Материалы конструкций электронной техники

МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Методические указания к лабораторным работам

по курсу “Материаловеденье и материалы электронной техники”

 

Составители: Алексеев П. Д., Захаренко В. А., Хадыкин А. М.

 

 

Омск 1995 (ред. 2011)

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Исследование зависимости электропроводности полупроводника от напряженности внешнего электрического поля. 3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
Исследование полупроводниковых терморезисторов. 9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
Исследование характеристик ферромагнитных материалов. 17

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
Исследование магнитной проницаемости магнитомягких материалов. 26

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Исследование термоэлектрического эффекта. 32

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
Исследование электропроводности проводниковых материалов. 38

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
Исследование диэлектрической проницаемости и электрических потерь диэлектрических материалов. 45

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Исследование зависимости электропроводности полупроводника от напряженности внешнего электрического поля.

Цель работы:

1. Изучение физики явления изменения удельной проводимости полупроводников от напряженности электрического поля.

2. Экспериментальное исследование вольтамперной характеристики варистора.

3. Анализ экспериментальной зависимости электропроводности материала варистора от напряженности внешнего электрического поля.

4. Определение по экспериментальным данным основных характеристик варистора.

 

Пояснения к работе

Типичная зависимость удельной проводимости полупроводника от напряженности электрического поля приведена на рис.1

.

Pис. 1. Зависимость удельной проводимости от напряженности электрического поля

 

Как видно из рис.1, зависимость проводимости полупроводника γ от напряженности внешнего электрического поля не является линейной, т.е. эта зависимость не подчиняется закону Ома, отряжающему пропорциональность между плотностью тока j в полупроводнике и напряженностью электрического поля Е, в соответствии с выражением:

j = γ Ε (1)

Сложность этой зависимости объясняется влиянием напряженности электрического поля, как на подвижность носителей заряда, так и на их концентрацию.

График на рис.1 позволяет констатировать, что удельная электропроводность полупроводника при малых значениях напряженности не зависит от величины, напряженности электрического поля (область I) и определяется выражением:

 

γ_соб = γ_n + γ_p = n*q*μ_n+ n*q*μ_р (2)

 

для собственного полупроводника и выражением

 

γ = γ_пр + γ_соб = n_q*q*μ_n + γ_соб (3)

для примесного полупроводника, например, имеющего донорные примеси. Здесь γ_п, γ_р – удельные электропроводности за счет электронов и дырок, соответственно: n, р – соответственно концентрации электронов и дырок в единицах объема: n_q -концентрация донорных примесей; q – заряд электрона; μ_n, μ_р –соответственно подвижности электронов и дырок. Эти выражения описывают электропроводность в области слабых электрических полей. При этом, как видно из рис.1 и выражений (2) и (3), концентрация и подвижность носителей заряда не зависит от напряженности Е электрического поля, т.е. соблюдается закон Ома и плотность тока в полупроводнике может быть описана выражением (1).

Область II на рис.1 не может быть описана выражениями (1) и (2).

После достижения напряжённости электрического поля величины Е_к - критической напряженности, как видно из рис.1, наблюдается отклонение от закона Ома, т.е. зависимость электропроводности от напряженности становится нелинейной.

Объясняется это изменением подвижности и концентрации носителей заряда при воздействии сильных электрических полей. Таким образом, область II на рис.1 - это область сильного электрического поля. Для значительного числа полупроводников; величина Е_к находится вблизи Е = 10⁶ В/м.

Следует отметить, что влияние напряженности поля на подвижность носителей заряда может приводить как к ее увеличению, так и к уменьшению. В области слабых полей, когда справедлив закон Ома, влияние поля на подвижность в основном сводится к изменению только направления скоростей носителей заряда (Ι). При больших напряженностях приращение абсолютного значения скорости становится соизмеримым с начальным значением тепловой скорости. Добавочная кинетическая энергия Э_доб, приобретаемая носителями заряда под действием электрического поля, определяется как

(4)

где - средняя длина свободного пробега.

Следовательно, влияние сильного поля на изменение подвижности носителей заряда будет зависеть от механизма рассеяния. Например, в случае рассеяния на тепловых колебаниях углов решетки подвижность будет падать, а при рассеянии на ионизированных примесях – возрастать.

На практике же, вследствие значительного возрастания концентрации носителей заряда при возрастании напряженности поля, закономерность изменения электропроводности определяется в основном эффектом изменения концентрации носителей.

Различают несколько механизмов увеличения концентрации носителей заряда в области сильных полей:

· термоэлектронная ионизация;

· ударная ионизация;

· электростатическая ионизация.

 

Термоэлектронная ионизация проявляется при напряженностях около 10⁶ В/м. Так как внешнее электрическое поле изменяет потенциальные барьеры между атомами кристаллической решетки, то под действием сильного поля уменьшается высота потенциального барьера для электронов в направлении, противоположном направлению поля. Если рассматриваемый барьер относится к примесному атому, например, донору, то уменьшение энергии ионизации на величину δЭ приведет к увеличению концен­трации электронов в зоне проводимости

(5)

где n₀ – равновесная концентрация электронов; k – постоянная Больцмана; Т – температура полупроводника.

Из выражения (6) очевидно, что незначительные изменения δЭ или температуры вызывают существенные изменения концентрации носителей заряда.

Ударная ионизация. Свободный электрон, ускоренный под влиянием сильного поля, может накопить энергию, достаточную для ионизации примесей, а затем возбуждает электроны из узлов решетки материала. Ионизацию могут вызвать и дырки.

Ударная ионизация сопровождается размножением носителей заряда, поскольку вновь рожденные электроны и дырки тоже ускоряются. Процессы ударной ионизации и рекомбинации носителей заряда приводят к установлению стационарной повышенной концентрации носителей, характеризуемой коэффициентом ионизации. Коэффициент ионизации возрастает с увеличением напряженности сильного поля и различен для разных материалов. Ударная ионизация проявляется при напряженностях Е ~ 10⁷ В/м.

Электростатическая ионизация (туннельный эффект). Сущность эффекта состоит в том, что сильные электрические поля могут вызвать прямые электронные переходы между зоной проводимости и валентной зоной. Для этого требуются поля более 10⁷ В/м. Условия для увеличения числа носителей заряда чаще всего создаются в тонких слоях полупроводников с повышенным сопротивлением. Сильному электрическому полю в полупроводниках соответствует большой наклон энергетических зон.

При достаточно большом наклоне энергетических зон возможен переход электрона из валентной зоны (и с локальных уровней примесей) в зону проводимостей через узкий потенциальный барьер (ΔХ), то есть возможно туннелирование электрона благодаря своих квантово-механическим свойствам. При этом увеличивается концентрация свободных носителей зарядов. Напряженности, при которых проявляется туннельный эффект различных материалов, разный для каждого их них, так как толщина потенциального барьера ΔХ зависит от ширины запрещенной зоны материалов.

В качестве исследуемого полупроводникового материала в лабораторной работе используется варистор на основе порошкообразного карбида кремния (SiC). Изготавливается варисторы путем высокотемпературного обжига заготовок из порошкообразного резистивного материала (в основном из SiC и ZnO) со связующими веществами (глина, жидкое стекло, лаки, смолы и т.п.). После термообработки поверхность заготовки металлизируют для обеспечения омического контакта с выводами прибора. Готовый варистор герметизирует с помощью различных эмалей, компаундов и пластмасс. Применяют варисторы для стабилизации напряжений, умножения частоты, модуляции, в устройствах защиты от перенапряжений и др.

К основным характеристикам варисторов относятся:

 

· вольтамперная характеристика (BAX) ;

· статическое сопротивление ;

· динамическое сопротивление ;

· коэффициент нелинейности

· температурные коэффициенты изменений тока δ_I, напряжения δ_U, статического сопротивления δ_R:

; ;

зависимости удельной электропроводности γ от напряженности электрического поля E. При этом электропроводность γ находится как:

(7)

а напряженность как ,

 

где l – толщина варистора, cм; S – площадь полупроводникового материала варистора, см (l = 0,2 cм, D = 1,1 cм).

Задание к работе

1. Изучить физику электропроводности полупроводников в слабых и сильных электрических полях.

2. Снять прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики варистора при значениях температур: T комнатной, T₁, T₂. Напряжение на варистор подавать от 0 до 20 В, при этом измерения производить через 1-2 В.

3. По результатам измерений построить вольтамперные характеристики варистора для трех значений температур.

4. На основании экспериментальных данных построить три графика зависимостей γ =f(E).

5. Определить графическим путем значение Е_k.

6. Вычислить статические и динамические сопротивления варистора для температуры T_раб и напряжений (U₁, U₂), заданных преподавателем.

7. Вычислить коэффициенты нелинейности для сопротивлений, найденных по п.6.

8. Вычислить температурные коэффициенты изменений тока, напряжения, статического сопротивления.

9. Построить график зависимости γ= f(Т) для напряжения, заданного преподавателем (U₁).

 

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента;

4. ВАХ и расчетный график γ = f(E) варистора для трех температур, определенное графическим путем значение Е_k;

5. Расчет основных характеристик варистора по п. 6-8 задания к работе;

6. График зависимости γ= f(Т) для напряжения U₁;

7. Выводы.

 

Контрольные вопросы

1. Какие физические факторы обуславливают нарушение закона Ома в полупроводниковых материалах при действии сильных электрических полей?

2. Объяснить температурную зависимость электропроводности от температуры.

3. Пояснить нелинейную зависимость электропроводности от напряженности внешнего электрического поля.

4. Какие примеси в ковалентных полупроводниковых материалах являются донорными, я какие – акцепторными?

5. Чем отличается полупроводник с собственной электропроводностью от полупроводника с примесной электропроводностью?

6. К какому типу электропроводности (собственной или примесной) относится материал варистора, и какой тип химической связи преобладает в нем?

7. Пояснить механизмы изменения концентрации носителей заряда при изменении электрического поля.

8. Как влияет величина электрического поля на подвиж­ность носителей заряда?

9. Понятие варистора.

10. Конструкции, материалы и технологии изготовления варисторов.

11. Основные характеристики варисторов.

12. Область применения варисторов.

 

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники.- М:Высшая школа, 1986.- 367 с.

2. Материалы микроэлектронной техники /Под ред. В.М.Андреева.- М.:Радио и связь, 1989.- 352 с.

3. Электроника: Энциклопедический словарь /Гл.ред. В.Г.Колесников,- М.:Сов.энциклопедия, 1991.- 688 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
Исследование полупроводниковых терморезисторов

Цель работы:

1. Изучение основных параметров, характеристик и конструкции терморезисторов.

2. Экспериментальное исследование основных характеристик терморезисторов.

 

Пояснения к работе.

Общие сведения.

Терморезисторами (термисторами) называют полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых изменяется при изменении температуры.

Терморезисторы используются в качестве датчиков температуры в измерительных приборах и в устройствах автоматики, в электронных схемах для термокомпенсации элементов электрических цепей, для измерения мощности СВЧ излучений и других целей.

Как правило, в полупроводниковых, терморезисторах используют материалы, электропроводность которых значительно увеличивается с ростом температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления ТКС). Изготавливаются также и терморезисторы с положительным температурным коэффициентом – позисторы.

 

Задание к работе

1. Изучить конструкции терморезисторов типа КМТ, ММТ, СТ-1.

2. Снять вольтамперные характеристики (5-6 точек для КМТ и ММТ, для СТ-1 – 3 точки) терморезисторов при комнатной температуре окружающей среды.

3. Снять вольтамперные характеристики (5-6 точек для КМТ и ММТ, для СТ-1 – 3 точки) терморезисторов для температур окружающей среды Т₂ и Т₃, заданных преподавателем.

4. Рассчитать статические сопротивления исследуемых терморезисторов. Построить температурные зависимости сопротивления исследуемых терморезисторов.

5. Рассчитать постоянные В для всех исследуемых терморезисторов (допускается принять R_To = R_Tкомн.).

6. Найти ТКС исследуемых терморезисторов для температуры Т, заданной преподавателем.

7. По результатам экспериментальных данных построить зависимости терморезистора для трех значений температуры окружающей среды, заданных преподавателем.

8. По экспериментальным данным найти дифференциальные сопротивления Rд терморезисторов в точках U_x, заданных преподавателем.

 

Рекомендации по выполнению экспериментов

1. Изучение конструкций терморезисторов производится визуально. Для этого они смонтированы на специальной плате, которая вынимается из термостата на длину, допускаемую соединительными проводами.

2. Измерение статического сопротивления и измерение сопротивлений терморезисторов при исследованиях температурных зависимостей (пп. 2 и 4 задания) производится с помощью вольтметра и амперметра на основании закона Ома.

(10)

где U – падение напряжения на терморезисторе, В; I – ток, протекающий через терморезистор, А.

3. При измерениях статических сопротивлений терморезисторов во избежание их саморазогрева токи через них не должны превышать:

· 0,1 mА для терморезистора СТ1-18;

· 1 mА для терморезистора КМТ;

· 2 mA для терморезистора ММТ-4.

Снятие температурных зависимостей терморезисторов производить в диапазоне температур от комнатной до 100 ºС.

 

Примечание: категорически запрещается открывать дверцу термостата в процессе нагрева и при включенной в сеть установке.

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента;

4. ВАХ терморезистора, заданного преподавателем;

5. Расчетные графики температурной зависимости сопротивления терморезисторов для трех значений температуры;

6. Расчет постоянных В и ТКС для температуры, заданной преподавателем;

7. Графики зависимости терморезисторов для трех значений температуры;

8. Расчетные значения дифференциальных сопротивлений Rд терморезисторов.

9. Выводы.

 

Контрольные вопросы

1. Пояснить физически основы зависимости электропроводности полупроводниковых материалов от температуры.

2. В чем отличие поликристаллических терморезисторов от монокристаллических?

3. Конструкции и технологии изготовления терморезисторов.

4. Основные параметры и характеристики терморезисторов.

5. Область применения терморезисторов.

6. Понятие вольтамперной характеристики и ее практическая ценность.

7. Понятие статических характеристик.

 

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники.- М.: Высшая школа, I986.- 367 с.

2. Шашков А.Г.. Терморезисторы и их применение. – М.: Энергия, 1967. – 320 с.

3. Мартюшов К.И., Зайцев Ю.В. Нелинейные полупроводниковые резисторы. М.: Энергия, 1968.- 192 с.

4. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л.: Энергия. 1970.- 360 с.

5. Кривоносов А.И., Кауфман В.Я. Статические характеристики поликристаллических терморезисторов. М.: Энергия. 1968.- 120 c.

Шашков А.Г.. Терморезисторы и их применение. – М.: Энергия, 1967. – 320 с.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
Исследование характеристик ферромагнитных материалов

 

Цель работы

1. Экспериментальное исследование явления гистерезиса.

2. Экспериментальное определение кривой намагничивания.

3. Исследование зависимости удельных потерь в ферромагнитном сердечнике от частоты.

4. Экспериментальное определение основных характеристик ферромагнитных материалов.

 

Пояснения к работе

При намагничивании размагниченного ферромагнитного материала индукция магнитного поля В (Тл) нелинейно зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н (А/м). Графически зависимость , которая называется основной кривой намагничивания, имеет вид, приведенный на рис. 1 (кривая OA).

 

Рис.1. Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнитного материала

 

Аналитически кривую намагниченности можно описать как

 

(1)

 

где μ - абсолютная магнитная проницаемость материала.

 

На практике удобнее пользоваться относительной магнитной проницаемостью

(2)

где μо = 4π*10^-7 Гн/м - магнитная постоянная вакуума.

Тогда (1) с учетом (2) представляется в виде:

(3)

Следовательно, магнитная проницаемость является важной физической характеристикой магнитных свойств материала, т.к. характеризует реакции вещества на внешнее магнитное поле. Эта величина позволяет сравнивать между собой различные материалы. Например, у диамагнетиков μ_r <1, у парамагнетиков μ_г >1. У ферромагнетиков μ_r >>1. К диамагнетикам относится большинство органических веществ: водород, инертные газы, азот, хлор, вода, ряд металлов: Сu, Ag, Hg, Zn, Au, Be, Cd, Рb, В, Ga, Sb. а также графит, стекло и др.

К парамагнетикам относятся соли железа, кобальта, никеля, воздух, кислород, окись азота, щелочные металлы, а также Mg, Сa, Al, Сr, Нg, Мo, Pt, Рd, и др. Следует отметить, что у парамагнетиков магнитная проницаемость не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

К ферромагнетикам относятся Fе, Ni, Со и их сплавы, ферриты - соединения типа шпинели МeО*Fe₂O₃ и граната 3МеО•5Fe₂O₃, где Me - двухвалентный металл Fe, Ni, Mn, Zn, Со, Сu. Cd Mg и др.

Характерными особенностями ферромагнитных материалов являются большая величина относительной магнитной проницаемости и зависимость ее от напряженности магнитного поля (рис. 2).

Величину μ_r для различных значений Н можно определить по кривой намагничивания как

 

(4)

Рис.2. Типичная зависимость относительной магнитной проницаемости

от напряженности магнитного поля

 

Одной из характеристик материала является начальная магнитная проницаемость μ_H, которая определяется в слабых магнитных полях (обычно при Н = 0,1 А/м). Кривая намагничивания OA (рис. 1) получена при условии, что материал предварительно был размагничен. При периодическом изменении напряженности от +Н_m до –Н_m магнитная индукция изменяется по циклу В_S – Вr – 0 - Bs – Br – 0 - Bs (рис. 1), т.е. наблюдается график зависимости B(H) в виде петли гистерезиса исследуемого магнитного материала. Магнитный гистерезис - отставание намагниченности ферромагнитного материала от внешнего магнитного поля, и вследствие этого, неоднозначная зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля. Магнитный гистерезис обусловлен необратимым изменением магнитных свойств ферромагнетика под влиянием тех магнитных процессов, которым он ранее подвергался. Как видно из рис.1 если ферромагнетик намагнитить до насыщения B_s, а затем отключить внешнее поле, то индукция в нуль не обратится, а примет значение остаточной индукции В_r. Чтобы убрать остаточную индукцию, необходимо приложить магнитное поле противоположного направления. Напряженность размагничивающего поля – Н_c, при которой индукция в ферромагнетике, предварительно намагниченном до насыщения, обращается в нуль, называется коэрцитивной силой. Для различных амплитудных значений напряженности внешнего поля можно получить семейство петель гистерезиса. Петля гистерезиса, полученная при индукции насыщения называется предельной. Остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Нc являются параметрами предельной петли гистерезиса. Совокупность вершин петель гистерезиса с индукциями меньше насыщения образует основную кривую намагничивания.

Циклическое перемагничивание материала происходит с определёнными потерями энергии, выделяющейся внутри материала в виде тепла. Они пропорциональны площади петли гистерезиса за один цикл перемагничивания:

 

(5)

 

и складываются из потерь на перемагничивание, вихревые токи и магнитное последействие. Удельные потери - это потери, отнесенные к единице объема или массы.

Задание к работе

1. Изучить процессы при намагничивании ферромагнетиков.

2. По результатам экспериментов построить предельную петлю гистерезиса исследуемого материала.

3. Снять экспериментально основную кривую намагничивания.

4. По результатам экспериментов для исследуемого ферромагнетика определить индукцию насыщения, остаточную индукцию, коэрцитивную силу, удельные магнитные потери, построить кривую:

5. Снять частотную зависимость удельных потерь энергии и мощности.

 

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента (предельные петли гистерезиса для f₁, f₂, f₃; основная кривая намагничивания для f₂);

4. Расчет коэффициентов m_B и m_H. Градуировка осей осциллографа.

5. Определенные значения индукции насыщения, остаточной индукции, коэрцитивной силы, удельных магнитных потерь.

6. Графики зависимости ичастотной зависимости удельных потерь энергии и мощности;

7. Выводы.

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники,- М.: Высшая школа, 1986. - 367 с.

2. Материалы микроэлектронной техники /Под ред. В.М.Андреева.-M.s Радио и связь, 1989. - 352 с.

3. Электрорадиоматериалы /Под ред. Б.М.Тареева. M.: Высшая школа, 1973. - 352 с.

4. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. – М.: Высшая школа, 1991. - 384 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
Исследование магнитной проницаемости магнитомягких материалов

 

Цель работы

1. Исследовать температурные зависимости начальной магнитной проницаемости у феррита и альсифера.

2. Научиться экспериментально определять точку Кюри.

3. Найти температурные коэффициенты магнитной проницаемости для исследуемых материалов.

 

Пояснения к работе

Магнитомягкие материалы - это магнитные материалы с коэрцитивной силой менее 800 А/м. Эти материалы широко используются в качестве магнитопроводов в различных устройствах современной радиотехники и электроники. К таким материалам, в частности, относятся ферромагнетики - альсиферы и ферримагнетики - ферриты.

Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si; 5,6 % Аl, остальное - Fe.

Ферриты - это смеси окислов металлов с оксидом железа Fe₂O₃, полученные, как правило, порошковым способом.

Благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению до 10⁹ Ом*м и более, у ферритов малы потери на вихревые токи. Поэтому они широко используются в радиоаппаратуре на высоких и сверхвысоких частотах. Наибольшее распространение имеют марганец-цинковые и никель-цинковые ферриты. Цифра в обозначении марки феррита, например, 400НН, 1000НН, 1000НЦ, 3000НМ, 10000НМС, 300ВЧ означает начальную магнитную проницаемость, а буквы: НН и НЦ - никель-цинковые общего применения; НМ - марганцево-цинковые общего применения; ВЧ -высокочастотные; НМС - марганцево-цинковые для телевизионной техники и др.

Намагниченность ферро - и ферримагнитных материалов зависит от температуры, так как при нагревании магнитных материалов тепловое движение атомов разрушает параллельную (антипараллельную) ориентации спиновых магнитных моментов. Температуру Т_к, при которой энергия хаотического движения атомов равна энергии обменного взаимодействия, называют температурой Кюри (Нееля). При этой температуре анергия теплового хаотического движения преодолевает энергию обратного взаимодействия электронов и самопроизвольная намагниченность исчезает, т.е. происходит распад доменной структуры и ферро - или ферримагнетик переходит в парамагнитное состояние. Следовательно, магнитная проницаемость материала становится примерно равной единице. Температура Кюри является важнейшим параметром для оценки рабочего интервала температур магнитного материала.

Типичная температурная зависимость начальной магнитной проницаемости ферритов приведена на рис.1.

 

Рис. 1. Температурная зависимость начальной магнитной проницаемости феррита

 

Индуктивность L радиоэлектронных элементов, содержащих магнитопроводы из ферро - и ферримагнитных материалов, прямо пропорциональна начальной магнитной проницаемости μ_H в соответствии с выражением:

 

(1)

 

где μ₀ - магнитная постоянная; W - число витков катушки индуктивности: S - поперечное сечение магнитопровода; lср -средняя длина магнитопровода. Отсюда следует важность информации о температурной зависимости начальной магнитной проницаемости и характеристике этой зависимости температурного коэффициента ТКμ, вычисляемого как:

 

(2)

 

где μ₁, μ₂, μ_t,- начальные магнитные проницаемости при температурах t₁, t₂ и t, причем t₂ > t₁.

Следует отметить, что особенностью такого материала, как альсифер является возможность в зависимости от содержания кремния и алюминия формировать температурный коэффициент магнитной проницаемости положительным, отрицательным или равным нулю в достаточно широком эксплуатационном температурном диапазоне путем смешения порошков из сплавов с положительным TKμ, отрицательным ТКμ и, следовательно, создавать сердечники с термостабильными или термокомпенсированными свойствами.

Задание к работе

1. Снять зависимости индуктивностей образцов от температуры в диапазоне от комнатной до 210 ºС.

2. Построить графики L = f(t °С) для исследуемых образцов.

3. Построить графики температурной зависимости начальной магнитной проницаемости μ_H (t °С) для двух образцов.

4. Определить точку Кюри для феррита.

5. Определить температурные коэффициенты магнитной проницаемости для интервала температур t₁ - t₂ºC, заданного преподавателем.

6. Построить зависимость TKμ = f(t °С) для феррита.

 

Работа на установке

1. Измерение индуктивностей.

Включить в сеть измеритель индуктивности Е12-1. После прогрева прибора (1 - 2 мин) переключатель "Множитель L" переключить в положение "100", шкалы лимбов установить на "0". Закоротить отдельным проводником клеммы "L_Х" Вращая ручку "начальная установка", добиться нулевых биений, при этом ручку "Чувствительность индикатора" установить в такое положение, чтобы стрелка индикатора биений не зашкаливала.

Подсоединить плату-разъем к клеммам "L_X" измерителя и поочередно измерить индуктивности катушек с альсифером и ферритом при комнатной температуре, вращая ручку, приводящую в движение лимб "отсчет L и С" до появления нулевых биений.

Произвести отсчеты L по лимбам и умножить результаты на 100. Полученные числа будут в соответствии с выражением (7) величинами индуктивностей L в мкГн. Произвести необходимые геометрические измерения для расчетов μ_H в соответствии с выражениями (3) и (4).

2. Снятие температурных зависимостей.

Включить в сеть муфельную печь и поставить переключатель термостата в положение "3". Производить замеры индуктивностей через каждые 10-20 ºС до температуры 210 ºС. После нагрева образцов до 100 - 120 ºС переключатель термостата перевести в положение "2". После достижения температуры значения 200 ºС печь от сети отключить. На участке 180 - 210 °С измерения производить через 5 ºС.

По окончании измерений измеритель и муфельную печь отключить от сети, дверцу печи оставить открытой.

 

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента;

4. Графики L = f(t °С) и μ_H (t °С) для исследуемых образцов;

5. Значение точки Кюри для феррита;

6. Определенные значения индукции насыщения, остаточной индукции, коэрцитивной силы, удельных магнитных потерь;

7. Расчет температурных коэффициентов магнитной проницаемости ТКμ для интервала температур t₁ - t₂ºC, заданного преподавателем.

8. График зависимости TKμ = f(t °С) для феррита.

9. Контрольные вопросы

1. В каких элементах и устройствах радиотехники применяются альсиферы, а в каких ферриты?.

2. Структура и маркировка ферритов.

3. Какие материалы относятся к ферритам?

4. Состав альсиферов.

5. Какие знаете методы измерения магнитной проницаемости?

6. Что такое магнитный материал?

7. Дать определение ферромагнетикам, антиферромагнетикам, ферримагнетикам.

8. Понятие домена, доменной границы

9. Определения точек Кюри, Нееля.

10. Отличие магнитомягкого материала от магнитотвёрдого.

11. В чем различие между ферро - и ферримагнетиками по свойствам, и применению.

12. Объяснить методику измерения индуктивности методом "нулевых биений".

13. Дать сравнительную оценку ферритов и магнитомягких сплавов по параметрам.

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники.- М.: Высшая школа,1986. - 367 с.

2. Материала микроэлектронной техники / Под ред. В.М.Андреева.- М.: Радио и связь. 1989. - 352 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Исследование термоэлектрического эффекта

Цель работы

1. Изучение контактных явлений и термоэлектродвижущей силы.

2. Исследование термопар.

 

Пояснения к работе

Контактные явления

При соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов. Согласно квантовой теории основной причиной появления разности потенциалов на контакте является различная энергия Ферми у сопрягаемых металлов. Так как кинетическая энергия электронов, находящихся на уровне Ферми, в различных металлах различна, то при контактировании материалов возникает переход электронов из области с большим значением анергии в область, где эта энергия меньше, т.е. если энергия Ферми металла А больше, чем у металла В, то из металла А электроны будут переходить в металл В. Фактически переход электронов из металла А в металл В означает переход электронов в данной системе на более низкие энергетические уровни. В результате этого металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно, т.е. между ними возникает разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу носителей заряда. И когда работа электрона по преодолению сил возникшего электрического поля станет равной разности энергии электронов уровней Ферми, наступит равновесие. Таким образом, внутренняя контактная разность потенциалов определяется разностью энергий Ферми для различных металлов. Так как скорости хаотического движения электронов весьма велики, равновесие установится очень быстро - за время τ = 10^-10 с. Очевидно, что в условиях равновесия уровень Ферми в обоих металлах будет одинаковым. Так как энергия Ферми в металлах имеет значение порядка нескольких электронвольт, то контактная разность потенциалов между двумя металлами может составлять десятые доли вольта. Очевидно, что при конструировании элементов радиоэлектронной аппаратуры эту разность потенциалов необходимо учитывать.

 

Термоэлектрический эффект