Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

ЧАСТЬ 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

ИКОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

1.МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

1.1.Основные понятия и единицы измерения

Электропроводность σ и обратная ей величина - удельное электрическое сопротивление ρ=1/σ являются важными расчетными характеристиками применяемых в электронной технике материалов и служат объектом многочисленных исследований. Однако наибольшее количество работ, связанных с определением электропроводности, посвящено решению проблем физики твердого тела и задач металловедения.

Высокая чувствительность электрических методов измерения широко используется при исследовании фазовых превращений, дефектов тонкой структуры, концентрационных зависимостей и многих других явлений в металлах и сплавах, иногда недоступных изучению другими методами исследования.

Примеси и дефекты структуры повышают электрическое сопротивление металлов. При этом точечные дефекты играют значительно большую роль, чем протяженные несовершенства решетки. Согласно правилу Маттисена, увеличение электрического сопротивления, вызываемое примесями, при малых концентрациях последних не зависит от температуры и общее электрическое сопротивление может быть получено в результате аддитивного сложения составляющих электрического сопротивления, вызываемых фононами ρi и примесями

ρr,

Не зависящую от температуры часть электрического сопротивления ρr можно определить, построив температурную

11

зависимость ρ от Т и экстраполируя ее в области низких температур к абсолютному нулю.

Под электрическим сопротивлением проводника R понимают величину, характеризующую противодействие электрическому току. Электросопротивление R проводника, при условии отсутствия в нем внутренних источников тока, находится из уравнения закона Ома:

где U - напряжение на концах рабочего участка проводника; I - сила тока, протекающего через проводник.

Вкачестве характеристики материала принимают удельное электрическое сопротивление R Sl .

Всистеме СИ ρ выражается в Омּм, что соответствует

сопротивлению проводника длиной в 1 м при поперечном сечении, равном 1 м2. В технической литературе обычно поль-

зуются единицей, выражаемой в Ом • см и мкОм • см. В технике также принята размерность для ρ в Ом • мм2/м.

Очень важной физической характеристикой является

температурная зависимость электрического сопротивления металлов, которая может быть выражена термическим коэффициентом электрического сопротивления

где α – термический коэффициент электрического сопротивления в интервале температур Т – То; RT – электрическое сопротивление при температуре Т; RTo - электрическое сопротивление при температуре Тo.

12

В небольших интервалах температур температурная зависимость удельного электрического сопротивления металлов (при отсутствии фазовых превращений) близка к линейной

где ρo и To - начальные значения электрического сопротивлния и температуры.

При прецизионных исследованиях температурной зависимости электрического сопротивления необходимо учитывать изменение размеров образца вследствие теплового расширения, которое может вносить ошибку, доходящую до 2 %. При исследовании фазовых превращений и структуры металлов с помощью измерения электрического сопротивления обычно пользуются его относительными значениями.

1.2. Измерение электрического сопротивления металлов и резисторов

1.2.1. Метод вольтметра-амперметра

Измерение методом вольтметра-амперметра сводится к измерению тока и напряжения в цепи с измеряемым двухполюсником и последующему расчету его параметров по закону Ома. Метод может быть использован для измерения активного и полного сопротивления, а также других параметров электрической цепи: индуктивности и емкости.

Измерение активных сопротивлений производится на постоянном токе, при этом включение резистора Rx в измерительную цепь возможно по схемам, представленным на рис. 1. 1, а и 1. 1, б. Обе схемы включения приводят к методическим погрешностям R, зависящим от величины электрического сопротивления приборов. При этом в схеме, представленной на рис. 1.1, а, методическая погрешность тем меньше, чем меньше электрическое сопротивление амперметра (при Ry О R

13

0), а в схеме, представленной на рис. 1.1, б, эта погрешность тем меньше, чем больше электрическое сопротивление вольтметра (при Ry R 0). Таким образом, схемой, приведенной на рис. 1.1, а, следует пользоваться для измерения больших сопротивлений, а схемой, приведенной на рис. 1.1, б, - для измерения малых электрических сопротивлений.

Измерение полного сопротивления Zx выполняется на переменном токе частотой f, рис. 1.2. По показаниям вольтметра и амперметра определяют модуль полного сопротивления

где UV , IA - показания вольтметра и амперметра cоответственно.

Схему, представленную на рис. 1.2, а, целесообразно применять при Zx « Zv, a на рис. 1.2, б - при Zx » Zv.

Измерение емкости методом вольтметра-амперметра может быть выполнено по схемам, представленным на рис. 1.3.

Рис. 1.1. Измерение активных сопротивлений методом амперметра-вольтметра

14