در این درس کاربرد عملی دانش کسب شده را با استفاده از مثالی از کار آزمایشگاهی در فیزیک به منظور اندازه گیری در نظر خواهیم گرفت. ظرفیت گرمایی ویژهبدن جامد ما با تجهیزات اولیه ای که برای انجام این آزمایش ضروری خواهد بود آشنا می شویم و فناوری انجام کار عملی بر روی اندازه گیری مقادیر فیزیکی را در نظر می گیریم.

1. یک استوانه فلزی را در یک لیوان آب داغ قرار دهید و دمای آن را با دماسنج اندازه بگیرید. برابر با دمای سیلندر خواهد بود، زیرا از طریق زمان مشخصدمای آب و سیلندر برابر خواهد بود.

2. سپس آب سرد را داخل کالریمتر بریزید و دمای آن را اندازه بگیرید.

3. پس از این، استوانه بسته شده روی نخ را با آب سرد داخل کالریمتر قرار می دهیم و با هم زدن آب داخل آن با دماسنج، دمای ایجاد شده در نتیجه تبادل حرارت را اندازه می گیریم (شکل 6).

برنج. 6. پیشرفت کار آزمایشگاهی

دمای نهایی حالت پایدار اندازه‌گیری شده در کالری‌سنج و سایر داده‌ها به ما این امکان را می‌دهد که گرمای ویژه فلزی را که سیلندر از آن ساخته شده است محاسبه کنیم. ما مقدار مورد نیاز را بر اساس این واقعیت محاسبه خواهیم کرد که هنگام خنک شدن، سیلندر دقیقاً همان مقدار گرمایی را که آب در هنگام گرم شدن دریافت می کند از خود می دهد، به اصطلاح تبادل حرارتی رخ می دهد (شکل 7).

برنج. 7. انتقال حرارت

بر این اساس معادلات زیر را بدست می آوریم. برای گرم کردن آب، مقدار حرارت مورد نیاز عبارت است از:

، جایی که:

ظرفیت گرمایی ویژه آب (مقدار جدولی)، ;

جرم آب که می توان با استفاده از ترازو تعیین کرد، کیلوگرم؛

دمای نهایی آب و سیلندر، اندازه گیری شده با دماسنج، o ;

دمای اولیه آب سرد، با دماسنج اندازه گیری می شود، o .

هنگامی که سیلندر فلزی سرد می شود، مقدار گرمای آزاد شده برابر است با:

، جایی که:

ظرفیت گرمایی ویژه فلزی که سیلندر از آن ساخته شده است (مقدار لازم)؛

جرم سیلندر که می توان با استفاده از مقیاس تعیین کرد، کیلوگرم؛

درجه حرارت آب گرمو بر این اساس، دمای اولیه سیلندر، اندازه گیری شده با استفاده از دماسنج، o.

دمای نهایی آب و سیلندر که با دماسنج اندازه گیری می شود، o.

اظهار نظر.در هر دو فرمول، دمای کوچکتر را از دمای بزرگتر کم می کنیم تا مقدار مثبت مقدار گرما را مشخص کنیم.

همانطور که قبلاً گفته شد، در طی فرآیند تبادل حرارت، مقدار گرمای دریافتی توسط آب برابر با مقدار گرمایی است که توسط سیلندر فلزی منتشر می شود:

بنابراین، ظرفیت گرمایی ویژه مواد سیلندر عبارت است از:

ثبت نتایج به دست آمده در هر کار آزمایشگاهی در یک جدول و انجام چندین اندازه گیری و محاسبات برای به دست آوردن میانگین دقیق ترین نتیجه تقریبی راحت است. در مورد ما، جدول ممکن است چیزی شبیه به این باشد:

جرم آب در کالریمتر	دمای اولیه آب	وزن سیلندر	دمای اولیه سیلندر	دمای نهایی

نتیجه:مقدار محاسبه شده ظرفیت گرمایی ویژه مواد سیلندر.

امروز ما به روش انجام کار آزمایشگاهی در مورد اندازه گیری ظرفیت گرمایی ویژه یک جامد نگاه کردیم. در درس بعدی در مورد آزاد شدن انرژی در هنگام احتراق سوخت صحبت خواهیم کرد.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. Gendenshtein L.E.، Kaidalov A.B.، Kozhevnikov V.B. / اد. Orlova V.A., Roizena I.I. فیزیک 8. - M.: Mnemosyne.
2. پریشکین A.V. فیزیک 8. - M.: Bustard، 2010.
3. Fadeeva A.A.، Zasov A.V.، Kiselev D.F. فیزیک 8. - م.: اشراق.

1. پورتال اینترنتی "5terka.com" ()
2. پورتال اینترنتی “k2x2.info” ()
3. پورتال اینترنتی «youtube.com» ()

مشق شب

1. در کدام مرحله از کار آزمایشگاهی احتمال دارد بیشترین خطای اندازه گیری را داشته باشد؟
2. برای به دست آوردن دقیق ترین نتایج اندازه گیری از چه مواد و طراحی کالری سنج باید استفاده کرد؟
3. *روش خود را برای اندازه گیری ظرفیت گرمایی ویژه یک مایع پیشنهاد دهید.

کار آزمایشگاهیشماره 8 اندازه گیری شتاب سقوط آزاد با استفاده از آونگ.

هدف کار: شتاب سقوط آزاد را از فرمول دوره نوسان یک آونگ ریاضی محاسبه کنید:

برای انجام این کار، اندازه گیری دوره نوسان و طول تعلیق آونگ ضروری است. سپس از فرمول (1) می توانیم شتاب سقوط آزاد را محاسبه کنیم:

اندازه گیری:

1) ساعت با عقربه دوم؛

2) نوار اندازه گیری (Δl = 0.5 سانتی متر).

مواد: 1) توپ با سوراخ. 2) نخ؛ 3) سه پایه با کوپلینگ و حلقه.

سفارش کار

1. یک سه پایه را روی لبه میز قرار دهید. در انتهای بالایی آن حلقه را با استفاده از کوپلینگ محکم کنید و توپ را از آن روی نخ آویزان کنید. توپ باید در فاصله 3-5 سانتی متری از زمین آویزان شود.

2. آونگ را از حالت تعادل 5-8 سانتی متر منحرف کرده و رها کنید.

3. طول آویز را با یک نوار اندازه گیری کنید.

4. زمان Δt 40 نوسان کامل (N) را اندازه گیری کنید.

5. اندازه گیری Δt را تکرار کنید (بدون تغییر شرایط آزمایشی) و مقدار متوسط ​​Δt میانگین را بیابید.

6. مقدار متوسط ​​دوره نوسان T avg را از مقدار متوسط ​​Δt avg محاسبه کنید.

7. مقدار g cp را با استفاده از فرمول محاسبه کنید:

8. نتایج به دست آمده را در جدول وارد کنید:

عدد	ل، م	ن	Δt، s	Δt میانگین، s

9. مقدار میانگین بدست آمده برای g cp را با مقدار g = 9.8 m/s 2 مقایسه کنید و خطای نسبی اندازه گیری را با استفاده از فرمول محاسبه کنید:

هنگام مطالعه فیزیک، اغلب مجبور بودید از مقدار شتاب گرانش در سطح زمین در حل مسائل و محاسبات دیگر استفاده کنید. شما مقدار g = 9.81 m/s 2 را گرفتید، یعنی با دقتی که برای محاسباتی که انجام دادید کاملاً کافی است.

هدف از این کار آزمایشگاهی تعیین تجربی شتاب گرانش با استفاده از آونگ است. دانستن فرمول دوره نوسان یک آونگ ریاضی T =

می توان مقدار g را بر حسب مقادیری بیان کرد که به راحتی می توان با آزمایش تعیین کرد و g را با کمی دقت محاسبه کرد. بیان کنیم

که در آن l طول تعلیق و T دوره نوسان آونگ است. دوره نوسان یک آونگ T با اندازه گیری زمان t مورد نیاز برای تکمیل تعداد معینی از نوسانات کامل پاندول آسان است.

آونگ ریاضی وزنه ای است که از یک نخ نازک غیر قابل امتداد آویزان است که ابعاد آن بسیار کمتر از طول نخ و جرم آن بسیار بیشتر از جرم نخ است. انحراف این بار از قائم در یک زاویه بینهایت کوچک اتفاق می افتد و اصطکاک وجود ندارد. در شرایط واقعی، فرمول

تقریبی است

بیایید چنین بدنه ای (در مورد ما، یک اهرم) را در نظر بگیریم. دو نیرو بر آن وارد می شود: وزن بارهای P و نیروی F (الاستیسیته فنر دینامومتر) به طوری که اهرم در حالت تعادل است و گشتاورهای این نیروها باید از نظر قدر با یکدیگر برابر باشند. مقادیر مطلق گشتاورهای نیروهای F و P را به ترتیب تعیین می کنیم:

در شرایط آزمایشگاهی، برای اندازه گیری با درجه ای از دقت، می توانید از یک توپ فلزی کوچک اما عظیم که بر روی نخی به طول 1-1.5 متر (یا بیشتر، اگر امکان قرار دادن چنین تعلیقی وجود دارد) آویزان شده استفاده کنید و آن را در یک نقطه کوچک منحرف کنید. زاویه پیشرفت کار از شرح آن در کتاب درسی کاملاً مشخص است.

ابزار اندازه گیری: کرونومتر (Δt = ± 0.5 ثانیه)؛ خط کش یا نوار اندازه گیری (Δl = 0.5 ± سانتی متر)

وزارت آموزش و پرورش فدراسیون روسیه

دانشگاه دولتی هوافضای سیبری

به نام دانشگاهیان M.F. رشتنیووا

گروه فیزیک فنی

کار آزمایشگاهی شماره 8

روش چهار پروب برای اندازه گیری مقاومت نیمه هادی

دستورالعمل انجام کارهای آزمایشگاهی در درس "الکترونیک حالت جامد"

گردآورنده: پرشین ع.س.

کراسنویارسک 2003

کار آزمایشگاهی شماره 8. روش چهار پروب برای اندازه گیری مقاومت نیمه هادی 1

نظریه روش . 1

راه اندازی آزمایشی . 3

سفارش کار .. 5

الزامات گزارش . 7

کنترل سوالات .. 7

ادبیات . 7

کار آزمایشگاهی شماره 8. چهار کاوشگرروش اندازه گیری مقاومت نیمه هادی

هدف کار:مطالعه وابستگی به دماخاص مقاومت الکتریکینیمه هادی با استفاده از روش چهار پروب، تعیین فاصله باند نیمه هادی.

نظریه روش

چهار کاوشگرروش اندازه گیری مقاومت نیمه هادی ها رایج ترین روش است. مزیت این روش این است که کاربرد آن نیازی به ایجاد کنتاکت های اهمی برای نمونه ندارد، امکان اندازه گیری مقاومت نمونه ها با اشکال و اندازه های بسیار متنوع وجود دارد. شرط استفاده از آن از نظر شکل نمونه، وجود سطح صافی است که ابعاد خطی آن بیشتر از ابعاد خطی سیستم پروب است.

نمودار اندازه گیری مقاومت با استفاده از روش چهار پروب در شکل نشان داده شده است. 1. چهار پروب فلزی با سطح تماس کوچک در امتداد یک خط مستقیم بر روی سطح صاف نمونه قرار می گیرد. فواصل بین پروب ها s 1 , s 2 و s 3 . از طریق پروب های خارجی 1 و 4 از دست دادن برق من 14 ، روی پروب های داخلی 2 و 3 اندازه گیری اختلاف پتانسیل U 23 . بر اساس مقادیر اندازه گیری شده من 14 و U 23 مقاومت یک نیمه هادی را می توان تعیین کرد.

برای یافتن فرمول محاسبه مقاومت، ابتدا مسئله توزیع پتانسیل حول یک پروب نقطه منفرد را در نظر می گیریم (شکل 2). برای حل این مشکل لازم است معادله لاپلاس را در سیستم مختصات کروی بنویسیم، زیرا توزیع پتانسیل دارای تقارن کروی است:

.(1)

حل معادله (1) به شرطی که پتانسیل در r=0 مثبت، در خیلی بزرگ به صفر تمایل دارد r فرم زیر را دارد

ثابت ادغام با می توان از شرط شدت میدان الکتریکی محاسبه کرد E در فاصله ای از کاوشگر r=r 0 :

.

از آنجایی که چگالی جریانی که از نیمکره ای به شعاع می گذرد r 0 , j =من/(2πr 0 2) و مطابق با قانون اهم j =E/ρ ، آن E(r 0)=من ρ / (2π r 0 2).

بدین ترتیب

اگر شعاع تماس r 1 ، سپس پتانسیل نوک آن

بدیهی است که پتانسیل موجود در نمونه در نقطه تماس آن با کاوشگر دارای همان مقدار است. طبق فرمول (3) نتیجه می شود که افت ولتاژ اصلی در ناحیه نزدیک به تماس اتفاق می افتد و بنابراین مقدار جریان عبوری از نمونه با مقاومت ناحیه نزدیک به تماس تعیین می شود. هر چه شعاع کاوشگر کوچکتر باشد، وسعت این ناحیه کمتر است.

پتانسیل الکتریکی در هر نقطه از نمونه را می توان به عنوان مجموع جبری پتانسیل های ایجاد شده در آن نقطه توسط جریان هر پروب یافت. برای جریان ورودی به نمونه، پتانسیل مثبت و برای جریان خروجی از نمونه، منفی است. برای سیستم پروب نشان داده شده در شکل. 1، اندازه گیری پتانسیل کاوشگر 2 و 3

;

.

تفاوت پتانسیل بین کنتاکت های اندازه گیری 2 و 3

از این رو مقاومت ویژه نمونه است

.(5)

اگر فواصل بین پروب ها یکسان باشد، به عنوان مثال. s 1 =s 2 =s 3 =s ، آن

بنابراین، برای اندازه گیری خاص مقاومت الکتریکینمونه با استفاده از روش چهار پروب، اندازه گیری فاصله بین پروب ها کافی است س ، افت ولتاژ U 23 روی پروب های اندازه گیری و جریان عبوری از نمونه من 14 .

راه اندازی آزمایشی

نصب اندازه گیری بر اساس یک پایه آزمایشگاهی جهانی اجرا می شود. در این کار آزمایشگاهی از ابزار و تجهیزات زیر استفاده می شود:

1. محفظه حرارتی با نمونه و سر اندازه گیری;

2. منبع جریان مستقیم TES-41;

3. منبع ولتاژ DC B5-47;

4. ولت متر دیجیتال جهانی V7-21A;

5. سیم های اتصال.

بلوک دیاگرام تنظیم آزمایشی در شکل نشان داده شده است. 3.

نمونه بر روی میز اندازه گیری محفظه حرارتی قرار می گیرد. سر اندازه گیری توسط مکانیزم فنری دستکاری کننده به سطح صاف و صیقلی نمونه فشرده می شود. در داخل میز اندازه گیری یک بخاری وجود دارد که با منبع جریان مستقیم تثبیت شده TES-41 تغذیه می شود و در حالت تثبیت جریان کار می کند. دمای نمونه با استفاده از ترموکوپل یا مقاومت حرارتی. برای سرعت بخشیدن به فرآیند اندازه گیری، می توانید از منحنی های مدرج ارائه شده در ضمیمه استفاده کنید که به شما امکان می دهد دمای نمونه را از جریان بخاری تعیین کنید. جریان بخاری توسط آمپرمتر تعبیه شده در منبع جریان اندازه گیری می شود.

جریان از طریق مخاطبین 1 و 4 با استفاده از یک منبع جریان مستقیم تثبیت شده قابل تنظیم B7-47 ایجاد می شود و توسط یک دستگاه دیجیتال جهانی B7-21A کنترل می شود که در حالت آمپرمتر روشن می شود.ولتاژ ایجاد شده بین پروب های اندازه گیری 2 و 3 توسط یک ولت متر دیجیتال V7-21A با مقاومت بالا ثبت می شود. اندازه‌گیری‌ها باید با کمترین جریان از طریق نمونه انجام شود که با توانایی اندازه‌گیری ولتاژ پایین تعیین می‌شود. در جریان های زیاد، گرمایش نمونه امکان پذیر است و نتایج اندازه گیری را مخدوش می کند. کاهش جریان عملیاتی به طور همزمان مدولاسیون هدایت نمونه ناشی از تزریق حامل های بار در طول جریان جریان را کاهش می دهد.

مشکل اصلی در اندازه گیری مقاومت الکتریکیروش های کاوشگر با مخاطبین مشکل دارند. برای نمونه های با خلاء بالا، گاهی اوقات لازم است که کنتاکت ها را به صورت الکتریکی تشکیل دهند تا مقاومت های تماسی پایین به دست آید. تماس های پروب اندازه گیری با اعمال ولتاژ ثابت چند ده یا حتی صدها ولت به پروب اندازه گیری به طور خلاصه ایجاد می شود.

سفارش کار

1. توضیحات دستگاه های لازم برای انجام کار را بخوانید. نمودار تنظیم اندازه گیری را مطابق شکل جمع آوری کنید. 3. هنگام اتصال ولت مترهای جهانی V7-21A، توجه داشته باشید که یکی باید در حالت اندازه گیری ولتاژ کار کند، دیگری در حالت اندازه گیری جریان. در نمودار آنها با نمادها نشان داده شده اند " یو" و " من" به ترتیب. بررسی کنید که سوئیچ های حالت در این دستگاه ها به درستی نصب شده باشند.

2. پس از بررسی مونتاژ صحیح نصب اندازه گیری توسط استاد یا مهندس، ولت مترها و منبع ولتاژ B7-47 را روشن کنید.

3. ولتاژ منبع B7-47 را برابر با 5 ولت قرار دهید. اگر ولتاژ و جریان روی نمونه با گذشت زمان تغییر کرد، سپس با کمک معلمان یا مهندس، تماس های پروب اندازه گیری را به صورت الکتریکی تشکیل دهید.

4. اندازه گیری افت ولتاژ را انجام دهید U+ 23 و U- 23 برای جهت های مختلف جریان من 14 . مقادیر ولتاژ به‌دست‌آمده برای نمونه به‌منظور حذف ترمو-EMF طولی که به دلیل گرادیان دما روی نمونه رخ می‌دهد، میانگین می‌شود. داده های حاصل از آزمایش و محاسبات مقادیر ولتاژ را در جدول 1 وارد کنید.

فرم جدول 1

	بار می کنم، A	تی،ک	من 14، mA	U + 23 ، که در	U – 23 ، که در

5. اندازه گیری ها را در دمای نمونه متفاوت تکرار کنید. برای انجام این کار، باید جریان بخاری محفظه حرارتی را تنظیم کنید من حرارت،= 0.5 A، 5 تا 10 دقیقه صبر کنید تا دمای نمونه تثبیت شود و قرائت های ابزار را در جدول 1 ثبت کنید. دمای نمونه را با استفاده از منحنی کالیبراسیون ارائه شده در ضمیمه تعیین کنید.

6. اندازه گیری های مشابه را به ترتیب برای مقادیر جریان بخاری 0.9، 1.1، 1.2، 1.5، 1.8 A انجام دهید. نتایج تمام اندازه گیری ها را در جدول 1 وارد کنید.

7. نتایج تجربی به دست آمده را پردازش کنید. برای این کار با استفاده از نتایج ارائه شده در جدول 1 محاسبه کنید 10 3 /T ، خاص مقاومت الکتریکینمونه در هر دما ρ مطابق فرمول (6) هدایت الکتریکی

لگاریتم طبیعی هدایت الکتریکی لوگاریتم σ . تمام نتایج محاسبات را در جدول 2 وارد کنید.

فرم جدول 2

	تی، ک	, K-1	ρ، اهم m	σ، (اهمم) -1	ln σ

8. یک نمودار وابستگی بسازید. سیر منحنی ها را تجزیه و تحلیل کنید، مناطق ناخالصی و رسانایی ذاتی را علامت بزنید. شرح مختصری از وظیفه مطرح شده در کار؛

· نمودار تنظیم اندازه گیری؛

· نتایج اندازه گیری ها و محاسبات؛

· نمودار وابستگی؛

· تجزیه و تحلیل نتایج به دست آمده؛

· نتیجه گیری از کار

کنترل سوالات

1. نیمه هادی های ذاتی و ناخالصی. ساختار نواری نیمه هادی های ذاتی و ناخالصی. عرض باند گپ. انرژی فعال سازی یک ناخالصی

2. مکانیسم هدایت الکتریکی نیمه هادی های ذاتی و ناخالصی.

3. وابستگی رسانایی الکتریکی نیمه هادی های ذاتی به دما.

4. وابستگی دمایی هدایت الکتریکی نیمه هادی های ناخالصی.

5. تعیین شکاف نواری و انرژی فعال سازی ناخالصی از وابستگی دمایی هدایت الکتریکی.

6. چهار کاوشگرروش اندازه گیری مقاومت الکتریکینیمه هادی ها: دامنه، مزایا و معایب آن.

7. مشکل در توزیع پتانسیل میدان الکتریکی در نزدیکی پروب.

8. استخراج فرمول محاسبه (6).

9. طرح و اصل عملیات راه اندازی آزمایشی.

10. نمودار وابستگی به دست آمده را توضیح دهید، شکاف باند چگونه از این نمودار تعیین شد؟

ادبیات

1. Pavlov L.P. روش های اندازه گیری پارامترهای مواد نیمه هادی: کتاب درسی برای دانشگاه ها. - م.: بالاتر. مدرسه، 1987.- 239 ص.

2. لیسف V.F. کارگاه فیزیک نیمه هادی ها. – م.: آموزش و پرورش، 1976.- 207 ص.

3. Epifanov G.I., Moma Yu.A. الکترونیک حالت جامد: کتاب درسی. برای دانشجویان دانشگاه - م.: بالاتر. مدرسه، 1986.- 304 ص.

4. Kittel Ch. مقدمه ای بر فیزیک حالت جامد. - م.: ناوکا، 1978.- 792 ص.

5. Shalimova K.V. فیزیک نیمه هادی ها: کتاب درسی برای دانشگاه ها. – م.: انرژی، 1971.- 312 ص.

6. Fridrikhov S.A., Movnin S.M. مبانی فیزیکی فناوری الکترونیک: کتاب درسی برای دانشگاه ها. - م.: بالاتر. مدرسه، 1982.- 608 ص.