Електрика

Лабораторна робота № 25.

Вимірювання опору провідників містковою схемою.

Прилади та приладдя: калібровані опори (декади опорів), гальванометр, шунтуючий резистор з вимикачем, магазин опорів, джерело постійного струму (акумуляторна батарея), вимикач, вимірювальні опори.

Мета роботи: засвоїти метод вимірювання опорук із застосуванням схеми мосту постійного струму (міст Уітстона).

Коротка теорія і метод вимірювань

Електричним струмом називається спрямований рух електричних зарядів. Необхідною умовою існування електричного струму є наявність напруги або різниці потенціалів на кінцях провідника. Напруга на даній ділянці кола дорівнює сумі різниці потенціалів і електрорушійної сили (ЕРС), що діє на даній ділянці кола. У відсутності останньої напруга співпадає з різницею потенціалів на кінцях ділянки кола.

Сила струму I, згідно з законом Ома, пропорційна напрузі U на даній ділянці кола і обернено пропорційна її опорові R:

I = U / R. (1)

Електричний опір провідника R зумовлений гальмуванням носіїв електрики за допомогою їх зіткнень з коливаннями іонів у кристалічній гратці металу. Опір провідника R залежить від матеріалу провідника, від його довжини та площі поперечного перетину і температури.

Для визначення опору провідників існують методи, найточнішим із яких є міст постійного струму (місток Уітстона). Принципова схема містка подана на рис.1. Вимірювальний опір R_X та три інших змінних опори (R₀ - магазин опорів, та R_1, R₂-калібрувальні опори) з’єд’ують так, що вони утворюють замкнутий чотирикутник ACBD. В одну діагональ чотирикутника увімкнуто гальванометр (ця ділянка і є містком), а в іншу через вимикач - джерело постійного струму з ЕРС Е. При замиканні кола гальванометр покаже наявність струму на ділянці CD. Проте можна підібрати опори R₀, R₁ та R₂ такі, що потенціали точок C і D стануть рівними. Тоді струм в колі гальванометра відсутній (при замиканні ключа К стрілка гальванометра залишається на нульовій поділці). Оскільки у розгалужень AC і AD точка A спільна, а потенціали точок C і D однакові, то беручи до уваги, що в цих ділянках відсутні ЕРС, падіння напруг на них при цьому будуть, згідно з (1), однакові. Те ж саме справедливе і для розгалужень CB і DB:

I₀ R₀ = I₁ R₁; I_X R_X = I₂ R₂. (2)

Рис. 1.

Оскільки в ділянці CD струм відсутній, то по ділянці CВ іде такий же струм, як і по АС, а в розгалуженні DB, як і в AD, тобто I₀ = I_X, I₁ = I₂. Поділивши рівняння (2) і скорочуючи, згідно останнім співвідношенням для струмів, значення струмів, одержимо основне співвідношення зрівноваженного мостика:

R₀ / R_X = R₁ /R₂. (3)

Звідки знаходимо шуканий опір R_X:

R_X = R₀ (R₂ / R₁) (4)

Розглянутий метод можна застосовувати і для ланцюгів змінного струму. В розгалудженні АС можна розмістити, наприклад, замість R₀ еталонний конденсатор або індуктивність, а в розгалуженні СВ - невідому ємність або індуктивність. Досягаючи зміною співвідношення R₁ / R₂ відсутності струму в містку CD, за відомим значенням еталонної величини можна знайти невідому.

В даній роботі в ролі опору R₀ виступає магазин опорів, в ролі опорів R₁ і R₂ - калібровані опори (декади).

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть електричне коло згідно зі схемою (рис.1). Замість опору R_X ввімкніть один з реостатів з невідомим опором R^/ або R^//.

2. Встановіть однакові значення калібрувальних опорів (декад) R₁=R₂. Замкнувши шунтуючий пристрій вимикачем К^/, і коло батареї вимикачем К, підберіть опір R₀ в магазині так, щоб струм в гальванометрі зник, тобто стрілка гальванометра стояла на нульовій поділці. Розімкніть шунтуючий пристрій і доможіться відсутності струму у містку.

УВАГА! РОЗМИКАТИ ВИМИКАЧ ШУНТА ДОЗВОЛЯЄТЬСЯ ТІЛЬКИ ПІСЛЯ ГРУБОГО НАСТРОЮВАННЯ, ІНАКШЕ МОЖНА СПАЛИТИ ГАЛЬВАНОМЕТР.

3. Підставте значення опорів в (4) і знайдіть значення R^/.

4. Замініть перший реостат R^/ на другий R^// і у відповідності з пунктами 1-3 визначте його опір.

5. Ввімкніть реостати R^/ і R^// спочатку послідовно, а потім – паралельно і виміряйте опори цих з’єднань згідно пп.1-3, одержуючи значення Rпс і Rпр.

6. За відомими формулами Rпс = R^/ + R^// та 1/Rпр = 1/ R^/ + 1/ R^// обчисліть опори послідовного і паралельного сполучення реостатів та занесіть значення їх до колонки R_X таблиці:

7. Одержані дослідним шляхом результати Rпс і Rпр співставте з розрахованими значеннями і визначте їх відхилення.

8. За допомогою омметра виміряйте R^/ і R^// і результати запишіть в таблицю.

Всі дані вимірювань і розрахунків подайте в таблиці.

Дайте відповіді на запитання:

1. Чому опори металів збільшуються при нагріванні?

2. Від чого залежить точність вимірювань опору містковим методом?

3. Чи зміняться умови рівноваги, якщо джерело і гальванометр поміняти місцями?

Лабораторна робота № 26.

Дослідження потужності і ККД електродвигуна за допомогою стрічкового гальма.

Прилади і приладдя: електродвигун, стрічкове гальмо з динамометром, лічильник обертів, електросекундомір, вольтметр на 300 В, амперметр на 1А, штангенциркуль.

Мета роботи: засвоїти один із методів вимірювання характеристик електродвигуна.

Коротка теорія та метод вимірювань

Потужність електродвигуна може бути обчислена за формулою

P = A / t, (1)

де

A = F S (2)

- робота долання сили тертя F; S - шлях, на якому діє сила тертя. Силу тертя F, що долається двигуном, можна знайти за різницею сил натягів F₁і F₂ розгалужень гальмівної стрічки, які визначаються динамометром при натягу стрічкового гальма

F = F₁- F₂ (3)

Якщо радіус шківа дорівнює r, число обертів двигуна є N, то шлях S знаходять за співвідношенням

S = 2π r N. (4)

З урахуванням співвідношень (2) – (4) із (1) одержуємо потужність електродвигуна на валі:

P = 2π r N (F₂ – F₁) / t (5)

Потужність споживаного струму визначається величиною сили струму в двигуні і напругою на ньому:

P = I U, (6)

де I - сила струму, U - напруга на двигуні.

Коефіцієнт корисної дії знайдемо як відношення потужності двигуна на валі до потужності струму, що споживається:

η = P / P_T. (7)

Порядок виконання роботи:

2. Закріпіть планку з динамометром в прорізі стояка таким чином, щоб динамометри давали рівні показання F^/₁ і F^//₂ = 1H.

3. Увімкніть електродвигун. В результаті цього динамометри дадуть різні показання F₁ і F₂. Запишіть їх в таблицю і визначте силу тертя F = F₁ – F₂.

4. Визначте за вольтметром і амперметром напругу U і силу споживаного струму I і занесіть результати відліків до таблиці.

5. Спостерігаючи за лічильником обертів, помітьте момент співпадання поділки шкали лічильника з 1000 або 2000 обертів, включіть секундомір, визначте його показання під час роботи двигуна та виключіть двигун.

6. Не вмикаючи двигуна, підніміть динамометри вище і збільшіть натяг стрічкового гальма на 0,5H. Знову проведіть виміри.

7. Збільшуючи натяг стрічкового гальма через 0,5H, повторіть дослід 4 рази. Результати дослідів занесіть до таблиці. За формулами (5) – (7) визначте шукані величини.

Дайте відповідь на запитання:

1. На якому явищі грунтується робота електродвигуна?

2. Яка частина електричної енергії йде на нагрівання обмотки?

3. Чому при надто великому навантаженні двигун може вийте з ладу?

4. Побудуйте за даними таблиці залежність ККД від потужності електродвигуна.

Лабораторна робота № 27.

Градуювання термоелемента.

Прилади та приладдя: термопари, гальванометр, дві посудини з водою, електронагрівач.

Мета роботи: засвоїти метод вимірювання температури за допомогою термопари.

Коротка теорія та метод вимірювань

Майже вільні електрони, що знаходяться у металі в стані хаотичного руху, утримуються всередині металу електричними силами. Для виходу електрона із металу треба затратити енергію і виконати за її рахунок роботу А, що зветься роботою виходу електрона із металу. Величина роботи виходу залежить від природи металу, а також його стану. При дотику двох різних металів електрони в результаті теплового руху переходять із одного металу в інший і зворотньо в різних кількостях. Кількість електронів, що перетинають межу розділу в одиницю часу, залежить від роботи виходу і концентрації електронів в одиниці об’єму - n.

У різних металів величини A і n різні, тому перехід електронів через контактний шар відбувається в більшій кількості від металу з меншою роботою виходу і з більшою концентрацією вільних електронів. При цьому провідник з надлишком електронів набуває негативного потенціалу, а інший, що втратив частину електронів, - позитивного. Виникаюче і зростаюче при цьому електричне поле сповільнює процес переходу електронів від одного металу до іншого і призводить до рівноважнго стану, при якому потоки електронів в обох напрямках вирівнюються. Різниця потенціалів, що з’являється між металами, називається контактною різницею потенціалів. Величина її залежить від температури контакту.

Якщо укласти замкнуте коло із двох спаяних кінцями (рис.1) різнорідних металів L і M, яке називають термопарою, то в місцях спаїв 1 і 2 виникнуть протилежні за знаком контактні різниці потенціалів. При однакових температурах спаїв (T₁ – T₂) сумарна різниця потенціалів дорівнює нулеві. А при наявності різниці температури сумарна різниця потенціалів відмінна від нуля. Нехай спай 1 витримується при температурі Т₁, а спай 2 – при Т₂ і нехай Т₂ > Т₁. Позначимо контактну різницю потенціалів у спаях 1 і 2 відповідно V₁і V₂. Тоді, враховуючи протилежність V₁і V₂. сумарне падіння напруги в колі можна подати як

E = V₁ – V₂. (1)

Подана співвідношенням (1) різниця потенціалів у даному випадку відмінна від нуля і носить назву термоелектрорушійної сили. Теоретичний розгляд явища термоелектрики в квантовій фізиці приводить до такого виразу для термоЕРС:

E = α (T₁ – T₂) (2)

де α - так званий коефіцфіцієнт термоЕРС.

Співвідношення (2) справедливе для термоелементів у деякому інтервалі різниці температур, тому що величина α слабо залежить від температури. У вузькому інтервалі температур можна знехтувати залежністю α від температури і вважати її сталою для даного термоелементу. В цьому випадку її звуть сталою термопари. Згідно з виразом (2) величина α визначається як термоЕРС, що виникає при різниці температур у 1 К. Тобто параметр α характеризує чутливість термоелемента до температури. При наявності термоЕРС в колі виникає термоелектричний струм I, величина якого визначається за законом Ома:

I = E / (R + r), (3)

де R - зовнішній опір кола; r - опір термопари.

Як бачимо із (3), сила струму в гальванометрі пропорційна термоЕРС, а остання пропорційна різниці температур іі спаїв. На цій залежності грунтується термоелектричний метод вимірювання температури. Для цього термоелемент має бути заздалегідь проградуйованим. Результати градуювання зображують у вигляді графіка і у вигляді формули з відомим значенням α.

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть установку за схемою (рис.1). Перевірте рівність температур води в посудинах. При рівності температур стрілка гальванометра має стояти на нулеві.

2. Увімкніть електронагрівач однієї з посудин.

3. За відхиленням стрілки гальванометра визначить струм у колі (ціна поділки вказана на приладі). Повільно нагрівайте воду в посудині та через 2 К записуйте значення відповідних струмів. Температуру не підвищуйте понад 90˚С.

4. Вимкніть електронагрівач і за формулою (3) визначте термоЕРС Е для одержаних значень струму I. Опір термопари r = 1,5 Ом. Значення R позначено на гальванометрі.

5. На основі дослідних даних побудуйте графік залежності E = f(ΔT). За нахилом графіка визначте величину α згідно з (2) як кутовий коефіцієнт нахилу графіка до осі температур.

Результати вимірювань і розрахунків подайте в таблиці:

Дайте відповіді на запитання:

1. Назвіть причини появлення контактної різниці потенціалів.

2. Які переваги і недоліки мають термоелементи в порівнянні зі звичайними термометрами?

3. Назвіть можливі застосування термоелементів у техніці, біології, сільському господарстві.

4. Чому при однакових температурах спаїв термоЕРС в колі відсутня?

Лабораторна робота № 28.

Дослідження температурної залежності опору напівпровідників.

Прилади та приладдя: напівпроводникові термометри (термістори), магазин опорів, гальванометр, джерело струму, посудина з водою, термометр, електронагрівач.

Мета роботи: засвоїти метод вимірювання температури за допомогою термісторів.

Коротка теорія та метод вимірювання

За величиною електроопору всі речовини поділяються на три класи: провідники, напівпровідники та діелектрики. Для провідників характерна велика концентрація вільних носіїв заряду (електронів або іонів), тому у них електропровідність велика, а опір - малий. Питомий опір у металів звичайно має значення 10 ^-8 - 10 ^-7Ом м.

На протилежність металам мала провідність (високий опір) діелектриків зумовлена надто малою концентрацією вільних носіїв заряду. Їх питомий опір надто великий і має величину, що знаходиться в межах 10 ⁸ – 10 ¹⁸ Ом м.

Напівпровідники за питомим опором займають проміжне положення між металами і діелектриками. Питомий опір напівпровідників знаходиться в межах 10⁸ – 10 ^-7 Ом м. Різниця між провідниками та напівпровідниками не обмежується тільки величиною питомого опору. Напівпровідники мають різний характер провідності. Розрізняють власну та домішкову провідність напівпровідників. Характерні особливості власної та домішкової провідності напівпровідників ми розглянемо на прикладі кристала германію, який є типовим напівпровідником. Розглянемо три випадки.

1. Кристал германію не має домішок. В цьому випадку кожний атом германію зв’язаний з чотирма навколишніми атомами ковалентними зв’язками (рис.1а). Кожна риска на рисунку відповідає електрону, що утворює міжатомний зв’язок. Всі чотири валентних електрони атома германію беруть участь в утворенні хімічних зв’язків.У тепловому русі або під дією якого-небуть випромінювання уможливлюється відхід одного з валентних електронів “е” від зв’язку, в результаті чого утворюється носії струму – вільний електрон “е” і електронна вакансія “р”, що одержала назву “дірки”. Атом, поблизу якого є електронна вакансія, володіє незкомпенсованним елементарним зарядом, є позитивним іоном. Під дією електричного поля валентні електрони із сусідніх зв’язків перестрибуючи один за одним проти поля, можуть заповнити вакансію, в результаті чого дірка зміщується за напрямком поля. При цьому почергово позитивним іоном стають другий, третій і дальші атоми. Насправді переміщуються електрони, проте складається враження, що у напрямку, протилежному напрямкові перескоків електронів, переміщується позитивний заряд разом з електронною вакансією. В зв’язку з цим дірку зручно розглядати як частку з масою, що дорівнює приблизно масі електрона, і позитивним елементарним зарядам. Крім розглянутого, існує ще й інший механізм переміщення заряду – вільні електрони переміщуються проти поля до зустрічі з діркою. Ця зустріч закінчується рекомбінацією (об’єднанням) електрона і дірки. У наступаючій рівновазі число вивільнених електронів дорівнює числу рекомбінованих. При підвищенні температури чи потужності падаючого на напівпровідник випромінювання число утворюваних вільних електронів і дірок зростає. В зв’язку з цим збільшується рівноважна концентрація носіїв струму, підвищується провідність та знижується опір напівпровідника. Провідність напівпровідника, що не містить домішок, має назву власної і складається з електронної та діркової складових.

2. Кристал германію містить домішку елементу, атоми якого мають валентність на одиницю більшу, ніж у Ge. Нехай це буде, наприклад, миш’як (рис.1б - As). П’ятий валентний електрон атому As “е” не бере участі в утворенні зв’язків. При тепловому русі цей електрон значно легше відривається від атома As, ніж інші електрони. В результаті утворюється вільний електрон, що бере участь в провідності напівпровідника, і позитивний іон миш’яку, міцно закріплений в кристалічній гратці і не спроможний брати участі у провідності. В розглянутому випадку носіями струму можуть бути тільки електрони. Провідність напівпровідника, зумовлена рухом електронів, носить назву електронної провідності, або провідності n -типу. З підвищенням температури концентрація домішкових носіїв струму швидко досягає насичення. В розглянутому випадку домішка називається донорною.

а б в

Рис.1

3. В кристал Ge введена домішка, атоми якої мають валентність на одиницю меншу ніж атоми Ge. Нехай, наприклад, це будуть тривалентні атоми бору (рис. 1в - B). Для утворення хімічних зв’язків з навколишніми атомами германію атому бору не вистачає одного електрона. Електрон, що його не вистачає атому В, останній захоплює із зв’язку іншого атома Ge. В результаті утворюється негативно заряджений іон бору, міцно зв’язаний з кристалічною граткою і неспроможний брати участі в провідності. Крім цього, утворюється рухома електронна вакансія “р” в зв’язках германію – дірка. Атом Ge, що лишився без електрона, намагається захопити електрон у сусіднього атома Ge, той у наступного і т.д. В результаті в напівпровідникові спостерігається провідність, що визначається наявністю дірок. Така провідність носить назву діркової провідності або провідності р-типу. З підвищенням температури концентрація дірок швидко досягає насичення. Розглянута домішка носить назву акцепторної домішки.

Отже, з підвищенням температури концентрація домішкових носіїв струму швидко досягає насичення, тобто практично вивільнюються всі електрони у донорної домішки або акцепторної домішки захоплюють електрони.

Зі зростанням температури починається відбиваться на загальній провідності власна провідність напівпровідника, так що при високих температурах провідність напівпровідника буде складатися із домішкової і власної. При низьких температурах переважає домішкова, а при високих – власна провідність.

Розглядання температурної залежності провідності у домішкового напівпровідника ускладнюється наявнісю двох механізмів провідності - домішкової і власної. В разі ж механізма власної провідності залежність опору напівпровідника від температури може бути подана співвідношенням:

R = A exp (ΔW / (2 kT), (1)

де ΔW - ширина забороненої зони, в межах якої електрон не має певної енергії, k – стала Больцмана. Для переходу із зв’язаного стану у вільний електрону треба надати енергію, що дорівнює ΔW. Величина A в (1) залежить від природи напівпровідника і не залежить від температури.

Залежність опору напівпровідника від температури застосовується на практиці для вимірювання температури приладами, що звуться термісторами.

В даній роботі за даними вимірювань будується графік залежності R=f (T), який згодом може бути використаний при вимірюванні температури термістором або налагодження систем автоматичного регулювання температури.

Для визначення ширини забороненої зони будується графік залежності

ln R = f (1/ T). (2)

Із рівняння (1) витікає, що

ln R = ΔW / (2 k T) + ln (A). (3)

Графік функції (3) в координатах (ln R, 1/ T) є пряма, кутовий коефіцієнт нахилу якої до осі 1/Т визначається як

C = ΔW / (2 k) (4)

Співвідношення (4) являється вихідними для визначення ΔW.

В роботі використовується метод визначення опорів - метод містка постійного струму (рис.2). Вимірюваний опір (термістор R) вмикається в одне із чотирьох плечей містка. Інші плечі містка зібрані із однакових опорів R₁ = R₂ та із магазину опорів R_M. Вимірювання полягає в підборі такого опору R_M, при якому відсутній струм в гальванометрі. При рівновазі містка опори в плечах містка задовольняють співвідношенню R R₁ = R_M R₂. Звідки:

R = (R₂ / R₁) R_M (5)

При використанні в схемі R₁=R₂ одержуємо R=R_M. Отже, опір, установлений на магазині, дорівнює вимірюваному опорові.

Порядок виконання роботи:

Завдання 1.

5. За даними таблиці побудуйте графік залежності R = f(Т).

Завдання 2.

6. Побудуйте графік залежності (2), відкладаючи по осі абсцис значення 1/Т, а по осі ординат – значення ln R.

ДОТРИМУЙТЕСЯ ПРАВИЛ ПОБУДОВИ ГРАФІКІВ!

7. За допомогою побудованого графіка визначить величину енергетичної щілини ΔW в - електрон-вольтах, приймаючи значення k = 8,61^.10 ^–5 еВ/К.

Дайте відповіді на запитання:

1.Чому домішкові напівпровідники мають достатньо високу провідність навіть при низьких температурах?

2. Чи існує діркова провідність в напівпровідниках п –типу, електронна в напівпровідниках р-типу?

3. В яких випадках, відомих Вам з практики, застосовуються термістори?

Лабораторна робота № 29.

Дослідження вольт-амперної характеристики селенового і германієвого випрямлячів.

Прилади та приладдя: селеновий стовпчик, германієвий діод, міліамперметр, вольтметр на15В, потенціометр на 500 Ом, джерело напруги на 24В, двополюсний перемикач, однополюсний перемикач.

Мета роботи: засвоїти використання напівпровідникових випрямлячів.

Коротка теорія і метод вимірювань

При контакті електронного (n-типу) і діркового (р-типу) напівпровідників у відсутність зовнішнього електричного поля між ними виникає контактна різниця потенціалів (рис.). В результаті дифузії в зустрічних напрямках через граничний шар дірки і електрони рекомбінують один з одним. В зв’язку з цим р- n–перехід виявляється збідненим на носії струму і набуває великого опору. Збіднення р-напівпровідника на дірки і n-напівпровідника на електрони призводить до того, що перший (р-типу) в пограничному шарі набуває негативного заряду і перешкоджає зустрічному рухові електронів, а другий (n-типу) в такому ж шарі набуває позитивного заряду і в свою чергу перешкоджає зустрічному рухові дірок. Контактна різниця потенціалів, що утворилася, зв’язана з результуючим полем, що спрямоване так, як це показано на рис.1, а. При певному значенні запираючого поля Ез встановляється рівновага, дифузійний струм припиняється.

Подано на р- n-перехід зовнішнє електричне поле Е. Якщо поле Е співпадає за напрямком з власним запираючим полем Е_з (рис.1,б), то величина загального запираючого поля зростає, електрони і дірки ще більше віддаляються від області р-n-переходу, тим самим збільшуючи товщину шару. Різке зростання опору р-n-переходу призводить до того, що через перехід йтиме малий струм, котрий називається зворотнім струмом.

Рис.1а Рис.1б Рис.1в

В залежності від прикладеної напруги сила прямого та зворотного струму через перехід змінюється. Залежність сили струму від прикладеної напруги називається вольт-амперною характеристикою. Типова вольт-амперна характеристика р-n-переходу подана на рис. 2.

Як бачимо, р-n-перехід має випрямляючу дію, що застосовується у випрямлячах змінного струму: селенових, германієвих, кремнієвих та ін. Пропускним напрямком є напрямок від діркового напівпровідника до електронного. Зворотній струм значно менший за прямий.

В даній роботі вивчається вольт-амперна характеристика селенового і германієвого випрямлячів. Для знімання вольт-амперної характеристики збирають схему, подану на рис.3. В коло по черзі вмикають або селеновий, або германієвий випрямляч В. Двополюсний перемикач П дає можливість змінювати напрямок струму через напівпровідник.

Рис.2

1. Зберіть схему, подану на рис.3 з селеновим випрямлячем. В схему ввімкніть міліамперметр з границею 100 мА і вольтметр на 15 В.

2. Установіть рухомий контакт потенціометра в положення, що відповідає найменшій напрузі.

3. Після перевірки схеми викладачем замкніть перемикачі К і П (останній - в положення 1-2). Підвищуючи напругу за допомогою потенціометра, зніміть відліки струму при напругах: для селенового випрямляча – від 0 через 1 В і вище, для германієвого – від 0 через 0,1 В і вище. Величина верхньої границі визначається максимальним струмом 100 мА.

4. Перемкніть П в положення 3-4 і впевніться, що зворотній струм міліамперметром неможливо виміряти.

5. Розімкніть К і П, замініть випрямляч селеновий на германієвий. Вольтметр включіть на границю 1,5-3 В, перемикач П – в положення 1 – 2. Зніміть прямий струм для означених вище значень напруги.

6. Впевніться, що міліамперметром неможливо виміряти зворотній струм.

7. За даними вимірювань побудуйте графіки вольт-амперних характеристик. При цьому по осі абсцис відкладайте напругу, а по осі ординат – струми.

Дайте відповіді на запитання:

1. Чому на контакті р- і n-напівпровідників виникає контактна різниця потенціалів?

2. Які переваги напівпровідникових діодів перед ламповими?

3. В яких пристроях застосовуються випрямлячі змінного струму?

Лабораторна робота №30.

Дослідження роботи двоелектродної вакуумної лампи.

Прилади та приладдя: вольтметр для вимірювання анодної напруги, міліамперметри для вимірювання струму розжарення катоду та анодного струму, потенціометр для регулювання анодної напруги, реостат для регулювання напруги розжарення, досліджувана двоелектродна лампа.

Мета роботи: вивчення закономірностей електричного струму у вакуумі і термоелектронної емісії на прикладі вакуумного діоду.

Коротка теорія і метод вимірювань

Робота вакуумних електронних ламп грунтується на явищі термоелектронної емісії – випусканні електронів з поверхні розжареного металу. Для виходу електрона із металу йому треба виконати роботу А=e^.U, де: е –заряд електрона, U - зовнішній скачок потенціалу на подвійному електричному шарі біля поверхні металу.

На явищі термоелектронної емісії грунтується дія різноманітних електронних приладів. Один із них – електронна вакуумна лампа – являє собою герметичний скляний або металевий балон, із якого відкачано повітря до вакууму, коли тиск відповідає 10 ^-7 - мм. рт. ст. В балоні розміщуються електроди різної форми в залежності від конструкції лампи (рис.1). Один із електродів (катод) грає роль джерела електронів. Для інтенсивного випускання електронів катод розжарюється прямим або непрямим шляхом. При прямому розжаренні нитка катода виготовляється з тугоплавкого металу, і через нього пропускається струм від джерела розжарювальної напруги. При непрямому розжаренні струм пропускається через допоміжну нитку, яка розжарює катод без пропускання через нього струму. Другий електрод в лампі зветься анодом. В тріоді, крім катода і анода, існує ще один електрод – керуюча сітка. Застосовують лампи і з більшою кількістю елекродів: тетроди, пентоди і т.д. Діоди застосовують переважно для випрямляння змінного струму.

Розглянемо процеси, що відбуваються в діоді при створенні між катодом та катодом різниці потенціалів або анодної напруги. Під дією електричного поля електрони переміщуються в напрямку анода, і в лампі виникає анодний струм. Наявність просторового заряду електронної хмарки призводить до того, що при малому значенні напруги анодний струм може бути значно менше можливого значення струму емісії із катода, проте при підвищенні анодної напруги струм поступово збільшується. Залежність величини анодного струму від анодної напруги у двоелектродній лампі подається за законом Богуславського-Ленгмюра:

I = a U ^2/3, (1)

I = B T² exp (-A / (k T), (2)

де Т - абсолютна температура катода; А – робота виходу елетрона із металу; k -стала Больцмана; B - стала.

Катоди багатьох елетронних ламп покривають шаром окисів барію або торію. Такі оксидовані катоди мають меншу роботу виходу і дозволяють одержувати велику електронну емісію вже при температурах 600-800˚С. Залежність анодного струму від анодної напруги – вольт-амперні характеристики – для різних температур розжарення катода подані на рис. 2.

Порядок виконання роботи:

Завдання 1. Побудова вольт-амперної характеристики діода.

1. Зберіть вимірювальне коло по схемі рис. 3.

Рис. 3.

2. Після перевірки схеми викладачем замкніть кола анодної напруги і напруги розжарення.

3. За допомогою реостату R₂ встановіть струм розжарення катода I_H = 180 мА і підтримуйте його сталим в наступних вимірюваннях.

4. Протягом 5-10 хв. лампа має прогрітися, потім потенціометром змінюйте напругу на аноді через 1,5 –2,0 В у межах від 0 до 25 В, вимірюючи при цьому анодний струм I_a. Одержані значення U_a і I_a занесіть до табл. 1 і за цими даними побудуйте графік залежності I_a = f (U_a). На графікові мають бути нанесені що найменше 10 точок. Одержали вольт-амперну характеристику діоду.

5. Повторіть дослід при значеннях струму розжарення у 210 та 240 мА і побудуйте графік залежності I_a = f (U_a) на тих же осях, що і для струму розжарення в 180 мА.

6. Закінчивши вимірювання, розімкніть коло.

Таблиця 1

Завдання 2. Отримання температурної (емісійної) характеристики діода.

1. Потенціометром R₁ встановіть величину анодної напруги U_a=15,0 В і підтримуйте його сталим під час всього досліду.

2. Потенціометром R₂ встановіть струм розжарення 180 мА і виміряйте величину анодного струму.

3. Підтримуючи анодну напругу сталою, змінюйте струм розжарення I_H від 180 до 300 мА через кожні 15-20 мА і для кожного I_H виміряйте анодний струм. Одержані значення I_a і I_H занесіть до табл.2. За даними таблиці побудуйте графік залежності анодного струму від струму розжарення I_a=f(I_H) - емісійну характеристику діоду.

4. Повторіть дослід при U_a=12,0 і 9,0В. За результатами вимірювань побудуйте графік I_a = f (I_H) на тих же осях, що й при анодній напрузі 15,0 В.

Таблиця 2

Дайте відповіді на запитання:

1. Що таке робота виходу і від чого вона залежить?

2. Намалюйте вольт-амперну характеристику діода і поясніть форму цієї кривої.

3. У який спосіб на основі вимірювань струму в діоді можна визначити роботу виходу електронів із металічної нитки катода?

Лабораторна робота № 31.

Дослідження транзистора типу МП-40, увімкненого за схемою зі

спільним емітером.

Прилади та приладдя: установка для дослідження транзисторів, транзистор типу МП-40, джерело живлення на 3 і на 10 В.

Мета роботи: дослідження роботи транзистора, ввімкненого за схемою з загальним емітером у статичному режимі.

Коротка теорія і методика вимірювань

Транзистор – триелектродний напівпровідниковий прилад, що має два взаємодіючі електронно-діркові переходи. В транзисторі за типом провідності чергуються три області напівпровідника: р-n-р або n-р-n. Принцип роботи їх однаковий.

не) в область бази з боку емітера інжектуються дірки, які порушують електричну нейтральність бази, в результаті чого потенціал бази зростає. Це сприяє притоку електронів із зовнішнього кола, які нейтралізують позитивний заряд бази, зумовлений притоком дірок з боку емітера. В колі бази тече струм бази I_Б, приблизно однаковий зі струмом емітера I_e - відкритий емітерний контакт.

При одночасному ввімкнені джерела U_e і U_к картина суттєво змінюється. Дірки, що ввійшли до бази з боку емітера, спрямовуються до колекторного переходу, тому що поле для них є прискорюючим. Втягуючись полем колекторного переходу в область колектора, дірки зумовлюють колекторний струм, рекомбінуючи з електронами, що прийшли в область колектора із зовнішнього колекторного кола. Частка дірок (приблизно 0,1%) рекомбінують у базі, що сприяє притоку електронів із зовнішнього кола бази і визначає струм I_б. Отже, струм емітера дорівнює:

I_e = I_к + I_б. (1)

В загальному випадку рівність (1) може бути подана інакше:

I_б = α I_e. (2)

Коефіцієнт α < 1 називається коефіцієнтом передачі струму бази. Крім того, у кoлі колектора протікає зворотний струм колектора I_ко, співпадаючий за напрямком зі струмом I_к. Таким чином, остаточно одержуємо

I_к = α I_e + I_ко. (3)

Розрізняють три схеми вмикання транзистора: зі спільною базою (СБ), зі спільним колектором (СК) і зі спільним емітером (СЕ). Найбільш поширеною є схема зі спільним емітером (рис. 2), яка й досліджується в даній роботі. В цій схемі спільною точкою вхідного та вихідного кола є емітер, що й зумовило назву схеми. Основним параметром схеми є коефіцієнт підсилення струму β, який визначається співвідношенням

β = I_к / I_б = I_к / (I_e - I_к ) = α / (1 - α), (4)

де α = I_к / I_e визначено співвідношенням (2). Крім коефіцієнта передачі струму, для розрахунків схем на транзисторах треба мати статичні характеристики. Cтатичною вхідною характеристикою є залежність струму бази I_б від напруги між базою та емітером при сталій напрузі між колектором та емітером, тобто I_б = f (U_вх) при U_вх=сonst. Типовий вигляд цих характеристик при різних напругах U_вх = 0, 2, 5, 8 В показано на рис.3. Статичною вихідною характеристикою схеми є залежність струму колектора I_к від напруги між колектором та емітером U_вих при сталому струмі бази, тобто I_к = f (U_вих) при I_б = const. Вигляд цих характеристик подано на рис. 3 для різних струмів I_б = 0, 20, 40, 60, 80 мкВ.

1. Ознайомтеся з установкою. Зберіть коло досліджень згідно зі схемою (Рис. 4) і отримайте дозвіл викладача на виконання вимірювань.

2. Зніміть експериментальні дані для побудови статичної вхідної характеристики I_б = f (U_вх) при U_вих = 0. Для цього потенціометри R₁ і R₂ виведіть в крайнє положення, щоб U₁ = U₂ = 0. Зробіть перший відлік струму бази I_б за мікроамперметром мкА. Залишаючи U₂ = 0, змінюйте за допомогою потенціометра R₁ напругу між емітером та базою транзистора U₁=U_вх, згідно з табл.1, і записуйте величину струму бази за показаннями мікроамперметра. Одержані значення струму бази занесіть до табл. 1.

3. Одержіть експериментальні дані для побудови статичної вхідної характеристики I_б = f (U_вх) при U_вих = 5 В. Для цього потенціометр R₁ виведіть в крайне положення U₁ = U_вх = 0, і за допомогою потенціометра R₂ установіть напругу між емітером та колектором U_вих = U₂ = 5 В.

Змінюючи потенціометром R₁ напругу

Дані експерименту занесіть до таблиці 1.

Таблиця 1.

4. На міліметровому папері побудуйте дві статичні характеристики I_б=f(U_вх) при U_вих = 0 та U_вих = 5 В.

Завдання 2.

5. Отримайте експериментальні дані для побудови сімейства статичних вихідних характеристик I_к=f(U_вих) при I_б=const. З цією метою встановіть почергово I_б =50, 200, 300 мкА, у відповідності з табл. 2 змінюйте потенціометром R₂ напругу між колектором і емітером U_вих=U₂ і робіть відліки колекторного струму I_к за міліамперметром.

Одержані значення струму колектора занесіть до табл. 2.

Таблиця 2.

6. За експериментальними даними табл. 2 побудуйте на міліметровому папері сімейство статичних вихідних характеристик.

Дайте відповіді на запитання:

1. Що називають транзистором?

2. Який вигляд мають статичні вхідні та вихідні характеристики?

3. Як працює транзистор р-n-р-типу?

Лабораторна робота № 32.

Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля

Землі.

Прилади та приладдя: тангенс-гальванометр, міліамперметр на 25 мА, джерело постійного струму, двополюсний перемикач, масштабна лінійка, реостат на 200 Ом.

Мета роботи: засвоїти один з методів вимірювання напруженості магнітного поля.

Коротка теорія та метод вимірювань

Земля являє собою величезний магніт, полюси якого розміщені біля географічних полюсів: біля північного географічного – південний магнітний полюс S, а біля південного географічного – північний магнітний полюс N. Силові лінії магнітного поля Землі поблизу екватора спрямовані горизонтально, а біля магнітних полюсів їх напрямок майже вертикальний. В інших точках земної поверхні вони йдуть під деяким кутом до горизонту. Вектор напруженості магнітного поля в довільній точці спрямований по дотичній до силової лінії. Величину проекції напруженості земного магнітного поля Н_з на горизонтальну площину називають горизонтальною складовою напруженості магнітного поля Землі Н. Напрямок цієї складової приймається за спрямованість магнітного меридіану, а вертикальна площина, що проходить через нього, називається площиною магнітного меридіану. Ще зовсім недавно вважали, що точне значення величин, що характеризують магнітне поле Землі, необхідне тільки в практиці водіння кораблів. Проте дослідження останніх років довели, що магнітне поле Землі впливає і на живі організми. Тому вміння визначити магнітне поле Землі стає необхідним і при розв’язані практичних задач біологічних наук.

Із рис.1 впливає, що tg α = Н_T /Н, або

Н = Н_T / tg α. (1)

Величина напруженості магнітного поля, створюваного в центрі колового витка зі струмом, обчислюється за співвідношенням, яке випливає із закону Біо-Савара-Лапласа: Н^/_T = I/2 r, де I - сила струму у виткові (ампери); r - радіус витка (метри). Котушка має n витків, тому напруженість її поля в n разів більша

Н_T = H^/_T n = I n /2 r. (2)

Підставивши значення Н_T із (2) в (1), одержимо робочу формулу

Н = I n /2r tgα. (3)

Напруженість магнітного поля в системі СІ вимірюється в амперах на метр (А/м).

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть електричне коло за схемою (рис.2). При цьому тангенс-гальванометр встановлюйте якомога далі від інших приладів та феромагнітних матеріалів, щоб уникнути їх впливу на магнітну стрілку.

2. Повертаючи тангенс-гальванометр, встановіть площину котушки в площині магнітного меридіану. Повертаючи шкалу компасу сумістіть її нульову поділку з північним кінцем полюсу стрілки.

3. Встановіть повзунок потенціометра в положення, що відповідає мінімальній напрузі, яка знімається з нього. Переміщуючи повзунок потенціометра в бік збільшення напруги, підберіть такий струм у котушці, щоб відхилення магнітної стрілки було не менше 10-20˚. Коли стрілка компасу прийде в рівновагу, відлікуйте по шкалі кут відхилення стрілки α₁ і запишіть силу струму I.

4. Зберігаючи силу струму I, змініть перемикачем його напрямок на протилежний і виміряйте величину відхилення стрілки в протилежний бік (α₂). За кутами α₁ і α₂ знайдіть середнє значення кута відхилення α.

5 Змініть положення повзунка на потенціометрі в бік збільшення напруги і виміряйте відхилення стрілки при двох збільшених значеннях струму у котушці.

6. Виміряйте міліметровою лінійкою середній радіус витків котушки r.

7. Підставляючи послідовно середні значення α і I в формулу (3), знайдіть три значення Н.

Результати вимірювань і розрахунків подайте в табл.1 і знайдіть похибки вимірювань.

У звіті наведіть зразок розрахунків.

Таблиця 1.

Дайте відповіді на запитання:

1. Які властивості магнітного поля Землі?

2. Які Вам відомі гіпотези про походження магнітного поля Землі?

3. Чому магнітна стрілка тангенс-гальванометра має малі розміри?

4. Чому вимірювання найліпше проводити при кутах відхилення, близьких до 45˚?

Лабораторна робота № 33.

Вивчення роботи трансформатора.

Прилади та приладдя: досліджуваний трансформатор, амперметри до 1 А та до 5 А, вольтметри до 250 В та до 15 В, реостат, вимикач.

Мета роботи: засвоїти метод визначення коефіцієнта трансформації в залежності від навантаження трансформатора.

Коротка теорія та методика вимірювань

Трансформатор являє собою залізне чи феритове осердя, на якому намотані дві обмотки з різним числом витків N₁ і N₂. Якщо на одну з них - первинну – подати змінну напругу:

U₁ = U₀₁ cos ωt, (1)

то в ній потече змінний струм, в осерді виникне магнітне поле, що створює змінний магнітний потік Ф. Згідно з законом Фарадея у другій - вторинній - обмотці з’являється ЕРС взаємоіндукції, на виході вторинної обмотки виникає напруга U₂, що змінюється з тою ж частотою, але в протилежній фазі до прикладеної

U₂ = U₀₁ cos (ωt - π). (2)

Вторинна обмотка може бути застосована як джерело змінного струму з напругою, що відрізняється від поданої на первинну обмотку. Отже, трансформатор є перетворювачем напруги. Теорія трансформатора надто громіздка, але основні кількісні співвідношення можна одержати на простій основі.

Нехай на первинну обмотку подана змінна напруга U₁, а вторинна обмотка розімкнута. Впливом вторинної обмотки на первинну в цьому випадку ми можемо знехтувати. Якщо знехтувати також тепловими втратами енергії в первинній обмотці, то за другим законом Кірхгофа в первинній обмотці сума напруг дорівнювати нулю, тобто виникаюча в ній ЕРС дорівнює за модулем і протилежна за фазою підведеній напрузі. З урахуванням закону Фарадея ЕРС індукції для первинної обмотки запишеться у вигляді

U₁ = - N