Реферат: Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам
2. Описание экспериментальной установки........................................................................................................ 23
3. Порядок выполнения работы.................................................................................................................................... 24
4. оформление отчета....................................................................................................................................................... 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 r , температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления a r (ТКr ), 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 (r£ 0,1 мкОм×м) – 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 = 9,109×10-31 кг, e = 1,602×10-19 Кл – масса покоя и заряд электрона; 
» 105 м/с – средняя скорость теплового движения электронов;no = 1028 м-3 — число электронов в единице объема; l ср – средняя длина свободного пробега электронов.
Величина удельного электрического сопротивления проводников в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов l 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 r × l ср = а = const .
Температурным коэффициентом удельного сопротивления a r (ТК r ) 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 a r имеет две составляющие: a r = a R + a l , (1.3)
где a R – температурный коэффициент сопротивления в данном интервале температур; a l – температурный коэффициент линейного расширения проводника, значения которого приведены в табл. 1.1. У чистых металлов a r >> a l , поэтому для них a r » a R . для термостабильных металлических сплавов такое приближение не справедливо.
Таблица 1.1
| Металлы и сплавы | al ×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 = d R/ d q (Т –температура в градусах Кельвина, q – в °С) строится зависимость R( q ) (рис. 1.2). При заданной температуре (точка A ) проводится касательная к кривой R( q ) , на которой выбирается участок ab произвольной длины. Производная определяется выражением d R/ d q » D R / D q .
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 T 1 , а свободные (неспаянные) концы температуру T 2 , причем T 1 > T 2 , 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 = 1,381×10-23 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
 |
????????????????? ????????? ?????????? ?? ???. 1.3. ??????? ??????????? ?????????? R1 – R4 , ????????????? ?? ????, ???????????, ????????? ? ???????, ???????????????? ???????? ???-1 (R5 ) ? ????????? ??1???3 ??????????? ? ????????? 1 ? ??????????? 2 . ????????????? ?????????????? ?????????? ?????????? ???????? 3, ?.?.?. ???????? ? ???????????????? 4 . ?????????????? ?1 ? ?2 ????????? ?? ????? 5 ? ????????? ?????????? ?????????? ? ??????????? ??????????? ?????????? ? ?????????. ??? ?? ????????? ??????? ? ????????? ????, ????? ? ??????? ??????????? ???????????.
3. Порядок проведения работы
Внимание: все измерения по последующим пунктам проводятся одновременно.
3.1. Определение удельного электрического сопротивления проводников и вычисление aR , ar .
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 о С. Результаты измерений записать с максимальной точностью в табл.1.2.
Таблица 1.2
проводник | q , o С | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 |
| медь | R1 | ||||||||
| r1 | |||||||||
| aR1 | |||||||||
| ar1 | |||||||||
| 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 П 1 к милливольтметру. Значения измеренных термо-э.д.с. занести в табл. 1.3.
Таблица 1.3
q, °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 ( q ) . По графикуR ( q ) , а также по формулам (1.3), (1.5) рассчитать и занести в таблицу 1.1 значения a R ,a r , и r для каждого из исследованных проводников. По данным таблицы 1.1 построить графики зависимостей R ( q ) , r ( q ) , a R ( q ) и a r ( q ) .
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 ( q ) .
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?