3.5. Определение удельного электрического сопротивления,
Температурного коэффициента удельного электрического
Сопротивления и оценка теплоёмкости полупроводящего
Материала – эком
Цель работы
Целью работы является знакомство с линейными полупроводящими материалами на примере композиционного материала ЭКОМ, определение удельного сопротивления, температурного коэффициента удельного сопротивления и теплоемкости у каждого из образцов материала, оценка значения контактного сопротивления, выявление образцов с большим контактным сопротивлением.
Методы измерения
При выполнении лабораторной работы измеряются:
- Размеры образцов и расстояния между точками измерения падений напряжения – при помощи линейки.
- Ток, протекающий через образцы – с помощью амперметра прямого включения.
- Падения напряжения на образцах между различными точками - при помощи переключаемого цифрового вольтметра.
- Температура образцов – с использованием термопар и цифрового измерителя температуры.
По результатам измерений определяются:
- Сопротивление образца экома (методом амперметра-вольтметра, по току и падению напряжения на образце).
- Контактное сопротивление (методом амперметра-вольтметра, по току и падению напряжения на контакте).
- Удельное сопротивление образцов по сопротивлениям образцов и геометрическим параметрам.
- Температурный коэффициент удельного сопротивления.
- Плотность тока в образцах по току и площади поперечного сечения.
- Теплоёмкость образов из уравнения теплового баланса5:
,
где j – плотность тока, А/м2; ρ – удельное сопротивление образца, Ом∙м; τ – время нагрева, с, c – искомая теплоёмкость образца, Дж/кг∙К; d – плотность экома, кг/м3; ΔT – разность между конечной и начальной температурами нагревающегося током образца.
Описание лабораторной установки
Электрическая схема лабораторной установки показана на рис. 3.10. Схематическое изображение образца представлено на рис. 3.11. Приборная панель с образцами изображена на рис. 3.12.
Рис. 3.10. Электрическая схема лабораторного стенда по исследованию образцов экома.
Образец экома (рис 3.11) имеет встроенные токовые (А и В) и потенциальные (М и N) электроды. Между электродами А и В протекает ток. Падения напряжения можно измерить между любой парой электродов. UAB - это падение напряжения на образце, включающее в себя падение напряжения на контактном сопротивлении между латунным электродом и экомом. UMN- это падение напряжения на участке экома, по которому можно определить сопротивление этого участка и по нему вычислить удельное сопротивление материала данного образца.
Рис. 3.11. Схематическое изображение образца экома
На лабораторной панели (рис 3.12) пять образцов экома (поз. 1) соединены последовательно. Протекающий по ним ток измеряется амперметром (поз. 3 на рис. 3.12). Падение напряжения можно измерить как между электродами M и N, так и между электродами А и В . Для этого служит переключатель (поз. 5 на рис. 3.12) Напряжение измеряется цифровым вольтметром (поз. 6 на рис. 3.7). Для подключения вольтметра к тому или иному образцу служит переключатель (поз. 4 на рис. 3.12). Положение переключателя соответствует номеру образца. Одновременно этим же переключателем коммутируются термопары. Значение температуры в 0С высвечивается на цифровой панели (поз. 2 на рис. 3.12).
Рис. 3.12. Приборная панель с образцами экома
Методические указания
Внимание! При включении установки на элементах появляется напряжение, опасное для жизни. Непосредственное прикосновение руками к плиткам ЭКОМ и их клеммам А, М, N и В всех образцов запрещено. Измерение напряжения и температуры производится только переключателем (поз. 4 на рис. 3.12).
Во время проведения измерений, измеряемые параметры меняются, до проведения работы желательно подготовить таблицы для занесения данных и продумать организацию быстрого измерения. Непосредственно после включения установки производится измерение начальных температуры, и напряжения на образцах, с фиксацией времени измерения каждого образца. Рекомендуемое время выдержки образцов под током - 10 минут. По окончании этого времени производится повторное измерение тока, необходимых значений напряжения и температур нагретых образцов. При этом фиксируется время повторных измерений для каждого образца. После окончания измерений установка отключается.
В отчете по работе, составляемом на подгруппу, необходимо привести все измеренные значения, расчетные выражения и результаты расчетов.
Контрольные вопросы
1. Какие резистивные материалы Вы знаете?
2. Состав экома и роль каждого из компонентов.
3. Что такое композиционный материал?
4. Какие модели структуры композиционных материалов Вы знаете?
5. Как рассчитать удельное электрическое сопротивление по току, протекающему через образец и падению напряжения на участке образца?
6. Как определить контактное сопротивление?
7. Расскажите об уравнении теплового баланса при нагреве материала протекающим электрическим током.
8. Что такое «плотность тока»?
9. Что такое удельная теплоемкость материала?
10. Что такое теплопроводность?
11. В каких единицах измеряется удельная теплоемкость?
12. Значения каких величин нужно знать, чтобы определить количество энергии, поглощаемой единицей объема материала при нагреве материала на 1 градус?
13. Что такое «плотность» материала?
14. Что означает знак перед значением температурного коэффициента удельного сопротивления и для каких материалов характерны положительные и отрицательные значения ТКρ?
15. Какие физические явления обусловливают отрицательное значение температурного коэффициента удельного сопротивления у полупроводников?
16. По каким причинам образцы экома, одного состава и одной технологии изготовления могут иметь разное сопротивление?
17. Используя данные Ваших измерений, предскажите значение напряжения между двумя указанными преподавателем точками установки.