實驗一測定無機非金屬材料的介電常數
一、實驗目的
1、掌握測定無機非金屬材料介電常數的操作過程
二、實驗原理
相對介電常數通常是通過測量試樣與電極組成的電容、試樣厚度和電極尺寸求得。相對介電常數(εr)測試可用三電極或二電極系統。
對於二電極試樣，由於方形電容cx的計算公式是：
1）因此，待測材料的介電常數可以表示為：
2）式2中cx為試樣電容(法)，x為電極長度(公尺)，y為電極寬度(公尺)，d為電極板之間的距離(公尺)，ε0=8.854 187 818× 10-12法拉/公尺(f/m)。
圖1 電容法測量材料介電常數示意圖
測試中，選擇電極極為重要。常用的是接觸式電極。可用貼上鋁箔、燒銀、真空鍍鋁等方法製作電極，但後者不能在高頻下使用。
低頻測量時，試樣與電極應遮蔽。在高頻下可用測微電極以減小引線影響。在某些特殊場合，可用不接觸電極，例如薄膜介電效能測試和頻率高於30兆赫時介電效能的測量。
三、實驗儀器
pgm—2型數字小電容測試儀、玻璃刀、玻璃板、游標卡尺、鋁質平板電極、連線導線
四、實驗步驟
1、 採取邊長為100×100mm的正方型玻璃板，記錄電極板的長x、寬y以及實際玻璃板的厚度d。
2、 按照圖1連線儀器。
3、 開啟數字電容儀。
4、 鬆開電極板緊定螺絲，將上電容板台到適當高度，在中間放入一塊測量好的玻璃，使上下電容板與玻璃板相接觸，然後旋緊固定螺絲。
5、 讀取電容數字。
6、 然後重複4、5步驟，將玻璃板換成2-5塊，分別測出其電容值。
7、 結束實驗，關閉儀器。
實驗資料
五、思考題
1. 介電常數與介電材料的厚度有什麼樣的關係？
2. 介電現象是如何產生的？
實驗二熱電效應實驗
一、實驗目的
1、了解熱電材料的賽貝克(seeback)定律，珀耳帖(peltier)效應，湯姆孫效應等熱電材料的特性。
2、熟練的使用萬用表來測量熱電效應產生的電勢差。
3、認識熱電材料，了解溫度對材料產生的作用。
二、實驗裝置
半導體製冷片，2個燒杯，鋁質導熱板，秒錶，熱水，萬用表（精確電壓表），乾電池
三、實驗原理
電流通過導體時，會因為導體電阻而損耗掉部分能量，這部分能量轉換為熱能，就形成了電的熱效應。
電製冷的理論基礎是固體的熱電效應，在無外磁場存在時，它包括五個效應，導熱、焦耳熱損失、西伯克(seebeck)效應、帕爾帖(peltire)效應和湯姆遜(thomson)效應。其中後三者稱為熱電三效應。
1、塞貝克效應
圖1塞貝克效應示意圖
當一對不同材質兩端互相銜接且兩接頭溫度不同，換言之，溫差電偶的兩個接頭處於不同溫度時，電偶兩端就有一定電動勢，於是產生電流。此即為塞貝克效應。
溫差電動勢與兩接頭的溫度勢及兩種材料的性質有關，可用溫差電動勢率，即單位溫差產生的電動勢來描述這一效應，
式中為溫差電動勢。
知道了溫差電動勢率的表示式後，將乘上溫差(t1-t0)後，即得到在(t1-t0)下的溫差得到多少電動勢。
於是我們可推知電流i為：
i=〔s12(t1-t0)〕/r
r為電阻。
上式為賽貝克(seeback)定律
所以明顯地，賽貝克效應可用來製作溫差發電機。
因此，溫差發電機的效率主要取決於熱端和冷端的溫度和溫差發電材料的品質因數值還強烈地依賴於溫度，因而對於不同的工作溫度需要選取不同的材料。
目前半導體溫差發電機的效率雖遠低於火力發電機的效率，但它無轉動部件，因而具有壽命長、無干擾並可利用多種熱源(如核燃料、廢熱)等優點，適用於做空間飛行器、海底電纜系統、海上燈塔、無人島嶼上的觀測站等的輔助電源。
80年代美國已研製成500瓦的軍用溫差發電機。利用同位素加熱的核能溫差發電機已應用於航天空。
2、珀耳帖(peltier)效應
若將當溫差電偶通以直流電流時(即加入電位差或電池)，電偶的一接頭會冷卻，另一接頭會發熱，電能不斷地把熱量從冷接頭處轉移到熱接頭去。溫差電致冷是溫差發電的逆效應，稱為珀耳帖(peltier)效應。利用這種的原理可以製造電致冷器，只要加顆電池即可。
半導體溫差電致冷器的致冷效率不隨致冷容量變化。當致冷容量超過幾十公升時，其效率比不上壓縮式致冷機的效率；但對小容量致冷，它是相當優越的，適用於做各種小型恆溫器以及要求無聲、無干擾、無汙染等特殊場合。
qл=л*iл=a*tc
式中：qπ為放熱或吸熱功率
π為比例係數，稱為珀爾帖係數
iл為工作電流
a為溫差電動勢率
tc為冷接點溫度
3、湯姆孫效應
湯姆孫效應2023年w。湯姆孫用熱力學分析上述兩種溫差電效應時指出，還應有第三種溫差電現象存在。後來有人在實驗上發現，如果在存在溫度梯度的均勻導體中通有電流時，導體中除了產生不可逆的焦耳熱外，還要吸收或放出一定的熱量，這一現象定名為湯姆孫效應。
在半導體中同樣存在著上述三種溫差電現象，而且效應比金屬導體中顯著得多。如金屬中溫差電動勢率約為0～10微伏/攝氏度之間，在半導體中常為幾百微伏/攝氏度，甚至達到幾毫伏/攝氏度。因此金屬中的塞貝克效應主要用於溫差電偶(用作溫度計)；而半導體可用於溫差發電。
帕爾貼效應可用於致冷(見溫差發電和致冷)。目前一級致冷，溫差可達50～60c；二級致冷可達70～80c；**致冷可達90～100c。由於低溫下材料的致冷效能變差，所以一般只作到**左右。
圖2半導體材料熱電效應示意圖
四、實驗步驟：
1、分別準備開水放在燒杯中，燒杯中放置乙個酒精溫度計測量水的溫度。
2、測量熱電偶（半導體冷卻片）的兩端初始電勢差。
3、將熱電偶（半導體冷卻片）的兩端分別放到開水和室溫的水中測量導線兩端的電勢差。
4、隨著溫度的降低，每高溫端降低五攝氏度測量一次電勢差。
5、記錄不同溫度下和電勢差並觀察其是否符合原理上所說明的結果。
6、將半導體製冷片電極兩端加上1.5v直流電壓，用手感覺片兩端的溫度變化，記錄下變化過程。
7、交換直流電壓的兩極，感覺兩端的溫度變化，並記錄下兩次加電的不同結果，並分析原因。
實驗資料
五、討論：
一、半導體製冷片作為特種冷源，具有哪些優點和特點？
二、半導體溫差電片件應用範圍有：製冷、加熱、發電，製冷和加熱應用比較普遍，發揮你們的想象力，舉出可能的應用領域？
實驗三表面電阻率測量
一、實驗目的和內容：
1.學習電阻分析實驗技術。
2.熟悉綜合電阻分析的應用領域，掌握電阻分析方法。
3.測量一組材料的電阻率資料和綜合電阻率曲線，解釋曲線變化的原因
二、實驗裝置
rts-4型四探針表面電阻測定儀及其配套軟體、半導體矽片、玻璃刀、計算機、千分尺、游標卡尺
三、實驗儀器與原理
對於半無窮大均勻電阻率的樣品，由點電流源產生的電力線具有球面對稱性；即等勢面為一系列以點電流源為中心的半球面，如圖1。若樣品電阻率為ρ，樣品電流為i，則在離點電流源距離r處的電流密度j為
又根據上式中e為r處的電場強度，由1與2，得
根據電場強度和電勢梯度的關係及球面對稱性，並取r為無窮遠處的電勢v（r）為零，則有
同理，當電流由探針流出樣品時，在r處形成的電勢v（r）為
直線四探針測試技術方法主要是指rymaszewski法（測試原理圖如圖2）。rymaszewski法適用於無窮大薄層樣品，此時不受探針距離和游移的影響，將四根排成一條直線的探針以一定的壓力垂直地壓在被測樣品表面上，在1、4探針間通以電流i(ma)，2、3探針間就產生一定的電壓v(mv)(如圖2)。
探針2處的電勢v2是處於探針1處的電流源+i和處於探針4處的點電流源-i貢獻之和，即
同理，探針3處的電勢v3為
探針2和3之間的電勢差為v23為
由此可得出樣品的電阻率為
根據測量此電壓並根據測量方式和樣品的尺寸不同，所測得的資料需要進行相應的修正，可分別按以下公式計算樣品的電阻率、方塊電阻、電阻：
圖2 rymaszewski法示意圖圖3 薄層方塊電阻示意圖
1、薄圓片(厚度≤4mm)電阻率：
ω·cm（1）
式中：i—1、4探針流過的電流值，選值可參考表2；
v—2、3探針間取出的電壓值，單位mv；
d—樣品直徑，單位：cm；
s—平均探針間距，單位：cm；
w—樣品厚度，單位：cm；
fsp—探針間距修正係數(四探針頭合格證上的f值)；
f(d/s)—樣品直徑修正因子。當d→∞時，f(d/s)=4.532，有限直徑下的f(d/s)由裝置說明書的附表b查出：
f(w/s)—樣品厚度修正因子。w/s<0.4時，f(w/s)=1；w/s>0.4時，f(w/s)值由裝置說明書的附表c查出；
2、薄層方塊電阻r□：
為了測量擴散薄層的導電性能，引入了薄層電阻（方塊電阻）概念，如果乙個均勻導體是一寬為w，厚為d的薄層（見圖3），則
（2）上式表明，該薄層導體的電阻與l/w成正比，比例係數為ρ/d。這個比例係數就叫方塊電阻，用r□表示：
r=r□·l/w
r□的單位是ω，通常用ω/□表示。從上式可見，當l=w時，r=r□，此時r□表示乙個正方形薄層的電阻，它與正方形的邊長無關，故取名為方塊電阻。
方塊電阻通過修正後變成
式中：i—1、4探針流過的電流值，選值可參考表1；
v—2、3探針間取出的電壓值，單位mv；
d—樣品直徑，單位：cm；
s—平均探針間距，單位：cm；
w—樣品厚度，單位：cm；
fsp—探針間距修正係數(四探針頭合格證上的f值)；
f(d/s)—樣品直徑修正因子。當d→∞時，f(d/s)=4.532，有限直徑下的f(d/s)由裝置說明書的附表b查出：
f(w/s)—樣品厚度修正因子。w/s<0.4時，f(w/s)=1；w/s>0.4時，f(w/s)值由裝置說明書的附表c查出；
表1方塊電阻測量時電流量程選擇表(推薦)
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