高二物理研究性课题——电阻的测量研究报告怎么写

大学物理实验报告怎么写 （半导体热敏电阻的温度特性）~

摘要：热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻，具有许多独特的优点和用途，在自动控制、无线电子技术、遥控技术及测温技术等方面有着广泛的应用。本实验通过用电桥法来研究热敏电阻的电阻温度特性，加深对热敏电阻的电阻温度特性的了解。
关键词：热敏电阻、非平衡直流电桥、电阻温度特性


1、引言

热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件，其电阻温度系数一般为（-0.003~+0.6）℃-1。因此，热敏电阻一般可以分为:
Ⅰ、负电阻温度系数（简称NTC）的热敏电阻元件
常由一些过渡金属氧化物（主要用铜、镍、钴、镉等氧化物）在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的，近年还有单晶半导体等材料制成。国产的主要是指MF91~MF96型半导体热敏电阻。由于组成这类热敏电阻的上述过渡金属氧化物在室温范围内基本已全部电离，即载流子浓度基本上与温度无关，因此这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度的升高，迁移率增加，电阻率下降。大多应用于测温控温技术，还可以制成流量计、功率计等。
Ⅱ、正电阻温度系数（简称PTC）的热敏电阻元件
常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺，高温烧制而成。这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对可以忽略。载流子数目随温度的升高呈指数增加，载流子数目越多，电阻率越小。应用广泛，除测温、控温，在电子线路中作温度补偿外，还制成各类加热器，如电吹风等。

2、实验装置及原理

【实验装置】
FQJ—Ⅱ型教学用非平衡直流电桥，FQJ非平衡电桥加热实验装置（加热炉内置MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）以及控温用的温度传感器），连接线若干。
【实验原理】
根据半导体理论，一般半导体材料的电阻率 和绝对温度 之间的关系为
（1—1）
式中a与b对于同一种半导体材料为常量，其数值与材料的物理性质有关。因而热敏电阻的电阻值 可以根据电阻定律写为
（1—2）
式中 为两电极间距离， 为热敏电阻的横截面， 。
对某一特定电阻而言， 与b均为常数，用实验方法可以测定。为了便于数据处理，将上式两边取对数，则有
（1—3）
上式表明 与 呈线性关系，在实验中只要测得各个温度 以及对应的电阻 的值，
以 为横坐标， 为纵坐标作图，则得到的图线应为直线，可用图解法、计算法或最小二乘法求出参数 a、b的值。
热敏电阻的电阻温度系数 下式给出
（1—4）
从上述方法求得的b值和室温代入式（1—4），就可以算出室温时的电阻温度系数。
热敏电阻 在不同温度时的电阻值，可由非平衡直流电桥测得。非平衡直流电桥原理图如右图所示，B、D之间为一负载电阻 ，只要测出 ，就可以得到 值。
当负载电阻 → ，即电桥输出处于开
路状态时， =0，仅有电压输出，用 表示，当 时，电桥输出 =0，即电桥处于平衡状态。为了测量的准确性，在测量之前，电桥必须预调平衡，这样可使输出电压只与某一臂的电阻变化有关。
若R1、R2、R3固定，R4为待测电阻，R4 = RX，则当R4→R4+△R时，因电桥不平衡而产生的电压输出为：
（1—5）
在测量MF51型热敏电阻时，非平衡直流电桥所采用的是立式电桥 ， ，且 ，则
（1—6）
式中R和 均为预调平衡后的电阻值，测得电压输出后，通过式（1—6）运算可得△R，从而求的 =R4+△R。

3、热敏电阻的电阻温度特性研究

根据表一中MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）之电阻~温度特性研究桥式电路，并设计各臂电阻R和 的值，以确保电压输出不会溢出（本实验 =1000.0Ω， =4323.0Ω）。
根据桥式，预调平衡，将“功能转换”开关旋至“电压“位置，按下G、B开关，打开实验加热装置升温，每隔2℃测1个值，并将测量数据列表（表二）。

表一 MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）之电阻～温度特性
温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
电阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

表二 非平衡电桥电压输出形式（立式）测量MF51型热敏电阻的数据
i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
温度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4
热力学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

根据表二所得的数据作出 ～ 图，如右图所示。运用最小二乘法计算所得的线性方程为 ，即MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）的电阻～温度特性的数学表达式为 。

4、实验结果误差

通过实验所得的MF51型半导体热敏电阻的电阻—温度特性的数学表达式为 。根据所得表达式计算出热敏电阻的电阻～温度特性的测量值，与表一所给出的参考值有较好的一致性，如下表所示：
表三 实验结果比较
温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
参考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
测量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823
相对误差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

从上述结果来看，基本在实验误差范围之内。但我们可以清楚的发现，随着温度的升高，电阻值变小，但是相对误差却在变大，这主要是由内热效应而引起的。

5、内热效应的影响

在实验过程中，由于利用非平衡电桥测量热敏电阻时总有一定的工作电流通过，热敏电阻的电阻值大，体积小，热容量小，因此焦耳热将迅速使热敏电阻产生稳定的高于外界温度的附加内热温升，这就是所谓的内热效应。在准确测量热敏电阻的温度特性时，必须考虑内热效应的影响。本实验不作进一步的研究和探讨。
6、实验小结

通过实验，我们很明显的可以发现热敏电阻的阻值对温度的变化是非常敏感的，而且随着温度上升，其电阻值呈指数关系下降。因而可以利用电阻—温度特性制成各类传感器，可使微小的温度变化转变为电阻的变化形成大的信号输出，特别适于高精度测量。又由于元件的体积小，形状和封装材料选择性广，特别适于高温、高湿、振动及热冲击等环境下作温湿度传感器，可应用与各种生产作业，开发潜力非常大。


参考文献：

[1] 竺江峰，芦立娟，鲁晓东。 大学物理实验[M]
[2] 杨述武，杨介信，陈国英。普通物理实验（二、电磁学部分）[M] 北京：高等教育出版社
[3] 《大学物理实验》编写组。 大学物理实验[M] 厦门：厦门大学出版社
[4] 陆申龙，曹正东。 热敏电阻的电阻温度特性实验教与学[J]<

金属电阻和热敏电阻温度特性的物理实验中，为什么要验
一、热电阻：
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁-镍等。
二、热敏电阻：
热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

各种电阻测量方法：
　　1�固定电阻器的检测。A�将两表笔(不分正负)分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值。为了提高测量精度，应根据被测电阻标称值的大小来选择量程。由于欧姆挡刻度的非线性关系，它的中间一段分度较为精细，因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置，即全刻度起始的20％～80％弧度范围内，以使测量更准确。根据电阻误差等级不同。读数与标称阻值之间分别允许有±5％、±10％或±20％的误差。如不相符，超出误差范围，则说明该电阻值变值了。B�注意：测试时，特别是在测几十kΩ以上阻值的电阻时，手不要触及表笔和电阻的导电部分；被检测的电阻从电路中焊下来，至少要焊开一个头，以免电路中的其他元件对测试产生影响，造成测量误差；色环电阻的阻值虽然能以色环标志来确定，但在使用时最好还是用万用表测试一下其实际阻值。
　　2�水泥电阻的检测。检测水泥电阻的方法及注意事项与检测普通固定电阻完全相同。
　　3�熔断电阻器的检测。在电路中，当熔断电阻器熔断开路后，可根据经验作出判断：若发现熔断电阻器表面发黑或烧焦，可断定是其负荷过重，通过它的电流超过额定值很多倍所致；如果其表面无任何痕迹而开路，则表明流过的电流刚好等于或稍大于其额定熔断值。对于表面无任何痕迹的熔断电阻器好坏的判断，可借助万用表R×1挡来测量，为保证测量准确，应将熔断电阻器一端从电路上焊下。若测得的阻值为无穷大，则说明此熔断电阻器已失效开路，若测得的阻值与标称值相差甚远，表明电阻变值，也不宜再使用。在维修实践中发现，也有少数熔断电阻器在电路中被击穿短路的现象，检测时也应予以注意。
　　4�电位器的检测。检查电位器时，首先要转动旋柄，看看旋柄转动是否平滑，开关是否灵活，开关通、断时“喀哒”声是否清脆，并听一听电位器内部接触点和电阻体摩擦的声音，如有“沙沙”声，说明质量不好。用万用表测试时，先根据被测电位器阻值的大小，选择好万用表的合适电阻挡位，然后可按下述方法进行检测。
　　A�用万用表的欧姆挡测“1”、“2”两端，其读数应为电位器的标称阻值，如万用表的指针不动或阻值相差很多，则表明该电位器已损坏。
　　B�检测电位器的活动臂与电阻片的接触是否良好。用万用表的欧姆档测“1”、“2”(或“2”、“3”)两端，将电位器的转轴按逆时针方向旋至接近“关”的位置，这时电阻值越小越好。再顺时针慢慢旋转轴柄，电阻值应逐渐增大，表头中的指针应平稳移动。当轴柄旋至极端位置“3”时，阻值应接近电位器的标称值。如万用表的指针在电位器的轴柄转动过程中有跳动现象，说明活动触点有接触不良的故障。
　　5�正温度系数热敏电阻(PTC)的检测。检测时，用万用表R×1挡，具体可分两步操作：A�常温检测(室内温度接近25℃)；将两表笔接触PTC热敏电阻的两引脚测出其实际阻值，并与标称阻值相对比，二者相差在±2Ω内即为正常。实际阻值若与标称阻值相差过大，则说明其性能不良或已损坏。B�加温检测；在常温测试正常的基础上，即可进行第二步测试—加温检测，将一热源(例如电烙铁)靠近PTC热敏电阻对其加热，同时用万用表监测其电阻值是否随温度的升高而增大，如是，说明热敏电阻正常，若阻值无变化，说明其性能变劣，不能继续使用。注意不要使热源与PTC热敏电阻靠得过近或直接接触热敏电阻，以防止将其烫坏。
　　6�负温度系数热敏电阻(NTC)的检测。
　　(1)、测量标称电阻值Rt
　　用万用表测量NTC热敏电阻的方法与测量普通固定电阻的方法相同，即根据NTC热敏电阻的标称阻值选择合适的电阻挡可直接测出Rt的实际值。但因NTC热敏电阻对温度很敏感，故测试时应注意以下几点：A�Rt是生产厂家在环境温度为25℃时所测得的，所以用万用表测量Rt时，亦应在环境温度接近25℃时进行，以保证测试的可信度。B�测量功率不得超过规定值，以免电流热效应引起测量误差。C�注意正确操作。测试时，不要用手捏住热敏电阻体，以防止人体温度对测试产生影响。
　　(2)、估测温度系数αt
　　先在室温t1下测得电阻值Rt1，再用电烙铁作热源，靠近热敏电阻Rt，测出电阻值RT2，同时用温度计测出此时热敏电阻RT表面的平均温度t2再进行计算。
　　7�压敏电阻的检测。用万用表的R×1k挡测量压敏电阻两引脚之间的正、反向绝缘电阻，均为无穷大，否则，说明漏电流大。若所测电阻很小，说明压敏电阻已损坏，不能使用。
　　8�光敏电阻的检测。A�用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近无穷大。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏，不能再继续使用。B�将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减小。此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大，表明光敏电阻内部开路损坏，也不能再继续使用。C�将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已经损坏

---

淮北市13377868148： 高二物理,测电阻 - ？
表图奇洛： 第一个接法为内接法,这样测出的电阻阻值偏大.因为电流表准确的测出了通过电阻的电流,而电压表测出的电压为电流表与电阻共同的电压,这个值要大于电阻两端的电压,根据欧姆定律,那么得到的阻值就大于真实的电阻阻值. 第二个为内接法,这样测出的阻值偏小,因为电压表准确的测出了电阻两端的电压,而电流表测出的电流为通过电阻和电压表电流之和,因此测出的电流偏龚辅夺恍懿喝额桶帆垃大,那么根据欧姆定律,得到的阻值就比真实的电阻阻值偏小. 因此答案为BC

淮北市13377868148： 高二物理 伏安法测电阻 - ？
表图奇洛： 由“电压表的示数2V,电压表的内阻为1000欧”,知通过电压表电流2mA,再由电流表示数为10mA,知通过电阻电流8mA,用“电压2V,电流8mA”得电阻阻值250欧

淮北市13377868148： 高二物理测电阻的电路设计怎么选定电压表和***(内详) - ？
表图奇洛： 你已经选择了电源和电流表.下面选择其他的.电压表:估测待测电阻两端的电压值为6v,但考虑电压表读数准确问题(也就是说示数在2/3处比较准确),答案为C.当然你也可能考虑到用3v的电压表能否烧坏的问题,这就要考虑电路的设计问题,该电路的滑动变阻器在闭合开关的时候必须在其最大值,以后试验时,为逐步调小电阻,所以就不用考虑这个了.滑动变阻器:1000欧姆的调节起来不方便,不宜操作.所以应该选择20欧姆的.还有我在作题时,感觉串联电阻一般为待测电阻的2倍左右.分压电阻一般小于待测电阻,为电阻的一半左右.你可以思考一下.谢谢

淮北市13377868148： 研究性课题学习 电阻测量怎么懂 高手帮帮忙啦？
表图奇洛： 用电压表测出几组电压,并测出每组电压对应的电流,画出U/I,图,将图上的点连起来,就是电阻, 电阻=电压/电流

淮北市13377868148： 高二物理测电阻率限流分压法用哪个?一定要用外接和限流吗 - ？
表图奇洛：[答案] 先估算被测电阻的阻值,这个题目通常会有个约值,或有暗示. 接下来看给你的滑动变阻器最小值是多少,有时要让你选择滑动变阻器,就先选择那个最小滑动变阻器,再用这个最小的滑动变阻器与被测电阻比较,如果最小的滑动变阻器比被测电阻...

淮北市13377868148： 高二物理用多用表测量电压电流电阻步骤题 - ？
表图奇洛： (1)测小灯的额定电压,使用的正确步骤是(L)断开电键(B)将多用表的选择开关旋到直流25V 档.(G)将红表笔接b 点,黑表笔接a 点,读出指针的读数.(M)闭合电键(K)调...

淮北市13377868148： 某研究性学习小组利用图甲所示电路测量电池组的电动势E和内阻r.根据实验数据绘出如图实乙所示的R - 图线,其中R为电阻箱读数,I为电流表读数,由此可以... - ？
表图奇洛：[答案] 根据闭合电路欧姆定律I= E R+r,得 1 I= R E+ r E 即 R=E• 1 I-r 由数学知识得知,R- 1 I图象的斜率等于E,纵轴截距的绝对值等于r,则由图得到,电源的电动势为 E= 6.2−(−1) 0.3V=2.4V,内阻r=1Ω 故答案为:2.4,1

淮北市13377868148： 关于高二物理测电阻,求解？
表图奇洛： 因为两个并联电阻的总电阻比并联电阻中最小的那个电阻还要小,如果滑动变阻器的阻值很大,而被测电阻很小,则被测电阻与滑动变阻器的一部分并联后总电阻也很小,分得的电压也就很小,那么移动滑动变阻器的触片时电压的变化也就很小,起不到明显调动电压的作用.

淮北市13377868148： 某研究性学习小组利用如图1所示电路测量电池组的电动势E和内阻r.根据实验数据绘出如图2所示的R - 1I图线,其中R为电阻箱读数,I为电流表读数,由此可以... - ？
表图奇洛：[答案] 根据闭合电路欧姆定律I= E R+r, 解得:R=E• 1 I-r, 由数学知识得知,R- 1 I图象的斜率等于E,纵轴截距的绝对值等于r, 则由图得到,电源的电动势为E= 8−(−0.9) 3=3.0V, 内阻r=1Ω 故答案为:(1)3(2)1.

淮北市13377868148： “伏安法”测电阻与欧姆定律的区别. - ？
表图奇洛：[答案] 结合高考谈伏安法测电阻 王丽营 纵观近几年的实验题,题目年年翻新,没有一个照搬课本中的实验,全是对原有实验给予改造、改进、甚至创新,但题目涉及的基本知识和基本技能仍然立足于课本实验. 实验题作为考查实验能力的有效途径和重要手...