Реферат: Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам
/>/>/>ЭлектрорадиоматериалыМетодические указания клабораторным работам
Санкт-Петербург
2000
УДК 621.315.4
Составители: ст. преп. Г. И. Иванова,доценты Г. А. Татарникова, Б. В. Фролов, С.А. Гусев.
Подготовка к переизд.: доценты С.А.Гусев, И.К. Желанкина, Л.Ф. Погромская; под ред. С.А.Гусева.
Электрорадиоматериалы. Методическиеуказания к лабораторным работам./ Под ред. С.А.Гусева. Изд. второе пер. и доп.;Балт. гос. техн. ун -т, СПб., 2000, с.
Ил. 26, табл. 18.
©
Содержание
Работа 1. Исследование электрических свойствпроводниковыхматериалов… 4
1. Краткие сведения из теории… 4
2. Описание экспериментальной установки… 6
3. Порядок проведения работы… 6
4. Оформление отчета… 7
Работа 2. Исследование свойств терморезисторов… 7
1. Краткие сведения из теории… 7
2. Описание экспериментальной установки… 9
3. Порядок выполнения работы… 9
4. Оформление отчета… 10
Работа З. Исследование свойств варисторов… 11
1. Краткие сведения из теории… 11
2. Описание экспериментальной установки… 12
3. Порядок выполнения работы… 13
4. Оформление отчета… 14
Работа 4.Исследование свойств фоторезисторов… 14
1. Краткие сведения из теории… 14
2. Описание экспериментальной установки… 16
3. Порядок проведения работы… 16
4. Оформление отчета… 17
Работа 6. Исследование свойств сегнетоэлектриков… 17
1. Краткие сведения из теории… 17
2. Описание экспериментальной установки… 19
3. Порядок выполнения работы… 19
4. Оформление отчета… 21
Работа 7.Исследование свойств ферромагнитных материалов… 21
1. Краткие сведения из теории… 21
2. Описание экспериментальной установки… 23
3. Порядок выполнения работы… 24
4. оформление отчета… 25
Работа 1. Исследование электрических свойствпроводниковых материаловЦель работы:
1) определение удельных сопротивлений проводниковыхматериалов низкого и высокого сопротивления и их зависимости от температуры;
2) определение зависимости величины электродвижущейсилы термопар от температуры;
3) оценка длины свободного пробега электронов в различныхпроводниковых материалах.
1. Краткиесведения из теорииОсновные свойства проводниковых материалов характеризуютсявеличиной удельного сопротивления электрическому току r, температурным коэффициентом удельного электрическогосопротивления ar (ТКr), величиной термоэлектродвижущей силы ЕТ.
Наилучшими проводниками электрического тока являютсяметаллы. Механизм протекания тока в металлах, находящихся в твердом или жидкомсостояниях, обусловлен движением свободных электронов, поэтому металлыявляются материалами с электронной электропроводностью.
Электропроводность металлов зависит от совершенствакристаллической решетки: чем меньше дефектов имеет кристаллическая решетка, темвыше электропроводность. Поэтому чистые металлы обладают наименьшими значениямиудельного сопротивления, а сопротивление сплавов всегда выше сопротивленийметаллических компонентов, входящих в их состав.
Металлические проводниковые материалы могут бытьразделены на проводники малого сопротивления (r £ 0,1 мкОм×м) – медь,серебро, алюминий и т. д., и проводники (сплавы) высокого сопротивления.Последние в свою очередь делятся на термостойкие сплавы дляэлектронагревательных приборов – нихром, хромаль, фехраль и др., итермостабильные сплавы для образцовых резисторов – манганин, константан.
B соответствии сэлектронной теорией металлов:
/>, (1.1)
где mo = 9,109×10-31кг, e = 1,602×10-19Кл – масса покоя и заряд электрона; />» 105 м/с – средняя скорость теплового движения электронов;no = 1028 м-3— числоэлектронов в единице объема; lср – средняя длина свободного пробега электронов.
/>Величина удельного электрического сопротивленияпроводников в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов lср. Сповышением температуры амплитуда колебаний узлов кристаллической решетки увеличивается,средняя длина свободного пробега электронов уменьшается (рис.1.1), а удельноесопротивление возрастает. произведение удельного сопротивленияна величину средней длины свободного пробега электрона является величиной постояннойr×lср= а = const.
Температурнымкоэффициентом удельного сопротивления ar<sub/>(ТКr) называетсяотносительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры наодин Кельвин (градус):
/> (1.2)
Зависимость удельного сопротивления от температурывызывается не только уменьшением длины свободного пробега электронов, но иувеличением линейных размеров проводника. Поэтому ar имеет две составляющие: ar =aR+al, (1.3)
где aR – температурный коэффициент сопротивления в данном интервалетемператур; al– температурныйкоэффициент линейного расширения проводника, значения которого приведены втабл. 1.1. У чистых металлов ar<sub/>>>al, поэтому для них ar<sub/>»aR. длятермостабильных металлических сплавов такое приближение не справедливо.
Таблица 1.1
Металлы и сплавыal ×10-4, K-1
Медь 0,167 Константан 0,17 Манганин 0,181 Нихром 0,163Температурный коэффициент электрического сопротивления(ТКR) резистора определяется выражением
/>, (1.4)
/>где Ro –сопротивление проводника при температуре То.Производная /> определяется по касательнойк кривой R(T) (рис.1.2). Для определения производной dR/dT= dR/dq (Т –температурав градусах Кельвина, q– в °С)строится зависимость R(q) (рис. 1.2). При заданной температуре (точка A)проводится касательная к кривой R(q), на которойвыбирается участок ab произвольной длины. Производная определяется выражениемdR/dq»DR/Dq.
экспериментально удельное электрическое сопротивлениеопределяется по формуле:/>, (1.5)
где R– электрическое сопротивление проводника, S, I –площадьпоперечного сечения и длина проводника.
При соприкосновении двух различных металлов между нимивозникает контактная разность потенциалов. Причиной этого являются неодинаковыезначения работ выхода электронов и различные значения концентрации свободныхэлектронов в соприкасающихся металлах.
Термопарой называется устройство, содержащее спай двухпроводников или полупроводников. Если спай двух металлов А и В (термопара)имеет температуру T1, а свободные (неспаянные) концы температуру T2, причем T1>T2, то между свободными концами возникает термо-э.д.с.
/>, (1.6)
где />–коэффициент термо-э.д.с. или относительная удельная термо-э.д.с., k=1,381×10-23 Дж/К –постоянная Больцмана, е – заряд электрона, п1, п2– концентрации свободных электронов в соприкасающихся металлах.
В термопарах используют проводники, имеющие большой истабильный в рабочем диапазоне температур коэффициент термо-э.д.с.
2. Описаниеэкспериментальной установки/> <td/> />Экспериментальная установка изображена на рис.1.3. Образцы проволочных резисторов R1–R4, изготовленныеиз меди, константана, манганина и нихрома, металлопленочный резистор МЛТ-1 (R5) и термопары ТП1–ТП3 помещаются в термостат 1 стермометром 2. Электрическое сопротивление резисторов измеряетсяомметром 3, э.д.с. термопар – милливольтметром 4. ПереключателиП1 и П2 размещены на плате 5 и позволяют поочередноподключать к измерителям исследуемые проводники и термопары. Там же приведенатаблица с указанием вида, длины и сечения исследуемых проводников. 3. Порядок проведения работы
Внимание: все измерения попоследующим пунктам проводятся одновременно.
3.1. Определениеудельного электрического сопротивления проводников и вычисление aR, ar.
Проводники,помещенные в термостат, поочередно подключить к входным зажимам омметра и замеритьих сопротивления сначала при комнатной температуре, а затем при повышениитемпературы до 90 °С с шагом 10 оС. Результаты измерений записать смаксимальной точностью в табл.1.2.
Таблица 1.2
проводникq, oС
20 30 40 50 60 70 80 90 медьR1
r1
aR1
ar1
КонстантанR2
… … …3.2.Определение зависимости термо-э.д.с термопар от температуры.
Одновременнос нагреванием проводников нагреваются помещенные в термостат спаи трех термопар.Холодные концы термопар поочередно подключить переключателем П1к милливольтметру. Значения измеренных термо-э.д.с. занести в табл. 1.3.
Таблица1.3q, °С
ET, мВ
Термопара медь – константан хромель – алюмель хромель – копель 20 … 90 4.Оформление отчета1. Привести схемы экспериментальныхустановок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а такжетаблицы измерений.
2. По данным измерений табл. 1.1построить график зависимости R(q). По графикуR(q), а такжепо формулам (1.3), (1.5) рассчитать и занести в таблицу 1.1 значения aR,ar, и r для каждого изисследованных проводников. По данным таблицы 1.1 построить графики зависимостейR(q), r(q), aR(q) и ar(q).
3. Рассчитать длины свободногопробега электронов для исследованных проводников при комнатной температуре.
4. По данным таблицы 1.2 и по формуле(1.6) рассчитать средние значения относительной удельной термо-э.д.с. дляисследованных термопар. построить графики зависимостей ЕТ(q).
5. Привести краткое описание исследованных в работематериалов (химический состав, электрические свойства, области применения).
6. Дать краткие выводы по результатамработы.
Контрольныевопросы1. Какиематериалы относятся к классу проводников?
2. Чемобусловлена высокая электропроводность проводников?
3. Какможно классифицировать проводники?
4. Какиефакторы и почему влияют на удельное электрическое сопротивление?
5. Чтотакое температурный коэффициент удельного сопротивления?
6. Длякаких материалов и почему важно учитывать линейное расширение при нагревании?
7. Чтотакое термо-э.д.с., в чем причина ее возникновения?
8. Исходяиз каких соображений подбираются материалы для термопар?
Работа 2. Исследованиесвойств терморезисторовЦель работы:
а) определение зависимостисопротивления терморезисторов от температуры;
б) определение энергииактивации и коэффициента температурной чувствительности полупроводника;
в) оценка величины постояннойвремени тепловой инерции терморезисторов;
г) построение динамическихвольтамперных характеристик терморезисторов.
1.Краткие сведения из теорииТерморезисторомназывается полупроводниковый резистор, сопротивление которого в сильной степенизависит от температуры.
Удельная электрическая проводимость полупроводников
/>, (2.1)
где /> –концентрация, />– подвижностьэлектронов и дырок соответственно.
Впримесных (n-типа или p-типа) полупроводниках однимиз слагаемых в приведенном выражении можно пренебречь.
Подвижностьносителей при нагревании изменяется сравнительно слабо (по степенному закону, ~/>),а концентрация очень сильно (по экспоненциальному закону, ~/>).Поэтому температурная зависимость удельной проводимости полупроводников подобнатемпературной зависимости концентрации основных носителей, а электрическоесопротивление терморезисторов может быть определено по формуле:
/>/> (2.2)
где Nо –коэффициент, зависящий от типа и геометрических размеров полупроводника; DЭ – энергияактивации примесей (для примесных полупроводников) или ширина запрещенной зоны(для собственных полупроводников), k – постоянная Больцмана.
постояннаяВ =DЭ/k носит название коэффициент температурной чувствительности и приводится впаспортных данных на терморезистор. экспериментальнокоэффициент температурной чувствительности определяют по формуле
/> (2.3)
где Т1 и Т2 – исходная и конечная температуры рабочеготемпературного диапазона, R1 и R2 – сопротивления терморезистора при температуресоответственно Т1и Т2.
/>На рис. 2.1 приведен график зависимости сопротивленияполупроводникового резистора от температуры.
Чаще всего терморезисторы имеют отрицательныйтемпературный коэффициент сопротивления aR. Выпускаются также терморезисторы, имеющие всравнительно узком интервале температур положительный aR и называемые позисторами.При нагревании величина сопротивления терморезисторов убывает, а позистороввозрастает в сотни и тысячи раз. В справочниках значение aR приводится длятемпературы 20 оС. Значения aR терморезисторов для любой температуры в диапазоне20…150 оС можно определить по формуле:
/> (2.4)
терморезистор характеризуется определенной тепловой инерцией,зависящей от химических свойств полупроводника и конструкции элемента (площадиизлучающей поверхности). Тепловая инерция оценивается постоянной времениt – временем, за которое разностьмежду собственной температурой тела и температурой среды уменьшается в е(2,7183) раз.
Если терморезистор, имеющий температуру qо,поместить в среду с температурой qс¹qо,<sub/>то его температура будет изменяться с течением времени по показательномузакону:
/>. (2.5)
На рис.2.2 показан процесс изменения температурытерморезистора при его остывании.
С остыванием терморезистора сопротивление егоувеличивается (рис. 2.3). Знание зависимостей R(q) (рис.2.1)и R(t) (рис. 2.3)позволяет, задаваясь значениями R и определяя по кривым рис.2.1 и 2.3 соответствующие им значения q и t,построить зависимость q(t) и определить t.
/>
/>Различают статическую и динамическуювольтамперные характеристики (ВАХ) терморезистора. При снятии статической ВАХток фиксируется после длительной выдержки терморезистора при каждом значениинапряжения. Динамическая ВАХ показывает реакцию терморезистора на воздействиеимпульсов напряжения разной величины, но одинаковой длительности. ток фиксируется в конце импульса.
Терморезисторобладает одной статической и семейством динамических ВАХ, соответствующих рядуфиксированных длительностей Dt импульсов напряжения. ВАХ терморезистора являютсянелинейными. динамические ВАХтерморезистора приведены на рис. 2.4.
При длительности импульса /> терморезисторне успевает нагреться и сопротивление его практически не изменяется с ростомнапряжения. При длительности /> терморезисторнагревается, и ВАХ становится существенно нелинейной. Чем больше длительностьимпульса, тем больше ток при одной и той же величине напряжения. СтатическаяВАХ соответствует />.
2. Описание экспериментальной установкиЭксперимент проводится на установке аналогичнойизображенной на рис.1.3. терморезисторпомещается в термостат, температура внутри которого измеряется термометром илитермопарой. Сопротивление резистора измеряется омметром.
снятиевольтамперных характеристик выполняется по схеме, приведенной на рис. 2.5.Измерительной цепь питается от источника постоянного регулируемого напряженияИП со встроенным вольтметром V. Ток через терморезистор измеряется миллиамперметром.
/>
3. Порядоквыполнения работы.3.1. снятие зависимости R(q) сопротивления терморезистора оттемпературы.
Включитьтермостат, электронный термометр и омметр. Измерить сопротивлениетерморезистора при различных температурах – от комнатной до максимальной,равной 90°С, с интервалом Dq =10 °С. Результаты опыта занести в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Опыт Расчет Примечание qR
Т
aR
oC
Ом Кград.-l
20
…
90
Терморезистор типа ...3.2. определение тепловойпостоянной времени терморезистора.
Измеривсопротивление терморезистора при 90 °С, быстро извлечь его из термостата.Момент извлечения принять за t = 0. Отключить термостат.
фиксируя время,измерять сопротивление терморезистора при его остывании до тех пор, пока оно неувеличится примерно в три раза. Данные измерений занести в табл. 2.2.
Таблица 2.2
t
с 10 20 30 40 50 60 70 и т. д.R
Ом3.3. Снятиединамических вольтамперных характеристик
Собрать электрическую схему установки в соответствиис рис. 2.5.
Установить напряжение навыходе источника питания ИП равное 5В. Замкнув ключ К, записать показания миллиамперметрав начальный момент времени и далее через каждые 10 секунд. Через 60 с ключразомкнуть. Перед следующим измерением выдержать минутную паузу для охлаждениятерморезистора. Повторить измерения для напряжений 10, 15, 20, 25, 30 В;длительность паузы с ростом напряжения следует увеличивать. Результаты опытазанести в табл. 2.3.
Таблица 2.3
U, Вi (мА) через />с
t = 0 10 20 30 40 50 60 Примечание 5 Тип резистора … 10 … 30 4.Оформление отчета1. Привести схемы экспериментальныхустановок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а такжетаблицы измерений.
2. Для исследованного температурногодиапазона определить по формулам (2.2) и (2.3) энергию активации DЭ и коэффициент температурнойчувствительности В терморезистора.
3. Рассчитать по формуле (2.4) изанести в табл. 2.1 значения aR. поданным табл. 2.1 построить графики зависимостей R=f(q) и aR= f(q).
4. на основании данных табл. 2.1 и 2.2. построить график зависимости q(t). Определитьпостоянную времени t тепловой инерции терморезистора. За температуру средыqспринять комнатную температуру.
5. по данным табл. 2.3 построить динамическиевольтамперные характеристики терморезистора.
6. дать краткие выводы по результатам работы.
Контрольные вопросы1. Чтоназывают терморезистором?
2. Чемобусловлена электропроводность полупроводников?
3. Вчем причина сильной температурной зависимости сопротивления полупроводниковыхрезисторов?
4. Чтотакое коэффициент температурной чувствительности, как его можно определитьэкспериментально?
5. Почемутерморезисторы обладают отрицательным температурным коэффициентомсопротивления?
6. Чтотакое постоянная времени терморезистора, отчего зависит ее величина?
7. Какпрактически можно определить постоянную времени терморезистора?
8. Вчем различие между статической и динамической ВАХ терморезистора?
Работа З. Исследованиесвойств варисторовЦель работы –исследование основных свойств варисторов и иллюстрация их практического применения.
1. Краткиесведения из теорииваристоромназывается нелинейный полупроводниковый резистор, электрическое сопротивлениекоторого изменяется в зависимости от приложенного напряжения.
Варисторыизготавливаются из размолотого карбида кремния (SiC) с добавкойсвязующего вещества.
Причинами,обусловливающими нелинейность вольтамперной характеристики варистора,являются:
/>– микронагрев контактов между отдельными зернами карбида кремния,приводящий к возрастанию проводимости элемента во всем объеме;
– увеличение проводимостивследствие частичного пробоя оксидных пленок, покрывающих зерна карбидакремния, при напряженностях электрического поля E= 105…106 В/м;
–существование на поверхности зерен карбида кремния запирающих р-п-переходов,обусловленных различным характером электропроводности по поверхности и вобъеме отдельного зерна SiC.
ВАХ варистора (рис. 3.1), как и всякого нелинейногорезистора, в рабочей точке (точка А) характеризуется статическим идифференциальным сопротивлениями
/> (3.1)
где МU, MI— масштабыпо осям координат.
Степень нелинейности ВАХ оценивается коэффициентомнелинейности
/>, (3.2)
которыйу варисторов довольно велик (b = 2…7) и несколько меняется вразличных точках ВАХ. Разделяя переменные в выражении (3.2) и интегрируя, можнополучить аналитическую аппроксимацию ВАХ варистора />, (3.3)
где В– постоянная, зависящая от свойств полупроводникового материала игеометрических размеров варистора.
/> <td/> />/>Варисторы широкоприменяются в технике для защиты от перенапряжений (искрогасители), в стабилизаторахи ограничителях напряжения, в преобразователях сигнала (умножители частоты). Вданной работе исследуется мостовой стабилизатор напряжения на варисторах (рис.3.2). напряжение на выходестабилизатора равно разности напряжений на варисторе (U)и на линейном резисторе (UR): Uвых= U— UR. С ростом входного напряжения Uвхрастет ток в элементах моста. Выходное напряжение, как видно из рис. 3.3, вначале увеличивается, затем падаетдо нуля и после изменения знака снова растет по абсолютной величине. Внешняяхарактеристика стабилизатора Uвых(Uвх)в режиме холостого хода приведена на рис. 3.4.
Выходноенапряжение остается приблизительно постоянным при изменении входногонапряжения от Uвх1<sub/>до Uвх2, когдавеличина дифференциального сопротивления варистора равна или близка к величинесопротивления линейного резистора. Количественной оценкой стабилизациинапряжения является коэффициент стабилизации
/> (3.4)
При синусоидальномвходном напряжении мост стабилизирует действующее значение выходного напряжения. Последнее содержит третью гармонику, удельный вес которойвозрастает с ростом амплитуды входного напряжения.
2. Описаниеэкспериментальной установкиВольтамперные характеристики варистора снимаются посхеме рис. 2.5. Осциллографическое исследование варистора проводится по схемерис. 3.5.
/> <td/> />Измерительной цепь питается от задающегогенератора ЗГ. Переключатель П подключает на вход осциллографа ЭОваристор или (для масштабирования осциллографа) линейный резистор R.на вертикальные пластины ЭОподается напряжение с линейного резистора Rо, пропорциональное току через варистор, нагоризонтальные пластины – напряжение на варисторе. Таким образом, на экранеосциллографа воспроизводится динамическая ВАХ исследуемого элемента. Входноенапряжениеизмеряется цифровым вольтметром V.
Исследование мостовогостабилизатора на варисторах проводится по схеме рис.3.6. Питание осуществляетсяили от источника постоянного напряжения, или от задающего генератора взависимость от положения переключателя П1.
/>/>
Переключатель П2служит для переключения вольтметра и осциллографа к входным или выходным зажимаммоста.
3. Порядоквыполнения работы3.1 Снятие вольтамперной характеристики варистора напостоянном токе
Подать питание на измерительную схему рис. 2.5. Изменяявходное напряжение от 0 до 60 В, замерить и записать в табл. 3.1 значения токачерез варистор (6…8 точек).
Таблица 3.1
Oпыт РасчетU
I
rct
Rд
b
В мА Ом –3.2 Осциллографическоеисследование варистора.
Податьпитание на схему рис.3.5. Зарисовывать на кальку ВАХ варистора при напряжениина входе 60 В. Определить масштабы по току (по оси у) и по напряжению(по оси x) для чего, не трогая регуляторов усиленияосциллографа, переключатель П1 перевести в положение «2». Наэкране осциллографа получится наклонная прямая – ВАХ линейного резистора.Регулируя напряжение, добиться того, чтобы ее крайние точки не выходили за пределыэкрана осциллографа. Масштабы (при R >> Ro)рассчитываются следующим образом:
/> (3.5)
где U – напряжение, измеренное вольтметром, X, Y– проекции ВАХ на оси х, у.
3.3 Исследованиемостового стабилизатора напряжения на варисторах
Опыт проводитсяпо схеме рис. 3.6 в режиме холостого хода (Rн = ¥).
а) Исследованиемоста на постоянном токе.
Отключить осциллограф рубильником К.Переключатель П2 установить в положение «1». Подключить ксхеме источник постоянного напряжения и регулируя его напряжение, установить поцифровому вольтметру V напряжение Uвх на входе стабилизатора 10 В. Установить переключательП2 в положение «2» и измерить напряжение Uвых на выходе стабилизатора.Провести аналогичные измерения при увеличении входного напряжения до 80 В (через10 В). Результаты опыта занести в табл.3.2. Коэффициент стабилизациирассчитывается по формуле 3.4.
Таблица 3.2
Uвх, В
Uвых =, В
Uвых~ , В
Kст =
Kст ~
10 20 … 80После проведения опытовотключить от схемы источник постоянного напряжения.
б)Исследование моста на переменном токе.
Включитьосциллограф и подключить его к исследуемой цепи, замкнув рубильник К.Переключить клеммы и переключатель рода работы цифрового вольтметра в режимизмерения переменного напряжения. Подать на вход схемы переменное напряжение отзадающего генератора ЗГ и провести измерения, аналогичные п. 3.3.а.Результаты измерений занести в табл. 3.2. Для трех значений напряжения,соответствующих участкам ab, bc и cd на рис.3.4, снять на кальку осциллограммынапряжений Uвых(t).
4.Оформление отчета1. Привести схемы экспериментальныхустановок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а такжетаблицы с результатами измерений и вычислений.
2. По данным таблицы 3.1 построитьВАХ варистора, снятую на постоянном токе.
3. Построить с указанием масштабов поосям ВАХ варистора на переменном токе.
4. По данным табл. 3.2 построитьхарактеристики «вход-выход» стабилизатора напряжения Uвых(Uвх), снятые на постоянном и переменном токе.
5. Привести качественныеосциллограммы напряжений на выходе мостового стабилизатора.
6. Дать краткие выводы по работе.
Контрольныевопросы.1. Чтоназывается варистором? Из каких материалов их изготавливают?
2. Чемобусловлена нелинейность ВАХ варистора?
3. Чтотакое степень нелинейности и как используя этот параметр можно аппроксимироватьВАХ варистора?
4. Гдеприменяют варисторы и почему?
5. Какустроен и как работает мостовой стабилизатор напряжения на варисторах?
6. Какимпараметром оцениваются стабилизирующие свойства стабилизатора напряжения?
7. Какстепень нелинейности ВАХ варистора влияет на величину коэффициентастабилизации?
8. Какполучить ВАХ варистора на экране осциллографа?
Работа 4.Исследование свойств фоторезисторовЦель работы– исследование основных характеристик фоторезисторов:
1) определение зависимости величины сопротивления отосвещенности;
2) получение вольтамперных характеристик при различныхзначениях освещенности;
3) определение зависимости фототока от величины освещенности
4) определение интегральной чувствительности.
1. Краткие сведения из теорииФоторезисторомназывается полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяетсяпод действием оптического излучения.
Работанекоторых полупроводниковых элементов основана на использовании фотоэлектрическогоэффекта – явления взаимодействия электромагнитного излучения с веществом,в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. Втвердых и жидких полупроводниках различают внешний и внутренний фотоэффекты.В первом случае поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов извещества. Во втором – электроны, оставаясь в веществе, переходят иззаполненной энергетической зоны в зону проводимости, обуславливая появление фотопроводимости.В газах фотоэффект состоит в ионизации атомов или молекул под действиемизлучения. Внутренний фотоэффект, возникающий в паре из электронного идырочного полупроводников, понижает контактную разность потенциалов, выполняянепосредственное преобразование электромагнитного излучения в энергиюэлектрического поля, что используется в фотодиодах, фототранзисторах. Наиболееярко внутренний фотоэффект выражен в таких полупроводниковых материалах какселен, германий, кремний, различные селенистые и сернистые соединения таллия,кадмия, свинца и висмута. Из этих материалов изготавливают фотоэлементы ифоторезисторы.
В отсутствие облучения фоторезистор обладает некоторымбольшим сопротивлением Rт, котороеназывается темновым. Величина темнового сопротивления определяется температуройи чистотой полупроводника. При приложении к фоторезистору разности потенциаловв цепи возникает ток I = Iо+ Iф, (4.1)
/> <td/> />где Iо – темновой ток, Iф – фототок.Зависимость фототока от освещенности (светового потока) называется световойхарактеристикой (рис. 4.1). Фоторезисторы обладают линейной вольтампернойхарактеристикой, получаемой при неизменной освещенности Е (рис. 4.2).
Основнымпараметром фоторезисторов является интегральная чувствительность, подкоторой понимают отношение фототока к вызвавшему его появление световому потокубелого (немонохромного) света и приложенному напряжению:
/> (4.2)
/>где S – облучаемая площадь фоторезистора, Gф – фотопроводимость, />– световой поток. Интегральнаячувствительность выражается в микро- или миллиамперах на вольт-люмен (мкА/В×лм, мА/В×лм). С ростомосвещенности величина интегральной чувствительности уменьшается, так каксветовая характеристика Iф(E) имеет зону насыщения.
Недостаткамифоторезисторов являются значительная зависимость сопротивления от температуры,характерная для полупроводников, и большая инерционность, связанная с большимвременем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения.Постоянная времени t различныхтипов фоторезисторов колеблется в пределах 4×10-5…3×10-2 с. Так, дляфоторезисторов марок ФС-КО, ФС-К1 t =2×10-2 с, для ФС-А1 – t = 4×10-2с. Это ограничивает быстродействие и затрудняет контроль быстрых измененийосвещенности в приборах с фоторезисторами (рис.4.3).
2. Описание экспериментальной установки/>Фоторезистор (рис. 4.4) состоит из диэлектрической пластины1, на которую нанесен слой светочувствительного полупроводникового вещества 2.С противоположных сторон этого слоя укреплены электроды 3. Для защиты от механическихвоздействий фоторезистор запрессовывается в пластмассовую оправу с прозрачнымокном, штырьки которой соединены с его электродами.
Влабораторной установке фоторезистор располагается внутри темновой камеры наспециальной панели. Рядом размещается фотоэлемент, являющийся датчиком люксметра – прибора, измеряющего освещенность. В противоположном конце камерына одинаковом расстоянии от фоторезистора и фотоэлемента помещен источниксвета с регулируемым световым потоком. Ручка регулятора потока расположена налицевой панели установки. Там же указаны облучаемая площадь и темновоесопротивление фоторезистора. Для измерения сопротивления и тока фоторезистораиспользуется универсальный цифровой вольтметр. Вольтамперные характеристикиснимают по схеме рис. 2.5.
3. Порядокпроведения работы.3.1 Определениезависимости сопротивления фоторезистора от освещенности.
Подготовитьцифровой вольтметр к измерению сопротивлений, для чего переключатель рода работустановить в положение «R», предел измерения – «10 мОм». Подключить цифровой вольтметр к клеммам фоторезистора,расположенным на правой боковой панели лабораторной установки.
Подать напряжение настенд, переведя тумблер питания, расположенный на лицевой панели, в положение«Вкл». Изменяя освещенность регулятором на лицевой панели в соответствии созначениями в табл. 4.1, измерить и занести в табл. 4.1 сопротивление фоторезистора.
Таблица 4.1
E лк 5 10 25 50 75 100 125 150 R мОмRт
b=Rт/R
–3.2 Снятие семействавольтамперных характеристик фоторезистора.
Собратьсхему в соответствии с рис. 2.5. Подготовить цифровой вольтметр к измерениютока, для чего переключатель рода работ поставить в положение «мкА», пределизмерения «100». Установить освещенность Е = 10 лк. Изменяя напряжение навыходе источника постоянного напряжения от 0 до 30 В (через 5 В), измерить изанести в табл. 4.2 значения тока через фоторезистор. Повторить опыт призначениях освещенности 15, 25 лк. Темновой ток (при Е = 0) рассчитать позакону Ома: />
Таблица 4.2
E = 0Е= 10 лк
Е =15 лк Е = 25 лкU
Io
I
Iф
Sи
I
Iф
Sи
I
Iф
Sи
В мкА мкА мкА мкА/лм×В мкА мкА мкА/лм×В мкА мкА мкА/лм×В … 303.3 Определениезависимости интегральной чувствительности фоторезистора от величиныосвещенности.
ЗависимостьSи(E) определяется по схеме предыдущего опыта принеизменном значении напряжения U = 25 В. Результаты опыта ирасчетов занести в табл. 4.3.
Таблица 4.3
E
лк 10 20 40 60 80 100 120 150I
мкАIф
мкАSи
мкА/лм×В 4.Оформление отчета1. Привести схемы экспериментальныхустановок, данные измерительных приборов и исследуемого фоторезистора.
2. Оформить таблицы с результатамиизмерений и вычислений. При расчетах использовать формулы (4.1), (4.2).
3. Построить графики R(E),Sи(E)и семейство ВАХ U(I) фоторезистора при освещенностях Е = 10, 15, 25 лк.
4. Сделать краткие выводы порезультатам проведенных исследований.
Контрольные вопросы1. Чтотакое фоторезистор, из каких материалов его изготавливают?
2. Чемобусловлена фотопроводимость полупроводников?
3. Вчем отличие между внутренним и внешним фотоэффектом?
4. Чтотакое темновое сопротивление, от чего зависит его величина?
5. Чтопонимают под интегральной чувствительностью фоторезистора?
6. Чтотакое световая характеристика? В чем причина ее нелинейности?
7. ПочемуВАХ фоторезистора при постоянной освещенности линейна?
8. Вчем основные недостатки фоторезисторов?
Работа 6. Исследование свойствсегнетоэлектриковЦель работы– экспериментальнаяпроверка основных теоретических положений, определяющих физические процессы всегнетоэлектриках при их периодической переполяризации; приобретениепрактических навыков в построении основной кривой поляризации D(E)и определении потерь в сегнетоэлектрике.
1. Краткиесведения из теорииСегнетоэлектриками называют кристаллическиедиэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых достигает больших значений(порядка 104…105) и зависит от напряженностиэлектрического поля, температуры и предварительной поляризации.
При поляризации любого диэлектрика />,где /> – векторэлектрического смещения, /> –вектор напряженности внешнего электрического поля, />– поляризованностьдиэлектрика, которая представляет собой электрический момент единицы егообъема, eo– электрическая постоянная.
Поляризованность вещества />пропорциональнанапряженности электрического поля: /> где c–абсолютная диэлектрическая восприимчивость вещества. В силу этого />. Параметр /> (6.1)носит название абсолютная диэлектрическая проницаемость и характеризуетспособность диэлектрика к поляризации. Относительная диэлектрическаяпроницаемость определяется выражением />. (6.2)
Сегнетоэлектрики обладают самопроизвольной (спонтанной) поляризацией,связанной с наличием в структуре материала микроскопических областей – доменов,внутри которых диэлектрик поляризован до насыщения. Отдельные домены имеютразличные направления электрических моментов. Результирующий электрическиймомент при этом равен нулю. Если сегнетоэлектрик подвергнуть воздействиювнешнего электрического поля, домены ориентируются по полю, и он оказываетсяполяризованным во всем объеме.
Вследствие доменной структуры поляризованность идиэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигает огромных по сравнениюс линейными диэлектриками значений.
Процесс поляризации сегнетоэлектриков во внешнемэлектрическом поле имеет две основные стадии. На первой стадии происходитсмещение границ и рост тех доменов, ориентация векторов поляризации которыхнаиболее близка к ориентации внешнего поля. На второй – вращение векторовполяризации доменов и их установка параллельно направлению поля. В сильныхполях число доменов, не сориентированных по полю, уменьшается, что приводит кпостепенному замедлению поляризации – насыщение сегнетоэлектрика.
/> <td/> />При циклическом изменении напряженности поля всегнетоэлектрике наблюдается явление диэлектрического гистерезиса,состоящее в фазовом запаздывании электрического смещения относительно напряженностивнешнего поля (рис.6.1).
Кривая, соединяющая вершиныгистерезисных циклов поляризации называется основной кривой поляризации.На рис. 6.2 приведены типовые графики основной кривой поляризации и зависимостидиэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности электрическогополя. При определенной напряженности Еа, котораясоответствует касательной 0а, проведенной из начала координат к кривой D= f(E), диэлектрическая проницаемость e достигает максимального значения.
Переполяризация сегнетоэлектрика связана с достаточнобольшими затратами энергии. Электрическая мощность, затрачиваемая за один цикл,пропорциональна площади гистерезисной диаграммы SDEи объему сегнетоэлектрика V. При периодической переполяризации мощность пропорциональначастоте f.
/> (6.3)
где MD, ME – масштабы осей в координатах«смещение-напряженность», MQ,MU – масштабы осей в координатах «заряд-напряжение».
В качестве оценки диэлектрических потерь частоприменяют тангенс угла диэлектрических потерь, который может бытьопределен из выражения для активной мощности, потребляемой конденсатором. Припараллельной схеме замещения конденсатора:
/>.
Отсюда /> (6.4)
/>Поляризация сегнетоэлектриков всильной степени зависит от температуры. У большинства сегнетоэлектриковгистерезис и нелинейность кулон-вольтной характеристики проявляются при всехтемпературах вплоть до некоторой предельной, которая соответствует максимумудиэлектрической проницаемости и называется точкой Кюри. Выше этойтемпературы происходит обратимое изменение структуры материала (разрушениедоменов) и исчезновение сегнетоэлектрических свойств. Диэлектрическая проницаемостьпри этом резко уменьшается (рис. 6.3).
сегнетоэлектрическими свойствами обладают сегнетовасоль, титанат бария, титанат и ниобат лития и др. Сегнетоэлектрики применяютсяв электрических конденсаторах большой емкости, нелинейных конденсаторах(вариконды), в пьезоэлектрических излучателях и приемниках звука и ультразвука,в качестве нелинейных элементов в оптических системах, электронике ивычислительной технике и т.д.
/> <td/> />2. Описание экспериментальной установки
Схема осциллографического исследованиясегнетоэлектриков показана на рис. 6.4. Установкапитается от сети переменного тока с напряжением 220 В. Напряжение на входеизмерительной цепи регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора(ЛАТРа). Емкость исследуемого плоского сегнетоэлектрического конденсатора Сx,значительно меньше (на один-два порядка) емкости образцового конденсатора Со1. Поэтому, когда конденсатор Сx подключен(переключатель П в положении «1»), заряд в измерительной цепи />, т. е. полностьюопределяется свойствами нелинейного конденсатора, и напряжение Uо1, подаваемое на вертикальные пластины электронного осциллографа(ЭО), пропорционально заряду Qx. На горизонтальные пластины осциллографа черезделитель Rl<sub/>-R2 подается частьобщего напряжения U»Ux. Погрешность будет тем меньше, чем больше отношениеемкостей Cо1 и Сx.В результате на экране осциллографа будет наблюдаться гистерезисная диаграммаполяризации Q(U). Положение «2» переключателя П, когда подключаетсяемкость Со2<< Со1,служит для определения масштабов осциллографа по осям x и у.
3. Порядоквыполнения работы3.1 Снятиеосновной кривой поляризации и определение диэлектрической проницаемостисегнетоэлектрика.
Собрать измерительную цепь в соответствии со схемой нарис. 6.4. Перевести переключатель П в положение «1». Установить на входецепи напряжение 120 В. На экране осциллографа должна наблюдаться гистерезиснаядиаграмма поляризации сегнетоэлектрика. Подобрать масштаб по вертикальной осиосциллографа так, чтобы изображение занимало весь экран.
Внимание: в процессе выполнения последующих пунктовлабораторной работы не допускается изменять положение масштабного переключателяосциллографа.
Измеритьи записать в табл. 6.2 координаты вершины гистерезисного цикла: xm, ym (координаты вершины можно определить как половину размаха изображенияпо горизонтальной и вертикальной осям экрана). Повторить измерения, изменяявходное напряжение как показано в табл.6.2.
Таблица 6.2
h = мм, d = мм, S = pd 2 /4 = м2.
Опыт РасчетU
xm
yт
Um
Qm
Dm
Ет
eeo
В мм мм В мкКлКл/м2
кВ/м мкФ/м — 120 100 80 60 40 20Прирасчете использовать формулы: />,/>/> /> где h,S – соответственно толщина и площадь слоясегнетоэлектрика.
3.2 Определениемасштабов по осям экрана осциллографа.
ПереключательП установить в положение «2». Вращением регулировочной рукоятки ЛАТРа,установить на входе цепи напряжение в пределах 40…60 В. На экране осциллографадолжна наблюдаться наклонная прямая линия, представляющая кулон-вольтнуюхарактеристику Q(U) линейного диэлектрика конденсатора Со2. Занести в табл. 6.1 значения напряжения Uи размаха колебаний луча осциллографа по горизонтали – Dх и вертикали – Dу.
Таблица 6.1
Измерение Расчет Примечание U, ВDх, мм
Dу, мм
MU, В/мм
MQ, Кл/м
Со1 = мкФ, Со2 = мкФ
Масштабыпо осям координат определяются по следующим формулам:
/> (6.5)
3.3 Определениепотерь в сегнетоэлектрике при комнатной температуре.
Устанавливая поочереднона входе цепи напряжение 60, 80, 120 В зарисовать на кальку осциллограммы петлигистерезиса. В табл. 6.3 занести координаты вершин гистерезисных циклов.
Таблица6.3
Измерения РасчетU
xm
ym
SQU
Um
Qm
Pг
tg d В мм мммм2
В мкКл мВт – 60 80 120 4. Оформление отчета1. Привести схему экспериментальнойустановки, данные измерительных приборов и исследуемого элемента.
2. Оформить таблицы с результатамиизмерений и вычислений. При вычислении Umи Qm использоватькоординаты вершин осциллограмм гистерезисного цикла с учетом масштабов по осямосциллографа (табл. 6.1). Площадь гистерезисного цикла SQU(табл. 6.3) определяется непосредственно по осциллограммам путем подсчета числаквадратных миллиметров (по миллиметровой бумаге), укладывающихся внутри петли.
3. По данным табл. 6.2 построитьосновную кривую поляризации D(E) и график зависимости относительной диэлектрическойполяризации от напряженности электрического поля er(Е).
4. Привести осциллограммыгистерезисных циклов для трех значений напряжения на сегнетоэлектрическомконденсаторе.
5. Дать краткие выводы по работе.
Контрольные вопросы1. Чтоназывают сегнетоэлектриками? Какие материалы обладают сегнетоэлектрическимисвойствами?
2. Чтотакое диэлектрическая проницаемость, как ее можно практически определить?
3. Почемудиэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков значительно превышаетпроницаемость обычных диэлектриков и зависит от напряженности внешнегоэлектрического поля?
4. Вчем причина возникновения гистерезиса при поляризации сегнетоэлектриков?
5. Какпроисходит процесс поляризации сегнетоэлектриков?
6. Почемувольтамперная характеристика сегнетоэлектрических конденсаторов нелинейна?
7. Какимипараметрами характеризуют потери мощности в диэлектриках?
8. Каки почему зависит диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков оттемпературы?
9. Какполучить на экране осциллографа кулон-вольтную характеристику?
10. Назовите областиприменения сегнетоэлектриков.
Работа 7. Исследование свойств ферромагнитныхматериаловЦель работы–экспериментальное подтверждение основных теоретических положений, определяющихфизические процессы, происходящие в ферромагнитных телах при их периодическомперемагничивании; приобретение практических навыков в определении потерь вферромагнетике, их разделении, снятии основной кривой намагничивания B(H) и оценке магнитных характеристик материала.
1. Краткиесведения из теорииФерромагнитныематериалы (Fe, Ni, Co и их сплавы) обладают особыми магнитными свойствами:высокое значение относительной магнитной проницаемости и ее сильная зависимостьот напряженности внешнего магнитного поля, при перемагничивании наблюдаетсямагнитный гистерезис, обусловленный наличием доменов – областей спонтаннойнамагниченности.
Основнойпричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движенияэлектрических зарядов в его атомах – вращение электронов вокруг собственныхосей (спиновый магнитный момент) и вокруг ядра (орбитальный магнитный момент).У ферромагнетиков даже при отсутствии внешнего магнитного поля имеются домены спараллельной или антипараллельной ориентацией спинов электронов. Такое веществонаходится в состоянии спонтанного (самопроизвольного) намагничивания. Вразличных доменах эта ориентация различна. Если материал не подвергаетсявоздействию внешнего магнитного поля, суммарный магнитный момент всех доменов имагнитный поток такого тела во внешнем пространстве равны нулю.
Принамагничивании внешним магнитным полем происходит поворот векторов магнитныхмоментов доменов в направлении поля и смещение границ доменов. С увеличениемнапряженности поля этот процесс замедляется (явление насыщения).
/> <td/> />При периодическом перемагничиванииферромагнитного материала наблюдается явление магнитного гистерезиса, т. е.отставание изменения магнитной индукции от изменения напряженности поля. Нарис. 7.1 показаны гистерезисные диаграммы при различных предельных значенияхнапряженности внешнего магнитного поля. Кривая, проходящая через вершины этихдиаграмм, называется основной кривой намагничивания B=f(H).Гистерезисный цикл, при котором достигается насыщение ферромагнитногоматериала, называется предельным. По нему определяется остаточнаяиндукция Вr(приH = 0) и коэрцитивная сила Нc (приB = 0).
Способностьматериала к намагничиванию характеризуется абсолютной магнитной проницаемостью m= В/Н. (7.1)
Нарис. 7.2 показана основная кривая намагничивания B=(H) и зависимость абсолютной магнитной проницаемости отнапряженности внешнего магнитного поля. При определенной величине напряженностиm достигает максимума. Точка а, характеризующаяэтот режим, соответствует касательной Оа, проведенной к основной кривойнамагничивания из начала координат. Проницаемость, определенную в оченьслабых полях, называют начальной (mн).
Одновременному намагничиванию ферромагнитныхматериалов постоянным и переменным полем малой амплитуды Нтсоответствует частный гистерезисный цикл с вершинами /—2, лежащими наосновной кривой намагничивания (см. рис. 7.2). При этом реверсивная (обратимая)проницаемость определяется положением вершинэтого цикла:
/>
где МB,МH– масштабыпо осям координат, a – угол наклонак оси абсцисс прямой, соединяющей вершины частного гистерезисного цикла.Аналогично определяется дифференциальная магнитная проницаемость: /> (7.2)
где b – угол наклонакасательной к основной кривой намагничивания в искомой точке.
Для всех упомянутых проницаемостей чаще всего определяетсяих относительные значения
/> /> /> (7.3)
где mо = 4p×10-7 Гн/м – магнитная постоянная.
Материалы с узкой петлей гистерезиса (Hc £ 1 кА/м)называют магнитомягкими, материалы с широкой петлей – магнитотвердыми.
Приперемагничивании ферромагнитных материалов в них возникают потери на гистерезиси вихревые токи. При постоянной амплитуде индукции (Bm<sub/>= const) потери на гистерезис пропорциональны частоте, апотери на вихревые токи – квадрату частоты: /> /> Измерив в этих условиях суммарныемагнитные потери Pм1 и Рм2при двух различных частотах, можно определить постоянные
/> /> (7.4)
Длявыполнения условия Вm<sub/>= сопst необходимо действующеезначение напряжения намагничивающей катушки изменять пропорционально частоте (U1/f= const).
Суммарныемагнитные потери могут быть определены по площади /> динамическойвебер-амперной диаграммы y(i):
/> (7.5)
где Mi, My –масштабы, принятые по осям координат.
Параллельная ориентация спинов в магнитных доменахимеет место только ниже определенной для данного ферромагнетика температуры –точки Кюри. При превышении этой температуры спонтанная намагниченностьисчезает, и магнитная проницаемость резко падает.
2. Описаниеэкспериментальной установки/> <td/> />Схема установки для исследования свойств ферромагнитныхматериалов приведена на рис. 7.3.
Схемапитается от задающего генератора. Исследуемый ферромагнетик представляет собойтороидальный магнитопровод с двумя обмотками. Последовательно с намагничивающейобмоткой w1 включенонебольшое сопротивление R1, напряжение на котором, пропорциональное току i1, подается на горизонтальныепластины осциллографа и на вольтметр V1. На зажимы измерительной обмотки w2 включена интегрирующаяцепочка с большим сопротивлением R2 и большой емкостью С. В схеме выбрано />поэтому
/> (7.6)
где S – сечение сердечника, kо – постоянная, y1 – потокосцепление обмотки w1.
Такимобразом, на экране осциллографа можно наблюдать вебер-амперную характеристику y1(i).При этом масштабы по осям:
/> /> (7.7)
где Dx, Dy– размах осциллограммы по горизонтали и вертикали соответственно.
Дляизмерения напряжений на резисторе R1 и на вторичной обмотке w2 применены цифровые вольтметры с большим входнымсопротивлением.
3. Порядоквыполнения работы3.1 Определениемасштабов осциллографа Mi, Мy и магнитных потерь на частоте f= 50 Гц.
Установить на входе цепинапряжение частотой 50 Гц, при котором на экране осциллографа наблюдаетсяпредельный гистерезисный цикл (когда дальнейшее увеличение входного напряженияне вызывает значительного роста индукции). Регулировкой усиления вертикальногои горизонтального каналов осциллографа добиться, чтобы диаграмма заняла неменее 2/3 экрана. Занести в табл. 7.1 показания вольтметров V1, V2 и размахосциллограммы по горизонтали и вертикали, зарисовать осциллограмму на кальку.Площадь гистерезисного цикла Syi определяется непосредственным подсчетом числа квадратных миллиметров(по миллиметровой бумаге), укладывающихся внутри петли.
Таблица 7.1
Измерения Расчет Примечаниеf
U1
U2
Dx
DуSyi
Мi
My
I
y
Pст
w1 = витков
w2 = витков
D = мм
d = мм
h = мм
R1 = Ом
R2 = кОм
Гц В В мм мммм2
мА/мм Вб/мм мА Вб мВт 50 4003.2 Определениемагнитных потерь на частоте 400 Гц.
Изменить частоту входного напряжения до 400 Гц.Увеличивая напряжение на выходе задающего генератора (примерно в 8 раз),установить размах осциллограммы по вертикальной оси (ym) такойже, как в предыдущем опыте. Произвести измерения и занести результаты в табл.7.1. Осциллограмму перенести на кальку.
3.3 Снятиеосновной кривой намагничивания.
Установить частоту входного напряжения 50 Гц. Изменяявеличину входного напряжения, определить координаты xm и уm вершин гистерезисных циклов. Результаты занести в табл. 7.2.
Таблица 7.2
Измерения Расчетxm
ym
Im
ym
Hm
Bm
mmr
mдr
мм мм мА Вб А/м Тл Гн/м – – 4.Оформление отчета1. Привести схему исследований,данные приборов и исследуемого образца ферромагнитного материала.
2. Перенести на миллиметровкуосциллограммы вебер-амперных характеристик y(i), снятые при частотах 50 Гц и 400 Гц, с обозначениеми оцифровкой в соответствии с масштабами осей координат. Определить параметрыпредельного гистерезисного цикла Bm, Br,Hcи, используя справочные таблицы, сделать вывод о материале исследованногоферромагнетика.
3. Оформить таблицы с результатамиизмерений и расчетов. При расчете масштабов использовать формулы (7.7).Значения тока Im и потокосцепления ym<sub/>определяютсяпо координатам xm, ym с учетом масштабов. Расчет индукции Bm инапряженности Hmвыполнить по формулам: Bm= ym/w1S, Hm= w1Im/lср, где S= (D – d)×h/2, lср = p(D + d)/2 – соответственно площадь поперечного сечения идлина средней линии магнитного образца.
4. По результатам расчета табл. 7.2построить основную кривую намагничивания B(H)и зависимости mr(H), mд(H).
5. Рассчитать удельные магнитныепотери при частотах 50 и 400 Гц по формуле Pм.уд= Pм/Vст, где Vcт = p(D2 — d2)×h×kс – объемстали, kc= 0,98—коэффициент заполнения образца сталью; D, d,h– диаметрыи высота стального тороида. По формулам (7.4) разделить суммарные потери встали на потери на вихревые токи и потери на гистерезис. Результаты расчетовзанести в табл. 7.3.
Таблица 7.3
f, Гц
Pст уд., мВт/м3
kг, Вт×с
kв, Вт×с2
Pг, мВт
Pв, мВт
6. Сделать краткие выводы по работе.
Контрольные вопросы1. Какиематериалы относят к классу ферромагнетиков?
2. Вчем причина сильных магнитных свойств ферромагнетиков?
3. Чтотакое предельный гистерезисный цикл намагничивания? Какие параметры из негоопределяют?
4. Чтотакое магнитная проницаемость, какие существуют ее виды?
5. Какпроисходит процесс намагничивания ферромагнетиков?
6. Каки от каких факторов зависит магнитная проницаемость?
7. Какиепотери возникают в ферромагнетике при его периодическом перемагничивании?
8. Чтотакое магнитомягкие и магнитотвердые ферромагнетики? Которые из них обладаютменьшими потерями и почему?
9. Какпрактически можно разделить потери в ферромагнетике по видам?
10. Как получить наэкране осциллографа характеристику намагничивания?
11. Назовите областиприменения сегнетоэлектриков.
Рекомендуемая литература
1. Пасынков В. В. Материалыэлектронной техники. М.: Высшая школа, 1980.
2. Богородицкий Н. П., Пасынков В.В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. Л.: Энергия, 1977.
3. Справочник по электротехническимматериалам. Тт. 1 – 3/ Под ред. Д. В. Корицкого и др. Л.: Энергия, 1974—1976.