實(shí)驗(yàn)原理

熱敏電阻通常是用半導(dǎo)體材料制成的，它的電阻隨溫度變化而急劇變化。熱敏電阻分為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻和正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻兩種。NTC熱敏電阻的體積很小，其阻值隨溫度變化比金屬電阻要靈敏得多，因此，它被廣泛用于溫度測量、溫度控制以及電路中的溫度補(bǔ)償、時(shí)間延遲等。PTC熱敏電阻分為陶瓷PTC熱敏電阻及有機(jī)材料PTC熱敏電阻兩類。PTC熱敏電阻是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種新型材料電阻器，它的特點(diǎn)是存在一個(gè)“突變點(diǎn)溫度”，當(dāng)這種材料的溫度超過突變點(diǎn)溫度時(shí)，其阻值可急劇增加5-6個(gè)數(shù)量級(jí)，（例如由101Ω急增到107Ω以上），因而具有極其廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

近年來，我國在PTC熱敏電阻器件開發(fā)與應(yīng)用方面有了很大發(fā)展，陶瓷PTC熱敏電阻由于其工作功率較大及耐高溫性好，已被應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械、冰箱等作電流過載保護(hù)，并可替代鎳鉻電熱絲作恒溫加熱器和控溫電路，用于自熱式電蚊香加熱器、新型自動(dòng)控溫烘干機(jī)、各種電加熱器等一系列安全可靠的家用電器；而有機(jī)材料PTC的熱敏電阻具有動(dòng)作時(shí)間短、體積小、阻值低等特點(diǎn)，現(xiàn)已被用于國內(nèi)電話程控交換機(jī)、便攜式電腦、手提式無繩電話等高科技領(lǐng)域作過載保護(hù)，應(yīng)用范圍很廣。

本實(shí)驗(yàn)用溫度計(jì)和直流電橋測定熱敏電阻器與溫度的關(guān)系，要求掌握NTC熱敏電阻器的阻值與溫度的關(guān)系特性、并學(xué)會(huì)通過數(shù)據(jù)處理來求得經(jīng)驗(yàn)公式的方法。

1. 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻-溫度特性

NTC熱敏電阻通常由Mg、Ni、Cr、Co、Fe、Cu等金屬氧化物中的2-3種均勻混合壓制后，在600-1500oC溫度下燒結(jié)而成，由這類金屬氧化物半導(dǎo)體制成的熱敏電阻，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。在一定的溫度范圍內(nèi)，NTC熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系滿足下列經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，R為該熱敏電阻在熱力學(xué)溫度T時(shí)的電阻值，R0為熱敏電阻處于熱力學(xué)溫度T0時(shí)的阻值。B是材料常數(shù)，它不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，而且與溫度有關(guān)，在一個(gè)不太大的范圍內(nèi)，B是常數(shù)。

由（1）式可求得，NTC熱敏電阻在熱力學(xué)溫度T0時(shí)的電阻溫度系數(shù)α

由（2）式可知，NTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)是熱力學(xué)溫度的平方有關(guān)的量，在不同溫度下，α值不相同。

對(duì)（1）式兩邊取對(duì)數(shù)，得?

在一定溫度范圍內(nèi)，成線性關(guān)系，可以用作圖法或 最小二乘法求得斜率B的值。并由（2）式求得某一溫度時(shí)NTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)α。

2. 正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻-溫度特性 （選做內(nèi)容） PTC熱敏電阻具有獨(dú)特的電阻-溫度特性，這一性質(zhì)是由于其微觀結(jié)構(gòu)決定的。當(dāng)溫度升高超過PTC熱敏電阻突變點(diǎn)溫度時(shí)，其材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了突變，它的電阻值有明顯變化，可以從10一次方Ω變化到10的七次方Ω，PTC熱敏電阻的溫度大于突變點(diǎn)溫度時(shí)的阻值隨溫度變化符合如下經(jīng)驗(yàn)公式：

其中，T為樣品的熱力學(xué)溫度，T0為初始溫度，R為樣品在溫度T時(shí)的電阻值，R0為樣品在溫度T0時(shí)的電阻值，A的值在某一范圍內(nèi)近似為常數(shù)。

對(duì)陶瓷PTC熱敏電阻，在小于突變點(diǎn)溫度時(shí)，電阻與溫度關(guān)系滿足（1）式，為負(fù)溫度系數(shù)性質(zhì)，在大于突變點(diǎn)溫度時(shí)，滿足（3）式，為正溫度系數(shù)熱敏電阻，此突變點(diǎn)溫度常稱為居里點(diǎn)。而對(duì)有機(jī)材料PTC熱敏電阻，在突變點(diǎn)溫度上下均為正溫度系數(shù)性質(zhì)，但是其常數(shù)A也在突變點(diǎn)發(fā)生了突變，即A值在溫度高于突變點(diǎn)后明顯激增。

實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)器材包恒溫器、攪拌器、溫度計(jì)、熱敏電阻、小試管、電阻箱三只、干電池一節(jié)、檢流計(jì)等。熱敏電阻放置在可變溫度的恒溫器中，用溫度計(jì)測量溫度。將電阻箱、干電池、檢流計(jì)用連接線接成電橋，測出熱敏電阻的阻值。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟

1.把NTC熱敏電阻和玻璃溫度計(jì)一起插在盛有變壓器油的玻璃小試管內(nèi)，試管置于盛有水的可控恒溫槽中，當(dāng)NTC熱敏電阻、玻璃溫度計(jì)和水溫達(dá)到平衡時(shí)，用玻璃溫度計(jì)測出NTC熱敏電阻的溫度θ，如圖所示的電路測量NTC熱敏電阻的阻值R0（注意：熱敏電阻的電流應(yīng)小于300μA， 避免熱敏電阻自己發(fā)熱對(duì)實(shí)驗(yàn)測量的影響。此時(shí)直流電橋臂往往不能嚴(yán)格取1:1比例，直流電源最大取1.5V）

2.先測出室溫時(shí)（將NTC熱敏電阻和溫度計(jì)等插入室溫水中）溫度θ和NTC熱敏電阻阻值R0.然后逐步增加恒溫槽溫度，每當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，測量相應(yīng)的一組θi與Ri的值。要求溫度從70oC范圍內(nèi)測出8-10組數(shù)據(jù)。用公式T=273.15+θ，將攝氏溫度θ換算成熱力學(xué)溫度T.

3. 用最小二乘法求出溫度在室溫70oC范圍內(nèi)的材料常數(shù)B.

4.用公式（2）計(jì)算NTC熱敏電阻在溫度θ=50.0oC時(shí)的電阻溫度系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例

電橋臂RA、RB是規(guī)格為0.1級(jí)0-9999Ω的電阻箱，調(diào)節(jié)電阻Rs 為0.1級(jí)0-9999.9Ω的電阻箱，電源為1.5V.在室溫至70oC范圍內(nèi)，電阻值大于9000Ω。所以滿足RT+Rs≥5000Ω，即通過RT熱敏電阻電流小于300μA要求。