-120～0℃温度范围内热敏电阻的电阻温度特性及激活能的测量

大学物理实验中,热敏电阻的电阻温度特性的测量范围一般都在室温以上的一段温区。本文介绍利用自制的可控低温恒温器,将测量范围拓宽到-120~0°C低温区,可用以测量不同温区的电阻温度系数,并使实验内容增加了激活能的测量,又可使学生了解低温物理的初步知识。

1　仪器装置

用黄铜制成一个圆筒(样品室),高5cm,外径2.6cm、壁厚3mm,圆筒的底部连接一根长15cm、直径6mm的导热铜杆。铜杆上部套一个小加热器(可采用RXY型25Ω线绕电阻),铜杆下部插入泡沫塑料,再放入盛有液氮的保温瓶中,如附图所示。

控温元件是AD590电流型温度传感器,它的电流灵敏度为1μA/°C。当温度变化时它可输出信号电流,信号电流再经电流-电压变换器、差分放大器、功率放大器等来自动控制加热电流的大小,直至样品室温度与所需设置的温度(由电位器调节)相差±0.2°C范围以内。

2　热敏电阻的电阻温度特性

物理实验中所用的一般是负电阻温度系数的热敏电阻(例如MF51型金属氧化物热敏电阻),其电阻温度关系可由下列经验公式表示:[1]

式中RT、RT0分别是温度为T、T0时热敏电阻的电阻值,B是负电阻温度系数热敏电阻的材料常数,但它是一个近似常数,在不同温区范围内,B值略有变化。在-120~0°C温区内进行了测量,有关数据列于附表中。铂电阻的阻值是用电桥测得的(表中略),再由铂电阻的电阻-温度表得到相应的温度t,热敏电阻的阻值RT是用数字万用表(如DT9105A型)测得的。将附表中数据作lnRT~1/T直线拟合,可得相关系数r=0.9986,直线斜率B=2.84×103K。从实验数据处理结果可知,在-120°C~0°C范围内,热敏电阻阻值RT与热力学温度倒数1/T的关系满足指数函数关系。

3　不同温区范围内,热敏电阻的电阻温度系数亦不相同

负电阻温度系数热敏电阻的电阻温度系数αT,根据定义为:

由式(3)可见,电阻温度系数αT不是常数,它将随温度变化而显著变化;而式(3)中B虽不是常数,但它变化较小,在一段工作温度范围内可视为常数。

4　激活能的计算

根据热敏电阻的导电机理,电阻率ρ和杂质的激活能ΔE有如下关系:[1]

式中ρT、ρ∞为温度T和无穷大时的电阻率,ΔE为杂质在热敏材料中的激活能,k为玻尔兹曼常数。则

实验中测得了B值,便可由式(7)求得杂质在热敏材料中的平均激活能ΔE。例如,可求得ΔE1=2kB1=2×1.3807×10-23×2.84×103=7.84×10-20J,ΔE2=2kB2=2×1.3807×10-23×2.77×103=7.65×10-20J。