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 материалов

Цель 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 теории

Основные 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; alтемпературныйкоэффициент 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 сплавы

al ×10-4, K-1

Медь 0,167 Константан 0,17 Манганин 0,181 Нихром 0,163

Температурный 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, qв °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 R1R4, 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

проводник

q, oС

20 30 40 50 60 70 80 90 медь

R1

r1

aR1

ar1

Константан

R2

… … …

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.

Таблица1.3

q, °С

ET, мВ

Термопара медь – константан хромель – алюмель хромель – копель 20 … 90 4.Оформление отчета

1.   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.

Контрольныевопросы

1.    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 терморезисторов

Цель 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 теории

Терморезисторомназывается 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 установки

Эксперимент 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 q

R

Т

aR

oC

Ом К

град.-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

Ом

3.3. 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, В

i (мА) через />с

t = 0 10 20 30 40 50 60 Примечание 5 Тип резистора … 10 … 30 4.Оформление отчета

1.   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 вопросы

1.    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 варисторов

Цель работы –исследование основных свойств варисторов и иллюстрация их практического применения.

1. Краткиесведения из теории

варисторомназывается 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= UUR. 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 установки

Вольтамперные 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 работы

3.1  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 Расчет

U

I

rct

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 … 80

После 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 отчета

1.   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 фоторезисторов

Цель работыисследование 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 теории

Фоторезисторомназывается 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 = + ,           (4.1)

/> <td/> />
где Iо – темновой ток, – 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 мОм

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 = 0

Е= 10 лк

Е =15 лк Е = 25 лк

U

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 … 30

3.3   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 80 100 120 150

I

мкА

Iф

мкА

Sи

мкА/лм×В 4.Оформление отчета

1.   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 вопросы

1.    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 свойствсегнетоэлектриков

Цель работыэкспериментальнаяпроверка 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 теории

Сегнетоэлектриками 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 cабсолютная 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 , 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 работы

3.1  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 Расчет

U

xm

Um

Qm

Dm

Ет

e

eo

В мм мм В мкКл

Кл/м2

кВ/м мкФ/м — 120 100 80 60 40 20

Прирасчете 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, В

Dх, 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 Расчет

U

xm

ym

SQU

Um

Qm

Pг

tg d В мм мм

мм2

В мкКл мВт – 60 80 120 4. Оформление отчета

1.   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 вопросы

1.    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 ферромагнитныхматериалов

Цель 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 теории

Ферромагнитныематериалы (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 МBHмасштабыпо 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 работы

3.1    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 Примечание

f

U1

U2

Dx

Syi

Мi

My

I

y

Pст

w1 =         витков

w2 =         витков

D =         мм

d =         мм

h =        мм

R1 =        Ом 

R2 =      кОм

Гц В В мм мм

мм2

мА/мм Вб/мм мА Вб мВт 50 400

3.2  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 Расчет

xm

ym

Im

ym

Hm

Bm

m

mr

mдr

мм мм мА Вб А/м Тл Гн/м – – 4.Оформление отчета

1.   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= (Ddh/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(D2d2)×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 вопросы

1.    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.

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике