Электротехнические материалы. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, ПОЛУПРОВОДНИКОВ, ПРОВОДНИКОВ И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Федеральное агентство по образованию

____________________

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

Ч А С Т Ь 2

Электротехнические материалы

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, ПОЛУПРОВОДНИКОВ, ПРОВОДНИКОВ И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

Лабораторный практикум

 

 

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

__________________   САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ББК 31.23я73

М 34

А в т о р ы:

Ю. А. Полонский, В. О. Белько, П. Н. Бондаренко, Н. Ю. Егоров, С. П. Журавлев, Н. М. Журавлева, Т. Н. Муравьева, А. В. Ткаченко)2:621.3(076.

Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч. 2. Электротехнические материалы. Основные свойства нелинейных диэлектриков, полупроводников, проводников и магнитных материалов: Лаб. практикум / Ю. А. Полонский и др.- СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2009.- 66 с.

 

 

Соответствует государственному образовательному стандарту бакалаврской, инженерной и магистрской подготовки и предназначен для студентов вузов, обучающихся в рамках направлений 140600 “Электротехника, электромеханика и электротехнологии” и 140200 “Электроэнергетика” и изучающих федеральную дисциплину ОПД.Ф.02 “Материаловедение. Технология конструкционных материалов”.

Знакомит студентов с основными электрическими характеристиками нелинейных диэлектриков, полупроводников, магнитных материалови методами их измерений, прививает студентам навыки выполнения лабораторных работ.

Предназначен для студентов факультетов: электромеханического, технической кибернетики, открытого дистанционного обучения.

 

Табл. 11. Ил. 21. Библиогр.: 9 назв.

 

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

 

 

ISBN

© Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, 2009

© Коллектив авторов, 2009

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Лабораторный практикум содержит описание четырех лабораторных работ. Цель их выполнения – изучение основных электрических свойств нелинейных диэлектриков, электропроводности полупроводниковых и проводниковых материалов, параметров магнитных материалов.Рассматриваемые электротехнические материалы отличает сложность протекающих в них электрофизических процессов, которые необходимо рассматривать как с точки зрения классической теории, так и квантовой статистики. Изучаемые материалы находят широкое применение – от электронной техники до электроэнергетики.

Задача лабораторных работ – ознакомить студентов с методами экспериментального определения исследуемых характеристик и их основных зависимостей от различных внешних и внутренних факторов (температуры, электромагнитного поля, строения и др.).

Каждая лабораторная работа включает следующие этапы.

1. Самостоятельная подготовка студентов к работе. Перед началом конкретной лабораторной работы студенты должны изучить соответствующие разделы данного пособия и четко представлять себе цель работы, знать схему измерительной установки, метод измерения, физическую сущность ожидаемых результатов. Должен быть приготовлен протокол измерений, содержащий таблицы для записи результатов измерений и расчета, а также основные расчетные формулы.

2. Проведение эксперимента. Эксперименты проводятся в соответствии с методическими указаниями, содержащимися в каждой работе. Включать измерительную установку можно только после собеседования с преподавателем и получения соответствующего разрешения. Любые изменения в электрической схеме производятся только при отключении ее от источника напряжения. Перед включением приборов следует убедиться в том, что они занулены. Результаты измерений проверяются преподавателем и подтверждаются его подписью на протоколе измерений.

3. Составление отчета о проделанной работе. Отчет должен содержать название и номер работы; цель работы; схему установки и (или) приборов; расчетные формулы, использованные в работе; контрольный расчет; необходимые таблицы и графики (выполняются на миллиметровой бумаге или с помощью компьютерной техники); анализ полученных результатов и соответствующие выводы. В отчете должны быть указаны фамилии студентов, выполнявших работу, номер группы, дата выполнения. К отчету прилагается протокол измерений.

4. Защита лабораторной работы с представлением отчета. При защите работы студенты должны показать понимание физических явлений, наблюдаемых в исследованных материалах, объяснить результаты и сделать выводы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Студентам запрещается: 1.1. Начинать работу без ознакомления с инструкцией для данной конкретной… 1.2. Прикасаться к открытым токоведущим частям установки, приборов и распределительных щитов.

Р а б о т а № 1

И С С Л Е Д О В А Н И Е С Е Г Н Е Т О Э Л Е К Т Р И К О В

Цель работы – получение первоначальных представлений об активных диэлектриках, представителями которых являются сегнетоэлектрики, ознакомление с особенностями сегнетоэлектрических материалов, освоение методики измерения основных параметров сегнетоэлектрика при воздействии различных факторов осциллографическим методом, исследование закономерностей нелинейной спонтанной поляризации.

Основные положения

Помимо поляризации, возникающей под действием внешнего поля, у ряда веществ, относящихся к классу активных диэлектриков, присутствует спонтанная… Активными или нелинейными, управляемыми диэлектриками называют диэлектрические… сегнетоэлектрики – существенно изменяется относительная диэлектрическая проницаемость при изменении напряженности…

Описание измерительной установки

Линейный конденсатор С0 имеет емкость значительно большую, чем емкость испытуемого конденсатора с сегнетоэлектриком Сх, и соединен с ним… В данной работе свойства сегнетоэлектриков исследуются с помощью лабораторной… Конденсатор С01 (слюдяной, емкостью 2200 пФ) необходим для определения масштабов вертикального и горизонтального…

Определение масштабов вертикального

И горизонтального отклонений луча осциллографа

1.2. Переключателем П3 замкнуть накоротко горизонтальный вход осциллографа (положение 1). 1.3. Переключатель П2 поставить в положение C01. 1.4. Включив П1, с помощью автотрансформатора установить напряжение на испытуемом конденсаторе 150 В (контроль за…

Определение температуры точки Кюри

Сегнетоэлектрического конденсатора

3.2. Измерить вертикальное отклонение луча от центра экрана. 3.3. С помощью переключателя П4 включить электронагреватель Rэн. 3.4. Через каждые 10оС (до 110 оС) записывать величину вертикального отклонения. Результаты измерений внести в табл.…

Библиографический список

2. Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. – Л. : Энергоатомиздат, 1985. – 304 с. (Гл.… 3. Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов /…

Р а б о т а № 2

И С С Л Е Д О В А Н И Е Э Л Е К Т Р О П Р О В О Д Н О С Т И

П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х М А Т Е Р И А Л О В

Цель работы – изучение основных физических процессов в полупроводниках на основе анализа температурной зависимости их электропроводности, измеренной с применением четырехзондового метода измерения.

Основные положения

В зависимости от степени чистоты различают собственные (можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре) и примесные полупроводники. Электропроводность полупроводников целесообразно рассматривать с привлечением…

Описание измерительной установки

Для проведения измерений при повышенной температуре образец вместе с зондовым устройством помещен в нагреватель, температура которого регулируется… Рис. 2. 4. Принципиальная схема измерения электропроводности

Порядок выполнения работы

Перед включением установки в сеть получить у преподавателя описание измерительной установки и ознакомиться с ним, убедиться, что все переключатели и тумблеры находятся в выключенном положении.

Измерение температурной зависимости проводимости

1.2. Соответствующим тумблером осуществить выбор исследуемого образца; 1.3. Ознакомиться с градуировкой милливольтметра; 1.4. При комнатной температуре произвести измерения тока, протекающего между токовыми зондами, и падения напряжения…

Расчет энергетических параметров полупроводника

2.2. Определить ширину запрещенной зоны исследуемого материала; 2.3. Высказать предположение и обосновать его: какой из известных… 2.4. Сделать вывод о доминирующем механизме рассеяния в области истощения примесей, построив соответствующий участок…

Содержание отчета

Отчет должен включать:

1. Цель работы.

2. Схему установки.

3. Расчетные формулы и соотношения, используемые в работе.

4. Таблицу с измеренными и рассчитанными величинами.

5. Примеры расчета по соответствующим формулам.

6. Графики зависимостей lnγ =f( 1/Т) и lnγ=f(lnT).

7. Расчет значений ∆W и χ.

8. Величину Т_i (и, если возможно, Т_s).

9. Расчет N_Д(А) по величине Т_i.

10. Выводы по полученным данным.

Контрольные вопросы

1. Какие носители заряда присутствуют в полупроводниках?

2. Каков преимущественный вид носителей заряда в случае донорных и в случае акцепторных примесей?

3. Как Вы понимаете термин «зона проводимости»?

4. В каких пределах лежит ширина запрещенной зоны полупроводников?

5. Чем определяется температурная зависимость электропроводности полупроводника?

6. Почему собственная проводимость в полупроводнике появляется при более высоких температурах, чем примесная?

7. Почему именно зависимость концентрации свободных носителей от температуры определяет характер зависимости проводимости полупроводника от температуры?

8. Какие существуют виды рассеяния носителей заряда?

9. В чем состоит особенность четырехзондового метода измерения электропроводности?

10. Какие энергетические параметры полупроводника можно определить по температурной зависимости удельной проводимости?

11. Как определить концентрацию примесей в полупроводнике?

12. Как определить тип рассеяния носителей заряда?

Библиографический список

2. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин.- СПб. : Изд-во «Лань», 2001.- 368 с. 3. Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы / Н. П. Богородицкий, В.… 4. Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов.– М. :…

Р а б о т а № 3

И С С Л Е Д О В А Н И Е Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Х С В О Й С Т В П Р О В О Д Н И К О В Ы Х М А Т Е Р И А Л О В

Цель работы – ознакомление с электрическими свойствами проводниковых материалов и методикой их исследования, включая экспериментальное и аналитическое определение удельного электрического сопротивления проводников.

Основные положения

Современные представления об электрических свойствах металлов, как и других твердых электротехнических материалов, базируются на зонной теории… Электроны в металлах, подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака, являются… При приложении к металлу внешнего электрического поля Е участвующие в тепловом движении электроны получают некоторую…

Порядок выполнения работы

Перед началом испытаний изучить лабораторную установку, ознакомиться с порядком подключения исследуемых образцов и требуемых схем измерений. Заготовить необходимые таблицы для занесения экспериментальных данных, переписать параметры объектов измерений, необходимые для дальнейших расчетов. После собеседования с преподавателем приступить к выполнению работы.

Определение удельного электрического сопротивления проводников

1.2. Включить тумблер «Сеть» на панели установки; 1.3. Включить тумблер «Установка 0»; 1.4. Принеобходимости установить 0 на измерителе температуры центральным винтом корректора;

Определение электрического сопротивления резисторов

2.1. Переключатель П3 поставить в положение «2» - «Резисторы», переключатель П2 – в положение «1», соответствующее первому резистору; 2.2. Выбрав двухэлектродную схему измерений, нажать кнопки «МО-2» и «τ»… 2.3. Установить необходимое отношение плеч «хN»;

Обработка результатов измерений

2. Рассчитать температурный коэффициент удельного сопротивления исследованных металлических проводников; 3. Для медного и алюминиевого проводников по закону Видемана-Франца-Лоренца… 4. Для меди и алюминия построить зависимости ρ=f(T), полученные экспериментально и аналитически.…

Содержание отчета

Отчет должен включать:

1. Цель работы.

2. Основные формулы и соотношения, используемые в работе.

3. Таблицы с результатами измерений и вычислений.

4. Примеры расчета.

5. Графики зависимостей ρ=f(Т) для металлов (теоретическая и экспериментальная).

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Каков механизм проводимости в металлах?

2. Почему электрическое сопротивление чистых металлов отличается от сопротивления сплавов?

3. Каков физический смысл уровня Ферми?

4. Почему удельное сопротивление металлов растёт с температурой?

5. В чем заключается правило Маттиссена?

6. Назовите проводниковые материалы высокого сопротивления и примеры их использования в технике.

7. Почему измерение сопротивления проводников проводится четырехзондовым методом?

8. Чем обусловлена контактная разность потенциалов?

9. В каких условиях возможно появление термо-э.д.с. в замкнутой цепи?

10. Как влияют упругие деформации на удельное сопротивление металлов?

11. В чем сущность термокомпенсации?

12. В чем сущность эффекта Пельтье?

Библиографический список

2. Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. – Л. : Энергоатомиздат, 1985. – 304 с. (Гл.… 3. Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов /…

Р а б о т а № 4

И С С Л Е Д О В А Н И Е О С Н О В Н Ы Х С В О Й С Т В М А Г Н И Т Н Ы Х М А Т Е Р И А Л О В

Цель работы – получение первоначальных представлений о магнитных материалах, освоение методики исследования магнитных свойств веществ, экспериментальное определения ряда параметров ферромагнитных материалов.

Общие положения теории магнитного поля

(4.1) где μ = 4π10-7 Гн/м– магнитная постоянная. В свою очередь намагниченность зависит от напряженности магнитного поля

Известно большое количество методов достаточно точного измерения магнитных характеристик магнитных материалов. Среди них можно назвать такие методы, как метод баллистического галь-ванометра, метод флюксметра, метод пермеаметра и др. Однако у каждого из этих метод есть определенные недостатки. Это сложность в подготовке образцов к измерениям и трудоемкость проведения самих испытаний.

Существует способ, позво-ляющий визуально наблюдать кривую гистерезисного цикла при намагничивании образца перемен-ным током на экране электронного осциллографа. Применяемая обычно для этого схема приведена на рис. 4.1. Подлежащий исследованию сердечник в форме, например, кольца (тора) 1, набранного из листов стали, снабжается намагничивающей 2 и измерительной 3 обмотками. Необходимое значение намагни-чивающего тока устанавливается по амперметру А. Напряжение с сопротивления r подается на пластины горизонтального отклонения электронного осциллографа; отклонение луча по горизонтали в каждый данный момент будет пропорционально намагничивающему току и соответственно напряженности поля Н, мгновенное значение падения напряжения на конденсаторе пропорционально мгновенному значению индукции в образце. Это напряжение подается на пластины вертикального отклонения осциллографа, и на экране получается изображение кривой гистерезисного цикла.

На экране осциллографа в координатах B и Hотображается так называемая петля гистерезиса, характерная для материалов с доменной структурой (рис. 4.2). Метод позволяет получить основную кривую намагничивания (кривая от точки 0 до точки а), измерить остаточную индукцию B_r (от точки 0 до точки b), измерить коэрцитивную силу H_c (от точки 0 до точки H_c), оценить потери на перемагничивание и на вихревые токи.

Осциллографический метод реализован по схеме, представленной на рис. 4.3.

 

Рис. 4.3. Схема экспериментальной установки От лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) регулируемое напряжение подается на понижающий трансформатор Тр. Через сопротивление Rp = 0,22 Ом напряжение поступает на обмотку W1 (W1 = 1400 витков) пермеаметра “Перм”, служащего для создания испытательного магнитного поля.

Образец “Обр” испытуемого материала в виде тонкой и узкой полоски вставляется внутрь измерительной катушки W₂ (W₂ = 200 витков) так, чтобы замкнуть магнитный поток пермеаметра. Сигнал с катушки W₂ через интегрирующую цепь RC поступает на усилитель с коэффициентом усиления K_у = 100 и далее на вход вертикального отклонения Y осциллографа “Осц”. Важно, что это напряжение U_c пропорционально индукции B, что видно из формулы:

(4.14)

где S_обр– площадь поперечного сечения образца; B – индукция в образце; – эдс, индуцируемая в обмотке , R = 620 кОм, С = 0,3 мкФ.

. (4.15)

Масштаб по оси ординат равен

, (4.16)

где =Тл/дел; U_y – значение вертикального усиления осциллографа, U_у =В/дел; K_у – коэффициент усиления.

На вход горизонтального отклонения осциллографа подается напряжение с сопротивления R_p, пропорциональное величине тока, протекающего по первичной обмотке пермеаметра, т. е. пропорциональное напряженности магнитного поля, поскольку

, (4.17)

где – магнитодвижущая сила; I – ток в обмотке, А; l₂ – длина части образца, включенная последовательно в магнитную цепь (расстояние между точками a1 и b1, рис. 4.4), м.

Масштаб напряженности магнитного поля по оси абсцисс равен

, (4.18)

где – ток в обмотке W₁ пермеаметра; U_х – значение горизонтального усиления осциллографа, = В/дел.; R_р = 0,22 Ом; [h] = =А/м·дел.

Определить величины индукции и напряженности магнитного поля в любой точке гистерезисной петли можно по формулам:

 

H = h·x; (4.19)

B = b·y. (4.20)

В данной работе может быть получена такая важная характеристика магнитных материалов, как потери энергии при перемагничивании. Этот параметр оценивается по площади петли гистерезиса, поскольку площадь в координатах B-H имеет размерность энергии. Масштаб потерь энергии на единицу площади равен

, (4.21)

где S_гист – площадь петли гистерезиса, деления; f– частота приложенного напряжения, Гц; γ –плотность материала образца, кг/м³; [P_{сумм.уд}] =Вт/кг.

Индекс «сумм.» у величины P_{сумм.уд} означает, что сделанная оценка учитывает потери на гистерезис и на вихревые токи.

Порядок выполнения работы

2. Включить питание приборов и вывести электронный луч в центр экрана. 3. Поместить образец в пермеаметр. 4. Подать ЛАТР’ом ток в индуцирующую обмотку пермеаметра и добиться максимального размера петли на экране…

Содержание отчета

Отчет должен включать:

1. Цель работы.

2. Основные формулы и соотношения, используемые в работе.

3. Таблицы с результатами измерений и вычислений.

4. Примеры расчета.

5. Графики зависимостей B = f(H), μ=f(H), U_r =f(H), U_c =f(H).

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются векторы магнитной индукции В и напряженности магнитного поля Н?

2. Что такое магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость?

3. Как по графику функции В=f(Н) можно построить график ?

4. Как классифицируются магнитные материалы?

5. Какими свойствами обладают диа- и парамагнетики?

6. Что такое ферромагнетики, и каковы их свойства?

7. Дать определение величинам, характеризующим магнитное поле вещества. Указать размерности этих величин.

8. Какие процессы в образце характеризует петля гистерезиса?

9. Что такое коэрцитивная сила?

10. Как определяются потери энергии при перемагничивании ферромагнетика?

Библиографический список

2. Тамм, И. Е. Основы теории электричества / И. Е. Тамм.– М. : Наука, 1989.- 504 с. 3. Преображенский, А. А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы :… 4. Теоретические основы электротехники: В 3-х т.: Учебник для вузов / К. С. Димерчан [и др.].– СПб. : Питер, 2003 //…

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение ……………………………………………………………………………………3

Техника безопасности………………………………………………………………………4

Работа 1. Исследование сегнетоэлектриков ……………….……………………….….7

Работа 2. Исследование электропроводности полупроводниковых материалов .....23

Работа 3. Исследование электрических свойств проводниковых материалов…..…..36

Работа 4. Исследование основных свойств магнитных материалов ……………...…51

 

 

Полонский Юрий Александрович,

Белько Виктор Олегович,

Бондаренко Петр Николаевич,

Егоров Никита Юрьевич,

Журавлев Сергей Петрович,

Журавлева Наталия Михайловна,

Муравьева Татьяна Николаевна,

Ткаченко Александр Владимирович

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЧАСТЬ 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Основные свойства нелинейных диэлектриков, полупроводников, проводников и магнитных материалов

  Лабораторный практикум