Лабораторный практикум по курсу

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ

«МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

для высших учебных заведений по специальностям

                       I-41 01 02 «Материалы электронной техники»,

                              I-39 01 01 «Радиотехника»,

I-39 01 02 «Радиоэлектронные системы»,

                              I-39 01 03 «Радиоинформатика»,

                I-39 01 04 «Радиоэлектронная защита информации»

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

                                     1.1. Цель и задача работы

 

Целью работы является выяснение причин возникновения электропроводности диэлектриков и усвоение понятий "электропроводность", "удельная проводимость", "удельное сопротивление", а также освоение стандартной методики измерения удельного объёмного (r _v) и удельного поверхностного (r _s) сопротивлений твёрдых диэлектриков.

Задачей работы является измерение напряжения и тока, протекающего через образец, и определение по расчётным формулам численных значений r _v и r _s исследуемого материала. Необходимо также сделать заключение о том, чем определяются и от чего зависят полученные значения удельных сопротивлений.

 

Подготовка к работе

 

В процессе подготовки к работе до её выполнения необходимо:

1. усвоить цель и задачу работы, ознакомиться с экспериментальными образцами, определить, какой диэлектрический материал в них используется, а также выяснить, чем отличаются образцы между собой;

2. изучить теоретические положения к работе, выписать для отчёта и запоминания основные расчётные формулы и основные определения терминов и понятий, таких как "электропроводность", "удельная проводимость", "удельное объёмное и удельное поверхностное сопротивления", "подвижность носителей заряда";

3. разобраться в схеме измерений, для чего определить, какие приборы используются в работе, каковы их функциональные возможности, т.е. пределы измерений или изменений (регулирования) питающих выходных напряжений, способы индикации измеряемых или выходных сигналов, а также - как образцы подключаются к измерительным приборам, перерисовать к отчёту схему лабораторной установки и схематическое изображение экспериментального образца;

4. изучить методику выполнения работы, т.е. последовательность действий в процессе измерений и подготовить таблицы измерений с обязательным указанием единиц измерений.

 

                     

Теоретические положения к работе

Рисунок 1.1 - Зависимость тока в диэлектрике

При подключении к источнику

Постоянного напряжения

Рисунок 1. 3 - Конструкция экспериментальных образцов

 

 а) Расположение верхнего электрода и охранного кольца,

 б) Подключение электродов при измерении r _v,

 в) Подключение электродов при измерении r _s.

В качестве диэлектрика в образцах используется пористый, гигроскопичный материал - технический картон разной толщины, которая указана на образце в мм. Диаметр верхнего электрода D ₁ = 50 мм, внутренний диаметр охранного кольца D ₂ = 54 мм, для всех образцов. Часть образцов находится в эксикаторе с повышенной влажностью, а другая - в плотно закрытом эксикаторе с влагопоглотителем. Различие образцов по влажности позволяет оценить её влияние на значение r _s и поверхностную проводимость.

Литература

 

1. Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев, «Электротехнические материалы», Л.: «Энергия», 1997 г.

2. В. В. Пасынков, «Материалы электронной техники», М.: ВШ., 1980 г.

3. Ф. Воробей, С. Н. Кураева, А. П. Казанцев, «Лабораторный практикум», ч.1., Мн.:РТИ, 1991г.

4.А.П. Казанцев,«Электротехнические материалы», Мн.: Дизайн ПРО, 1998 г., 2001 г.

 

 

                                    

Лабораторная работа №2

Теоретические положения к работе

 

Рисунок 2.1 - Структуры молекул с ковалентной связью

                           2.3.2. Поляризация диэлектриков

 

При отсутствии внешнего электрического поля в диэлектриках, где нет самопроизвольной поляризации, в каждом элементе объёма из-за разупорядоченной ориентации электрических моментов молекул и их взаимной компенсации суммарный электрический момент будет равен нулю. Под действием электрического поля происходит смещение связанных зарядов относительно своих устойчивых положений на небольшие расстояния, т.е. происходит ориентация связанных зарядов внешним электрическим полем. Это явление называется поляризацией.

За счёт упорядочивания расположения связанных зарядов каждый макроскопический элемент объёма будет иметь электрический момент, отличный от нуля и равный сумме всех электрических моментов молекул, находящихся в этом объёме.

Таким образом, электрическая поляризация - это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого его объёма отличен от нуля.

На рис. 2.2. схематично показано расположение молекул диэлектрика в неполяризованном (а) и поляризованном (б) состояниях.

                

                                 а                                              б

Рисунок 2.2 - Расположение зарядов в диэлектрике: а -в отсутствие внешнего поля; б - при приложении внешнего поля

 

За счёт ориентации молекул в объёме диэлектрика возникает внутреннее электрическое поле с напряжённостью Е _вн. , которое направлено против внешнего поля Е. В результате суммарное поле в диэлектрике E _Дбудет равно:

                                         E _Д = E - E _вн. > 0                                     (1)

 

Для количественной оценки способности диэлектрика поляризоваться или степени поляризации пользуются макроскопической характеристикой (параметром), называемой диэлектрической проницаемостью e.

Различают абсолютную e * и относительную e диэлектрические проницаемости. Они связаны соотношением

 

                                                      e * = ee ₀,                                    (2)

где e ₀ - электрическая постоянная, равная

 

e ₀= 10^-9/36p [Ф / м ] = 8,85×10 ^-12 [Ф /м] = 8,85 [пФ / м].

 

В технике пользуются относительной диэлектрической проницаемостью, которая является безразмерной величиной и определяется соотношением

                                                   e = e */ e _0.                                                                         (3)

 

С другой стороны, относительная диэлектрическая проницаемость e показывает, во сколько раз ослабляется внешнее поле в диэлектрике за счёт поляризации (из-за возникновения внутреннего поля), т.е.

                                                                                 (4)

 

При рассмотрении двух одинаковых по размерам плоских конденсаторов и определении их ёмкости, когда между обкладками одного из них находится диэлектрик, а у другого - вакуум, можно показать, что ёмкость конденсатора с диэлектриком С _дза счёт поляризации больше, чем ёмкость конденсатора С _обез диэлектрика, где нет поляризации.

Следовательно, относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается ёмкость конденсатора с диэлектриком по сравнению с конденсатором того же размера без диэлектрика:

 

                                                         e = С _Д/ С ₀                                         (5)

 

Рисунок 2.3 - Дисперсия диэлектрической проницаемости

 

Сростом частоты поляризационные процессы начинают отставать от изменения фазы вектора напряжённости внешнего поля. При некоторой частоте, когда время установления поляризации становится меньше полупериода частоты внешнего поля, ориентация связанных зарядов прекращается. В результате диэлектрическая проницаемость e уменьшается сначала на величину e _др, затем - на e _ир и т.д. При частотах выше 10¹⁵ Гц e становится равной диэлектрической проницаемости вакуума e _вак, где не существует зарядов и, следовательно, не может быть поляризации. Если в исследуемом диэлектрике отсутствует один или несколько видов поляризации, то на частотной зависимости не будет одной или нескольких ступеней.

 

Диэлектрические потери

Потерями в диэлектрике или диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в виде тепла в диэлектрике, помещённом в электрическое поле, т.е. энергию внешнего электрического поля, затрачиваемую на нагрев диэлектрика в одну секунду. Это означает, что диэлектрик в электрическом поле нагревается на что напрасно тратиться энергия поля. Отсюда и возник термин «диэлектрические потери»

При помещении диэлектрика в постоянное электрическое поле в нём протекает ток сквозной проводимости или ток утечки. Согласно закону Джоуля-Ленца, протекание тока приводит к выделению тепла и нагреву диэлектрика, т.е. к необратимым потерям энергии внешнего поля.

В диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле, существует две причины возникновения необратимых потерь энергии электрического поля:

- потери за счёт протекания тока сквозной проводимости;

- потери за счёт наличия замедленных видов поляризации, отстающих от изменения поля.

Если поляризационные процессы успевают следовать за изменением поля, то в течение первой четверти периода на ориентацию (смещение) зарядов энергия затрачивается, что равносильно нагреву диэлектрика, а при возвращении в исходное состояние, т.е. в следующую четверть периода, накопленная энергия уменьшается, что равносильно охлаждению диэлектрика. В течение периода нагрев компенсируется охлаждением и, таким образом, необратимых потерь энергии нет. Такой процесс характерен для быстрых видов поляризации, а на низких частотах для, практически, всех видах поляризации.

Если поляризационные процессы отстают от изменения поля, то время на нагрев диэлектрика оказывается большим, чем время на охлаждение. В результате диэлектрик нагревается, т.е. существуют необратимые потери энергии внешнего поля. Такой процесс характерен для замедленных видов поляризации при высоких частотах внешнего поля.

При поляризации происходит смещение зарядов, т.е. движение зарядов. Это даёт основание рассматривать процесс поляризации, как протекание токов. Если при протекании тока диэлектрик не нагревается, следовательно, это реактивный ток, что характерно для мгновенных и не отстающих от изменения поля видов поляризации. При замедленных видах поляризации, отстающих от изменения поля, диэлектрик нагревается, следовательно, такие процессы можно характеризовать как протекание в диэлектрике активного тока.

Представление поляризационных процессов в виде протекания активных и реактивных токов позволяет количественно характеризовать потери в диэлектрике.

Для количественной оценки потерь пользуются параметром, который называется тангенсом угла диэлектрических потерь - tg d.

Физический смысл этого параметра можно понять, рассматривая векторную диаграмму напряжения и токов (рис.2.4.), присутствующих в диэлектрике, помещённом в переменное электрическое поле.

     

Рисунок 2.4 - Векторная диаграмма напряжения

                                   и токов в диэлектрике

 

На диаграмме обозначено:

I _о - реактивный ток за счёт мгновенных видов поляризации;

I _рг - реактивный ток за счёт релаксационных видов поляризации, успевающих за изменением поля;

I _ск - сквозной ток или ток утечки;

I _ра - активный ток за счёт замедленных видов поляризации, отстающих от изменения поля.

Реактивный ток I _r = I ₀ + I _pr опережает по фазе напряжение U на 90°. Активный ток I _а = I _ск + I _ра совпадает по фазе с напряжением. Полный ток I сдвинут по фазе относительно напряжения на угол j. Угол d, дополняющий угол сдвига фаз j между током и напряжением до 90°, называется углом диэлектрическим потерь.

Согласно векторной диаграмме тангенс угла диэлектрических потерь определяется выражением:

                                                     tg d = I_a / I _r,                                       (9)

 

Из формулы (9) следует, что чем больше активный ток I _а, нагревающий диэлектрик, тем больше d и tg d и, следовательно, больше потери в диэлектрике. Таким образом, по значению tg d можно количественно оценивать потери в диэлектрике. Для хороших по качеству диэлектриков tg d < 10^-4.

Поскольку поляризационные процессы зависят от частоты внешнего поля, следовательно, и потери и tg d будут зависеть от частоты.

В диэлектрике, находящемся в постоянном электрическом поле, потери определяются только током сквозной проводимости и легко могут быть определены по величине тока I _ск и приложенному напряжению. Поскольку в этом случае реактивного тока не существует, параметр tg d не имеет смысла. В диэлектрике, помещённом в переменное электрическое поле, частотная зависимость tg d имеет вид, представленный на рис.2.5. Для наглядности на нём представлен фрагмент частотной зависимости ε.

 

     

Рисунок 2.5 - Частотная зависимость tg d

 

При низких частотах величина tg d определяется, в основном, током сквозной проводимости I _ски имеет некоторое значение. С увеличением частоты реактивное емкостное сопротивление  уменьшается пропорционально частоте. Поэтому растёт реактивный ток, и, следовательно, tg d уменьшается.

При некоторой частоте релаксационные процессы начинают отставать от изменения внешнего поля. В результате появляется поляризационный активный ток I _ра, растущий пропорционально квадрату частоты. Это приводит к увеличению потерь и росту tg d. Когда время поляризации t становится сравнимым с периодом приложенного напряжения, поляризационные потери максимальны, и tg d достигает максимума.

При дальнейшем увеличении частоты один из релаксационных видов поляризации, если их много, перестаёт успевать следовать за изменением внешнего поля. Следовательно, этот вид поляризации исчезает, уменьшается ε, и tg d также уменьшается.

 

Рисунок 2.6 - Упрощенная схема измерителя добротности Е4-7

Резонансная частота контура определяется его индуктивностью L и ёмкостью C  и равны:

                                                                                                                 

                                                 .                                       (10)

Таблица измерений

                                                                                          

№п/п	f, Гц	С, пФ	Q1	С2, пФ	Q2	Сх, пФ	ε	tgd
1 . .
2 . .

12. По результатам измерений рассчитать:

а) ёмкость образца

                                                   C _x = C ₂ - C ₁;                                      (13)

б) диэлектрическую проницаемость e по ёмкости плоского конденсатора

 

                                                C _x = ee ₀ S / d,                                         (14)

        

                                              e = C _x d / e ₀ S,                                         (15)

 

где S - площадь электродов [м],

d - толщина диэлектрика или расстояние между электродами [м];

в) тангенс угла диэлектрических потерь

 

                                                                              (16)

 

13. По внешнему виду, типоразмеру и марке конденсатора (образца) определить диэлектрический материал, используемый в образце и по справочнику сравнить значение рассчитанной ε с ее значением для материала диэлектрика образца. Значения ε должны быть близкими в пределах точности измерений.

14.   Построить и проанализировать зависимость e и tg d от частоты, определив наличие или отсутствие поляризационных процессов, отстающих от изменения внешнего поля. Сделать выводы по работе.

 

                                2.6. Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются диэлектриками?

2. Что такое поляризация?

3. Перечислить основные виды поляризации.

4. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью?

5. Как практически определяется e?

6. Объяснить частотную зависимость e.

7. Объяснить, почему в эксперименте e не зависит от частоты?

8. Что такое потери в диэлектриках?

9. Причины возникновения потерь в диэлектриках, помещённых в постоянное и переменное электрические поля.

10. Что такое угол и тангенс угла диэлектрических потерь?

   11. Объяснить зависимость tg d от частоты.

 

 

                                             2.7. Литература

 

1. В.В.Пасынков «Материалы электронной техники», М.: Вш., 1980 г.

2. З.Ф.Воробей, С.Н.Кураева, А.П.Казанцев «Лабораторный практикум» ч. 1, Мн.: РТИ, 1991 г.

3. А.П.Казанцев «Электротехнические материалы», Мн.: Дизайн ПРО, 1998 г., 2001г.

 

 

                          

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Рисунок 3.1 - Кривая намагничивания магнетика и

Рисунок 3.2 - Зависимость магнитной проницаемости от

напряженности внешнего поля (а) и температуры (б)

 

Из кривой (рис. 3.2, а) следует, что с увеличением H увеличивается степень ориентации магнитных моментов доменов, за счёт чего растёт m. При полной ориентации магнитных моментов доменов вдоль поля магнитная проницаемость достигает максимального значения m _мах, что соответствует состоянию технического насыщения. При этом магнитная индукция также максимальна - В _max. С дальнейшим ростом Н магнитная индукция уже не растёт, следовательно, магнитная проницаемость уменьшается, что следует из формулы (2).

При изменении температуры изменяется магнитный порядок атомов вещества. Увеличение температуры вначале облегчает ориентацию магнитных моментов доменов, поэтому растёт магнитная проницаемость. При повышенных и высоких температурах за счёт тепловых колебаний атомов нарушается магнитный порядок. В результате магнитная проницаемость уменьшается, и при температуре, называемой точкой Кюри у ферромагнетиков и точкой Нееля у анти- и ферримагнетиков, магнитная проницаемость становится равной нулю. Это означает, что полностью разрушился атомный магнитный порядок и вещество перестаёт обладать магнитными свойствами, т.е. превращается в парамагнетик.

 

З.3.З Процесс перемагничивания в переменном магнитном поле

Особенностью протекания процесса намагничивания в переменном поле является отставание изменения магнитной индукции В от изменения напряжённости поля Н. Это явление называется гистерезисом.

В переменном магнитном поле вектор напряжённости поля Н каждые полпериода частоты поля изменяет направление на противоположное. Поэтому процесс намагничивания, характеризуемый зависимостью B = f (H), будет циклическим в течении каждого периода, а зависимость B = f (H ) будет представлять собой замкнутую петлю, называемую петлёй гистерезиса (рис. 3.3.).

 

 

Рисунок 3.3 - Кривая перемагничивания магнетика в

                              переменноммагнитном поле

 

При малых значениях напряжённости магнитного поля процесс перемагничивания происходит по кривым 1, 2, 3, которые принято называть динамическими петлями гистерезиса. Вершины этих петель образуют кривую, представляющую собой основную или первоначальную кривую намагничивания. Таким образом, геометрическое место вершин динамических (симметричных) петель гистерезиса при циклическом перемагничивании называется основной кривой намагничивания.

Когда напряжённость магнитного поля Н соответствует насыщению, перемагничивание происходит по предельной петле гистерезиса 4, площадь которой максимальна. Особенностью предельной петли гистерезиса является то, что при увеличении Н выше Н _max площадь её не изменяется, а растут только безгистерезисные участки.

Предельная петля гистерезиса имеет ряд характерных точек, позволяющих количественно оценивать свойства магнетика. Таковыми являются:

- коэрцитивная сила ± Н _с;

- остаточная индукция ± В _r;

- максимальная магнитная индукция± B _max;

- напряжённость магнитного поля при насыщении ± H _max.

По площади петли гистерезиса можно судить о магнитных потерях, т.е. о потерях энергии внешнего магнитного поля, которые выражаются в нагревании магнетика в процессе перемагничивания. Чем больше площадь петли гистерезиса, тем больше магнитные потери.

Причинами возникновения и составляющими потерь являются:

- потери на гистерезис – P _г;

- потери на вихревые токи - P _В;

- дополнительные потери - Р _Д.

Наиболее существенными видами потерь являются потери на гистерезис и вихревые токи. При перемагничивании происходит смещение границ доменов и вращение магнитных моментов для чего требуются затраты энергии внешнего поля. Это и есть потери на гистерезис, величина которых пропорциональна частоте внешнего магнитного поля и для единицы объёма определяется соотношением

 

                                    P _Г = [Вт/кг]                              (6)

 

где f - частота [Гц],

р- плотность материала [кг/м ³],

S- площадь петли гистерезиса [Тл×А/м].

Потери на вихревые токи, возникающие в проводящих материалах, помещённых в переменное магнитное поле, явно связаны с нагревом материала в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Величина потерь пропорциональна квадрату частоты внешнего магнитного поля, и для листового образца удельные потери определяются соотношением

 

                                      P_В =    [Вт/кг]                      (7)

 

где s - удельная проводимость [Ом-м]^-1,

d - толщина листа [м],

f - частота [Гц],

р - плотность материала [кг/м ³].

Полные потери определяются суммой всех составляющих потерь в магнетике, т.е.

 

                                        P _{Σ =} P _Г + P _В + P _Д.                                        (8)

 

 

3. З.4. Магнитомягкие материалы и требования к ним

 

Для технического применения наиболее широко используются ферро- и ферримагнетики. Оба класса материалов характеризуются кристаллическим строением и доменной структурой в определённом интервале температур:

- нелинейной зависимостью магнитной проницаемости m от напряжённости внешнего поля Н и температуры Т;

- способностью намагничиваться до насыщения,

- гистерезисом

- температурой Кюри или Нееля, выше которой разрушается атомный магнитный порядок и теряются магнитные свойства.

Магнитные материалы принято разделять на магнитомягкие, магнитотвёрдые и материалы специального назначения.

Для магнитомягких материалов характерна способность намагничиваться до насыщения даже в слабых полях и малые потери на перемагничивание. Это свидетельствует о высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силе.

Именно значение (величина) коэрцитивной силы является классификационным признаком деления магнетиков на первые две группы.

Принято считать, что магнитомягкие материалы имеют 0,4 [А/м] < Н _с < 800 [А/м], а магнитотвёрдые - Н _с > 4 [кА/м].Следовательно, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса с малой Н _с,      а магнитотвёрдые - широкую петлю с большой Н _с.

Следует подчеркнуть, что границы рассматриваемых групп материалов в значительной степени условны. Кроме того, термины «магнитомягкий» и «магнитотвёрдый» не относятся к характеристике механических свойств материала.

К магнитомягким материалам, используемым в технике, относятся:

- технически чистое железо, которое содержит ограниченное количество примесей и прежде всего углерода (менее 0,05%), благодаря чему часто употребляют термин «низкоуглеродистая сталь»;

- электролитическое и карбонильное железо - разновидности технически чистого железа;

- кремнистая (электротехническая) сталь, представляющая собой твёрдый раствор кремния Si в железе Fe; введение Si повышает удельное сопротивление ρ _vи, следовательно, снижает потери, увеличивает m и снижает Н _с;содержание Si обычно не превышает 5%;

- пермаллои - это низкокоэрцитивные сплавы железа с никелем     (Fe - Ni)

или железа с никелем и кобальтом (Fe - Ni - Co) с различными

легирующими добавками (Мо,С r и т.д.);

- альсиферы - тройные сплавы Al - Si - Fe, применяемые в основном            в качестве магнетика в магнитодиэлектриках;

- ферриты (оксиферы) - представляющие собой систему оксидов железа и двух- (Mn, Zn) или одновалентных (Li) металлов, среди которых наибольшее распространение получили низкочастотные до 1МГц марганеццинковые (MnO × Zn × Fe ₂ O ₃), высокочастотные до 100МГц никельцинковые (NiO × Zn × Fe ₂ O ₃ ) и высокочастотные до 1000МГц литийцинковые (Li ₂ О × Zn × F е ₂ О ₃) ферриты;

- магнитодиэлектрики получаемые прессованием измельчённого магнетика с изолирующей его частицы органической или неорганической связкой, которая повышает удельное сопротивление и снижает потери на вихревые токи.

 

Магнитомягкие материалы должны удовлетворять следующим требованиям:

- легко намагничиваться и размагничиваться при минимальных потерях, т.е. иметь узкую петлю гистерезиса и, соответственно, малую Н _си большие значения m _нач, m _max; по этим параметрам лучшими являются пермаллои;

- иметь большие значения индукции насыщения B _S ≡ B _max, что обеспечивает прохождение максимального магнитного потока через единичное сечение магнитопровода, уменьшает габариты и вес изделия; наибольшим значением B, обладают сплавы Fe и Со, технически чистое железо и электротехнические стали;

- обеспечивать малые потери при работе в переменных полях, в том числе на высоких частотах, что снижает температуру нагрева изделия, габариты и вес, повышает КПД и рабочую индукцию; по этим требованиям лучшими являются ферриты и магнитодиэлектрики;

- удовлетворять дополнительным требованиям, которые связаны с механическими свойствами, возможностью автоматизации процесса изготовления изделия и снижением его стоимости, стабильностью параметров во времени и при различных температурах.

 

              

Рисунок 3.4 - Схема измерений параметров магнетиков

 

 

На схеме измерения обозначено:

AT - автотрансформатор;

r _o - калиброванное измерительное сопротивление;

МТ - магнитопровод тороидальный из исследуемого материала;

W ₁, W ₂ - число витков первичной и вторичной обмоток образца;

R, С - элементы интегрирующей цепочки;

ЭО -электронный осциллограф;

П - переключатель для измерения напряжений на входах X и Y осциллографа;

ИЦ - измеритель цифровой (вольтметр).

Принцип измерения заключается в следующем.

Автотрансформатор AT позволяет плавно регулировать напряжение и, следовательно, ток I ₁в первичной намагничивающей обмотке тороида. За счёт протекания тока I ₁в магнитопроводе создаётся магнитное поле, напряжённость Н которого   пропорциональна величине протекающего тока, т.е. Н ~ I₁. Этот же ток протекает через измерительное сопротивление r _о, включенное последовательно с обмоткой W₁, и создаёт падение напряжения D U _r0, величина которого пропорциональна I ₁,т.е. D U _r0 ~ I ₁.

Если две величины, в данном случае Н и D U _r0, порознь пропорциональны третьей (I₁), то они численно пропорциональны друг другу.

Падение напряжения D U _r0подается на вход X осциллографа, следовательно, отклонение луча осциллографа по оси X пропорционально напряжённости поля Н в магнитопроводе образца.

За счёт протекания тока I ₁,создающего магнитное поле напряжённостью Н, в магнитопроводе возникает магнитный поток Ф, благодаря которому во вторичной обмотке индуцируется э.д.с. индукции e. Численное значение e определяется соотношением

 

                                                                                              (9)

Следовательно, для того, чтобы выделить сигнал в виде напряжения, пропорционального магнитной индукции В, необходимо проинтегрировать e по времени. Для этого используется интегрирующая RC - цепь, напряжение с которой подаётся на ось Y осциллографа.

Таким образом, на входах X и Y осциллографа поступают сигналы, (напряжения) пропорциональные Н и В соответственно. При одновременной подаче напряжений на оба входа на экране осциллографа создаётся неподвижное изображение петли гистерезиса. Плавно изменяя напряжение от автотрансформатора, получают динамические петли, в том числе и предельную петлю гистерезиса для исследуемого образца.

 

   3.5. Методика экспериментальных измерений

 

1. Внимательно осмотреть лабораторную установку и информационное табло, на котором даны количественные параметры магнетиков, значения которых по порядку величины должны совпадать с полученными экспериментальными результатами. Там же приведены численные значения величин, используемых при расчётах. Необходимую информацию переписать и использовать в отчёте.

2. Определить, где находятся органы управления работой осциллографа, ручка регулировки автотрансформатора, коммутирующие элементы установки и цифрового измерительного прибора типа В7-27.

3. Подготовить таблицы измерений.

4. С разрешения преподавателя включить приборы и установку в сеть. После прогревания осциллографа в течении 10-15 минут приступить к измерениям.

5. Кнопкой коммутации образцов подключить первый образец к измерительной установке.

6. Вращая ручку регулировки напряжения автотрансформатора, постепенно повышать напряжение, подаваемое на образец. При этом на экране осциллографа должно появиться изображение петли гистерезиса. Повышая напряжение на образце, получить предельную петлю гистерезиса. Регулируя усиление по входам X и Y осциллографа вписать изображение предельной петли должно полностью вписываться в шкалу экрана осциллографа.

7. Определить по шкале осциллографа и записать в таблицу 3.1. координаты характерных точек предельной петли гистерезиса в миллиметрах.

       

   Таблица 3.1

Таблица 3.2.

Таблица 3.3

Литература

1.. В.В.Пасынков, «Материалы электронной техники», М.: Вш, 1980 г.

2. В.В.Пасынков, В.С.Сорокин, «Материалы электронной техники», М.: Вш,   1986 г.

3. А.А.Преображенский, «Магнитные материалы и элементы», М.: ВШ, 1976   

4. З.Ф.Воробей, С.Н.Кураева, А.П.Казанцев, «Лабораторный практикум» ч.1, Мн.: МРТИ, 1991 г.

5. А.П.Казанцев, «Электротехнические материалы», Мн.: Дизайн ПРО, 1998 г., 2001г.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Цель и задача работы

 

Целью работы является изучение электропроводности полупроводников и усвоение понятий "полупроводник", "собственный, примесный полупроводник", "подвижность носителей заряда", "основные, неосновные носители заряда”, “энергия активации собственной или примесной проводимости”.

Задачей работы является измерение сопротивления образцов в заданном диапазоне температур и определение по экспериментальным данным ширины запрещённой зоны собственного полупроводника или энергии активации примесной проводимости термическим методом.

                                     4.2. Подготовка к работе

 

В процессе подготовки к работе до её выполнения необходимо:

1. усвоить цель и задачу работы и взять у преподавателя геометрические размеры образцов;

2. изучить теорию электропроводности полупроводников, выписать для отчёта и запоминания основные термины, используемые в работе, а также перерисовать энергетические диаграммы собственного и примесного полупроводников и вписать основные формулы (4), (6), (7), (8), (11…15), (18);

3. разобраться в схеме лабораторной установки, для чего выяснить, какие приборы используются в работе, каковы их функциональные возможности и назначение, перерисовать к отчёту схему установки;

4. изучить методику выполнения работы, т.е. последовательность действий в процессе измерений и подготовить таблицу измерений с обязательным указанием единиц измерения всех величин.

Рисунок 4.2 - Энергетические диаграммы примесных

полупроводников а- донорного, б- акцепторного

 

На рис.4.2 обозначено:

D Е _д, D Е _А- энергетическое положение электронов примесных атомов, которое часто называют глубиной залегания примеси или энергией активации примесной проводимости примесных носителей заряда.

Энергия связи внешних электронов примесных атомов за счет взаимодействия с матричными атомами значительно уменьшается. Поэто