Изучение физики позволяет курсантам военного вуза эффективно осваивать комплекс специальных дисциплин (авиационные электротехнические материалы, бортовые радиоэлектронные системы, испытания и эксплуатация авиационной и ракетно-космической техники, электроника, электротехника), формировать навыки научного анализа и в будущем самостоятельно совершенствовать профессиональные компетенции военного инженера.

Занимаясь научной работой в рамках ВНО, курсанты продуктивно учатся применять, развивать и закреплять знания по физике при решении сложных задач специальных дисциплин, посвященных особенностям поведения твёрдых тел.

Твёрдые материалы по электрическим характеристикам подразделяются на три группы: диэлектрики, металлы, полупроводники. Они отличаются различной величиной удельной электрической проводимости [1, c. 588].

Цель нашей работы — выявление закономерностей электропроводности химически чистых металлов и собственных полупроводников в узком интервале температур.

Рассмотрим только проводники и полупроводники. Экспериментальные наблюдения показывают, что температурная зависимость удельной проводимости проводников и полупроводников имеет различный характер.

В химически чистых металлах валентная зона заполнена не полностью или перекрывается с зоной проводимости. В этом случае существует множество свободных энергетических уровней, на которые валентные электроны могут переходить под действием слабого электрического поля или за счёт теплового движения при температурах выше ноля Кельвина. В отличие от полупроводников для такого перехода не требуется подвод дополнительной энергии. Благодаря этому при приближении температуры к абсолютному нулю у химически чистых металлов способность проводить электрический ток стремится к бесконечности. С ростом температуры она уменьшается, но концентрация носителей заряда не меняется.

В первом приближении в интервале температур (273 К; 373К) сопротивление химически чистого металла изменяется по закону:

, (1)

где — сопротивление проводника при ; α — температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

ТКС — это относительная скорость изменения электрического сопротивления при вариации температуры на один градус. Это температурно-независимый параметр для интервала (273 К; 373К), который определяется химическим составом и структурой материала:

(2)

Чтобы рассчитать ТКС металла, нужно измерить сопротивление при двух температурах. Удобнее в качестве исходного значения брать сопротивление при комнатной температуре, формула (2) примет вид:

(3)

где , – сопротивление проводника при комнатной температуре и соответственно; .

При эксплуатации электрических цепей, резисторов, датчиков и иных устройств в бортовых системах авиационного оборудования важно принимать во внимание ТКС, поскольку температура оказывает влияние на характеристики используемых материалов в них.

Собственные полупроводники при Т = 0 К в зоне проводимости и запрещённой зоне не содержат носители заряда. Они становятся изоляторами. С ростом температуры Т концентрация носителей заряда повышается.

Величина подвижности заряда в собственном полупроводнике варьируется неодинаково:

1. в низкотемпературной области она определяется рассеянием на ионах примеси и прямо пропорциональна величине температуры Т ^1,5 ;
2. в условиях высоких температур (выше комнатной температуры) главным фактором становится рассеяние носителей заряда, обусловленное фононами. Здесь подвижности носителей заряда подчиняются закону Т ^−1,5 .

С ростом температуры концентрация электронов и дырок возрастает существенно интенсивнее, чем падает их подвижность, вследствие этого наблюдается рост проводимости собственного полупроводника:

, (4)

где — температурно-независимый параметр, который определяется полупроводниковым материалом; — ширина запрещенной зоны (энергия активации проводимости); — абсолютная температура; — постоянная Больцмана; — коэффициент температурной чувствительности (ТКЧ) химически чистого полупроводника.

ТКЧ отражает степень изменения сопротивления материала или полупроводникового прибора (чаще терморезистора) при колебаниях температуры и определяется выражением:

. (5)

Благодаря компактным размерам, надёжности, долговечности, высокой чувствительности, прочной конструкции терморезисторы применяют в бортовых системах авиационного оборудования. Приборы служат для подавления пусковых токов, защиты оборудования от избыточного тока, компенсации температурных воздействий на параметры цепей и приборов.

Сопротивление полупроводника зависит от его длины L , площади поперечного сечения S, изменяется по закону:

, (6)

где — температурно-независимый параметр полупроводника.

Эксперимент проводили на установке, включавшей электропечь с датчиком температуры, исследуемые образцы и измерительное устройство.

По результатам проведенных измерений сопротивлений образцов:

1) построили график температурной зависимости химически чистого металла. По его углу наклона рассчитали ТКС исследуемого металла;

2) построили график зависимости логарифма сопротивления для полупроводникового образца от величины, обратной абсолютной температуре. По его углу наклона рассчитали ТКЧ исследуемого полупроводника;

Данные по электрическим характеристикам, полученные прямыми и косвенными измерениями, сведены в таблицы 1 и 2.

Таблица 1

Сопротивление, проводимость, ТКС исследуемого металла

Таблица 2

Сопротивление, проводимость, ТКЧ собственного полупроводника

Согласно таблице 1, рост температуры приводит к увеличению сопротивления чистого металла и одновременному падению его проводимости.

Данные таблицы 2 свидетельствуют о том, с ростом температуры у собственного полупроводника увеличивается проводимость и уменьшается сопротивление.

Таким образом, в ходе работы в рамках ВНО, мы определили ТКС металла, ТКЧ полупроводника. Удалось проследить характерные закономерности изменения проводимости химически чистого металла и собственного полупроводника в ограниченном температурном диапазоне.

Литература:

1. Физический энциклопедический словарь / под ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1983. — 928 с.