отрицательного напряжения(A): Потенциал анода отрицателен относи-тельно потенциала катода. Электрическое по-ле препятствует движению электронов в на-

6

P3.8.1.1 7

Рис.2. Устройство вакуумного диода: 1 –– цоколь с выводами, 2 –– катод, 3 –– нить накала, 4 –– анод,5 –– вывод анода.

правлении анода. Поскольку электроны, поки-дающие катод, обладают кинетической энерги-ей Eкин > 0, все же наблюдается небольшойанодный ток. Когда анодное напряжение ста-новится достаточно сильным, чтобы остановитьсамые быстрые электроны, анодный ток исчеза-ет.

Область противодействия объёмногоотрицательного заряда полю анода(B): При малых значениях приложенного на-пряжения не все электроны, покинувшие ка-тод, двигаются к аноду. Электроны, покинув-шие катод, образуют вокруг него область с от-рицательным зарядом. При этом электрическоеполе, создаваемое анодом, экранируется такимэлектронным облаком. С ростом анодного на-пряжения электрическое поле проникает всеглубже и глубже в эту область, что приводитк увеличению анодного тока. Зависимость си-лы тока от приложенного напряжения при этом

описывается законом Ленгмюра–Чайльда (за-кон «трех вторых»):

IА ∼ U3/2А или I

2/3А ∼ UА .

Сила тока увеличивается до тех пор, покане исчезнет весь объемный заряд. После это-го анодный ток достигает своего максимально-го значения, и дальнейший рост анодного напря-жения не приводит к росту тока.

Область насыщения (C): В области на-сыщения ток эмиссии не зависит от анодногонапряжения. Однако он может быть увеличенза счет увеличения количества электронов, по-кидающих катод, что достигается путем изме-нения напряжения накала. При этом величинатока насыщения зависит от температуры нитикатода и каждому значению напряжения нака-ла соответствует своя вольтамперная характе-ристика.

Рис.3. Вольтамперная характеристика вакуумного диода –– область отрицательного напряжения(A), участок закона «трех вторых» и область насыщения (C).

P3.8.1.1 8

ОборудованиеДемонстрационный вакуумный диод 1 шт. 555610Держатель ЭЛТ 1 шт. 555600Источник питания электронных ламп 1 шт. 52165Мультиметр LDanalog 20 2 шт. 531120Мультиметр LDanalog 30 1 шт. 531130Безопасный соединительный провод 100 см красный 4 шт. 500641Безопасный соединительный провод 100 см синий 5 шт. 500642

Порядок выполнения работы

1 2

C

Рис.4. Экспериментальная установка для определения вольтамперной характеристики вакуумно-го диода.

Экспериментальная установка показана на рис. 4.

Подготовка к работе:• Установите диод в держатель, правильно развернув лампу так, чтобы выводы лампы

надежно зафискировались в контактах держателя лампы.

• Подключите выходы напряжения накала источника тока (a) к гнездам «F1» и «F2»на держателе лампы.

• Подключите вывод «−» источника анодного напряжения (b) к синему гнезду «C»на держателе лампы.

• Для измерения анодного тока IА подключите выход «+» источника анодного напря-жения (b) к гнезду «+» амперметра (мультиметр LDanalog 20), а гнездо «−» ампер-метра –– к анодном выводу лампы.

• К выходам источника анодного напряжения подключите вольтметр (мультиметр LDanalog30), соблюдая полярность.

P3.8.1.1 9

• Установите переключатели режима работы и предела измерений у измерительныхприборов в соответствующие положения (например, 600 В на вольтметре, 1 мА наамперметре).

• Установите все регуляторы напряжений в минимальные положения (поверните ихпротив часовой стрелки до упора) и включите источник питания лампы.

Нить накала диода должна немедленно раскалиться докрасна. Если этого не произо-шло, проверьте правильность всех подключений и надежность фиксации диода в разъемедержателя лампы.

Проведение измерений:Примечание: после изменения напряжения накала нить достигает новой темпе-

ратуры с задержкой в несколько секунд.

• Установите напряжение накала равным 5,0 В с помощью потенциометра (a) на бло-ке питания лампы.

• Изменяя с помощью ручки (b) на источнике питания анодное напряжение UА от 0до 300 В для каждого значения UА измерьте амперметром силу тока IА (15–20 парзначений). Результаты измерений занесите в таблицу.

• Повторите измерения зависимости анодного тока от напряжения для напряженийнакала 5,5 и 6,0 В.

Обработка результатов:• На одних координатных осях постройте графики вольтамперных характеристик (за-

висимость анодного тока IА от анодного напряжения UА) для разных напряженийнакала. Найдите на графиках участки объемного заряда и насыщения.

• Для проверки закона Ленгмюра–Чайльда постройте графики зависимости I3/2А от

UА, найдите на графиках линейные участки, соответствующие закону «трех вто-рых».

• Объясните полученные результаты.

Вопросы для подготовки1. Энергия электронов в металле. Энергия Ферми. Работа выхода.

2. Термоэлектронная эмиссия. Устройство и виды катодов.

3. Вакуумный диод.

4. Вольтамперные характеристики диода. Закон Богуславского-Лэнгмюра. ФормулаРичардсона-Дешмана.

P3.9.1.2

Зажигание и угасание спонтанногогазового разряда


• Получение вольт-амперной характеристики газонаполненного газового триода схолодным катодом.

• Определение напряжения зажигания Uз и гашения Uг разряда.

Газонаполненные ламповые триоды суще-ствуют в двух разных видах: так называемые ти-ратроны с накалённым катодом и тиратроны схолодным катодом.

В тиратронах с холодным катодом газовыйразряд возникает самостоятельно после преодо-ления определённого напряжения зажиганияUз(т. е. без участия внешних факторов, таких, кактермоэмиссия с катода). Величина этого напря-жения зависит от рода газа, материала элек-трода и других факторов, влияющих на числосвободных электронов, например, от температу-ры, времени после последнего существовавше-го разряда, радиоактивного излучения, зарядана стенках и т. д. После возникновения разря-да газ в лампе ионизирован. Это проявляетсярезким возрастанием анодного тока IA, сопро-вождаемым появлением свечения в газе. Напря-жение гашения Uг, после которого при умень-шении напряжения тлеющий разряд пропадает,меньше, чем напряжения зажигания, благодаряионизации газа. РазностьUз−Uг зависит от дав-ления газа и формы электродов.

Поскольку тиратроны с холодным катодомне требуют накала катода, они всегда готовы кработе, не потребляют энергии при разряде иимеют длительный срок службы. Кроме того, ихможно делать весьма компактными. В выклю-ченном состоянии у них очень велико входноесопротивление. Напряжение зажигания обыч-но бывает ≥ 400В, поэтому они могут исполь-зоваться прямо в силовых сетях. По тлеющемуразряду можно судить об их рабочем состоянии.Раньше они находили широкое применение в ре-ле времени и на телефонных станциях.

10

P3.9.1.2 11

В данной работе исследуется самостоятель-ный разряд в газовом триоде, заполненным ге-лием. Измеряется ВАХ лампы c холодным като-дом. Сначала напряжение между анодом и като-дом шаг за шагом поднимают до 500 В. Вплотьдо напряжения зажигания Uз между анодом икатодом ток не течёт. По достижении Uз возни-кает газовый разряд. Это видно по скачку то-ка и голубому свечению. Затем напряжения шагза шагом снижают. Поначалу ток ещё течёт по-сле того, как пройдено напряжения зажигания,

и только после прохождения напряжения гаше-ния Uг разряд прекращается.

V

A+

–

ОборудованиеГазонаполненный триод 1 шт. 555614Держатель для ламп 1 шт. 555600Источник питания электронных ламп 1 шт. 52165Мультиметр LDanalog 20 2 шт. 531120Мультиметр LDanalog 30 1 шт. 531130Безопасный соединительный провод 100 см красный 5 шт. 500641Безопасный соединительный провод 100 см синий 3 шт. 500642


C

Рис.5. Экспериментальная установка для изучения спонтанного разряда в газах.

Замечания по безопасностиПри работе с газовым и демонстрационным триодами –– тонкостенными откачанными

колбами –– существует опасность взрыва.

• Не подвергайте лампы механическим нагрузкам.

P3.9.1.2 12

• При работе с газовым триодом и демонстрационным триодом в некоторых случаяхтребуется опасное напряжение.

• Подключайте лампы только безопасными соединительными проводами.

• Подключение производите только при выключенном источнике питания.

Подготовка к работе• Аккуратно установите газовый триод в держатель, правильно развернув лампу так,

чтобы её выводы надежно зафискировались в контактах держателя лампы.

• Соедините разъёмы анода и сетки лампы.

• Подключите вывод «−» источника анодного напряжения к синему гнезду «C» на дер-жателе лампы.

• Для измерения анодного тока IА подключите выход «+» источника анодного напря-жения к гнезду «+» амперметра (мультиметр LDanalog 20), а гнездо «−» ампермет-ра –– к анодном выводу лампы.

• К выходам источника анодного напряжения подключите вольтметр (мультиметр LDanalog30), соблюдая полярность.

• Установите переключатели режима работы и предела измерений у измерительныхприборов в соответствующие положения (например, 600 В на вольтметре, 100 мкАна амперметре).

• Установите все регуляторы напряжений в минимальные положения (поверните ихпротив часовой стрелки до упора) и включите источник питания лампы.

Проведение измерений• С помощью ручки «0 . . . 500В » на источнике питания увеличивайте анодное напря-

жение UА (шагами по 50 В до 300 В, далее – через 10 В). Для каждого значенияUА измерьте амперметром силу анодного тока IА. Результаты измерений занесите втаблицу. Измерения проводите пока анодное напряжение достигнет 500 В.

• Пошагово уменьшайте напряжение на аноде. Для каждого значения UА (используяте же значения, которые использовались при увеличении напряжения) измерьте ам-перметром силу анодного тока IА. Результаты измерений занесите в таблицу.

Обработка результатов• На одних координатных осях постройте графики вольтамперных характеристик (за-

висимость анодного тока IА от анодного напряжения UА) для случаев увеличения иуменьшения анодного напряжения.

• По графикам определите напряжение зажигания Uз и гашения Uг разряда в триоде.


P3.9.1.2 13

Вопросы для подготовки1. Электропроводность газов. Ионизация газов.

2. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд.

3. Процессы, необходимые для поддержания самостоятельного разряда.

P4.1.2.1

Снятие вольтампернойхарактеристики лампы накаливания


• Измерение зависимости силы тока в лампе накаливания от приложенного напря-жения.

• Определение сопротивления нити лампы на холодном и горячем участках вольт-амперной характеристики.

В лампе накаливания приложенное напря-жение U и ток I зависят друг от друга нелиней-но. Сопротивление металлов сильно зависит оттемпературы, при включении лампы накалива-ния она нагревается и ее сопротивление изме-няется в зависимости от силы тока. Сопротив-ление лампы также зависит от скорости изме-нения напряжения dU/dt.

В этой работе вольт-амперная характери-стика регистрируется с помощью модуля Power-CASSY. Для этого на лампу подается перемен-ное напряжение U(t) треугольной формы, зна-чение которого с постоянной скоростью уве-личивается от 0 до U0 = 10В а затем с та-кой же скоростью убывает до 0 (рис. 6). Ско-рость увеличения напряжения можно регулиро-вать, изменяя частоту приложенного напряже-ния f = 1/T . Напряжение U и сила тока лам-

пу I во время эксперимента измеряются автома-тически, происходит автоматически, под управ-ление программы CASSY Lab 2. По получен-ным данным на экране строится график вольт-амперной характеристики лампы (рис. 7).

14

P4.1.2.1 15

A

V

Рис.6. Cхема экспериментальной установки для получения вольт-амперных характери-стик лампы накаливания

ОборудованиеМодуль Power-CASSY 1 шт. 524011Держатель для лампочки 1 шт. 57906Лампа накаливания 12 В / 3 Вт 1 шт. 50508Компьютер с программой CASSY Lab 2 1 шт.

Порядок выполнения работы• Подключите держатель лампы в модуль Power-CASSY.

• Подключите Power-CASSY с помощью USB кабеля к компьютеру, с установленнойна него программой CASSY Lab.

• Через адаптер 12 В подайте питание на Power-CASSY

• Запустите на компьютере программу CASSY Lab. После запуска программы на экранепоявится окно «CASSYs», на котором будет схематично показан подключенный ккомпьютеру модуль Power-CASSY. Закройте это окно, нажав на кнопку «Close» вего нижней части.

• Загрузите в программу настройки для проведения эксперимента. Для этого нажми-те клавишу «F3» (или выберите пункт меню «File / Open»), в появившемся диалого-вом окне перейдите в папку «D:\Эксперименты», выберите в ней файл «P4121.labx»и нажмите кнопку «Открыть». После загрузки снова появится окно «CASSYs», накотором будет схематично показан подключенный к компьютеру Power-CASSY, приэтом используемый в работе выход модуля будет выделен цветом. Закройте это ок-но, нажав на кнопку «Close» в его нижней части.

• Задайте параметры эксперимента (см. рис. 7). Для этого:

– Выберите пункт меню «Window → Show Measuring Parameters».

– В появившемся справа списке нажмите на знак «▷» около пункта «CASSY’s».

– В появившемся списке модулей нажмите на знак «▷» около пункта «Power-CASSY».

– Нажмите на надпись «Voltage U1 (out)».

– Задайте частоту сигнала 1 Гц, время эксперимента 1 c и интервал измерения1 мс в соотвествующих полях ввода (рис. 7).

P4.1.2.1 16

Рис.7. Окно программы CASSY Lab.

• Запустите измерения на компьютере кнопкой «F9», лампа должна включиться и по-гаснуть.

• Повторите эксперимент при других скоростях нарастания напряжения на лампе,указанных в таблице.

Частота, Гц Время Интервализмерения, с измерения, мс

1 1 110 0,1 1

0,1 10 100,01 100 10

• Сохраните полученные результаты для последующей обработки. Для этого нужнонажать клавишу «F2» ( или выбрать пункт меню «File / Save» в программе CASSYLab), в появившемся диалоговом окне выбрать имя и место для сохранения файлас результатами. Можно также выбрать формат сохраняемого файла –– «.labx» (ре-зультаты и настройки эксперимента можно будет прочитать программой CASSYLab) или «.txt» (данные сохраняются в текстовый файл).

Обработка результатов• Постройте графики зависимости тока через лампу от приложенного напряженияI(U) при различных скоростях нарастания напряжения.

• Определите сопротивление нити лампы в холодном и раскаленном состоянии.

P4.1.2.1 17


Вопросы для подготовки1. Электропроводность металлов. Природа носителей тока в металлах.

2. Зависимость электропроводности от температуры.

3. Лампа накаливания, принцип ее действия.

4. К.п.д. лампы накаливания, способы его увеличения.

P7.2.2.1

Измерение температурнойзависимости сопротивления длярезистора из благородного металла


• Регистрация зависимости сопротивления от температуры для резистора из благо-родного металла.

• Определение температурного коэффициента сопротивления.

Зависимости сопротивления от температу-ры в проводниках и полупроводниках принци-пиально различаются. В металлах сопротивле-ние увеличивается с ростом температуры, т.к.за счет роста амплитуды тепловых колебанийионов в кристаллической решетке растет числостолкновений электронов проводимости с иона-ми. В полупроводниках наоборот, с ростом тем-пературы сопротивление убывает, т.к. все боль-ше и больше электронов переходят из валент-ной зоны в зону проводимости.

В этой работе изучается зависимость сопро-тивления R резистора изготовленного из бла-городного металла от температуры. Для метал-лических проводников в изучаемом диапазонетемператур с большой точностью зависимостьможно считать линейной:

R = R0 · (1 + α · t) (7)

где R0 –– сопротивление при температуре 0◦C,α –– температурный коэффициент сопротивле-ния.

18

P7.2.2.1 19

ОборудованиеРезистор из благородного металла 1 шт. 58680Электрическая печь 230 В 1 шт. 55581NiCr–Ni температурный сенсор 1,5 мм 1 шт. 529676Модуль Sensor CASSY 2 1 шт. 524013NiCr–Ni адаптер S 1 шт. 5240673Источник тока в кожухе 1 шт. 524031Безопасная соединительная коробка с заземлением 1 шт. 502061Пара кабелей 50 см, красный/синий 1 шт. 50145


CASSY Lab 2

© by LD DIDACTIC GmbH · Leyboldstrasse 1 · D-50354 Huerth · www.ld-didactic.com

Phone: +49-2233-604-0 · Fax: +49-2233-222 · E-mail: [email protected] · Technical alterations reserved

334

Electrical conduction in solid bodies

can also be carried out with Pocket-CASSY and Mobile-CASSY

Experiment description The temperature-dependency of the specific resistance R is a simple test for models of electric conductivity in con-ductors and semiconductors. In electrical conductors, R rises with the temperature, as the collisions of the quasi-free electrons from the conduction band with the incomplete atoms of the conductor play an increasing role. In semicon-ductors, on the other hand, the resistance decreases as the temperature increases since more and more electrons move from the valence band to the conduction band, thus contributing to the conductivity.

This experiment measures the resistance values of a noble-metal resistor and a semiconductor resistor as a function of the temperature. For the noble metal resistor, the relationship

R = R0 · (1 + α·ϑ) (R0: resistance at ϑ = 0 °C)

is verified with sufficient accuracy in the temperature range under study. For the semiconductor resistor, the evalua-tion reveals a dependency with the form

R ן eΔE/2kT (k = 1.38·10-23 J/K: Boltzmann constant)

with the energy band interval ΔE.

Equipment list 1 Sensor-CASSY 524 010 or 524 013 1 CASSY Lab 2 524 220 1 Current source box 524 031

1 Temperature box 524 045 1 Temperature sensor NiCr-Ni 666 193 or

1 NiCr-Ni adapter S 524 0673 1 Temperature sensor NiCr-Ni, type K 529 676

1 Noble metal resistor 586 80 1 Semiconductor resistor 586 82 1 Electric oven, 230 V 555 81 1 Safety connecting box 502 061

Рис.8. Экспериментальная установка для определения температурной зависимости сопротивле-ния.

Экспериментальная установка показана на рис. 8. С помощью NiCr–Ni термопары,подключенной через соответствующий адаптер к каналу «A» цифрового модуля SensorCASSY 2 измеряется температура внутри электрической печи. Для этого щуп термопа-ры нужно разместить в печи так, чтобы он находился как можно ближе к исследуемомурезистору. Источник тока, подключенный к каналу «B» используется для регистрации со-противления резистора.

• Подключите электрическую печь к безопасной соединительной коробке, коробкуподключите в электрическую сеть 220 В. Печь должна быть отключена (красныйиндикатор внутри клавиши включения не светится). Зеленый индикатор в соеди-нительной коробке светится всегда, когда на нее подается напряжение.

• Установите изучаемый резистор внутрь электрической печи, подключите его вы-воды к гнездам источника тока, установленного в разъем канала B модуля SensorCASSY 2.

• Подключите термопару через адаптер к блоку Sensor CASSY 2 и осторожно поме-стите щуп термопары через отверстие внутрь электрической печи.

P7.2.2.1 20


• Подключите цифровой модуль Sensor CASSY 2 с помощью USB кабеля к компьюте-ру, с установленной на него программой CASSY Lab.

• Через адаптер 12 В подайте питание на Sensor CASSY 2.

• Запустите на компьютере программу CASSY Lab. После запуска программы на экранепоявится окно «CASSYs», на котором будет схематично показан подключенный ккомпьютеру модуль Sensor CASSY 2. Закройте это окно, нажав на кнопку «Close»в его нижней части.

• Загрузите в программу настройки для проведения эксперимента. Для этого нажми-те клавишу «F3» (или выберите пункт меню «File / Open»), в появившемся диалого-вом окне перейдите в папку «D:\Эксперименты», выберите в ней файл «P7221.labx»и нажмите кнопку «Открыть». После загрузки снова появится окно «CASSYs», накотором будет схематично показан подключенный к компьютеру модуль Sensor CASSY 2,при этом используемые в работе входы модуля будут выделены цветом. Закройте этоокно, нажав на кнопку «Close» в его нижней части.

Проведение измеренийРегистрация зависимости температуры от сопротивления в этой работе происходит

автоматически, под управление программы CASSY Lab. Значения температурыT и сопро-тивления RB1 отображаются на экране, каждое в своем окне. При стандартных настрой-

P7.2.2.1 21

ках эксперимента запись значений температуры и сопротивления в таблицу происходитс шагом в 5 ◦C, по полученным данным на экране строится график зависимости сопротив-ления от температуры (рис. 9).

• Запустите измерения с помощью клавиши «F9» ( или выбрать пункт меню «Measurement /Start/Stop measurement» ) компьютера.

• Включите электрическую печь с помощью клавиши на безопасной соединительнойкоробке (клавиша должна подсвечиваться красным цветом).

• Остановите измерения клавишей «F9» компьютера когда температура достигнет 470 K(около 200 ◦C).

• Отключите питание электрической печи (красный индикатор внутри клавиши дол-жен погаснуть).

• Сохраните полученные результаты измерений. Для этого нужно нажать клавишу«F2» ( или выбрать пункт меню «File / Save» в программе CASSY Lab), в появив-шемся диалоговом окне выбрать имя и место для сохранения файла с результата-ми. Можно также выбрать формат сохраняемого файла –– «.labx» (результаты и на-стройки эксперимента можно будет прочитать программой CASSY Lab) или «.txt»(данные сохраняются в текстовый файл).

Обработка результатовПостройте график зависимости сопротивления R от температуры t. Путем линейной

аппроксимации из графика найдите температурный коэффициент сопротивления и срав-ните с табличным значением для платины.

Вопросы для подготовки1. Электропроводность металлов. Природа носителей тока в металлах.

2. Зависимость электропроводности от температуры. Явление сверхпроводимости.

3. Классическая теория электропроводности. Закон Дюлонга и Пти. Трудности клас-сической теории электропроводности металлов.

4. Зонная теория твердых тел. Расщепление энергетических уровней и образованиезон.

5. Энергетические зоны металлов. Энергия Ферми.

P7.2.2.2

Измерение температурнойзависимости сопротивленияполупроводникового резистора


• Регистрация зависимости сопротивления от температуры для полупроводниково-го резистора.

• Определение энергии активации в полупроводнике.

Зависимости сопротивления от температу-ры в проводниках и полупроводниках принци-пиально различаются. В металлах сопротивле-ние увеличивается с ростом температуры, т.к.за счет роста амплитуды тепловых колебанийионов в кристаллической решетке растет числостолкновений электронов проводимости с иона-ми. В полупроводниках наоборот, с ростом тем-пературы сопротивление убывает, т.к. все боль-ше и больше электронов переходят из валент-ной зоны в зону проводимости.

В этой работе изучается зависимость сопро-тивления R резистора изготовленного из полу-проводника от температуры. Для полупровод-ников зависимость сопротивления от темпера-туры T имеет вид:

R ∼ e∆E2kT (8)

где ∆E –– ширина запрещенной зоны (энергияактивации) в полупроводнике, k = 1,38 ·10−23 Дж/К –– постоянная Больцмана.

22

P7.2.2.2 23

ОборудованиеРезистор из полупроводника 1 шт. 58682Электрическая печь 230 В 1 шт. 55581NiCr–Ni температурный сенсор 1,5 мм 1 шт. 529676Модуль Sensor CASSY 2 1 шт. 524013NiCr–Ni адаптер S 1 шт. 5240673Источник тока в кожухе 1 шт. 524031Безопасная соединительная коробка с заземлением 1 шт. 502061Пара кабелей 50 см, красный/синий 1 шт. 50145


CASSY Lab 2

© by LD DIDACTIC GmbH · Leyboldstrasse 1 · D-50354 Huerth · www.ld-didactic.com

Phone: +49-2233-604-0 · Fax: +49-2233-222 · E-mail: [email protected] · Technical alterations reserved

334

Electrical conduction in solid bodies

can also be carried out with Pocket-CASSY and Mobile-CASSY

Experiment description The temperature-dependency of the specific resistance R is a simple test for models of electric conductivity in con-ductors and semiconductors. In electrical conductors, R rises with the temperature, as the collisions of the quasi-free electrons from the conduction band with the incomplete atoms of the conductor play an increasing role. In semicon-ductors, on the other hand, the resistance decreases as the temperature increases since more and more electrons move from the valence band to the conduction band, thus contributing to the conductivity.

This experiment measures the resistance values of a noble-metal resistor and a semiconductor resistor as a function of the temperature. For the noble metal resistor, the relationship

R = R0 · (1 + α·ϑ) (R0: resistance at ϑ = 0 °C)

is verified with sufficient accuracy in the temperature range under study. For the semiconductor resistor, the evalua-tion reveals a dependency with the form

R ן eΔE/2kT (k = 1.38·10-23 J/K: Boltzmann constant)

with the energy band interval ΔE.

Equipment list 1 Sensor-CASSY 524 010 or 524 013 1 CASSY Lab 2 524 220 1 Current source box 524 031

1 Temperature box 524 045 1 Temperature sensor NiCr-Ni 666 193 or

1 NiCr-Ni adapter S 524 0673 1 Temperature sensor NiCr-Ni, type K 529 676

1 Noble metal resistor 586 80 1 Semiconductor resistor 586 82 1 Electric oven, 230 V 555 81 1 Safety connecting box 502 061

Рис.10. Экспериментальная установка для определения температурной зависимости сопротивле-ния.

Экспериментальная установка показана на рис. 10. С помощью NiCr–Ni термопары,подключенной через соответствующий адаптер к каналу «A» цифрового модуля SensorCASSY 2 измеряется температура внутри электрической печи. Для этого щуп термопа-ры нужно разместить в печи так, чтобы он находился как можно ближе к исследуемомурезистору. Источник тока, подключенный к каналу «B» используется для регистрации со-противления резистора.

• Подключите электрическую печь к безопасной соединительной коробке, коробкуподключите в электрическую сеть 220 В. Печь должна быть отключена (красныйиндикатор внутри клавиши включения не светится). Зеленый индикатор в соеди-нительной коробке светится всегда, когда на нее подается напряжение.

• Установите изучаемый резистор внутрь электрической печи, подключите его вы-воды к гнездам источника тока, установленного в разъем канала B модуля SensorCASSY 2.

• Подключите термопару через адаптер к блоку Sensor CASSY 2 и осторожно поме-стите щуп термопары через отверстие внутрь электрической печи.

P7.2.2.2 24


• Подключите цифровой модуль Sensor CASSY 2 с помощью USB кабеля к компьюте-ру, с установленной на него программой CASSY Lab.

• Через адаптер 12 В подайте питание на Sensor CASSY 2.

• Запустите на компьютере программу CASSY Lab. После запуска программы на экранепоявится окно «CASSYs», на котором будет схематично показан подключенный ккомпьютеру модуль Sensor CASSY 2. Закройте это окно, нажав на кнопку «Close»в его нижней части.

• Загрузите в программу настройки для проведения эксперимента. Для этого нажми-те клавишу «F3» (или выберите пункт меню «File / Open»), в появившемся диалого-вом окне перейдите в папку «D:\Эксперименты», выберите в ней файл «P7222.labx»и нажмите кнопку «Открыть». После загрузки снова появится окно «CASSYs», накотором будет схематично показан подключенный к компьютеру модуль Sensor CASSY 2,при этом используемые в работе входы модуля будут выделены цветом. Закройте этоокно, нажав на кнопку «Close» в его нижней части.

Проведение измеренийРегистрация зависимости температуры от сопротивления в этой работе происходит

автоматически, под управление программы CASSY Lab. Значения температурыT и сопро-тивления RB1 отображаются на экране, каждое в своем окне. При стандартных настрой-

P7.2.2.2 25

ках эксперимента запись значений температуры и сопротивления в таблицу происходитс шагом в 5 ◦C, по полученным данным на экране строится график зависимости сопротив-ления от температуры (рис. 11).

• Запустите измерения с помощью клавиши «F9» ( или выбрать пункт меню «Measurement /Start/Stop measurement» ) компьютера.

• Включите электрическую печь с помощью клавиши на безопасной соединительнойкоробке (клавиша должна подсвечиваться красным цветом).

• Остановите измерения клавишей «F9» компьютера когда температура достигнет 470 K(около 200 ◦C).

• Отключите питание электрической печи (красный индикатор внутри клавиши дол-жен погаснуть).

• Сохраните полученные результаты измерений. Для этого нужно нажать клавишу«F2» ( или выбрать пункт меню «File / Save» в программе CASSY Lab), в появив-шемся диалоговом окне выбрать имя и место для сохранения файла с результата-ми. Можно также выбрать формат сохраняемого файла –– «.labx» (результаты и на-стройки эксперимента можно будет прочитать программой CASSY Lab) или «.txt»(данные сохраняются в текстовый файл).

Обработка результатовПостройте график зависимости сопротивления R от температуры T . Поскольку зави-

симость нелинейная, рекомендуется построить график зависимости lnR от 1/T и прове-сти аппроксимацию полученной зависимости прямой линией. Из аппроксимации опреде-лите энергию активации полупроводника ∆E.

Вопросы для подготовки1. Зонная теория твердых тел. Расщепление энергетических уровней и образование

зон.

2. Энергетические зоны полупроводника. Энергия Ферми. Энергия активации носите-лей тока в полупроводниках.

3. Собственная и примесная проводимость. Доноры и акцепторы.

4. Температурная зависимость проводимости полупроводника

Электрический ток в различных средахold.kpfu.ru/f6/b_files/e2!683.pdf · Юльметов А. Р. Электрический ток в различных

Documents