Исследование электрических свойств проводниковых материалов (Лабораторная работа № 9)

Лабораторная работа № 9

Исследование электрических свойств проводниковых

материалов

9.1. Цель работы

Изучить физические явления и методики исследования электрических свойств проводниковых материалов и резисторов; экспериментально определить основные электрические характеристики проводников и резисторов (удельное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления и термоэлектродвижущую силу).

9.2. Программа работы

Ознакомиться с аппаратурой для исследования характеристик проводников и мерами техники безопасности.

Задание №1.  Измерить сопротивление резисторов R.

Задание №2. Измерить сопротивление образцов проводниковых материалов.

Задание №3. Измерения п.п. 1 и 2 повторить, изменяя температуру.

Задание №4. Измерить термоэлектродвижущую силу с помощью потенциометра и милливольтметра.

Задание №5. Произвести вычисление удельных сопротивлений проводниковых материалов и величину коэффициента А для термопар.

9.З. Теоретические сведения

Основными материалами, хорошо проводящими электрический ток, являются металлы. В качестве проводников могут использоваться и некоторые жидкости, а при соответствующих условиях и ионизированные газы. Твердыми проводниками являются металлы и некоторые модификации углерода. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

К металлическим проводникам относятся вещества, у которых на энергетической диаграмме валентная зона вплотную примыкает к свободной зоне, т.е. ширина запрещенной зоны равна нулю. Поэтому все валентные электроны являются свободными и могут перемещаться в пределах твердого тела под действием электрического поля. Однако, движение электронов не свободно и сопровождается рассеянием энергии электронов на дефектах кристаллической решётки проводника (чужеродные ионы в узлах; отсутствие ионов в узлах, т.е. вакансия; наличие ионов в междоузлиях) и на тепловых колебаниях решётки.

Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через такие проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов), в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзошла некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ионизации, то газ может стать проводником, обнаруживая электронную и ионную электропроводности. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

К основным свойствам проводниковых материалов относятся: электропроводность, теплопроводность, термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), механическая прочность, тепловое расширение.

Электропроводность

Электропроводность проводниковых материалов характеризуют с помощью таких параметров, как удельная проводимость или обратная ей величина -удельное сопротивление. Для оценки зависимости удельного сопротивления от температуры служит температурный коэффициент удельного сопротивления.

Способность проводников пропускать электрический ток оценивается величиной удельного сопротивления

[Ом мм²/м],                            (9.1)

где R - сопротивление проводника; S - поперечное сечение проводника; 1 - длина проводника.

Для удельного сопротивления проводников разрешается пользоваться внесистемной единицей Ом мм²/м (S измеряется в квадратных миллиметрах, 1 -в метрах). В системе СИ единицей удельного сопротивления является Ом мм. Соотношения между этими единицами следующее:

10 мм = 10⁶ Ом мм²/м = 10⁶ мкОм м,

10 м.мм²/м = lмк ОМ м.

Удельное сопротивление металлов по электронной теории определяется соотношением:

                               (8.2)

где m - масса электрона;  - средняя скорость теплового движения электронов; е - заряд электрона; n_о - число электронов в единице объема;  - средняя длина свободного пробега электронов.

Средняя скорость теплового движения электронов мало зависит от температуры, число свободных электронов в единице объема меняется лишь в связи с изменением плотности вещества, а основную роль в изменении удельного сопротивления от температуры играет