ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка предназначена для исследования температурной зависимости электропроводности металлов и полупроводников.

Установка позволяет исследовать изменение электропроводности образцов металлов и полупроводника при изменении температуры путем непосредственного измерения электрического сопротивления образцов при нагреве в лабораторной электропечи.

Установка применяется для проведения лабораторных работ по курсу " Квантовая физика".

При проведении лабораторных работ установка может использоваться как самостоятельно, так и в составе лаборатории " Квантовая физика ".

1.УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ

1.1 Установка состоит из объекта исследования (электропечи с установленными в ней исследуемыми образцами и датчиком) и устройства измерительного, выполненных в виде конструктивно законченных изделий, устанавливаемых на лабораторном столе и соединяемых между собой кабелем.

1.2 Объект исследования конструктивно выполнен в виде сборного корпуса, в котором установлены электропечь с помещенными внутри образцами, датчиком (термометр сопротивления) и лампочка которая засвечивается при включенной печи, вентилятор для охлаждения электропечи и источники питания электропечи и вентилятора со схемами управления, а также устройства коммутации и индикации. Электропечь служит для нагрева образцов, температура которых измеряется датчиком измерителя температуры. Вентилятор служит для ускорения охлаждения электропечи после окончания работы с установкой. Источники питания со схемами управления предназначены для питания электропечи и вентилятора и управлением их работой с устройства измерительного. На передней панели объекта исследования находится окно, позволяющее наблюдать электропечь и образцы, установленные в ней. На этой же панели размещены следующие органы управления и индикации:

- выключатель " СЕТЬ" - предназначен для включения и выключения питания объекта исследования;

- переключатель " ОБРАЗЕЦ" - предназначен для поочередного подключения образцов к измерительному входу устройства измерительного;

Положениям переключателя " ОБРАЗЕЦ" соответствует подключение следующих образцов:

" 1" - металл (медь);

" 2" - сплав с низким температурным коэффициентом сопротивления (манганин или константан);

Примечание: Данный образец был введен в установку для демонстрации сплавов с малым температурным коэффициентом. Так как изменение сопротивления образца в рабочем диапазоне температур составляет всего 0, 5 %, исследовать изменение сопротивления от температуры данного образца нецелесообразно.

" 3" - полупроводник (полупроводниковый терморезистор);

" 0" - в этом положении измерительный вход устройства измерительного закорочен.

Индикаторы " СЕТЬ" и " ВЕНТ" - предназначены для индикации включения питания объекта исследования и включения вентилятора (управляются выключателем " СЕТЬ" и устройством измерительным соответственно).

На задней панели объекта исследования расположены клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой и соединительный шнур с разъемом для подключения объекта исследования к устройству измерительному.

Объект исследования с помощью сетевого шнура подключается к сети 220 В, 50 Гц.

1.3 Устройство измерительное выполнено в виде конструктивно законченного изделия. В нем применена однокристальная микро - ЭВМ с соответствующими дополнительными устройствами, позволяющими производить измерение температуры образцов (температуры в электропечи) объекта исследования и сопротивление образцов в процессе нагрева, а также осуществлять функции управления установкой (включение и выключение электропечи и вентилятора объекта исследования, остановка индикации при снятии показаний с индикатора и т.п.). В состав устройства измерительного входят также источники его питания и жидкокристаллический индикатор.

На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации:

- жидкокристаллический индикатор - предназначен для индикации измеряемых величин (в верхней части - температуры в град, цельс., в нижней - сопротивления в Ом), а также режимов работы (отображается в правом верхнем углу).

- кнопки " НАГРЕВ" и " ВЕНТ" - предназначены для включения и выключения (путем повторного нажатия) электропечи и вентилятора объекта исследования соответственно; при включении печи на индикаторе появляется надпись " Warm", вентилятора - " Cool".

- кнопка " СТОП ИНД" - предназначена для включения и выключения (путем повторного нажатия) режима остановки индикации значений температуры и сопротивления при снятии показаний с индикаторов. При включении этого режима, показания на индикаторе фиксируется в том состоянии, в котором они находились при нажатии кнопки " СТОП ИНД", при этом режим работы установки не изменяется (если перед нажатием был нагрев печи, то нагрев продолжается, если был включен вентилятор, то он продолжает работать) и на индикаторе появляется надпись " Fixed". При повторном нажатии происходит выключение данного режима стоп индикации и на индикаторах снова отобразятся текущие значения измеряемых величин и режим работы);

1.4 Принцип действия установки основан на измерении сопротивления образца в процессе его нагрева.

1.5 В процессе выполнения лабораторных работ снимаются зависимости сопротивления образцов от их температуры при нагреве образцов от температуры окружающей среды до максимальной рабочей температуры.

1.6 Примерное описание лабораторных работ, которые могут быть выполнены на базе установки приведено в следующей литературе:

Методические указания к проведению лабораторных работ по физике. Раздел " Квантовая физика" под ред. Ю. Р. Мусина, изд. МАИ, Москва, 1996 г.

Лабораторные занятия по физике под редакцией Л. Л. Гольдина, изд. " Наука", Москва, 1983г.

2.УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ

2.1 К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством, принципом действия и знающие правила техники безопасности при работе с напряжением до 1000 В.

2.2 Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что объект исследования и устройство измерительное заземлены.

2.3 В установке имеется опасное для жизни напряжение, поэтому при эксплуатации необходимо строго соблюдать соответствующие меры предосторожности:

- перед включением в сеть убедитесь в исправности сетевых шнуров;

- замену любого элемента производите только при отключенном от сети сетевом шнуре;

- при наладке и измерениях пользуйтесь надежно изолированным инструментом и пробниками.

2.4 Установка не должна подвергаться воздействию капель или брызг каких-либо жидкостей. Никакие емкости с жидкостями не должны устанавливаться на изделии.

2.5 Не допускается перекрывание вентиляционных отверстий, находящихся на крышке корпуса устройства измерительного и объекта исследования.

2.6 При работе установки происходит нагрев печи до температуры 125°С. Поэтому при необходимости ремонта вскрытие печи категорически запрещается до ее полного охлаждения.

3. ПОДГОТОВКА УСТАНОВКИ К РАБОТЕ

3.1 Установите установку на лабораторном столе. Подключите кабель объекта исследования к соответствующему разъему устройства измерительного согласно приложению I настоящего паспорта.

3.2 Заземлите установку (на задних панелях устройства измерительного и объекта исследования имеются клеммы заземления).

3.3 Перед включением установки в сеть выключатели " СЕТЬ" устройства измерительного и объекта исследования должны находиться в положение " Выкл", а переключатель " ОБРАЗЕЦ" объекта исследования - в положении " О".

4.ПОРЯДОК РАБОТЫ

4.1 Подключите сетевые шнуры устройства измерительного и объекта исследования к сети и включите установку выключателями " СЕТЬ" на задней панели устройства измерительного и передней панели объекта исследования. При этом на индикаторе устройства измерительного должны установиться следующие показания: сопротивление - " О" (допускается индикация до значения 2 младшего разряда), температура окружающей среды. На объекте исследования должен светиться индикатор " СЕТЬ" и не светиться индикатор " ВЕНТ".

4.2 Дайте прогреться установке 3-5 мин.

4.3 Переключателем " ОБРАЗЕЦ", расположенным на передней панели объекта исследования, выберите образец, сопротивление которого будет исследоваться.

4.4 В связи с различной тепловой инерционностью датчика температуры и образцов при нагревании и охлаждении измерение сопротивления образцов рекомендуется выполнять следующим образом.

4.4.1 Нажмите кнопку " НАГРЕВ" устройства измерительного (при этом на индикаторе появится надпись " Warm", а в печи объекта исследования засветится лампочка).

4.4.2 Наблюдая за показаниями температуры (они должны возрастать), при достижении температуры измерения меньше необходимой на 2...3°С (ряд температур измерения рекомендуется выбирать через 5 или 10°С), повторно нажмите кнопку " НАГРЕВ" (при этом лампочка в печи должна погаснуть). После этого, наблюдая за показаниями индикатора (они будут возрастать на 3...4 °С, а затем уменьшаться), при достижении необходимой температуры нажмите кнопку " СТОП ИНД" и (на индикаторе появится надпись " Fixed" ) снимите показания с сопротивления. Так как при режиме " СТОП ИНД", показания индикатора не обновляются и включение (выключение) печи либо вентилятора не индицируются, то для продолжения нормальной работы необходимо повторно нажимать кнопку " СТОП ИНД".

сопротивления образца от температуры.

4.4.3 При достижении максимальной температуры (120°С) и срабатывании защиты (см. п. 2.3 настоящего паспорта) автоматически отключается нагрев и включается вентилятор (при этом на индикаторе появляется надпись " Cool" ).

4.5 По окончании работы необходимо отключить питание установки выключателями " СЕТЬ" (на задней панели устройства измерительного и передней панели объекта исследования) и отключить сетевые вилки устройства измерительного и объекта исследования от питающей сети.

4.6 При работе с установкой возможны разработка и использование других методических разработок по конкретным лабораторным работам содержание которых не противоречит требованиям настоящего паспорта.

4.7 Режим работы установки прерывистый - через каждые 2 часа работы делается перерыв на 10-15 мин.

Контрольные вопросы

(Выбрать вариант)

1. Электропроводность и теплопроводность металлов являются:

зависимыми величинами;

независимыми величинами.

2. Отношение удельной теплопроводности к удельной проводимости в металлах при комнатной и более высоких температурах является:

постоянной величиной;

непостоянной величиной.

3. В квантовой теории проводимости металлов используется:

статистика электронов Максвелла-Больцмана;

статистика электронов Ферми.

4. Энергия Ферми (уровень Ферми) определяет:

максимальную энергию, которую может иметь электрон при 0К;

среднюю энергию, которую может иметь электрон при 0К;

минимальную энергию, которую может иметь электрон при 0К.

5. Электрохимический потенциал металла:

зависит от уровня Ферми;

не зависит от уровня Ферми.

6. Избыток энергии, получаемый электронами за счет теплового движения, составляет:

сотни электрон-вольт;

единицы электрон-вольт;

сотые доли электрон-вольта.

7. Распределение электронов по энергиям определяется:

только вероятностью заполнения уровней;

только плотностью квантовых состояний в зоне;

и тем, и другим.

8. В процессе электропроводности в металлах принимают участие:

все свободные электроны;

небольшая часть их, имеющая энергию, близкую к энергии Ферми.

9.Технические металлы являются:

поликристаллами;

монокристаллами.

10. Число зародышей кристаллизации и их размер:

не зависит от степени переохлаждения;

зависит от степени переохлаждения.

11. Размер зерна:

зависит от химического состава и наличия примесей в металле;

не зависит от химического состава и наличия примесей в металле.

12. В идеальном кристалле металла длина свободного пробега электрона равна:

межатомному расстоянию;

бесконечности.

13. Температурная зависимость удельного сопротивления металлов:

линейна во всей области температур;

имеет нелинейные участки в области низких температур.

14. При плавлении металлов их удельное сопротивление:

не изменяется;

изменяется незначительно;

изменяется примерно в 1, 5-2 раза.

15. Наличие дефектов:

не влияет на удельное сопротивление металлов;

влияет на удельное сопротивление металлов.

16. Примесная добавка:

уменьшает удельное сопротивления;

увеличивает удельное сопротивление.

17. Чем больше удельное сопротивление сплава:

тем меньше его температурный коэффициент удельного сопротивления;

тем больше его температурный коэффициент удельного сопротивления.

18. Температурный коэффициент удельного сопротивления в диапазоне от характеристической температуры до ниже температуры плавления:

постоянен;

возрастает с ростом температуры;

уменьшается с ростом температуры.

19. В твердом растворе:

сохраняется одна решетка с первоначальными размерами;

присутствуют обе решетки;

одна решетка, но с измененными первоначальными линейными размерами.

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учеб. – 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1986. – 367 с.

2. Морозов А.И. Высокотемпературная сверхпроводимость: предлагаемые механизмы. Учеб. пособие / Моск. Гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (ТУ). – М., 1996. – 58 С.

3. Аверин И.А., Медведев С.П., Печерская Р.М. Материалы микроэлектронных устройств. Уч. пособие – Пенза: ПГТУ, 1993 – 63 с.

4. Печерская Р.М. Расчет электрорадиоэлементов. Уч. пособие. Пенза: ПГТУ, 1994 – 80 с.

5. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – М.: Энергоиздат, 1988. т.3.

6. Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина, – М.: Машиностроение, 1982.

⇐ Предыдущая 1 2 3 45