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综合物理实验

四探针法测量高导电率材料的电导率

来源   日期:2016-02-18   浏览次数:

四探针法测量高导电率材料的电导率

在科研和现今社会生活的许多场合,大量使用导电材料和电阻合金。监测电阻或导电率随外界条件的变化也是材料的相变研究、环境的温度、湿度、气氛等的监测和控制的重要手段。材料精确的电阻或电阻率数据以及了解不同电场条件下电流在不同尺寸、不同形状的导体中的分布在电子电路以及其它工程设计中也是必不可少的。因此材料以及电功能器件的电阻或电阻率的精确测量成为了重要的物理实验之一,也是工程技术人员必须掌握的基本技能。
电阻率所针对的对象是导电或电阻材料,一般是通过测定特定形状的材料电阻值后计算得出。对于功能器件一般只测量其电阻值。而环境(温度、湿度、气氛)或材料状态对电阻或电阻率的影响测量则一般是将材料或器件放于特定的环境之中,通过改变环境参数测定电阻或电阻率的变化。上述所有操作归结为一点,即电阻的测量。由于目前还没有不使用电而间接精确测量电阻的方法,因此电阻与其它物理参数测量相比的最突出特点是必须将被测材料或器件连接在电路之中,电路之中的导线、导线接头或器件触点接触电阻、测量仪表的内阻以及与被测电阻间的连接关系,阻值比例等多种因素都会对影响测量结果的精确度。在许多情况下,测量误差是不可忽略的。
为了提高电阻测量的精确度,对于不同阻值范围的材料或器件设计了不同的测量方法。例如采用三电极系统测量MΩ级以上的高电阻,采用电桥法测量Ω和KΩ级的电阻等。但在高导电率材料或小电阻器件的电阻测量之中,不仅电路中的接触电阻不可以忽略不计,甚至导线的电阻都不是无穷小量。而在电桥测量方法中也难以找到与被测电阻值相当的小电阻与之相匹配。有些试样的尺寸很小(薄膜)或很大(大块样品或大尺寸板状样品)又不允许拆剪成合适尺寸时更是如此。近代物理学中,对于微电阻或小电阻,特别是电阻率的测量,常使用四点探针(Four point probe) 来完成。这种方法具有以下特点:一是当样品尺寸很大时,样品尺寸、形状等几何参数对测量结果不产生影响,因此不必制作特殊规格的试样,二是可在工件、器件或设备上直接测量电阻率。