E2 �dania zmian oporu elektrycznego elektrolitu, półprzewodnika i metalu w funkcji temperatury

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Podstawowe prawa.

Prawo Ohma:

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia i odwrotnie proporcjonalne do oporu:

I Prawo Kirchoffa:

Suma natężeń wpływających do węzła jest równa sumie natężeń opuszczających węzeł:

II Prawo Kirchoffa:

Suma sił elektromotorycznych i spadków napięć w oczku sieci równa jest 0.

2. Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego.

Przewodniki są to substancje przewodzące prąd elektryczny. Są to:

metale, posiadające w budowie strukturalnej wolne elektrony, niezwiązane z atomami; nazywamy je chmurą elektronową;
elektrolity, czyli roztwory różnych substancji zawierające jony. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym dodatnim (kationy), bądź ujemnym (aniony), odpowiadają za przewodnictwo elektryczne substancji. Zwiększa się ono wraz ze stężeniem jonów.

Izolatory z kolei cechuje niezdolność do przewodzenia prądu elektrycznego. Są nimi niemetale:

kryształy połączone wiązaniami kowalencyjnymi,
ciecze o budowie niepolarnej, jak np. benzyna,
ciecze o budowie niepolarnej nie zawierające jonów.

3. Półprzewodniki.

Są to substancje, które nie przewodzą prądu w temperaturze pokojowej. Jednak po podgrzaniu ich rezystancja znacznie maleje. Do substancji tych zalicza się głównie pierwiastki grupy IV jak krzem czy german, a także związki pierwiastków leżących w ich pobliżu na układzie okresowym (np. arsenek galu, azotek galu, węglik(IV) krzemu(IV). Znajdują one zastosowanie w elektronice i elektrotechnice. Krzem np. wykorzystuje się przy produkcji układów scalonych.

Aby zrozumieć zasadę przewodnictwa półprzewodników należy się zapoznać z modelem pasmowym elektronów walencyjnych. W zwykłych przewodnikach (miedź, aluminium itp.) już w temperaturze pokojowej energia elektronów jest na tyle duża, że przechodzą one do pasma przewodnictwa, toteż w objętości materiału występuje dużo elektronów swobodnych i przepływ prądu jest łatwy.

Natomiast w materiałach izolacyjnych przerwa energetyczna jest bardzo duża (W_g rzędu 10eV). Dostarczenie tak dużej energii zewnętrznej (napięcia) najczęściej w praktyce oznacza fizyczne zniszczenie izolatora.

Pośrednią grupą są półprzewodniki. Przerwa energetyczna w tych materiałach jest mniejsza niż 2eV, toteż swobodne elektrony mogą pojawić się przy dostarczeniu względnie niskiego napięcia zewnętrznego lub pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego.

Rozróżniamy następujące nośniki prądu elektrycznego:

dziura elektronowa - luka, którą wypełnia elektron, zostawiając za sobą lukę wypełnianą przez następny. W ten sposób może płynąć prąd.
przepływ elektronów swobodnych (chmury elektronowej);
jony, zdolne do przewodzenia ładunku elektrycznego.

4. Temperaturowy współczynnik zmian oporu elektrycznego.

Wraz z temperaturą opór może wzrastać bądź maleć. Dla półprzewodników maleje, o czym wspomniano powyżej. Dla metali z kolei wzrasta wraz z temperaturą. Dla cieczy opór maleje wraz ze wzrostem temperatury - zachowuje się podobnie jak półprzewodnik.

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA:

1. Wyniki pomiarów:

T[^oC]	25	30	35	40	45	50	55	60	65
R[Ω] (metal)	0,68	0,68	0,67	9,29	0,68	0,68	0,93	1,07	0,68
R'=R/R₂₅ (metal)	1	1	0,99	13,67	1	1	1,37	1,57	1
R[Ω] (elektrolit)	3,68	3,2	2,83	2,54	2,31	2,14	2	1,91	1,84
R' (elektrolit)	1	0,87	0,77	0,69	0,63	0,58	0,54	0,52	0,5
R[Ω] (półprzewodnik)	7,75	6,16	5,15	4,29	3,59	3,03	2,56	2,16	1,83
R' (półprzewodnik)	1	0,79	0,66	0,55	0,46	0,39	0,33	0,28	0,24

2. Spostrzeżenia i wnioski.

Już w trakcie przeprowadzania doświadczenia rzuca się w oczy, iż rezystywność metalu nie zmienia się wraz z temperaturą. Obserwowałem jednak dwukrotnie gwałtowny wzrost jego oporności, po którym zmalała równie szybko. Myślę, że jest to spowodowane niedokładnością bądź wadliwością używanych omomierzy elektronicznych.

Opór roztworu CuSO₄/H₂O jest odwrotnie proporcjonalny do temperatury. Jego wartość zaczyna stabilizować się stopniowo, gdy //temp. przekracza wartość 55^oC.

Natomiast rezystywność półprzewodnika stale maleje wraz ze wzrostem temperatury. Spadek ten jest większy niż w przypadku elektrolitu.