2017年大學物理實驗報告

　　第1篇:大學物理實驗報告：熱敏電阻

　　熱敏電阻是阻值對溫度變化非常敏感的一種半導體電阻，具有許多獨特的優(yōu)點和用途，在自動控制、無線電子技術、遙控技術及測溫技術等方面有著廣泛的應用。本實驗通過用電橋法來研究熱敏電阻的電阻溫度特性，加深對熱敏電阻的電阻溫度特性的了解。

　　關鍵詞：熱敏電阻、非平衡直流電橋、電阻溫度特性

　　1、引言

　　熱敏電阻是根據(jù)半導體材料的電導率與溫度有很強的依賴關系而制成的一種器件，其電阻溫度系數(shù)一般為(-0.003~+0.6)℃-1。因此，熱敏電阻一般可以分為:

　　Ⅰ、負電阻溫度系數(shù)(簡稱NTC)的熱敏電阻元件

　　常由一些過渡金屬氧化物(主要用銅、鎳、鈷、鎘等氧化物)在一定的燒結條件下形成的半導體金屬氧化物作為基本材料制成的，近年還有單晶半導體等材料制成。國產的主要是指MF91~MF96型半導體熱敏電阻。由于組成這類熱敏電阻的上述過渡金屬氧化物在室溫范圍內基本已全部電離，即載流子濃度基本上與溫度無關，因此這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要考慮遷移率與溫度的關系，隨著溫度的`升高，遷移率增加，電阻率下降。大多應用于測溫控溫技術，還可以制成流量計、功率計等。

　　Ⅱ、正電阻溫度系數(shù)(簡稱PTC)的熱敏電阻元件

　　常用鈦酸鋇材料添加微量的鈦、鋇等或稀土元素采用陶瓷工藝，高溫燒制而成。這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要依賴于載流子濃度，而遷移率隨溫度的變化相對可以忽略。載流子數(shù)目隨溫度的升高呈指數(shù)增加，載流子數(shù)目越多，電阻率越小。應用廣泛，除測溫、控溫，在電子線路中作溫度補償外，還制成各類加熱器，如電吹風等。

　　2、實驗裝置及原理

　　【實驗裝置】

　　FQJ—Ⅱ型教學用非平衡直流電橋，F(xiàn)QJ非平衡電橋加熱實驗裝置(加熱爐內置MF51型半導體熱敏電阻(2.7kΩ)以及控溫用的溫度傳感器)，連接線若干。

　　【實驗原理】

　　根據(jù)半導體理論，一般半導體材料的電阻率 和絕對溫度 之間的關系為式中a與b對于同一種半導體材料為常量，其數(shù)值與材料的物理性質有關。因而熱敏電阻的電阻值 可以根據(jù)電阻定律寫為式中 為兩電極間距離， 為熱敏電阻的橫截面。

　　對某一特定電阻而言， 與b均為常數(shù)，用實驗方法可以測定。為了便于數(shù)據(jù)處理，將上式兩邊取對數(shù)，則有上式表明 與 呈線，在實驗中只要測得各個溫度 以及對應的電阻 的值，以 為橫坐標， 為縱坐標作圖，則得到的圖線應為直線，可用圖解法、計算法或最小二乘法求出參數(shù) a、b的值。熱敏電阻的電阻溫度系數(shù) 下式給出。

　　從上述方法求得的b值和室溫代入式(1—4)，就可以算出室溫時的電阻溫度系數(shù)。

　　熱敏電阻 在不同溫度時的電阻值，可由非平衡直流電橋測得。非平衡直流電橋原理圖如右圖所示，B、D之間為一負載電阻 ，只要測出 ，就可以得到 值。

　　當負載電阻 → ，即電橋輸出處于開路狀態(tài)時， =0，僅有電壓輸出，用 表示，當 時，電橋輸出 =0，即電橋處于平衡狀態(tài)。為了測量的準確性，在測量之前，電橋必須預調平衡，這樣可使輸出電壓只與某一臂的電阻變化有關。

　　若R1、R2、R3固定，R4為待測電阻，R4 = RX，則當R4→R4+△R時，因電橋不平衡而產生的電壓輸出為：(1—5)

　　在測量MF51型熱敏電阻時，非平衡直流電橋所采用的是立式電橋 ， 且 ，則(1—6)

　　式中R和 均為預調平衡后的電阻值，測得電壓輸出后，通過式(1—6)運算可得△R，從而求的 =R4+△R。

　　3、熱敏電阻的電阻溫度特性研究

　　根據(jù)表一中MF51型半導體熱敏電阻(2.7kΩ)之電阻~溫度特性研究橋式電路，并設計各臂電阻R和 的值，以確保電壓輸出不會溢出(本實驗 =1000.0Ω， =4323.0Ω)。

　　根據(jù)橋式，預調平衡，將“功能轉換”開關旋至“電壓“位置，按下G、B開關，打開實驗加熱裝置升溫，每隔2℃測1個值，并將測量數(shù)據(jù)列表(表二)。

　　MF51型半導體熱敏電阻(2.7kΩ)之電阻～溫度特性

　　溫度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

　　電阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

　　非平衡電橋電壓輸出形式(立式)測量MF51型熱敏電阻的數(shù)據(jù)

　　i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

　　溫度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4

　　熱力學T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4

　　0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4

　　0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9

　　4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1

　　根據(jù)表二所得的數(shù)據(jù)作出 ～ 圖，如右圖所示。運用最小二乘法計算所得的線性方程為 ，即MF51型半導體熱敏電阻(2.7kΩ)的電阻～溫度特性的數(shù)學表達式為 。

　　4、實驗結果誤差

　　通過實驗所得的MF51型半導體熱敏電阻的電阻—溫度特性的數(shù)學表達式為 。根據(jù)所得表達式計算出熱敏電阻的電阻～溫度特性的測量值，與表一所給出的參考值有較好的一致性，如下表所示：

　　表三 實驗結果比較

　　溫度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

　　參考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

　　測量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823

　　相對誤差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

　　從上述結果來看，基本在實驗誤差范圍之內。但我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，電阻值變小，但是相對誤差卻在變大，這主要是由內熱效應而引起的。

　　5、內熱效應的影響

　　在實驗過程中，由于利用非平衡電橋測量熱敏電阻時總有一定的工作電流通過，熱敏電阻的電阻值大，體積小，熱容量小，因此焦耳熱將迅速使熱敏電阻產生穩(wěn)定的高于外界溫度的附加內熱溫升，這就是所謂的內熱效應。在準確測量熱敏電阻的溫度特性時，必須考慮內熱效應的影響。本實驗不作進一步的研究和探討。

　　6、實驗小結

　　通過實驗，我們很明顯的可以發(fā)現(xiàn)熱敏電阻的阻值對溫度的變化是非常敏感的，而且隨著溫度上升，其電阻值呈指數(shù)關系下降。因而可以利用電阻—溫度特性制成各類傳感器，可使微小的溫度變化轉變?yōu)殡娮璧淖兓�形成大的信號輸出，特別適于高精度測量。又由于元件的體積小，形狀和封裝材料選擇性廣，特別適于高溫、高濕、振動及熱沖擊等環(huán)境下作溫濕度傳感器，可應用與各種生產作業(yè)，開發(fā)潛力非常大。

　　第2篇:大學物理實驗報告：伏安法測電阻

　　實驗目的

　　(1) 利用伏安法測電阻。 (2) 驗證歐姆定律。(3) 學會間接測量量不確定度的計算;進一步掌握有效數(shù)字的概念。

　　實驗方法原理

　　根據(jù)歐姆定律， R = ，如測得 U 和 I 則可計算出 R。值得注意的是，本實驗待測電阻有兩只，I一個阻值相對較大，一個較小，因此測量時必須采用安培表內接和外接兩個方式，以減小測量誤差。 實驗裝置 待測電阻兩只，0～5mA 電流表 1 只，0-5V 電壓表 1 只，0～50mA 電流表 1 只，0～10V 電壓表一 只，滑線變阻器 1 只，DF1730SB3A 穩(wěn)壓源 1 臺。

　　實驗步驟

　　本實驗為簡單設計性實驗，實驗線路、數(shù)據(jù)記錄表格和具體實驗步驟應由學生自行設計。必要時，可提示學 生參照第 2 章中的第 2.4 一節(jié)的有關內容。分壓電路是必須要使用的，并作具體提示。 (1) 根據(jù)相應的電路圖對電阻進行測量，記錄 U 值和 I 值。對每一個電阻測量 3 次。 (2) 計算各次測量結果。如多次測量值相差不大，可取其平均值作為測量結果。 (3) 如果同一電阻多次測量結果相差很大，應分析原因并重新測量。

　　實驗目的

　　(1) 了解分光計的原理和構造。

　　(2) 學會分光計的調節(jié)和使用方法 。

　　(3) 觀測汞燈在可見光范圍內幾條光譜線的波長 實驗方法原理

　　若以單色平行光垂直照射在光柵面上， 按照光柵衍射理論，衍射光譜中明條紋的位置由下式決定： (a + b) sin ψk=dsin ψk=±kλ

　　如果人射光不是單色，則由上式可以看出，光的波長不同，其衍射角也各不相同，于是復色光將被分解，而在中央 k =0、 ψ =0 處，各色光仍重疊在一起，形成中央明條紋。在中央明條紋兩側對稱地分布著 k=1，2，3，…級光譜 ，各級光譜 線都按波長大小的順序依次 排列成一組彩色譜線，這樣就把復色光分解為單色光。如果已知光柵常數(shù)，用分光計測出 k 級光譜中某一明條紋的衍射角ψ，即可算出該明條紋所對應的單色光的'波長λ。 實驗步驟

　　(1) 調整分光計的工作狀態(tài)，使其滿足測量 條件。

　　(2) 利用光柵衍射 測量汞燈在可見光范 圍內幾條譜線的波長。

　�、� 由于衍射光譜在中央明條紋兩側對 稱地分布，為了提高測量的準確度，測量第k級光譜時 ，應測出 +k級和-k 級光譜線的位置，兩位置的差值之 半即為實驗時 k取1 。

　　② 為了減少分光計刻度盤的偏心誤差，測量每條光譜線時 ，刻度盤上的兩個游標都要讀數(shù) ，然后取其平均值 (角 游標的讀數(shù)方法與游 標卡尺的讀數(shù)方法基本一致)。

　�、� 為了使十字絲對準光譜線，可以使用望遠鏡微調螺釘12來對準。

　�、� 測量時，可將望遠 鏡置最右端，從 -l 級到 +1 級依次測量，以免漏測數(shù)據(jù)。

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