玻尔兹曼常数自动仿真测试

具体分析见最后的视频

▲ Ludwig Boltzmann(1844-1904)

玻尔兹曼常数(Boltzmann constant),通常使用表示,是指有关于温度及能量的一个物理常数。玻尔兹曼是一位奥地利物理学家,在统计力学的理论有重大贡献,玻尔兹曼常数具有相当重要的地位。

▲ Boltzmann常数

1.基于2N3904的Boltzmann常数

在PN结两边,存在一个由电子-空穴扩散而形成的耗散区,以及伴随着的接触电位区,只有热量动能超过的电子才能够从n型区域穿越到p型区域。根据统计力学原理,处在热平衡下电子的动能分布遵循 「玻尔兹曼分布」。具有能量为的概率为:

其中是漂移电流,是比例常数,是温度,是玻尔兹曼常数。

这股漂移电流在耗散区建立一个电场。到外部电压施加在PN结,产生电场,产生电流:

这样,外部总电流为:

下面是实验所使用的电路图。

▲ 基于2N3904的PN结测量Boltzmann常数

后级的 「AD8601ART」组成电流-电压转换电路,根据电路中的参数,XMM2测的电压与流经2N3904电极电流之间的关系为:V=10000*Ic

2. Excel测量数据分析

仿真测试数据如下:

▲ 输入电压与电流曲线

由公式(3)可以知道,参数b与Boltzmann常数之间的关系:

将常数e, T = 300(27摄氏度)代入上面公式,可以得到:

excel表格的指数曲线拟合,没有c项,b=38.654,

计算的K为1.38149*10^-23,这个数值非常精确了。

3. Labview 数据分析

excel表格的指数曲线拟合没有c项,与公式(4)有点差异,现在用labview编程做拟合:

分析结果K=1.38808*10^-23:

4. Multisim与Labview联合仿真

如1项测试所示时,测试时需要手工改变R2电阻值,然后手工记录两个测试电压,如果测试点很多是非常繁琐重复性的工作,能不能用labview编程自动调用multisim工程做仿真并自动记录分析数据?这是可以的:

运行结果:

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