novikov


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНН
ЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





И.Л. НОВИКОВ, Р.П. Д
ИКАРЕВА, Т.С. РОМАНО
ВА




МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

КОНСТРУКЦИОННЫЕ

И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

МАТЕРИАЛЫ


МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

ЭЛЕКТРОННОЙ

ТЕХНИКИ

ПРАКТИКУМ К ЛАБОРАТО
РНЫМ РАБОТАМ

Учебно
-
методическое пособие















НОВОСИБИРСК

2010



2

УДК 621.315.5/.6(076.5)


Н731

Рецензенты:

А.В. Баранов
, канд. физ.
-
мат. наук, доцент;

Б.К. Богомолов
, канд. физ.
-
мат. наук, доцент



Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов

и микроэлектроники для студентов
I
I

курса ЭМФ и РЭФ

и утверждена Редакционно
-
издательским советом университета

в качестве учебно
-
методического пособия


Новиков И.Л.

Н731









Материаловедение. Конструкционные и электротехнические
материалы. Материалы и элементы электронной техники

.
Пра
ктикум к лабораторным работам

: учеб.
-
метод. пособие

/
И.Л. Новиков, Р.П. Дикарева, Т.С. Романова.


Новосибирск

:
Изд
-
во НГТУ, 2010.


56 с.



ISBN

978
-
5
-
7782
-
1479
-
8


Дано краткое описание работ по исследованию электрических и
эксплуатаци
онных свойств электроматериалов. Для каждой работы
приведены краткие теоретические сведения об основных физических
процессах, происходящих в исследуемых материалах, дано описание
лабораторной установки, изложены методы испытаний и обработки
эксперименталь
ных данных, указаны требования к отчету. В конце
описания каждой работы приведены контрольные вопросы для сам
о-
подготовки студентов.

Пособие предназначено для студентов всех специальностей, в
ы-
полняющих лабораторные работы по курсам «Радиоматериалы и
компоне
нты», «Электротехнические и конструкционные материалы»
и «Материалы и элементы электронной техники».


УДК 621.315.5/.6(076.5)



ISBN

978
-
5
-
7782
-
1479
-
8

© Новиков И.Л., Дикарева Р.П.,



Романова Т.С., 2010

















© Новосибирский государственный

технический университет, 2010






3






1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕК
ТРИЧЕСКОЙ

ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИК
ОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение электрической прочности газообразных и жидких д
и-
электриков.

1. Исследовать зависимость пробивного напряжения
U
пр

и электр
и-
ческой прочности
Е
пр

воздуха от расстояния между электродами в о
д-
нородном и неоднородном э
лектрических полях.

2. Определить электрическую прочность трансформаторного масла
одним из стандартных методов и дать заключение об его пригодности.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕН
ИЕ


1. Пробой газов

Под действием электрического поля заряжен
ные частицы (эле
к-
троны, отрицательные и положительные ионы газа) перемещаются в
направлении поля или против него в зависимости от их знака и прио
б-
ретают на длине свободного пробега дополнительную к тепловой
энергию:

, (1)

где
Е



напряженность электрического поля;
q



заряд частицы; λ


длина свободного пробега.

Если эта энергия становится равной или больше
й энергии иониз
а-
ции газовых молекул
W
и
, то при столкновении с молекулой газа прои
с-
ходит ударная ионизация, т.

е. расщепление молекулы на электрон и
положительный ион. Освобожденный «вторичный» электрон под де
й-
ствием поля, в свою очередь, ионизует следующие

молекулы газа,
формируя, таким образом, электронную лавину.


4

Электронная лавина, достигая анода, интенсивно ионизует газ
вблизи этого электрода, доводя его концентрацию до критической в
е-
личины. Положительная ионная лавина начинает продвигаться от ан
о-
да к к
атоду, насыщаясь электронами. Полученная плазма, достигая к
а-
тода, производит генерацию свободных электронов из него. Эти новые
носители заряда образуют устойчивый ток пробоя по проводящему
плазменному каналу.

В однородном поле пробой газа наступает внезап
но с образованием
электрической искры, в неоднородном поле ему предшествует явление
короны. Пробивное напряжение при однородном поле выше пробивн
о-
го напряжения в неоднородном поле при прочих равных условиях.
Кроме того, пробивное напряжение и электрическая

прочность газа
зависят от рода тока, давления и химического состава газа.

2. Пробой жидких диэлектриков

Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектр
и-
ческих жидкостей зависят от степени их очистки.

На величине электрической прочности
Е
пр

жид
ких диэлектриков
весьма резко сказываются форма электродов и расстояние между н
и-
ми. Поэтому измерение
Е
пр

электротехнических масел проводят в
стандартном пробойнике


керамическом сосуде с латунными эле
к-
тродами: диаметр 25 мм, радиус закругления краев 2.5

мм, расстояние
между электродами 2.5 мм.

Поскольку на электрическую прочность жидкого диэлектрика с
у-
щественно влияют газовые включения, подачу напряжения после з
а-
ливки масла в пробойник можно производить, выждав некоторое вр
е-
мя, для того чтобы пузырьки воз
духа успели выйти из жидкости.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТ
АЛЬНОЙ УСТАНОВКИ


Измерение пробивного напряжения и определение электрической
прочности воздуха при постоянном напряжении выполняется с пом
о-
щью генератора постоянного напряжения
ГНВ1
-
01 (рис. 1). Макс
и-
мальное напряжение, подаваемое на диэлектрик, составляет 20 кВ.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ Р
АБОТЫ

Изучение зависимости электрической прочности воздуха от рассто
я-
ния между электродами в однородном (шар
-
шар, плоскост
ь
-
плоскость)
и неоднородном (игла
-
плоскость) электрических полях следует пров
о-
дить, соблюдая приведенный ниже порядок работы.


5

1. Отключить генератор напряжения от сети (кнопка 10). Вставить
электроды плоскость
-
плоскость в высоковольтную камеру генератора
напряжения, открыв верхнюю крышку прибора. С помощью микр
о-
метра установить между электродами плоскость
-
плоскость начальное
расстояние 0.5 мм, используя риски на его стержне. Нижняя непо
д-
вижная шкала микрометра, имея шаг 1

мм, показывает количество
миллимет
ров, верхняя часть также имеет шаг 1

мм, но показывает
среднее расстояние между делениями нижней шкалы, тем самым п
о-
зволяя точно установить величину 0.5

мм. Шкала на подвижной ручке
соответствует шагу 0.01

мм; расстояние 0.5

мм


одному полному п
о-
вороту по
движной ручки микровинта; расстояние 1

мм равняется двум
полным поворотам ручки микрометра и т.

д. Для установки требуемого
расстояния необходимо электроды привести в легкое касание, после
чего ручкой микрометра отвести один из них на нужное расстояние,
по
вернув ее необходимое число оборотов.


Рис. 1
.

Лицевая панель установки ГНВ1

1



индикатор напряжения;
2


индикатор перегрузки по ток
у;
3



индикатор пер
е-
грузки по напряжению;
4



блокировка;
5



связь с ЭВМ;
6



кнопка “+/Пуск”;

7



кнопка “
----
”;
8



кнопка “Режим”;
9



кнопка “Сброс”;
10



кнопка выключателя


“Сеть”;
11



Индикатор режима работ
ы

2. Закрыть крышку прибора.

3. Включить кнопку “Сеть”
10

( см. рис.1), при этом загорится и
н-
дикатор напряжения 1 (
---
), через 20

30 с индикатор покажет (000).
Прибор готов к работе. Если горит индикатор блокировки
4
, то либо
открыта высоковольтная камера
, либо она не установлена.


6

4. Кнопкой «Режим» включить автоматический режим измерения.
Нажмите кнопку «Пуск». Рост напряжения будет происходить автом
а-
тически.

5.

Следить за индикатором перегрузки по току. При его срабатыв
а-
нии установленное напряжение гене
ратора считается пробивным. Если
сработал индикатор «Перегрузка по напряжению», необходимо в
ы-
полнить п. 6 и повторить измерение еще раз.

6.

Нажать кнопку «Сброс», выключить прибор, открыть крышку и
продуть камеру.

7.

Повторить пп. 3

6 три раза. Среднее а
рифметическое значение
принимается за пробивное напряжение воздуха при данном расстоянии
между электродами.

8.

Меняя расстояние между электродами, измерить пробивное н
а-
пряжение и определить электрическую прочность воздуха при ра
с-
стояниях 0.5, 1, 1.5, 2 мм
.
При смене расстояния обязательно кно
п-
кой «Сеть» отключать установку от сети
.

9
.

Вставить в камеру электроды игла
-
плоскость и повторить пп. 1

8.

10. Вставить электроды шар
-
шар и повторить пп. 1

8.

11.

Результаты испытаний свести в табл. 1. Построить граф
ики зав
и-
симости
U
пр

=

f
(
h
) и
Е
пр

=
f
(
h
) для трех типов электродов.

Обработку результатов выполнять в пакете
MS

Excel

или
Origin
.
Снятые с прибора данные занести в таблицы и рассчитать параметры.
Графики зависимости
U
пр

=

f
(
h
) и
Е
пр

=
f
(
h
) для трех типов эл
ектродов
аппроксимировать с помощью линейной функции и В
-
Spline

функции
(для нелинейной зависимости). Вставить графики в отчет, заполнить
таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл пакета
ORIGIN

(
OPJ
) или
MS

Excel
) и отчет с именем: <Фамилия И.О.>_5. Р
абочая
папка:
D
:
/
МиЭЭТ/<Номер группы>
.

Таблица
1



п/п

Расстояние
между эле
к-
тродами, мм

Электроды

U
пр
, кВ

Е
пр
, В/м

1

2

3

среднее

1

2

3

4

0.5

1

1.5

2







7

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.

Механизм пробоя газов.

2.

Как и почему элект
рическая прочность воздуха зависит от фо
р-
мы электродов, расстояния между ними и давления?

3.

Механизм развития пробоя жидких диэлектриков различной ст
е-
пени очистки.

4.

Физическая сущность тепловой формы пробоя твердых диэле
к-
триков.

5.

Физическая сущность
электрического пробоя твердых диэле
к-
триков.

6.

Какой диэлектрик имеет большую электрическую прочность


плотный или пористый? Почему?

7.

Пленка поливинилхлорида при электрическом пробое разруш
а-
ется при напряжении 1.5

кВ. Определить толщину пленки, если ее

электрическая прочность равна 50 МВ/м.

8.

Какую толщину должен иметь воздух, чтобы электрический
пробой имел место при значении напряжения из задачи 7. Электрич
е-
ская прочность воздуха 3 МВ/м?

9.

При каком максимальном напряжении может работать слюдяной
ко
нденсатор емкостью
С

= 1000 пФ с площадью обкладок
S

= 6·10

4

м
2
,
если он должен иметь четырехкратный запас по электрической про
ч-
ности. Диэлектрическая проницаемость слюды ε = 7, ее электрическая
прочность
Е
пр

= 100 МВ/м.




















8

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕРР
ОМАГНЕТИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение основных магнитных свойств ферромагнетиков и их з
а-
висимости от напряженности магнитного поля.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕН
ИЕ

1. Спонтанная намагни
ченность

Ферромагнетики


кристаллические вещества, в которых результ
и-
рующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними фо
р-
мами движения электрических зарядов. Такими формами движения
являютс
я: вращение электронов вокруг собственной оси


спиновое
вращение и орбитальное вращение электронов в атомах. Явление фе
р-
ромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов
ниже определенной температуры (точки Кюри) макроскопических н
а-
магниченн
ых областей, называемых магнитными доменами. В пред
е-
лах магнитного домена ориентация электронных спинов оказывается
параллельной.

Таким образом, характерным для ферромагнитного состояния в
е-
щества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) нама
г-
н
иченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя
в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные о
б-
ласти, направления магнитных моментов отдельных доменов получ
а-
ются разными, чтобы система имела минимум свободной энергии.
Магнитн
ый момент такого тела будет равен нулю в отсутствии ма
г-
нитного поля.

2. Ферромагнетик во внешнем магнитном поле

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиян
и-
ем внешнего магнитного поля сводится: 1) к росту тех доменов, ма
г-
нитные моменты котор
ых составляют наименьший угол с направлен
и-
ем поля за счет уменьшения размеров других доменов (процесс
смещения доменных границ); 2) к повороту магнитных моментов в н
а-
правлении внешнего поля (процесс ориентации). Магнитное насыщ
е-
ние достигается тогда, когда

рост доменов прекращается и магнитные

9

моменты всех спонтанно намагниченных микроскопических участков
окажутся ориентированными в направлении поля (рис. 2).


Рис. 2.

Схема ориентации спинов в доменах

при намагничивании ферромагнетика

Протекание процессов намагничивания ферромагнитного мате
ри
а-
ла характеризуют кривыми намагничивания
В
(
Н
) (рис.

3). Относ
и-
тельная магнитная проницаемость μ определяется по основной кривой
намагничивания как отношение индукции
В

в ферромагнетике к н
а-
пряженности внешнего магнитного поля
Н

в данной точке кривой с
у
четом магнитной постоянной μ
0

= 4π
·
10

7

Гн/м:

.


Рис. 3.

Кривая намагничивания ферромагнетика

Н
= 0

Н

Н

В


10

Магнитная проницаемость, определяемая

по выражению (2), наз
ы-
вается статической. Она оказывается зависимой от величины внешнего
магнитного поля (рис. 4). Магнитную проницаемость при
Н



0 наз
ы-
вают начальной проницаемостью μ
нач
, определяя ее при полях ок
о-
ло

0.1

А/м. Наибольшее значение магнитно
й проницаемости носит н
а-
именование максимальной проницаемости μ
max
.

При перемагничивании ферромагнетика зависимость
В
(
Н
) характ
е-
ризуется магнитным гистерезисом. Если медленно производить нама
г-
ничивание материала во внешнем магнитном поле, а затем, начиная
с
какой
-
либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать
напряженность поля, то индукция будет также умень
шаться, но не по
основной кривой, а с отставанием. При увеличении поля противоп
о-
ложного направления материал может быть полностью размагни
чен,
перемагничен и при новой перемене направления магнитного поля и
н-
дукция снова вернется в исходную точку. Таким образом, будет опис
а-
на кривая, называемая петлей магнитного гистерезиса. В зависимости



Рис. 4.

Зависимость статической магнитной

проницаемости от внешнего магнитного поля

от максимальной величины напряженности внешнего магнитного поля
можно построить семейство пе
тель гистерезиса. Петля гистерезиса н
а-
зывается предельной, если величина напряженности магнитного поля
намагничивает ферромагнетик до насыщения. На предельной петле
гистерезиса выделяют следующие параметры (рис.

5): остаточная и
н-
дукция
В
ост
, определяемая в

точке
Н

= 0 на размагничивающей ветви
петли; коэрцитивная сила
Н
с
, определяющая величину напряженности
Н

μ


11

размагничивающего поля; индукция насыщения
В
нас
, определяемая как
величина индукции магнитного поля при максимальной величине н
а-
пряженно
сти внешнего поля.


Рис. 5.

Предельная петля гистерезиса ферромагнетика

Процесс циклического перемагничивания ферромагнетика хара
к-
теризуется потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти
потери обусловлены
двумя основными причинами: 1) потери, связа
н-
ные с необратимым смещением доменных границ. Они пропорци
о-
нальны площади петли гистерезиса и частоте внешнего поля; 2) дин
а-
мические потери или потери на токи Фуко, они связаны с потерями
энергии на вихревые токи,

индуцированные в материале внешним п
о-
лем. Эти потери зависят от сопротивления материала.

3. Типы ферромагнетиков, их применение

В настоящее время известно значительное число ферромагнетиков,
отличающихся химическим составом, кристаллической структурой и
с
войствами. По величине спонтанной намагниченности все феррома
г-
нетики можно разделить на две группы. Первая группа


материалы,
обладающие малой коэрцитивной силой
Н
с
800

А/м, высокой ма
г-
нитной проницаемостью 10
3

< μ
max

10
6

и малыми потерями на гист
е-
рез
ис. Первая группа материалов называется магнитомягкими. К ним
относятся низкоуглеродистые кремнистые стали, карбонильное жел
е-
зо, пермаллои, альсиферы, ферриты, композиционные магнитодиэле
к-
трики. Используется данная группа материалов в качестве сердечников
трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах, при
изготовлении катушек индуктивности.

В
нас

В
ост

В

Н

Н
с




Н
с



12

Вторая группа


материалы, обладающие большой коэрцитивной
силой
Н
с

> 1000 А/м и остаточной индукцией
В
ост

> 0.5 Тл, невысокой
магнитной проницаемостью и бо
льшой магнитной энергией после н
а-
магничивания
W

~ 10 кДж/м
3
. Она называется магнитотвердыми мат
е-
риалами. К ним относятся легированные мартенситные стали, литые
магнитотвердые сплавы, магниты из порошков, магнитотвердые фе
р-
риты, материалы для записи и пласт
ически деформируемые сплавы.
Магнитотвердые материалы используются в качестве источников п
о-
стоянного магнитного поля либо для записи информации.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧА
СТЬ

1. Описание установки

Свойства ферромагнетиков исследуются на

осциллографической
установке ИСХ1 с использованием измерительного стенда С3
-
РМ01,
принципиальная схема которого показана на рис. 6.


Рис. 6.

Схема стенда для иссле
дования ферромагнетиков


13

Стенд содержит группу объектов исследования, которые имеют
следующие характеристики:


два постоянных резистора, формирующих делитель:

R1 = 68 Ом

10

%;

R2 = 470 кОм
10

%;


конденсатор:

С1 = 0.47 мкФ
10

%;

трансформатор Тр, имеющий следующие характеристики:

средняя длина сердечника
L

= 7.8

0.1 см;

площадь поперечного сечения
S

= 0.64

0.05 см
2
;

число витков первичной обмотки
N
1

= 1665 витков;

число витков вторичной обмотки
N
2

= 970 витков

Устройство и принцип работы измерителя статических хара
к-
теристик ИСХ1

Органы управления прибором показаны на рис. 7а

и 7б
.


Рис. 7 а.
Общий вид панели установки


14

На передней панели прибора расположены:

1



графический дисплей;

2



кнопка выбора режима работы «
F
»;

3



кнопка выбора шкалы «Шк
л.»;

4



кнопка запоминания оцифрованного сигнала «Стоп»;

5



кнопка выбора температурного режима «Темп»;

6



кнопка управления генератором «Генер.»;

7



кнопка выбора коэффициента отклонения «К
ус
»;

8



кнопка уменьшения выбранной величины «
-
»;

9



кнопк
а увеличения выбранной величины «+»;

10



кнопка выключателя «Сеть»;

11



выход генератора;

12



вход тока
I
;

13



вход напряжения
U
1;

14



вход напряжения
U
2;

15



ручка регулировки контраста изображения «Контраст»;

Экран дисплея разделен на два поля (р
ис. 7б):


поле отображения сигнала;


информационное поле.


Рис. 7 б
. Общий вид экрана дисплея

Поле отображения сигнала содержит координатную сетку, на кот
о-
рую накладывается измеряемый сигнал.


15

Информационное поле разделено на 4 области:


область общих установок: отображает режим работы прибора
(строка «Режим»), шкалу развертки (строка «Шкала») и состояние
стоп
-
кадр (строка «Стоп»);


область состояния вход
а I, входа
U
1 и входа
U
2: отображает к
о-
эффициенты отклонения каналов.


область состояния генератора: отображает амплитуду выходного
сигнала генератора (строка «Ампл.») и форму выходного сигнала ген
е-
ратора (строка «Форма»);


область состояния терморегу
лятора: отображает текущую те
м-
пературу образцов (строка «Текущ.»), требуемую температуру обра
з-
цов (строка «Устан.») и индицирует работу нагревательного элемента
(строка «Нагрев»). В данной конфигурации отключена.

ВАЖНО: Перед началом работы сформируйте ф
айл отчета.
Для этого запустите на Рабочем столе пиктограмму файла «Отчет»
и заполните предлагаемую форму. Затем сохраните ее, нажав кл
а-
вишу <ЗАПИСЬ>.

2. Включение и подготовка установки к работе

После включения установки ИСХ1, используя соединительные
про
вода, необходимо подключить стенд С3
-
РМ01 к измерительным
клеммам прибора. Для этого сигнал с генератора подается на перви
ч-
ную обмотку трансформатора Тр на вход генератора, вход «
I
» соед
и-
няется с выходным током первичной обмотки «
I

вых», а выходной
сигнал
U
2 снимается с выхода
U
1

вторичной обмотки. Таким образом,
по горизонтальной оси осциллограммы откладывается значение тока, а
по вертикальной


значения напряжения.

Порядок работы с прибором

1.

Для включения прибора нажмите кнопку «Сеть»
10
, при этом з
а-
гор
ится индикатор
1
. Прогрейте прибор 5 мин.

2.

Регулировка контраста изображения проводится вращением ру
ч-
ки 15 «КОНТРАСТ».

3.

Соберите электрическую схему.

4.

Для переключения режима работы нажмите кнопку
2

«
F
». При
этом должен подсветиться текущий режим раб
оты. Затем кнопками
«+» или «
-
» выберите необходимый режим:

I

=
F
(
U
1) (воль
-
тамперная характеристика);


16

U
2 =
F
(
U
1) (статическая характеристика);

U
2 =
F
(
I
) (передаточная характеристика);

5.

Установите требуемый сигнал на выходе генератора 10

В. Для
этого оди
ночным нажатием кнопки «Генер.» подсветите строку
«ФОРМА» и кнопками «+» и «
-
» выберите необходимую форму сигн
а-
ла (синусоидальная, треугольная).
В работе используется синусо
-
идальная форма сигнала.

Повторным нажатием кнопки «Генер.»
подсветите строку «АМПЛ
.» и кнопками «+» и «
-
» установите необх
о-
димую амплитуду выходного сигнала (в вольтах).

6.

Для изменения коэффициента отклонения нажмите кнопку

6
«К
ус
». При этом подсветится надпись «УСИЛ.» того канала, который
соответствует выбранному режиму работы. Если
режим работы пре
д-
полагает совместное использование двух каналов, то переход между
выбором коэффициентов отклонения каналов осуществляется повто
р-
ным нажатием кнопки
6

«К
ус
».

Установить необходимое значение коэффициента отклонения для
выбранного канала можно

при помощи кнопок «+» или «
-
».

7.

Для включения режима «Стоп
-
кадр» необходимо нажать кно
п-
ку

4

«СТОП». При этом кадр будет остановлен для проведения изм
е-
рений. Для выхода из этого режима необходимо нажать кнопку
«СТОП» повторно. В режиме «Стоп
-
кадр» активн
а только кнопка
«
».

8.

Если при включении прибора или во время его работы происх
о-
дят какие
-
нибудь сбои, рекомендуется известить преподавателя.

3. Градуировка горизонтальной и вертикальной

осей осциллографа

Вычисляют значения
напряженности внешнего магнитного поля по
формуле

, А/м.









(3)

Вычисляют значения индукции магнитного поля в ферромагнетике
по формуле

, Тл.








(4)


17

Значения тока
I

и напряжения
U
2 определяются соответствующими
коэффициентами усиления:








(5)

4. Определение основных параметров петли гистерезиса

Определение основных параметров петли гистерезиса проводится
при максимальном ее размере. Для получения максимального размаха
петли

необходимо установить максимальное значение напряжения
U
ген

=

10

В. После этого определить индукцию насыщения В
НАС

, ост
а-
точную индукцию
В
ост

и коэрцитивную силу
Н
с
(см. рис. 5). Данные
занести в табл. 2.

Таблица
2

X
max

Y
max

В
нас

X
ост

Y
ост

В
ост

X
с

Y
с

Н
с










5. Построение основной кривой намагничивания

При помощи генератора сигнала постепенно увеличивают напр
я-
жение
U
ген

от нуля до 10 В ступенями 1

В. На экране осциллографа п
о-
лучаются все увеличивающиеся петли гистерезиса. При этом каждый
раз заносят
в табл. 3 координаты положительной вершины петли, т.

е.
координаты амплитудных значений

и
. Кривая, соединяющая
вершины петель, есть основная кривая намагничивания (см. рис.

3).
Для определения координат вершин удобно использовать режим
«СТОП
-
кадр».

6.

Определение статической магнитной проницаемост
и

По построенной основной кривой намагничивания, согласно в
ы-
ражению (2), вычисляют магнитную проницаемость ферромагне
-
тика для различных значений напряженности внешнего магнитного
поля (через

1

В):

.


18

Результат вычислений заносит в табл. 3 и строят зависимости
В
(
Н
),
μ(
Н
).

Таблица
3

U
ген

Y

X



μ







Обработку результатов выполнять в пакете
MS

Excel

или
Origin
.
Снятые с прибора да
нные занести в таблицы и рассчитать дополн
и-
тельные параметры. Графики основной кривой намагничивания
В
(
Н
) и
μ(
Н
) интерполировать с помощью В
-
Spline

функции. Вставить графики
в отчет, заполнить таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл
пакета
ORIGIN

(
O
PJ
) или
MS

Excel
) и отчет с именем: <Фамилия
И.О.>_6. Рабочая папка:
D
:
/
МиЭЭТ/<Номер группы>
.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Принципиальная схема установки.

2. Результаты измерений, табл. 2, 3.

3. Формулы, по которым ведутся расчеты.

4. Гр
афики зависимостей
В
(
Н
) и μ(
Н
).

5. Выводы по проделанной работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.

Какие материалы называются ферромагнетиками? Физическая
сущность спонтанной намагниченности.

2.

Каковы основные свойства ферромагнетиков?

3.

Что такое магнитный гистерезис? Назовите его причины. Что т
а-
кое остаточная индукция и коэрцитивная сила?

4.

Какова зависимость магнитной проницаемости μ ферромагнет
и-
ка от
? Что такое
, какие процессы происходят в кристалле
ферромагнетика при переходе через
?

5.

Объясните зависимость μ от
Н
.

6.

Почему и как с помощью гистерезисной петли можно опред
е-
лить потери?

7.

Группы ферромагнетиков, их применение.


19

8.

Н
арисуйте качественно форму петли гистерезиса магнитного м
а-
териала, у которого его магнитная проницаемость не зависит от н
а-
пряженности внешнего магнитного поля.

9.

Найти индуктивность соленоида, имеющего 200 витков, нам
о-
танных на керамическое основание, дли
ной
l

= 50 мм. Площадь поп
е-
речного сечения основания
S

= 50 мм
2
.

10.

Имеется два магнитных материала, для которых выполняются
условия: μ
max
1

> μ
max
2
;
В
нас1


В
нас2
. Построить качественно на одном
графике: а) основные кривые намагничивания для этих материал
ов;
б)

зависимости относительной магнитной проницаемости от напр
я-
женности магнитного поля.































20

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕК
ТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИ
АЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Опреде
лить сопротивление и его зависимость от температуры для
некоторых металлов и сплавов. Выполнить расчет температурного к
о-
эффициента сопротивления.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕН
ИЕ

Важнейшими практически применяемыми в электротехнике пр
о-
водни
ковыми материалами являются металлы и сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выдел
е-
ны металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивл
е-
ние


при комнатной температуре не более 0.05

мкОм·м, и сплав
ы в
ы-
сокого сопротивления, имеющие

при комнатной температуре не
менее 0.3

мкОм·м.

Металлы высокой проводимости используются для изготовления
проводников, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических
машин и трансформатор
ов, для изготовления волноводов и т.

п. К ним
относятся чистые металлы (серебро, медь, алюминий, железо) и нек
о-
торые сплавы (латунь, бронза).

Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются в эле
к-
тронагревательных приборах, лампах накаливания, реостата
х, обра
з-
цовых сопротивлениях. К ним относятся сплавы: манганин, конста
н-
тан, нихром, хромаль и т.

д.

Особое применение находит электротехнический уголь, занима
ю-
щий по своим свойствам промежуточное положение между проводн
и-
ками и полупроводниками.

Основными э
лектрическими характеристиками проводниковых м
а-
териалов являются следующие.

1.

Удельная проводимость

или обратная ей величина


удельное
сопротивление
.

2.

Температурный коэффициент удельного с
опротивления ТК
.

Удельное электрическое сопротивление связано с сопротивлением
проводника любой длины
l

и площади поперечного сечения
S

извес
т-
ной формулой


21

.









(6)

Диапазон значений удельного сопротивления металлических пр
о-
водников (при комнатной температуре) довольно узок: от

0.016 для
серебра и примерно до 10

мкОм·м для железохромалюминиевых спл
а-
вов, т.

е. он занима
ет всего три порядка. Значения удельного сопроти
в-
ления

некоторых металлов приведены в табл. 4.

Таблица
4

Металлы и сплавы

Удельное сопротивление
,

мкОм·м

ТК
, К

1

Серебро

Золото

Алюминий

Медь

Железо

Нихром

Константан

Манганин

0.016

0.024

0.028

0.017

0.098

1

1.2

0.48

0.52

0.42

0.48

4·10

3

3.8·10

3

4.2·10

3

4.3·10

3

6·10

4

(1

2)·10

4

(5

25)·10

6

(5

30)·10

6

Величина удельного сопротивления металлического проводника
может быть выражена на основании представлений электронной те
о-
рии металлов:

,










(7)

где
m



масса электрона;
V
T



средняя скорость теплового дв
ижения
электрона внутри металлического проводника;
е



заряд электрона;

n
0



число электронов в единице объема проводника; λ


средняя длина
свободного пробега электронов.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движ
е-
ния электронов
V
T

пример
но одинаковы. Концентрации свободных
электронов
n
0

в различных металлах также различаются незначительно
(в пределах 10 %). Поэтому значение удельного сопротивления и его
зависимость от различных факторов определяются в основном средней
длиной свободного пр
обега электронов в проводнике, которая об
у-
словлена структурой материала.

Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической р
е-
шеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопр
о-

22

тивления (см. табл.

4). Примеси и нарушения кристаллической реш
е
т-
ки приводят к увеличению удельного сопротивления. Это связано с
рассеянием электронов на дефектах структуры, что приводит к сниж
е-
нию длины свободного пробега λ и соответственно к увеличению

.
Удельное сопротивление проводни
ков зависит от температуры. При
увеличении температуры усиливаются колебания узлов кристаллич
е-
ской решетки, возрастает рассеяние электронов на этих узлах, при
этом уменьшается средняя длина свободного пробега электронов, сн
и-
жается подвижность электронов и
повышается удельное сопротивл
е-
ние (рис. 8).

Скачок сопротивления в высокотемпературной области соответс
т-
вует температуре плавления меди 1083

. При этом

происходит п
е-
реход в другое агрегатное состояние с увеличением объема и умен
ь-
шением упорядочения атомов, что отражается на резком уменьшении
длины свободного пробега электронов в расплаве меди и соответс
т-
венно скачкообразном увеличении удельного сопротивл
ения.


Рис. 8.

Зависимость удельного сопротивления

меди от температуры

Зависимость

от температуры характеризуется температурным к
о-
э
ффициентом удельного сопротивления
TK



относительным измен
е-
нием удельного сопротивления при изменении температуры на один
градус:




23

.









(8)

Так как зависимость удельного сопротивления проводников от
температуры близка к линейной, то в электротехнике используется
следующее приближение:






(9)

где
0



значение удельного сопротивления при начальной температ
у-
ре

T
0
;
(
Т
)


значение удельного сопротивления при температуре
Т.

TK

должно быть взято при начальной температуре.

Температурные коэффициенты для чистых металлов всегда бол
ь-
ше, чем для сплавов из этих металлов и близки к 1/273, т.

е. к 0.004

К

1
.
Температурные коэффициенты сплавов могут быть близки к нулю, а в
некоторых слу
чаях могут принимать даже отрицательные значения.

Как уже отмечалось, примеси и нарушения правильной структуры
металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Возраст
а-
ние удельного сопротивления наблюдается не только при введении в
металл неметалли
ческих примесей, но и при сплавлении двух мета
л-
лов, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.

е. создают
совместный кристалл, в котором атомы одного металла входят в кр
и-
сталлическую решетку другого. На рис.

9 представлена зависимость
удельного со
противления сплава двух металлов, образующих друг с
другом твердый раствор, от изменения содержания каждого из них в
пределах от 0 до 100

%.

Кривая зависимости

от состава сплава имеет максимум, соотве
т-
ствующий некоторому опр
еделенному соотношению между содерж
а-
нием компонентов в сплаве. При уменьшении содержания каждого из
них удельное сопротивление падает, приближаясь к соответствующим
значениям удельного сопротивления чистых металлов.

В зависимости
TK

от состава сплава также наблюдается опред
е-
ленная закономерность. Относительно высокими значениями
TK

о
б-
ладают чистые металлы, а у сплавов
TK

меньше и даже может прио
б-
ретать небольшие отр
ицательные значения.

Такое изменение

и
TK

от содержания компонентов сплава мо
ж-
но объяснить тем, что вследствие сложной структуры его уже нельзя
уподоблять чистым металлам. Изменение

и
TK

сплавов обусловл
е-
но не только изменением подвижности (длины свободного пробега), но

24

в некоторых случаях и частичным возрастанием концентрации носит
е-
лей заряда при увеличении температуры.


Рис. 9.

Зависимость параметров сплавов

медь
-
никель от состава:

а



удельное сопротивление
;
б



температурный

коэффициент удельного сопротивления
TK


Сплав, у которого уменьшение подвижности с возрастанием те
м-
пературы будет компенсироваться возрастанием концентрации нос
и-
телей заряда, будет иметь нулевой температурный коэффициент
удельного сопротивления.

Такая закономерность может нарушаться в тех сл
учаях, когда при
определенном соотношении компонентов они образуют явно выр
а-
женные химические соединения


интерметаллиды. На кривых зав
и-
симостях

(а также и
TK
) от состава наблюдаются изломы (р
ис. 10).

Исследования А.Ф. Иоффе показали, что многие интерметаллиды
являются электронными полупроводниками.

В том случае, когда сплав двух металлов создает раздельную кр
и-
сталлизацию и структура сплава представляет собой смесь кристаллов,
а не единый крис
талл, из
-
за того что металлы не образуют твердого
раствора, удельная проводимость сплава меняется с изменением сост
а-
ва приблизительно линейно (рис.

11).




25


Рис. 10.

Зависимость удельного сопротивления

сплавов цинк
-
магний от состава


Рис. 11.

Завис
имость удельной проводимости

в сплавах медь
-
вольфрам от состава


26

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧА
СТЬ

Описание измерительной установки

Исследование зависимости сопротивления проводниковых мат
е-
риалов от температур
ы проводят на установке ИЭП1 (рис. 12).

Установка ИЭП1 предназначена для измерения сопротивлений в
диапазоне 10...10
13

Ом. Применяемый в приборе метод измерения с
о-
противлений основан на сравнении измеряемого сопротивления и о
б-
разцового сопротивления с пом
ощью операционного усилителя, охв
а-
ченного глубокой обратной связью (рис.

13). В приборе имеются два
диапазона измерений и используются две шкалы


линейная и обратно
пропорциональная. Измерения сопротивлений в диапазоне 10
2
...10
6

Ом
проводятся по линейной
шкале, а в диапазоне 10
7
...10
13

Ом


по обра
т-
но пропорциональной шкале. Для исследуемых в работе образцов,
имеющих сопротивление ниже 10
6

Ом, измерения проводятся по л
и-
нейной шкале.


Рис. 12.

Общий вид лицевой панели установки для измерения

электрического сопротивления


27

На передней панели прибора расположены:
1




индикатор шкалы;

2




кнопки выбора поддиапазона;

3




индикатор результата



измерения;

4




кнопки выбора температуры;

5




индикатор температуры;

6




индикатор нагрева;

7




кнопка выключателя “Сеть”;

8




индикатор связи с ЭВМ;

9




кнопка переключения канала;

10




индикатор выбора канала;

11




термокамера

При измерениях с линейной шкалой источник напряжения и обра
з-
цовый резистор образуют искусственный генератор тока, а измеряемое
сопротивление включается в цепь обратной связи.


Рис 13.

Принципиальная схема измерения

Измеряемое сопротивление определяется по формуле


где
R
2



измеряемое сопротивление, Ом;
R
1



сопротивление образц
о-
вого резистора, Ом;
U
вых



выходное напряжение усилителя, В;
U
вх


входное напряжение с источника сигнала, В.

ВАЖНО: Перед началом р
аботы сформируйте файл отчета.
Для этого запустите на Рабочем столе пиктограмму файла «Отчет»
и заполните предлагаемую форму. Затем сохраните ее, нажав кл
а-
вишу <ЗАПИСЬ>.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ Р
АБОТЫ

1. Получить у преподавателя кассет
у с исследуемыми проводник
а-
ми. Записать в отчет названия материалов, их геометрические размеры
.

Установить кассету с образцами в термокамеру прибора до упора. При
этом шторка должна опуститься.

U
вых

U
вх

R
2

R
1


28

Образцы

Первый канал: медь


поперечное сечение
S

= 0.008 мм
2
, длина

l

= 25 м.

Второй канал: константан


поперечное сечение
S

= 0.07 мм
2
, длина

l

= 9 м.

2. Включить кнопку “Сеть”
7

(рис. 12), при этом загорится индик
а-
тор шкалы 1, индикатор результата измерения
3
, индикатор выбора
температуры
5
, индикатор выбора кан
ала
10
.
Внимание!

Кнопками
выбора температуры
4

отключить нагрев образца

(индикатор

5

должен показать «
OFF
»). При первом нажатии кнопки на индикаторе

5

высветится установленное значение температуры. При повторном н
а-
жатии кнопки произойдет коррекция устанав
ливаемой температуры.
Через две секунды после завершения установки индикатор

5

перейдет
в режим отображения текущей температуры. Для отключения термор
е-
гулятора необходимо установить температуру менее 30

. При этом
на экране высветится сообщение «
OFF
».

3.

Кнопкой
9

установить требуемый канал для измерения. Ко
н-
троль выбора канала осуществляется с помощью индикатора
10
. С
о-
противление первого материала отоб
ражается по каналу
1
. Сопроти
в-
ление второго материала отображается по каналу
2
.

4. Кнопками
2

установить требуемый диапазон сопротивления. При
этом индикатор
1

укажет на выбранную шкалу (шкала 0

10


лине
й-
ный режим работы, а шкалы 1

3 и 3

10


обратно про
порциональный
режим работы). Значения сопротивлений внесите в табл. 1.

Примечание

При работе прибора на индикаторе
1

могут отображаться следующие с
о-
общения:

L



измеряемое сопротивление ниже выбранного поддиапазона;

H



измеряемое сопротивление выше выбран
ного поддиапазона.

5. Измерить величины исследуемых сопротивлений при
комна
т-
ной температуре

R
20
. Рассчитать значения объемных удельных сопр
о-
тивлений материалов. Данные материалы представлены в виде пров
о-
лок, намотанных на катушки с известными геометрически
ми парамет
-
рами
S

и
l
. Результаты занести в табл. 5.

Таблица
5

Тип сопротивления

R
20
, Ом

ρ
, Ом
м





29

6. Снять зависимость
R

от температуры. Для этого с помощью кн
о-
пок
4

установите требуемое значение температуры термокамеры. П
ри
первом нажатии кнопки на индикаторе
5

высветится установленное
значение температуры. При повторном нажатии кнопки произойдет
коррекция устанавливаемой температуры. Через две секунды после
завершения установки индикатор
5

перейдет в режим отображения т
е-
к
ущей температуры. Индикатор
6
должен загореться, указывая, что
происходит нагрев термокамеры.

Измерения
R
T

производить по следующему температурному ряду:
начальная, 40, 60, 80
.
Рекомендуется соблюдать интервал между
измерениями 10 мин для стабилизации показаний прибора при н
а-
греве образца.
Результаты измерений занести в табл. 6.

7. По полученным результатам определить температурные коэ
ф-
фициенты сопроти
вления
TKR

для меди. Вычисление
TKR

проводят по
выражению (8) с учетом данных линейной аппроксимации зависим
о-
сти
R
(
T
) (таблица
Linear

fit

of

Data
1), в выражении требуется заменить
удельное сопротивление ρ на полное
R
. Использовать колонку темп
е-
ратуры и кол
онку сопротивления данной таблицы и, с учетом (8) и в
е-
личины наклона линейной функции, рассчитать
TKR

для всех темпер
а-
тур. Построить график
TKR

(Т) в масштабе
TKR

от 0 до 10, добавив в
подпись соответствующий масштабный коэффициент.

Таблица
6

Т
,

R
1
,Ом

R
2
, Ом




Обработку результатов выполнять в пакете
MS

Excel

или
Origin
.
Снятые с прибора данные занести в таблицу и рассчитать дополн
и-
тельные параметры
. Вставить информацию о типе материала и его
геометрических размерах. График зависимости
R
(
T
) аппроксимировать
линейной зависимостью. Из коэффициента аппроксимации, опред
е-
ляющего наклон характеристики, рассчитать
TKR
.

Экспериментальные данные и графики
R
(
T
),
TKR
(
T
) вставить в о
т-
чет. Файл обработки (файл пакета
ORIGIN

(
OPJ
) или
MS

EXCEL
) и
отчет сохранить в формате шаблона <Фамилия И.О.>_7. Рабочая па
п-
ка:
D
:
/
МиЭЭТ/<Номер группы>
.





30

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.

Физическая сущность электро
проводности металлов.

2.

Как зависит сопротивление металлических проводников от те
м-
пературы и почему?

3.

Что называется сплавом? Почему удельное сопротивление спл
а-
вов типа твердых растворов выше, чем у чистых металлов?

4.

Дайте определение удельного сопрот
ивления проводников. В к
а-
ких единицах оно измеряется?

5.

Зависимость удельного сопротивления проводников высокого
сопротивления (сплавов типа твердых растворов) от состава (на пр
и-
мере двухкомпонентного сплава).

6.

Зависимость удельного сопротивления провод
ников высокого
сопротивления от температуры.

7.

Дайте определение температурного коэффициента удельного с
о-
противления от температуры
TK
. Как эта величина определяется на
практике?

8.

Почему
TK

у

сплавов типа твердых растворов меньше, чем у
металлов?

9.

При включении в электрическую цепь проводника диаме
т-
ром

0.5

мм и длиной 43 мм разность потенциалов на концах проводн
и-
ка составила 2.4 В при токе 2 А. Определить удельное сопротивление
материала про
водника.

10.

Два образца медной и алюминиевой проволоки длиной по 2 м им
е-
ют одинаковое электрическое сопротивление. Какой из отрезков весит
меньше и
на сколько
, если сечение медной проволоки равно 4 мм
2
.

Пло
т-
ность:
Al



2.7 Мг/м
3
,
Cu



8.9 Мг/м
3
. Удельное
сопротивление:

Al



0.028 мкОм

·

м,
Cu



0.017 мкОм

·

м.

11.

Определите мощность, потребляемую нагревательным элеме
н-
том из нихромовой проволоки при напряжении сети 220

В, если длина
проволоки


3 м, диаметр


0.15 мм. Рабочая температура


900
.
Удельное сопротивление нихрома


1.2 мкОм

·

м,
TK

(20
)

=

=

2


·

10

4

K

1
.









31

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМП
ЕРАТУРНЫХ

ЗАВИСИМОСТЕЙ

И
tg
м

ФЕРРИТОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Установить зависимость магнитной проницаемости

и величины
тангенса угла магнитных потерь
tg
м

ферритового кольца от темпер
а-
туры (определить точку Кюри).

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕН
ИЕ

Для работы в области высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот
используются магнитные материалы с низкой электропроводностью


ферриты. У этих материалов резко увеличенное удельное сопротивл
е-
ние по сравнению с металлическими ферромагнетиками, след
овател
ь-
но, чрезвычайно малые потери на вихревые токи. Поэтому рабочие
частоты ферритов могут достигать сотен мегагерц (диапазон СВЧ).

По химическому составу ферриты представляют собой системы
двойных окислов, образуемые окислами железа
Fe
2
O
3

и окислами дву
х-
валентных, а иногда и одновалентных металлов. Общая формула наиб
о-
лее обширной группы ферритов записывается следующим образом:
MeO

·

Fe
2
O
3
, где
Me



символ иона двухвалентного металла (
Ni
,
Co
,
Mn
,
Mg

и т.

п.). Эта химическая формула простых ферритов. В тех
нике ш
и-
рокое применение нашли смешанные ферриты, представляющие собой
твердые растворы двух или нескольких простых ферритов.

Магнитные свойства ферритов обусловлены тем, что в их состав
входят атомы элементов переходных групп, имеющие в оболочках н
е-
дострое
нные электронные
d
-

или
f
-
атомные орбитали. Нескомпенсир
о-
ванные спины электронов таких оболочек взаимно ориентируются в
кристаллической решетке посредством обменных сил, имеющих ква
н-
тово
-
механическую природу. Ферриты, являющиеся нескомпенсир
о-
ванными антифе
рромагнетиками (ферримагнетиками), имеют две (или
более) взаимно проникающие магнитные подрешетки, каждая из кот
о-
рых в отсутствие внешнего магнитного поля обладает спонтанной н
а-
магниченностью, а магнитный момент одной из подрешеток больше,
чем другой.

Прим
ером феррита может служить соединение оксида железа с о
к-
сидом никеля. Такой феррит называется ферритом никеля с химич
е-
ской формулой вида
NiFe
2
O
4
. Чтобы понять природу ферримагнетизма,
необходимо рассмотреть структуру кристалла феррита, элементарная

32

ячейка
которого представляет собой куб, содержащий восемь стру
к-
турных единиц
NiFe
2
O
4
. Тридцать два отрицательных иона кислорода
расположены так, что они соприкасаются друг с другом, в промежу
т-
ках между ними расположены положительные ионы железа и никеля.
В восьми

промежутках расположена половина ионов
Fe
+3
, каждый из
которых окружен четырьмя ионами кислорода. Такое положение ионов
железа называют А
-
положением. Эти ионы имеют ориентацию ма
г-
нитных моментов в одном направлении и образуют первую подреше
т-
ку. В шестнадц
ати других промежутках расположена другая половина
ионов
Fe
+3

и восемь ионов
Ni
+2
, каждый из которых окружен шестью
ионами кислорода. Такое положение ионов называют
В
-
положением.
Эти ионы образуют вторую подрешетку, в которой магнитные моме
н-
ты имеют направ
ление, противоположное направлению магнитных
моментов в первой подрешетке. Учитывая описанный характер ра
с-
пределения ионов и используя стрелки для указания направлений ма
г-
нитных моментов, структурную формулу феррита можно представить
в виде


Здесь в круглых скобках указаны ионы в
А
-
положении, а в ква
д-
ратных скобках указаны ионы в
В
-
положении. При указанной структ
у-
ре магнитные моменты трехвалентных ионов
железа компенсируются,
и спонтанное намагничивание вызывается магнитными моментами
двухвалентных ионов никеля.

В области высоких частот величина

с увеличением частоты вн
а-
чале почти не изменяется, а затем начинает снижаться (
рис.

14), при
этом резко возрастает тангенс угла потерь. Частота, при которой н
а-
блюдается уменьшение магнитной проницаемости или возрастание
тангенса угла потерь, называется критической или граничной и озн
а-
чает верхний предел частотного диапазона применени
я данного фе
р-
рита. Для определенности ввели понятие критической частоты
f
кр
, при
которой
tg

= 0.1. Причины резкого возрастания потерь весьма сло
ж-
ны и объясняются главным образом релаксационными
и резонансными
явлениями.

Влияние температуры на основные свойства ферритов сходно со
всеми магнитными материалами. При некоторой температуре, наз
ы-
ваемой точкой Кюри, все ферромагнетики и ферримагнетики теряют
свои магнитные свойства, а при более высокой т
емпературе ведут себя
как парамагнетики.


33


Рис. 14.

Зависимости

и
tg

м

от частоты

Например, магнитная проницаемость μ магнитных материалов
имеет температурную зависимость, показанную на рис. 15. Если вел
и-
чина внешнего магнитного поля была не предельной, то магнитная
проницаемость при увеличении температуры проходит через

макс
и-
мум, а потом резко уменьшается. Наличие максимума связанно с ув
е-
личением ориентирующей способности магнитных моментов доменов
ферро
-

или ферримагнетика при увеличении температуры. При темп
е-
ратурах выше точки Кюри области спонтанного намагничивания ра
з-
рушаются тепловым движением, материал перестает быть магнитным,
переходя в парамагнитное состояние.


Рис. 15.

Зависимость

от температуры

f

Т
Кюри

Т

μ


34

Получают ферриты методом керамической технологии, т.е. спек
а-
нием
смеси порошков окислов. Свойства ферритов зависят от среды, в
которой проводится обжиг, времени обжига, режима охлаждения. Все
эти параметры влияют на расположение ионо
в в кристаллической р
е-
шетке и на дефектность структуры. Промышленность выпускает деся
т-
ки марок ферритов, различающихся химическим составом и свойствами.
При этом для каждой марки отрабатываются свои технологические п
а-
раметры. Большинство ферритов легче мет
аллов почти вдвое, они отл
и-
чаются высокими твердостью и хрупкостью. Механическую обработку
ферритов


резку, шлифовку, полировку


можно производить с пом
о-
щью абразивных инструментов

на основе искусственных алмазов. Д
е-
тали из ферритов могут быть изготовлен
ы различных форм: кольцео
б-
разные, Ш
-

и П
-
образные, стержневые и пр.

Изготавливаются как магнитомягкие, так и магнитотвердые ферр
и-
ты. Магнитомягкие ферриты применяются для сердечников разного
рода трансформаторов, катушек индуктивности, для деталей откл
о-
няю
щих систем телеаппаратуры, для магнитных антенн и для многих
других целей. Такие ферриты имеют высокую магнитную проница
е-
мость, малую коэрцитивную силу (около 16

А/м), узкую петлю гист
е-
резиса. Магнитотвердые ферриты используются для изготовления п
о-
стоянных

магнитов. Наиболее известен из этой группы материалов
бариевый феррит.

Магнитные потери

Процесс циклического перемагничивания ферромагнетика хара
к-
теризуется потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти
потери обусловлены двумя основными причинами:
1)

потери, связа
н-
ные с необратимым смещением доменных границ; они пропорци
о-
нальны площади петли гистерезиса и частоте внешнего поля;
2)

динамические потери или потери на токи Фуко, связаны с потерями
энергии на вихревые токи, индуцированные в материале вне
шним п
о-
лем. Эти потери зависят от сопротивления материала.

Мощность, расходуемая на гистерезис, может быть представлена в
виде


(10)


35

где
f



частота поля;
V



объем материала; η


коэффициент, характ
е-
ризующий материал;
В
max



максимальная индукция поля, достигаемая
в течение цикла.

Мощ
ность, расходуемую на вихревые токи, можно определить из
выражения


(11)

где ξ


коэффициент, зависящий от мат
ериала.

При изучении поведения магнитного материала с потерями в пер
е-
менном поле используют эквивалентную схему замещения реального
материала идеальными элементами (рис.

16). Для этого реальную к
а-
тушку индуктивности с сердечником из магнитного материала пр
е
д-
ставляют в виде схемы, состоящей из последовательно соединенных
идеальной индуктивности
L

и сопротивления
r
1
, эквивалентного всем
видам потерь мощности в магнитном материале.

Построим векторную диаграмму токов и напряжений в катушке
индуктивности, включ
енной под переменное напряжение (рис.

17).


Рис. 16.

Схема замещения магнитного

материала с потерями


Рис. 17.

Упрощенная диаграмма токов

в магнетике с потерями

L

I

r
1

I

U

U
L

= ω
IL

U
a

=
Ir
1

φ

δ
м


36

Из векторной диаграммы (рис. 17) получаем:










(12)

где δ
м

называется
углом магнитных потерь.

Чем больше этот угол,
тем больше (при прочих равных условиях) магнитные потери в мат
е-
риале сердечника.

Обычно в качестве параметра
, характеризующего поведение ма
г-
нитного материала в переменных полях, используется величина та
н-
генса угла магнитных потерь
tδ
м
.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧА
СТЬ

1. Описание измерительной установки

В настоящей работе для измерения парамет
ров феррита использ
у-
ется измеритель индуктивности и емкости ЛСМ1. С его помощью
можно определить емкость конденсатора, индуктивность катушек, а
также тангенс угла потерь. Зная же величину индуктивности катушки,
ее геометрическую форму и размеры, можно выч
ислить величину
магнитной проницаемости ферритового сердечника катушки.

Лицевая панель прибора показана на рис. 18.

2. Порядок работы с прибором

1.

Включить кнопку «Сеть»
12

(рис. 18), при этом загорится инд
и-
катор шкалы
3
, индикатор результата измерения
1
, индикатор темпер
а-
туры
4
, индикаторы
8
,
9
,
10
.

2.

Поднять шторку термокамеры
11
. Вставить измерительную ка
с-
сету с образцами до упора. При этом шторка термокамеры должна
опуститься.

3.

Установить кнопкой
15

требуемый режим измерения (индукти
в-
ность или танг
енс угла потерь). Кнопками
2

установить требуемый
диапазон. При этом индикатор
1

укажет на выбранную шкалу (шкала
0
-
10


линейный режим работы, а шкалы 1

3 и 3

10


обратно пропо
р-
циональный режим работы).

4.

Кнопкой
13

установить требуемый канал для измер
ения. Ко
н-
троль выбора канала осуществляется с помощью индикатора
10.

5.

С помощью кнопок
5

устанавить требуемое значение температ
у-
ры термокамеры. При первом нажатии кнопки на индикаторе

4

высв
е-

37

тится установленное значение температуры. При повторном нажатии

кнопки произойдет коррекция устанавливаемой температуры. Через
две секунды после завершения установки индикатор

4

перейдет в р
е-
жим отображения текущей температуры.
Внимание: Не устанавл
и-
вайте нового значения температуры до завершения измерений при
текущей

температуре.


Рис. 18.

Внешний вид прибора ЛСМ1

На передней панели прибора расположены:

1




индикатор результата измерения;

2




кнопки выбора поддиапазона
;

3




индикатор шкалы;

4




индикатор температуры;

5




кнопки выбора температуры;

6




индикатор нагрева;

7




термокамера;

8




индикаторы режима измерения индуктивности;

9




индикаторы режима измерения емкости;


38

10




индикатор выбора канала;

11




инд
икатор связи с ЭВМ;

12




кнопка выключателя “Сеть”;

13




кнопка переключения канала;

14




кнопка переключения режима измерения емкости;

15




кнопка переключения режима измерения индуктивности;

Для отключения терморегулятора необходимо установить темпер
а-
туру менее 30

. При этом на экране высветится сообщение «
OFF
».

При осуществлении связи с ЭВМ загорится индикатор
11
.

Сообщения, выдаваемые прибором

Пр
и работе прибора на индикаторе
1

могут отображаться следу
ю-
щие сообщения:

L



измеряемая величина
L

ниже выбранного диапазона;

H



измеряемая величина
L

выше выбранного диапазона;

P



измеряемое значение тангенса угла потерь выше выбранного
диапазона;

A



при измерении активная составляющая больше реактивной
(
tδ



1).

ВАЖНО: Перед началом работы сформируйте файл отчета.
Для этого запустите на Рабочем столе пиктограмму файла «Отчет»
и заполните предлагаемую форму. Затем сохраните ее, нажав кл
а-
вишу <ЗАПИСЬ>.

3. Порядок выполнения лабораторной работы

1. Провести измерения
L

и t
м

катушек индуктивности с феррит
о-
выми сердечниками на фиксированной частоте при комнатной темп
е-
ратуре (кассета с образцами выдается преподавателем). По по
луче
н-
ным результатам рассчитать значение μ (см. расчетные формулы).

Образцы

Первый канал: кольцевой феррит 1200НН


размер кольца:
d
B

= 3

мм,

d
H

= 5 мм, толщина
h

= 4 мм, число витков
N

= 50.

Второй канал: кольцевой феррит М2000НМ7


размер кольца:
d
B

=

=

6 мм,
d
H

= 9 мм, толщина
h

= 6 мм, число витков
N

= 100.

Катушка индуктивности с кольцевым сердечником имеет следу
ю-
щую индуктивность:


39

.

Важно: При изм
ерении параметров сначала установите изм
е-
рение
L

и подберите правильный диапазон (помните, что время
измерения прибора составляет 5 с). После получения корректного
значения индуктивности переключите прибор на измерение
tδ
.
Для этого параметра также необхо
димо выбрать корректный ди
а-
пазон, в котором
tδ

является числом больше единицы. При изм
е-
нении канала процедуру измерения следует повторить строго в
той же последовательности. К сожалению, прибор запоминает ди
а-
пазоны последних измерений и при смене канала н
еобходимо пр
о-
вести их выбор снова.

2. Снять температурную зависимость μ и t
м

в диапазоне от н
а-
чальной температуры до 75
. Для этого установите последовательно
следующий температурный ряд: начальная, 40, 60, 65, 70, 75
.
И
н-
тервал между измерениями должен быть 10 мин дл
я 40 и 60
,
5

мин для остальных температур
. Для каждой температуры фикс
и-
руйте значения индуктивности
L

и тангенса угла потерь. По окончании
измерений
отключите нагрев образца и осторожно выньте измерител
ь-
ную кассету с образцами из термокамеры. Измеренные и вычисленные
данные заносятся в табл. 7.

Таблица
7

Т


L

tg
м

μ





Обработку результатов выполнять в пакете
MS

Excel

или
Origin
.
Снятые с прибора данные занести в таблицу и рассчитать дополн
и-
тельные параметры. Графики температурных зависимостей двух фе
р-
ритовых сердечни
ков интерполировать
B
-
Spline

функцией. Из завис
и-
мости μ(
Т
) оценить точку Кюри, выполнив линейную аппроксимацию
экспериментальных точек (см. рис.

15). Вставить графики в отчет, з
а-
полнить таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл пакета
ORIGIN

(
OPJ
) или

MS

Excel
) и отчет с именем: <Фамилия И.О.>_8.
Рабочая папка:
D
:
/
МиЭЭТ/<Номер группы>
.


40

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.

Расчетные формулы и таблицы измерений.

2.

Графики зависимостей
L
(
T
), μ (
T
), tg
м

(
Т
)

3.

Вывод.

КОНТРОЛЬНЫ
Е ВОПРОСЫ

1.

Что такое ферримагнетик?

2.

Состав и технология производства ферритов.

3.

Основные виды потерь в магнитных материалах.

4.

Почему ферриты используются на высоких частотах?

5.

Объясните зависимость

от

температуры. Какие физические
процессы происходят в магнитных материалах вблизи температуры
Кюри?

6.

Объясните зависимость

и
tg

м

от частоты электромагнитного
поля.

7.

Магнитомягкие ферриты: с
войства и области применения.

8.

Магнитотвердые ферриты: свойства и области применения.

9.

Магнитная восприимчивость никеля при температурах 400 и

800

равна соответственно 1.25 · 10

3

и 1.14 · 10

4
. Определить те
м-
пературу Кюри и магнитную восприимчивость при
Т

= 600
.

10.

Определить, сколько витков н
еобходимо намотать на магнитный
сердечник длиной 100 мм и диаметром 8 мм, чтобы получить инду
к-
тивность катушки
L

= 10 мГн. Магнитную проницаемость сердечника
считать равной 500.

11.

Найти индуктивность соленоида, имеющего 200 витков, нам
о-
танных на цилиндри
ческий ферритовый сердечник, длиной
l

=

50

мм и
имеющий магнитную проницаемость

= 400. Площадь поперечного
сечения основания
S

= 50 мм
2
.













41

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕК
ТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МА
ТЕ
РИАЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить сопротивление и его зависимость от температуры для
полупроводникового материала. Установить тип материала и уровень
его легирования.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕН
ИЕ

Важне
йшими материалами, которые наиболее широко применяю
т-
ся в электротехнике, являются полупроводники. Полупроводники
представляют собой многочисленный класс материалов. В него входят
сотни разнообразных соединений. Полупроводниковыми свойствами
обладают как не
органические, так и органические вещества, криста
л-
лические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные.
Все это многообразие различных веществ объединено общим свойс
т-
вом


способностью сильно изменять свои электрические свойства под
влиянием небо
льших внешних энергетических воздействий.

Основу современной электроники составляют неорганические кр
и-
сталлические полупроводники. Полупроводниковые свойства проя
в-
ляют 12

химических элементов, находящихся в середине Периодич
е-
ской системы (табл.

8)

Таблица
8

Элемент

Ширина запр
е-
щенной зоны Δ
Е
g

при 300 К, эВ

Подвижность

n
/
p
,

см
2
/ (В
с)

Собственная

концентрация

носителей

заряда
n
0
i
, см
-
3

Бор

Углерод (алмаз)

Кремний

Гер
маний

Олово (α
-
Sn
)


Фосфор

Мышьяк


Сурьма

1.6…1.9

5.5

1.12

0.665

0.09


1.5

1.2


0.12

1/ 150

1800/1400

1400/500

3900/1900

0.11…2.7/

0.2…3.6

220/350

40…500/

50…1200

2400/1300





10
10

2.5

10
13

4.2

10
19




2.16

10
20


5.6

10
15


42

Окончание табл.
8

Элемент

Ширина запр
е-
щенной зоны Δ
Е
g

при 300 К, эВ

Подвижность

n
/
p
,

см
2
/ (В
с)

Собственная

концентрация

носителей

заряда
n
0
i
, см
-
3

Сера

Селен

Теллур

2.5

1.8

0.36

7.5/10


/40

1100/650



10
14



По совокупности электрофизических свойств, отработанности те
х-
нологических процессов, количеству и номенклат
уре выпускаемых
приборов кремний и германий занимают ведущее место среди пол
у-
проводниковых материалов.

Использующиеся в практике полупроводники могут быть подра
з-
делены на простые (образованы атомами одного химического элеме
н-
та) и сложные (образованы атома
ми двух или большего числа химич
е-
ских элементов). Простые полупроводники представлены в табл.

8.
Сложными полупроводниками являются соединения элементов ра
з-
личных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим форм
у-
лам
A
IV
B
IV
(
SiC
),
A
III
B
V
(
InSb
,
GaAs
,
GaP
)
,
A
II
B
VI
(
CdS
,
ZnSe
), а также
некоторые оксиды и вещества сложного состава.

Электропроводность полупроводников

Общие представления зонной теории твердого тела указывают на
то, что для полупроводников характерно наличие не очень широкой
запрещенной зоны в э
нергетической диаграмме (см. табл. 8). Это пр
и-
водит к тому, что при некоторой температуре из
-
за теплового возбу
ж-
дения будет наблюдаться наличие свободных носителей как в зоне
проводимости (электроны), так и в валентной зоне (дырки). Так как
при каждом акте

возбуждения в полупроводнике одновременно созд
а-
ются два носителя заряда противоположных знаков, то общее число
носителей будет в два раза больше числа электронов в зоне провод
и-
мости:

.

(13)

Такой полупроводник называется собственным, так как он не имеет
примесей, влияющих на его электропроводность.
Здесь индекс
i

озн
а-
чает концентрацию носителей в собственном полупроводнике. С уч
е-
том (13) удельная проводимость имеет вид


43


(14
)

При этом концентрации носителей заряда, называемые равнове
с-
ными, определяются выражениями

;

(15)

где
N
c
,




плотность энергетических уровней в зоне проводимости и
в валентной зо
не соответственно.

Подвижности носителей заряда в выражении (14) μ
n
, μ
p

неодинак
о-
вы из
-
за разности инерционных свойств носителей, проявляющихся в
разной величине эффективных масс электронов и дырок.

В производстве большинства полупроводниковых приборов и
с-
п
ользуются примесные полупроводники, в которых присутствие пр
и-
меси приводит к изменению электропроводности полупроводника. По
типу носителя заряда, появляющегося в полупроводнике из
-
за приме
с-
ного атома, все примеси подразделяются на донорные и акцепторные.
Сами полупроводниковые материалы подразделяются на электронные
(полупроводник
n
-
типа) и дырочные (полупроводник
p
-
типа) по типу
основных носителей заряда в объеме вещества (рис. 19) .



а б

Рис. 19.

Энергетическая диаграмма примесного полупроводника:
а



n
-
типа;
б


p
-
типа. Показаны донорные уровни Δ
Е
Д
, Δ
Е
А
, середина з
а-
прещенной зоны
Е
i

и уровень Ферми
E
F
, а также дно зоны проводимо
-


сти
Е
С

и потолок валентной зоны
Е
В


44

Удельная проводимость согласно выражению (14) зависит от двух
параметров: концентрации носителей заряда и их подвижности. Оба
этих параметра имею
т сложный характер зависимости от температуры.

Общий вид температурной зависимости концентрации носителей
заряда в примесном полупроводнике показан на рис. 20. В области
низких температур увеличение концентрации электронов при нагрев
а-
нии полупроводника обу
словлено возрастанием количества иониз
о-
ванной примеси. Это возрастание происходит по экспоненциальному
закону, поэтому график низкотемпературного участка имеет линейный
вид с наклоном, определяемым энергией ионизации примеси.


Рис. 20.

Температурная зависимость концентрации

носителей заряда в полупроводнике

При дальнейшем нагревании все примесные атомы оказываются
ионизованными, а вероятность тепловой генерации
носителей заряда
за счет собственных атомов еще ничтожно мала. Поэтому в достаточно
широком температурном интервале концентрация носителей заряда
остается постоянной и равной концентрации доноров. Этот участок
называют областью истощения примеси.

При высок
их температурах доминирующую роль начинают играть
процессы тепловой генерации собственных носителей заряда и зав
и-
симость переходит в область собственной электропроводности, где
величина концентрации носителей определяется выражением (15), а
наклон участка
определяется величиной запрещенной зоны.

In(
n
)

1/
T


45

Подвижность носителей заряда также имеет сложную зависимость
от температуры. Подвижность носителя заряда определяется как о
т-
ношение средней установившейся скорости направленного движения к
напряженности электрическо
го поля:

. (16)

Удельная проводимость полупроводника имеет вид

. (17)

Подвижность носителей заряда в полупроводниках с атомарной
структурой, к которым относится большинство полупроводниковых

материалов, определяется механизмами рассеяния. Такими механи
з-
мами рассеяния являются рассеяние на тепловых колебаниях решетки
и рассеяние на ионизированных ионах примеси. Эти два механизма
рассеяния приводят к появлению двух участков на температурной з
а-
в
исимости подвижности (рис. 21). На рис. 21 подвижность носителей,
связанная с рассеянием на тепловых колебаниях, обозначена
а
, а по
д-
вижность, связанная с рассеянием на ионизированных примесях, об
о-
значена
и
. Очевидно, что два механизма рассеяния имеют сильно о
т-
личающиеся друг от друга зависимости от температуры.


Рис. 21.

Температурная зависимость подвижности

носителей заряда в по
лупроводнике

T

μ

T
3/2

T

3/2


46

Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность
носителей заряда, можно представить и общий ход изменения удельной
проводимости при изменении температуры. Так как в полупроводниках
с атомарной решеткой подвижность с температу
рой меняется по более
слабому (по сравнению с экспоненциальным) степенному закону, то з
а-
висимость проводимости от температуры будет подобна температурной
зависимости концентрации носителей заряда (рис.

22). На зависимости
удельной проводимости также выдел
яют три характерных участка: о
б-
ласть ионизации примеси (примесная проводимость), область истощ
е-
ния примеси и высокотемпературный участок собственной электропр
о-
водности (собственная проводимость), на котором наклон определяется
величиной запрещенной зоны ма
териала.

На рис. 22 можно выделить границу перехода к собственной пр
о-
водимости. Эта граница характеризуется минимумом электропрово
д-
ности γ
min
, имеющим место при некоторой температуре. Согласно (14),
зная γ
min
, можно оценить собственную концентрацию носите
лей зар
я-
да

n
0
i
: γ
min
= γ
i

=
en
0
i
(
n

+
p
). Положение этой точки может изменяться
довольно сильно и зависит как от концентрации легирующей примеси,
так и от величины ширины запрещенной зоны полупров
одника.


Рис. 22.

Температурные зависимости удел
ь-
ной проводимости полупроводника при раз
-


ной концентрации примесей:
N
Д1

N
Д2

N
Д3

1/
T

N
Д1

T

N
Д2

N
Д3

In
γ


47


Рис. 23.

Зависимость удельного сопротивл
е-
ния германия и кремния от концентрации


примеси при 20

Помимо те
мпературной зависимости удельной проводимости пра
к-
тический интерес представляет также зависимость удельного сопр
о-
тивления полупроводника от концентрации примесных атомов
(рис.

23). Эта зависимость устанавливается экспериментальным путем
и используется при
расчетах количества легирующей примеси, нео
б-
ходимой для выращивания полупроводникового монокристалла с тр
е-
буемым удельным сопротивлением.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧА
СТЬ

1. Описание измерительной установки

Исследование зависимости сопроти
вления проводниковых мат
е-
риалов от температуры проводят на установке ИЭП1 (рис.

24).

Установка ИЭП1 предназначена для измерения сопротивлений в
диапазоне 10...10
13

Ом. Применяемый в приборе метод измерения с
о-
противлений основан на сравнении измеряемого со
противления и о
б-
разцового сопротивления с помощью операционного усилителя, охв
а-
ченного глубокой обратной связью (рис.

25). В приборе имеются два
N
пр
, м

3

ρ, Ом

·

м


48

диапазона измерений и используются две шкалы


линейная и обратно
пропорциональная. Измерения сопротивлений в д
иапазоне 10
2
...10
6

Ом
проводятся по линейной шкале, а в диапазоне 10
7
...10
13

Ом


по обра
т-
но пропорциональной шкале. Для исследуемых в работе образцов,
имеющих сопротивление ниже 10
6

Ом, измерения проводятся по л
и-
нейной шкале.


Рис. 24.

Общий вид лицевой панели установки для измерений

электрического сопротивления

На передней панели прибора расположены:

1




индикатор шкалы;

2




кнопки выбора поддиапазона;

3




индикатор резул
ьтата измерения;

4




кнопки выбора температуры;


49

5




индикатор температуры;

6




индикатор нагрева;

7




кнопка выключателя “Сеть”;

8




индикатор связи с ЭВМ;

9




кнопка переключения канала;

10




индикатор выбора канала;

11




термокамера

При измерения
х с линейной шкалой источник напряжения и обра
з-
цовый резистор образуют искусственный генератор тока, а измеряемое
сопротивление включается в цепь обратной связи.


Рис. 13.

Принципиальная схема измерения

Измеряемое сопротивление определяется по формуле


где
R
2



измеряемое сопро
тивление, Ом;
R
1



сопротивление образц
о-
вого резистора, Ом;
U
вых



выходное напряжение усилителя, В;
U
вх


входное напряжение с источника сигнала, В.

ВАЖНО: Перед началом работы сформируйте файл отчета.
Для этого запустите на Рабочем столе пиктограмму файл
а «Отчет»
и заполните предлагаемую форму. Затем сохраните ее, нажав кл
а-
вишу <ЗАПИСЬ>.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ Р
АБОТЫ

1.

Получить у преподавателя кассету с исследуемым полупрово
д-
ником. Записать в отчет геометрические размеры материала
.

Устан
о-
вить кассету с образцом в термокамеру прибора до упора. При этом
шторка должна опуститься.

U
вых

U
вх

R
2

R
1


50

Образцы

Первый канал: полупроводник
р
-
типа


поперечное сечение
S

= 5 мм
2
,
длина
l

= 10 мм

Второй канал: терморезистор (в работе не используется)

2. Включить
кнопку “Сеть”
7

(рис.

24), при этом загорится индик
а-
тор шкалы
1
, индикатор результата измерения
3
, индикатор выбора
температуры
5
, индикатор выбора канала
10
.
Внимание!

Кнопками
выбора температуры
4

отключить нагрев образца

(индикатор

5

должен показать «
OF
F
»). При первом нажатии кнопки на индикаторе

5

высветится установленное значение температуры. При повторном н
а-
жатии кнопки произойдет коррекция устанавливаемой температуры.
Через две секунды после завершения установки индикатор
5

перейдет
в режим отображен
ия текущей температуры. Для отключения термор
е-
гулятора необходимо установить температуру менее 30
. При этом
на экране высветится сообщение «
OFF
».

3.

Кнопкой
9

установить требуемый канал для измерения. Ко
н-
троль выбора канала осуществляется с помощью индикатора
10
. С
о-
противление первого материала отображается по каналу
1
. Сопроти
в-
ление второго материала отображается по каналу
2
.

4. Кнопками
2

установит
ь требуемый диапазон сопротивления. При
этом индикатор
1

укажет на выбранную шкалу (шкала 0

10


лине
й-
ный режим работы, а шкалы 1

3 и 3

10


обратно пропорциональный
режим работы).

Примечание

При работе прибора на индикаторе
1

могут отображаться следующ
ие с
о-
общения:

L



измеряемое сопротивление ниже выбранного поддиапазона;

H



измеряемое сопротивление выше выбранного поддиапазона.

5.

Снять зависимость
R

от температуры. Для этого снять
значение

R

при начальной температуре. Далее с помощью кнопок

4

устано
вить требуемое значение температуры термокамеры. При пе
р-
вом нажатии кнопки на индикаторе
5

высветится установленное знач
е-
ние температуры. При повторном нажатии кнопки произойдет корре
к-
ция устанавливаемой температуры. Через две секунды после завер
-
шения уст
ановки индикатор
5

перейдет в режим отображения текущей
температуры. Индикатор
6

должен загореться, указывая, что происх
о-
дит нагрев термокамеры.


51

6. Измерения
R
T

производить по следующему температурному р
я-
ду: начальная, 40, 60, 80

.
Рекомендуется соблюдать интервал
между измерениями 10 мин для стабилизации показаний прибора
при нагреве образца. Если временной интервал не будет собл
ю-
даться, расчет парамет
ров материала окажется неверным.
Резул
ь-
таты измерений занести в табл. 9.

7. По полученным результатам определить тип материала. Для эт
о-
го построить зависимость ln(γ)


1/
T

(
K
), и рассчитать величину шир
и-
ны запрещенной зоны (см. рис. 22) на высокотемператур
ном участке,
взяв только две последние точки (60


80

). При расчете использ
о-
вать выражение (14), в котором предполагать температурную завис
и-
мость тол
ько концентрации носителей заряда (см. выражение (15)).
Необходимо получить выражение (14) в координатах полученного
экспериментального графика. По табл. 8 найти материал, величина
ширины запрещенной зоны которого лежит наиболее близко к расче
т-
ному значени
ю. Данные занести в табл. 10.


Таблица
9

Т
,

R
, Ом



8. Оценить собственную концентрацию носителей заряда. Для

эт
о-
го, используя зависимость ln(γ)


1/
T

(
K
) определить минимум удел
ь-
ной проводимости
γ
min
. По рис.

23 оценить концентрацию легирующей
примеси. Рассчитать собственную концентрацию носителей заряда,
используя выражение (14). Данные для подвижностей взять и
з табл.

8.
Результаты занести в табл. 10.

Таблица
10

Δ
Е
g
, эВ

Материал

Минимальная
удельная

проводимость,

γ
min
, 1/(Ом
·
м)

Концентрация
легирующей

примеси

N
A
, м

3

Собственная
концентрация
носителей

заряда,

n
i
, м

3









52

Обработку результатов выполнять в па
кете
MS

Excel

или
Origin
.
Снятые с прибора данные занести в таблицы и рассчитать дополн
и-
тельные параметры. График температурной зависимости интерполир
о-
вать
B
-
Spline

функцией. Высокотемпературный участок аппроксим
и-
ровать линейной зависимостью. Вставить граф
ик в отчет, заполнить
таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл пакета
ORIGIN

(
OPJ
) или
MS

Excel
) и отчет с именем: <фамилия И.О.>_9. Рабочая
папка:
D
:
/
МиЭЭТ/<Номер группы>
.


СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.

Расчетные формулы и таблицы измерений.

2.

График зависи
мости ln(γ)


1/
T

(
K
).

3.

Вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.

Физическая сущность электропроводности полупроводников.

2.

Как зависит удельная проводимость полупроводников от темп
е-
ратуры и почему?

3.

Что называется собственным полупровод
ником? Выражение для
расчета концентраций носителей заряда такого полупроводника.

4.

Что называется примесным полупроводником? Выражение для
расчета концентраций носителей заряда такого полупроводника.

5.

Что такое подвижность? Ее зависимость от температур
ы. Ра
з-
мерность и диапазон величин в полупроводниках.

6.

Что называется неравновесными носителями заряда? Какими о
с-
новными параметрами описывается их поведение?

7.

Что такое время жизни носителей заряда? Причины, определя
ю-
щие ее величину. Размерность и диап
азон величин в полупроводниках.

8.

Что такое диффузионная длина носителей заряда? Параметры,
определяющие ее величину. Размерность и диапазон величин в пол
у-
проводниках.

9.

Оценить тепловую и дрейфовую скорости электронов при 300

K

в германии
n
-
типа с конце
нтрацией доноров
N
д

= 10
22

м

3
, если пло
т-
ность тока через образец
j

= 10
4

А/м, а эффективная масса электронов
проводимости
m
n

= 0.12
m
0
.


53

10.

Определить число атомов галлия и мышьяка в единице объема
кристалла
GaAs
, если известно, что плотность материала пр
и 300

K

равна 5.32 Мг/м
3
.

11.

Определить ток через образец кремния прямоугольной формы
размерами
l
х
b
х
h

= 5х2х1 мм, если вдоль образца приложено напряж
е-
ние 10 В. Известно, что концентрация электронов в полупроводнике

n

= 10
21

м

3
, их подвижность μ
n

= 0.14
м
2
/(В
·
с).



































54

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1.

Сорокин В.С
.,
Антипов Б.Л.
,
Лазарева Н.П.

Материалы и эл
е-
менты электронной техники. В 2 т.


М.: Изд. центр «Академия», 2006.

2.

Пасынков В.В
.,
Сорокин В.С
. Материалы и элементы электро
н-
ной техники.


СПб.: Лань, 2004.

3.

Богородицкий Н.П
.,
Пасынков В.В
.,
Тареев Б.М
. Электротехнич
е-
ские материалы.


Л.: Энергоатомиздат, 1986.

4.

Петров К.С.

Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроте
х-
ника.


СПБ
.: Питер, 2003.

Дополнительная литература

1.

Антипов Б.Л
.,
Сорокин В.С
.,
Терехов В.А.
Материалы электро
н-
ной техники. Задачи и вопросы.


СПб.: Лань, 2003.

2.

Горелик С.С
.,
Дашевский М.Я
. Материаловедение полупрово
д-
ников и диэлектриков.


М.: МИСИС, 2004.

3.

Мильвидский М.Г
. Полупроводниковые материалы в совреме
н-
ной электронике.


М.: Наука, 1986.

4.

Таиров Ю.М.
,
Цветков В.Ф
. Технология полупроводниковых и
диэлектрических материалов.


СПб.: Лань, 2003.





















55








ОГЛАВЛЕНИЕ


1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ


ДИЭЛЕКТРИКОВ

................................
................................
....................

3

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
................................
..........

8

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ


ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

................................
.................

20

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ μ


И tδ
м

ФЕРРИТОВ

................................
................................
.................

31

5. ИССЛЕДО
ВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ


ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

................................
.....

41

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
................................
................................
..........

54











56
















Новиков Илья Леонидович

Дикарева Регина Петровна

Романова Татьяна Сергеевна



МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ


КОНСТРУКЦИОННЫЕ

И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

МАТЕРИАЛЫ


МАТ
ЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛ
ЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ


ПРАКТИКУМ К ЛАБОРАТО
РНЫМ РАБОТАМ


Учебно
-
методическое пособие







Редактор
Л.Н. Ветчакова

Выпускающий редактор
И.П. Брованова

Дизайн обложки
А.В. Ладыжская

Компьютерная верстка
Л.А. Веселовская


__________
_________________________________________________________________________

Подписано в печать 10.09.2010. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз.

Уч.
-
изд. л. 3,25. Печ. л. 3,5. Изд. № 222. Заказ № Цена договорная

________________
___________________________________________________________________

Отпечатано в типографии

Новосибирского государственного технического университета

630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20


Приложенные файлы

  • pdf 17581032
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий