★금속, 반도체, 초전도체의 전도 도와 온도의존성★ 식품생명공학과 조광국, 배석재, 우홍배, 윤성수
★목차★ 실험이론 실험장치 실험방법 실험결과
1. 실험이론 ★실험목적★ 금속과 반도체, 초 전도체의 전기저항과 온도의존성 측정 - 금속의 온도계수 결정 - 반도체 Band gap 결정 - 초 전도체의 임계 온도를 결정
1. 실험이론 1 전기전도도 - 물질이나 용액이 전류를 운반할 수 있는 정도 단위S(Siemens) - 이온세기를 신속하게 평가하는 지표 - 전기저항의 역수 (Ω-1)로 나타냄 - 전도체의 저항 p= 저항률, l= 도선의 길이, S=단면적
1. 실험이론 1. 2 금속 1)금속 결정은 각 원자의 가장 바깥쪽 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 상태 나 1)금속 결정은 각 원자의 가장 바깥쪽 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 상태 나 머지 원자는 일정한 거리 및 간격으로 배열 2)자유전자는 음전하를 띠고 있으므로 외부로부터 전압을 걸어 주면 일정 방향으 로 이동한다. 금속의 양끝에 온도 차이가 생기면 전자는 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열 전달을 하고 이것이 금속이 전기 및 열을 잘 전달하는 이유 3)자유전자는 규칙적으로 배열된 원자에서만 움직이므로 온도가 높아져서 원자의 열진동이 심할수록 자유전자의 흐름은 방해 4)따라서 온도가 높을수록 전기는 통하기 힘들게 되어, 금속의 전기저항은 온도가 높을수록 증가하게 된다.
1.2 금속 - 온도 => 원자의 열 진동 => 자유전자의 흐름 방해=> 전기저항 1. 실험이론 1.2 금속 - 온도 => 원자의 열 진동 => 자유전자의 흐름 방해=> 전기저항
1. 실험이론 3 반도체 - 도체와 부도체의 중간 영역 - 불순물의 첨가나 기타 조장에 의해 전기전도도가 늘어남 - 빛이나 열에너지에 의해 일시적으로 전기 전도성을 가짐 - 실온에서 10-3~1010Ω·cm정도의 비 저항을 가지나 범위가 정해져 있지 않음
1. 실험이론 1) 초전도체 특성 1. 4 초전도체 - 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 가까워지는 초전도현상이 나타 나는 도체 1) 초전도체 특성 - 임계온도 Tc: 상전도 상태에서 초전도 상태로 전이가 일어나는 온도 - 임계자기장: 임계온도이하의 온도 일지라도 임계자기장 Hc 이상의 자기장이 걸릴 경우 상전도 상태가 됨 Resistance Temperature Tc 초전도체 일반금속 상전도 상태 초전도 상태
1. 실험이론 -마이스너 효과 1. 4 초전도체 1) 초전도체 특성 초전도 상태에서 초전도체 내부의 자기장이 0이 되는 현상 표면전류에 의해 완전반자성 상태가 됨 자기장을 외부로 밀어냄, 자기부상 1933년 Meissner와 Oschenfeld가 밝힘
1. 실험이론
2. 실험장치 586 80/82 Novle metal (586 80) Semiconductor (586 82) 2. 1 금속 및 반도체 실험장치 586 80/82 Novle metal (586 80) Temperature range: - 80° C to + 400° Resistance at 20 °C: 100 Ohm approx. Resistance change within the specified temperature range: 1 : 3.5 Semiconductor (586 82) Temperature range: - 80° C to + 200° Resistance at 20 °C: 200 Ohm approx. Resistance change within the specified temperature range: 1 : 10000
2. 실험장치 - 저항측정세트 (667 552) 시편: YBa2Cu3O7-x 4-pointmeasurement 3. 1 초전도체 실험장치 - 저항측정세트 (667 552) 시편: YBa2Cu3O7-x 4-pointmeasurement Current source (250 mA) 전압 측정(UR) 온도측정(UT ):Iridium resistor 냉각: 액체질소 온도측정: thermistor
3. 실험방법 3. 1 금속 및 반도체 실험장치
4. 실험결과 4. 1 금속
4. 실험결과 4.1 금속 (1) 온도계수 계산 y=0.5884x+96.221 R=R0(1+βT) R0: 0℃에서의 저항, β: 저항계수 실험값 β= 0.5884/96.221 ≒ 0.0061 (1/℃) 이론값 β= 0.0039 (1/℃) 오차(%) = ∣실험값-이론값∣/ 이론값 x 100 = ∣0.0061-0.0039∣/ 0.0039 x 100 = ≒ 56.41 %
4. 실험결과 4. 2 반도체 처음 얻은 값의 ℃(온도)를 K(절대온도)로 바꾼 뒤 역수를 취해주고, R(저항)은 log를 취한 값으로 다시 그래프를 그리면 직선의 그래프가 나온다.
4. 실험결과 4. 2 반도체
4. 실험결과 4. 2 반도체 y=3863.1x-7.819 InR = InR0+Eq/KBT, * Band gap(Eg) 계산 y=3863.1x-7.819 InR = InR0+Eq/KBT, Eq/KB는 위의InR과 1/T의 그래프에서 기울기에 해당된다. lnR= 3863.1T-7.819
4. 실험결과 * Band gap(Eg)의 실험값 4. 2 반도체 Eg = KB × 3863.1K = 8.63×10-5eV/K × 3863.1K = 0.33eV * Band gap(Eg)의 이론값 = 0.47eV 오차(%) = ∣실험값-이론값∣/ 이론값 x 100 = ∣0.33-0.47∣/ 0.47 x 100 = ≒ 29.79 %
4. 실험결과 4. 3 초전도체
4. 실험결과 4. 3 초전도체 *초전도체의 임계온도: -171.1℃ 오차(%) = ∣실험값-이론값∣/ 이론값 x 100 = ≒ 6.57 % 그래프를 보면 가 되는 지점에서 저항이 급격히 감소하기 때문에 이때 온도를 임계온도라 하며 시편은 초전도 상태가 된다.
4. 실험결과 - 금속은 온도가 증가함에 따라 저항도 증가하는 비례 관계가 나타났다. - 반도체는 온도가 높아짐에 따라 저항 값이 줄어드는 반비례 관계가 나타났다. - 초전도체는 임계온도(-171.1℃)에서 갑자기 저항이 떨어지는 현상이 나타났다.