Методические указания по выполнению лабораторных работ учеб метод пособие. Часть І. Севастополь снуяэиП, 2009
 Скачать 1.43 Mb.
|
|
+ + + + − − − − 1 E p - тип n - тип Рис. 3 + + + − − − 1 Ε Ε + − p - область n - область Рис. 4 + + + − − − 1 Ε Ε + − p - область n - область Рис. 5 GB 49 R , которое можно подсчитать из формулы I U R , где U и I - соответственно напряжение и ток в контакте в проходном направлении. Если же источник включить, как показано на рис. 5, электрическое поле источника, складываясь с полем запорного слоя, усиливает запорное поле. При этом потенциальный барьер возрастает, а запорный слой увеличивается. Через контакт могут переходить лишь неосновные носители заряда. Так каких концентрация мала, то ток, идущий через контакт, мал. Такое включение источника называется запорным. Сопротивление р-n-перехода в этом случае определяется по формуле I U R , где и I- соответственно напряжение и токи в контакте в запорном направлении. Зависимость I(U) тока, протекающего по диоду, от приложенного к нему напряжения называется вольт- амперной характеристикой диода. Эта зависимость показана на рис. 6. Количественно выпрямляющее действие диода оценивается коэффициентом выпрямления К. Коэффициент выпрямления равен отношению прямого тока к току в запорном направлении при одинаковых напряжениях Коэффициент выпрямления К не остается постоянным в разных режимах работы диода. С увеличением напряжения U он возрастает, достигая при некотором 0 U максимального значения, а затем убывает. Односторонняя проводимость полупроводникового диода позволяет 0 U a b обратное включение прямое включение Рис. 6 I − − − + + + + + + − − − > > + + − GB2 GB1 U вых R вых R вх Uвх Э Б К p n p Рис. 7 − 50 использовать его для выпрямления переменного тока. В полупроводниковой пластинке можно создать два р-п- перехода. Такое устройство называют транзистором. В зависимости от порядка чередования областей с разными типами проводимости различают р-n-р и р- транзисторы. В их работе нет принципиальной разницы. Рассмотрим работу транзистора типа р (рис. 7). Средняя часть транзистора называется базой. Прилегающие с обеих сторон к базе области имеют иной, чему нее, тип проводимости. Они образуют эмиттер и коллектор транзистора. Для того, чтобы транзистор работал, нужно на переход эмиттер-база подать напряжение от эмиттерной батареи GB1 в прямом направлении, на переход база- коллектор- постоянное напряжение от коллекторной батареи GB2 в обратном направлении. Входное напряжение в х , которое нужно усилить, подается на входное сопротивление в х небольшого численного значения. Усиленное напряжение в ых U снимается с выходного сопротивления в ых R . Так как при подаче обратного напряжения сопротивление перехода база- коллектор оказывается большим, тов коллекторную цепь можно включить большое выходное сопротивление в ых R . Таким образом, вых вх R R . Протекание тока вцепи эмиттера сопровождается проникновением дырок из эмиттера (р- область) в базу (область. Изменение тока эмиттера в зависимости от величины приложенного к нему напряжения такое же, как и изменение тока в полупроводниковом диоде. Если бы толщина базы транзистора составляла 0,1 см или более, то ток существовал бы лишь в замкнутой цепи эмиттера, а нацепи коллектора, к которому приложено обратное напряжение, существование этого тока никак бы не отразилось. В этом случаев цепи коллектора протекал бы микроток, обусловленный неосновными носителями, которым практически можно пренебречь. Если же база транзистора достаточно тонкая, то дырки, попавшие в базу из 51 эмиттера, диффундируют сквозь базу и оказываются у коллектора. Для перехода база - коллектор они являются неосновными носителями заряда и под действием сильного ускоряющего поля коллектора проходят через всю его цепь, создавая напряжение на выходном сопротивлении в ых R коллектора. Если база достаточно тонка, то через коллектор проходит большая часть дырок (99 % и более, эмиттеруемых в базу. Таким образом, ток в коллекторной цепи приблизительно равен току в эмиттерной цепи. э к I I Так как по закону Ома в ых в ых k R U I ; в х в х э R U I , то транзистор, подключенный в схему с общей базой, дает усиление напряжения в х в ых U U , и, соответственно, мощности, которое равно в х в ых в х в ых в х в ых Р P R R U U Надо отметить, что усиление напряжения происходит за счет батареи коллектора. Работа транзистора сходна с работой вакуумного триода. При этом роль катода выполняет эмиттер, роль сетки - база и роль анода - коллектор. В вакуумном триоде, изменяя напряжение между катодом и сеткой, изменяют величину анодного тока. Аналогично в транзисторе, изменяя напряжение между эмиттером и базой, изменяют величину тока в коллекторе. Транзисторы имеют ряд преимуществ в сравнении с вакуумными триодами они потребляют меньшую мощность, немедленно готовы к работе, их надежность и срок службы больше, а габариты меньше. Статические характеристики транзистора - это зависимость тока от напряжения на входе и на выходе без подключения к прибору нагрузки (те. вцепи эмиттера ив цепи коллектора) (см. рис. 11). Описание установки 52 ЭК Б ЭК Б VT2 VT1 VD анод катод Полупроводниковый диод транзистор типа n – p - n транзистор типа p – n - p Рис. 8 Условные обозначения полупроводникового диода и транзисторов показаны на рис. 8. Полупроводниковый диод в лабораторной работе включается по схеме рис. 9. Вцепи используется многопредельный миллиамперметр. Включая его в цепь разными клеммами, можно изменять чувствительность миллиамперметра. Это дает возможность с высокой точностью измерять как прямой, таки обратный ток, несмотря на то, что их величины существенно отличны. Двухполюсный переключатель позволяет подавать на клеммы диода прямое и обратное напряжение. Для снятия статических характеристик транзистора электрическая цепь собирается по схеме, показанной на рис. 10. Эта схема имеет две цепи цепь эмиттера и коллектора. V mA GB VD Рис. 9 53 В схеме используется транзистор типа р-n-р. Поэтому на эмиттер подается положительный, а на коллектор отрицательный потенциал по сравнению с базой. Вольтметр и потенциометр Пэ вцепи эмиттера имеют меньшие пределы измерения и сопротивления, чем аналогичные приборы вцепи коллектора. Выполнение работы Собрать цепь по схеме (см. рис. 9) и с разрешения лаборанта подключить источник тока. Диод должен быть подключен к источнику тока в прямом направлении. Изменяя потенциометром напряжение через 0,5 В, записать соответствующие значения тока (всего 5 - 7 измерений. Переключателем подать на диод обратное напряжение, а затем уменьшить пределы измерения миллиамперметра, те. увеличить его чувствительность. Увеличивая обратное напряжение от 0 через 0,1 В, отметить соответствующие значения тока (5 - 7 измерений. Данные измерений и вычислений занести в табл. 1. Таблица 1 Прямое включение Обратное включение КВ кОм В mA кОм Построить график зависимости прямого и обратного тока от напряжения. + − − + GB 1 GB 2 m A э m A к Vк э VT Пэ Пк Рис. 10 54 Определить сопротивление р-n-перехода и коэффициент выпрямления для всех измерений. Сделать вывод относительно изменения R и K с изменением напряжения. Для снятия статических характеристик транзистора собрать цепь согласно схеме (см. рис. 10). Подключить источники тока с разрешения лаборанта. 10. Снять статическую эмиттерную характеристику. Для этого при постоянном U k определить изменение эмиттерного тока при изменении эмиттерного напряжения от нуля через 0,5 В (5 - 7 измерений. 11. Снять две статические коллекторные характеристики. Для этого, установив эмиттерный ток э, определить изменение коллекторного тока при изменении U k от нуля через 0,2 В (5 - 7 измерений. 12. Проделать аналогичные измерения при эмиттерном токе э 13. Данные измерений занести в табл. 2. Таблица 2 U k = const э 1 = 3 mA э = 6 mA э эк к к к 14. Построить статические характеристики полупроводникового триода, как показано на рис. 11. Контрольные вопросы Как влияют примеси на электропроводимость полупроводников Объяснить образование р-n-перехода и его свойства Как подключить источник тока к диоду в прямом, в обратном направлениях Что при этом происходит в р-n-переходе? Почему ток вцепи при включении диода в проходном направлении больше тока в запорном направлении э э э k I 2 к I 1 к I э U к U Рис. 11 55 Какие внешние факторы изменяют проводимость полупроводника Почему при достаточно большом запорном напряжении обратный ток возрастает (см. участок а на рис. 6)? 7. Что характеризует коэффициент выпрямления К Как изменяется К с изменением напряжения 8. Сравнить сопротивления и R- при одинаковых напряжениях. Какие из них больше, почему Устройство и работа транзистора. Что такое эмиттер, коллектор Можно ли их поменять местами Почему С какой целью база изготовляется малой толщины 10. Почему при меньшем токе на эмиттере ток насыщения коллектора мал Что такое ток насыщения коллектора 11. Почему при коллекторном напряжении, равном нулю, ток в коллекторе 0 k I ? 12. Усиливает ли транзистор, включенный по схеме с общей базой, величину тока Объяснить усиление транзистором напряжения и мощности. 13. Как включить источник тока к эмиттеру, к коллектору 14. Объяснить на статических характеристиках, как влияет изменение эмиттерного напряжения на величину тока насыщения коллектора, почему Лабораторная работа № 7 Градуировка термопары компенсационным методом Цель работы Изучить компенсационный метод измерения ЭДС, провести градуировку исследуемой термопары, измерить постоянную термо-ЭДС. Приборы и принадлежности 1. Прибор универсальный измерительный УПИП – М. 2. Исследуемая термопара. 3. Электрический нагреватель. 4. Термометр. Краткая теория Присоединении двух разнородных металлов возникает разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов. Итальянский физик А. Вольта установил экспериментально два закона 56 Контактная разность потенциалов зависит от химической природы и температуры соприкасающихся проводников. Контактная разность потенциалов цепи из последовательно соединенных разнородных проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от химической природы промежуточных проводников, а определяется контактной разностью потенциалов, которая возникает при контакте крайних проводников. Рассмотрим контакт двух металлов с разными работами выхода. Работой выхода электрона из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на уровне Ферми, чтобы удалить его из металла. Уровнем Ферми в металле называется верхний энергетический уровень, заполненный электронами при температуре 0 К. Пусть работа выхода электронов из первого металла меньше, чем из второго 2 1 A A , а уровень Ферми в первом металле выше, чем во втором 2 см. риса. При контакте двух металлов электроны будут переходить с высоких энергетических уровней первого металла на более низкие энергетические уровни второго металла. В результате уровни Ферми обоих металлов выравниваются и возникают внешняя и внутренняя контактная разности потенциалов (см. рис. б. Внешняя контактная разность потенциалов между точками Аи В определяется разностью работ выхода электронов из металла и равна e A A / ) ( 1 2 / , (1) здесь е – элементарный электрический заряд. Внутренняя контактная разность потенциалов возникает между двумя точками разнородных металлов, находящихся в двойном электрическом слое, который образуется в приконтактной области. Этот слой называется контактным. Его толщина в металлах составляет 10 м. e e 57 Внутренняя контактная разность потенциалов определяется разными значениями энергий уровней Ферми двух разнородных металлов e E E F F 2 1 . (2) К возникновению внутренней контактной разности потенциалов приводит разная концентрация электронов в металлах. Внутренняя контактная разность потенциалов зависит от температуры контактов и обусловливает термоэлектрические явления. Внешняя контактная разность потенциалов много больше внутренней контактной разности потенциалов. Второй закон Вольта можно вывести на примере соединения трех разнородных металлов. 1 2 3 Разность потенциалов вцепи, содержащей последовательно соединенные проводники при одинаковой температуре, равна сумме всех разностей потенциалов, поэтому, учитывая формулы (1) и (2), можно записать e E E e A A e E E e A A e E E e A A F F F F F F 3 1 1 3 3 2 2 3 2 1 1 2 _ . (3) Таким образом, из формулы (3) следует, что разность потенциалов вцепи, состоящей из трех проводников, зависит только от характеристик крайних металлов. В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек (1770 – 1831) открыл экспериментально, что в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников, появляется электрический ток, если температуры контактов разные. Это возникновение термоэлектрического тока называется явлением Зеебека. Пусть вцепи, состоящей из двух разнородных металлов, спаи имеют разную температуру и 2 Направление тока указано на рис. 2. Опыт показывает, что термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) в замкнутой цепи прямо пропорциональна разности температур в контактах 2 1 T T . (4) В 1 1 T 2 T 2 А Рис. 2 I 58 Коэффициент называется постоянной термоэлектродвижущей силы. Единица измерения в СИ КВ. Постоянная термо-ЭДС зависит от химической природы металлов. Из формулы (4) можно определить температуру Т 2 1 T T . (5) Выражение (5) применяют при дистанционном измерении температуры с помощью термопары. Термопара – это устройство для измерения температуры, которое состоит из двух сваренных по концам разнородных металлов. Первый спай термопары размещают вместе замера температуры Та второй спай имеет температуру окружающей среды (Т ). Измеряя термо-ЭДС и температуру Т , подставляя известное значение постоянной термо-ЭДС ( ), можно вычислить по формуле (5) значение температуры Т . Описание установки Проградуировать термопару — значит построить графическую зависимость термо-ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев и определить постоянную термопары. Термо-ЭДС измеряется с помощью потенциометра постоянного тока, в основе устройства которого лежит компенсационный метод. Принципиальная схема, поясняющая суть метода, приведена на рис. 3. От источника напряжения тока с помощью регулируемого сопротивления R устанавливается рабочий ток p I в измерительном сопротивлении k R . Поставив переключатель П в положение «1», можно изменением рабочего тока при неизменном значении добиться равенства ЭДС нормального элемента ни падения напряжения на участке АВ, те. н. (6) Сила тока в гальванометре Г будет равна нулю, т.к. токи от источника и нормального элемента направлены противоположно. Переводя переключатель П в положение «2», можно, изменяя k R , найти такое сопротивление 2 k R , при котором падение напряжения на участке АВ R А p I В кн х 2 П Рис. 3 Г 59 будет равно хи гальванометр при этом также покажет нулевое значение 2 k Р х R I . (7) Поделив выражение (7) на (6), можно определить значение неизвестной ЭДС 1 2 k k н х R R (8) Неизвестная ЭДС х является искомой термо-ЭДС. В описанном методе измерение ЭДС осуществляется с помощью образцовых мер нормального элемента ни сопротивления k R . Нормальный элемент, ЭДС которого известна очень точно, служит лишь для градуировки потенциометра, те. для установки точного значения рабочего тока. В качестве последнего применяют нормальный элемент Вестона, ЭДС которого 01829 , 1 н В. Нормальный элемент Вестона ценен тем, что его ЭДС слабо зависит от температуры и сохраняет практически постоянное значение при условии бережного обращения с прибором. На рис. 4 представлена установка для градуировки термопары. Она состоит из универсального измерительного прибора УПИП - 60 М, термопары, нагревателя и термометра. УПИП - 60 М предназначен для измерения напряжения, а в данном случае для измерения термо-ЭДС компенсационным методом. На рис. 5 представлена лицевая панель прибора Рис. 4 60 1 - клеммы подключения термопары 2 - ручка реостата точно 3 - ручка реостата грубо 4 - переключатель питания 5 - клеммы подключения термопары 6 - ручка реостата точно 7 - ручка реостата грубо 8 - переключатель питания 9 - переключатель В 12; 10 - ручка секционированного переключателя 11 - ручка реохорда 12 - переключатель пределов потенциометра. Выполнение работы 1. Подключить термопару к зажимами универсального измерительного прибора УПИП – 60 М, соблюдая полярность. 2. Установить переключатель род работы в положение потенциометр. 3. Установить переключатель питания в положение питание включено. 4. Установить переключатель пределов потенциометра в положение х 0,5» или х 1». 5. Для установки рабочего тока потенциометра установить переключатель В в положение К. 6. Установить стрелку гальванометра на «0» сначала вращением рукоятки грубо при нажатой кнопке грубо, а затем вращением рукоятки точно при нажатой кнопке точно. 7. Измерить термо-ЭДС термопары при комнатной температуре. Для этого установить переключатель В в положение Н. Вращением рукояток секционного переключателя и реохорда установить стрелку гальванометра на «0» сначала при нажатой кнопке грубо, а затем при нажатой кнопке точно. Значение термо-ЭДС в милливольтах будет равно сумме показаний шкал секционного переключателя и реохорда, умноженной на множитель, установленный на переключателе пределов потенциометра. 61 8. Включить нагреватель и провести замеры термо-ЭДС через каждые 10 С Показания термометра снимать в конце измерения термо-ЭДС. 9. Выключить нагреватель и отключить питание установки. 10. Результаты измерений занести в таблицу. 11. Построить график зависимости термо-ЭДС от разности температур ) ( 2 терм о. Для каждой разности температур определить постоянную термопары , вычислить ее среднее значение и среднюю абсолютную погрешность T терм о Таблица Номер опыта C 1 t C 2 t 2 терм о В В/К В/К В/К В/К 1 2 3 62 4 5 Контрольные вопросы 1. Что такое внутренняя и внешняя контактные разности потенциалов 2. Изложить законы Вольта для контактной разности потенциалов. 3. Что называют работой выхода электрона из металла 4. Объяснить устройство и принцип работы термопары. 5. Объяснить явление Зеебека. 6. Что называют термо-ЭДС? 7. Объяснить принцип компенсационного метода измерения термо-ЭДС. ЛИТЕРАТУРА 1. Детлаф А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М Высшая школа, 1989. 2. Савельев ИВ. Курс общей физики / ИВ. Савельев. - М Наука, 1987. - Т. 1, 2. 3. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. - М Высшая школа, 2003. 4. Райкин ЯМ Основы физики твердого тела учеб. пособие / ЯМ. Райкин. - Севастополь СВВМИУ, 1987. ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА Твердые вещества (при 20 С, 10 3 кг/м 3 63 Алюминий 2,7 Никель 8,9 Бетон 2,2 Оконное стекло 2,5 Вольфрам 19,1 Олово 7,8 Древесина сухая Парафин 0,90 - береза 0,70 Платина 21,5 - дуб 0,80 Плексиглас 1,2 - сосна 0,50 Пенопласт 0,02...0,10 Железо 7,8 Пробковая кора 0,2 Золото 19,3 Свинец 11,3 Кирпич 1,8 Серебро 10,5 Латунь 8,6 Сталь 7,8 Лед (0 С) 0,90 Фарфор 2,3 Медь 8,9 Цинк 7,1 Мрамор 2,7 Чугун 7,0...7,8 Жидкости (при 20 С, 10 3 кг/м 3 Бензин (легкий) 0,70 Нефть 0,80 Вода (4 С) 1,00 Раствор медного купороса насыщенный) 1,15 Вода морская 1,03 Ртуть (0 С) 13,60 Воздух жидкий ( 194 С) 0,86 Серная кислота концентрированная) 1,83 Глицерин 1,26 Скипидар 0,87 Керосин 0,80 Спирт (ректификат) 0,80 Кислород жидкий ( 182 С) 1,14 Эфир 0,72 Длина световых волн и соответствующие им цвета видимого спектра, нм 760...620 Красный 500...480 Голубой 620...590 Оранжевый 480...450 Синий 590...560 Желтый 450...380 Фиолетовый 560...500 Зеленый Примечание Человеческий глаз наиболее чувствителен к средней зеленой части видимого спектра, соответствующей длине волны около 550 нм. Приложение МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ (СИСТЕМА СИ) Основные единицы измерения Единица массы – килограмм (кг. 64 Единица длины – метр (м. Единица времени – секунда (с. Единица силы тока – ампер (А. Единица силы света – свеча (свили кандела (кд). Единица температуры – Кельвин (К. Единица количества вещества – моль (моль. Некоторые приставки для преобразования внесистемных единиц в систему си Приставка Числовое значение Сокращенное обозначение Приставка Числовое значение Сокращенное обозначение Атто… 10 -18 а Деци… 10 -1 д Фемто… 10 -15 ф Декада Пико… 10 -12 п Гекто… 10 г Нано… 10 -9 н Кило к Микро… 10 -6 мк Мега… 10 М Милли… 10 -3 м Гига… 10 Г Санти… 10 -2 с Тера… 10 Т Приложение Греческий алфавит Буква Название буквы Буква Названиебуквы альфа ню бета кси гамма омикрон дельта пи эпсилон ро дзэта сигма эта тау тэта ипсилон йота фи каппа хи ламбда пси мю омега Латинский алфавит Буква Название буквы Буква Название буквы 1 2 3 4 Аа а Nn эн Bb бе Oo о 65 Cc цепе деку е Rr эр Ff эф Ss эс Gg ге, же Tt те Hh ха, аш Uu у Ii иве йот, жи Ww дубль-ве Kk ка Xx икс Ll эль Yy игрек Mm эм Zz зет (зета) ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Организационно-методические указания по выполнению лабораторных работ 3 2. Инструкция по технике безопасности при работе в лабораториях кафедры физики. 6 66 Лабораторная работа № 1. Определение коэффициента внутреннего трения по методу Стокса 7 Лабораторная работа № 2. Определение показателя адиабаты 12 Лабораторная работа № Определение длины волны видимого света с помощью бипризмы Френеля Лабораторная работа № Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки 29 Лабораторная работа № 5. Определение ширины запрещенной зоны 37 Лабораторная работа № 6. Снятие статических характеристик полупроводникового диода и транзистора 44 Лабораторная работа № 7. Градуировка термопары методом компенсации 54 Литература 60 Приложения 61 Издается в авторской редакции Технический редактор Р.В. Дмитриева Компьютерная верстка В.В. Довгаленко Ю.В. Бочанов Подписано к печати 21.04.09. Изд. № 316/08. Зак. 159/2009. Тираж 240 экз. Объем 4,0 пл. Усл. печ. л. 3,72. Уч.-изд. л. 3,92. Формат бумаги 60 х 84 1/16 Издательский центр СНУЯЭиП |