Описание установки

Для проведения лабораторной работы используется стенд,на котором смонтированы три схемы 1 - источник питания для снятия вольт-амперных характеристик;

2 - для наблюдения осциллограммы вольт-амперной характеристики;

3 - для изучения работы однополупериодного выпрямителя .

Порядок выполнения работы

ЗАДАНИЕ 1. Принцип работы выпрямителя.

Подключите схему 3 стенда (рис.13) к осциллографу. При включенной развертке получите на экране кривую изменения во времени напряжения на резисторе R в двух случаях: при замкнутом и при разомкнутом ключе К.

В отчете дать вид осциллограмм, скопированный с экрана, и их объяснение

ЗАДАНИЕ 2.  Наблюдение вольт-амперной характеристики.

Для выполнения задания необходимо воспользоваться схемой 2 стенда (рис.14) и осциллографом.Генератор развертки осциллографа должен быть отключен. В отчете привести вид вольт-амперной характеристики, скопированной с экрана, и пояснения ее хода.

ЗАДАНИЕ 3.  Снятие вольт-амперной характеристики.

Используется схема 1 стенда, к которому подключаются амперметр и вольтметр через дополнительную схему, содержащую диод. Регулировка напряжения производится резисторами схемы 1. При проведении измерений следует учитывать, что измерительные приборы имеют собственное сопротивление и поэтому изменяют режим работы исследуемой цепи. При снятии вольт-амперной характеристики для прямого тока при подключении к стенду приборов необхо-

димо использовать схему рис.15а, для обратного тока – схему рис.15б.

ЗАДАНИЕ 4. Пользуясь вольтамперной характеристикой p-n перехода  и формулой ( 29 ), определить величину элементарного заряда.

Обработка результатов измерений

По данным эксперимента построить график зависимости прямого тока от напряжения, откладывая по осям значения ln I и U.

Линейный характер графика свидетельствует об экспоненциальной зависимости прямого тока от напряжения для полупроводникового диода. Действительно, если прологарифмировать выражение (29)

ln I = ln I_S + U

и ввести новые переменные: x = U , y = ln I; a = e / nkT; b = ln I_S- новые постоянные,то приходим к линейной зависимости: y = ax + b .

Вывести формулу для расчета элементарного заряда е, используя полученные соотношения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какие происходят процессы в p-n переходе при наложении на него прямого и обратного напряжений?

2. Объясните причину ассиметричности вольтамперной характеристики диода.

3. Нарисуйте схему 2-х полупериодного полупроводникового выпрямителя.

ЛИТЕРАТУРА: [3. §5.1; 6.§ 227]

РАБОТА 7. СНЯТИЕ КРИВОЙ НАМАГНИЧЕНИЯ И ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА

ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА.

Цель работы

1. Познакомиться с осциллографическим методом изучения свойств ферромагнетиков.

2. Снять начальную кривую намагничения.

3. Снять петлю гистерезиса и определить гистерезисные потери в ферромагнетике.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Все вещества во внешнем магнитном поле намагничиваются,т.е. создают собственное магнитное поле. Собственное поле магнетика характеризуется   намагниченностью  J, т.е. магнитным моментом единицы объема тела магнетика. Намагниченность связана с напряженностью внешнего магнитного поля :

 

= ,

где:   - безразмерный коэффициент, называемый магнитной восприимчивостью.  

Индукция суммарного магнитного поля в образце, напряженность и намагниченность связаны соотношением:

, (30)

где:  = 4 ^.10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Для изотропных магнетиков можно записать

, (31)

где:   - относительная магнитная проницаемость магнетика.

В зависимости от величины и направления собственного поля различают пять видов магнетиков: диа- и парамагнетики, ферро- и антиферромагнетики, ферримагнетики (ферриты). Обнаружение собственного поля диа- и парамагнетиков возможно только высокочувствительной аппаратурой. Ферромагнетизм-свойство сильное и легко обнаруживается экспериментально. Ферромагнетики широко используются для изготовления сердечников трансформаторов, электромагнитов, магнитопроводов электродвигателей и т.д.

Собственное магнитное поле ферромагнетиков в тысячи раз превосходит внешнее поле, его вызвавшее. Этот факт П. Вейсс объяснил тем, что ферромагнетик состоит из ряда областей - доменов, внутри которых намагниченность J равна максимальной, называемой намагниченностью насыщения (рис.16а). В отсутствии внешнего магнитного поля векторы намагниченности отдельных доменов ориентированы хаотически и намагниченность образца в целом равна нулю.

Появление намагниченности образца во внешнем магнитном поле объясняется двумя процессами: 1) увеличением объема доменов, ориентированных по внешнему полю, за счет доменов с другой ориентацией в результате обратимого и необратимого смещения границ;

2) поворота доменов с ориентацией их векторов намагниченности по внешнему полю. Указанные процессы и области их проявления показаны на рис.16а.

Рис.16.

Доменная структура ферромагнетиков экспериментально подтверждена в опытах Биттера, Акулова Н.С. Теория ферромагнетизма не разработана полностью, в работах Гейзенберга В. и Френкеля Я.И. показано, что доменная структура - проявление квантовых свойств.

Проявление ферромагнетизма зависит от температуры. Для каждого ферромагнетика есть такая температура (температура Кюри - Тс), при которой ферромагнетизм пропадает и вещество становится обычным парамагнетиком.

Для ферромагнетиков взаимосвязь величин В, J и Н очень сложна, так как   и   зависят от Н. Рис.16,17 дают представление о характере такой связи.

Графики на рис.16 называются начальными кривыми намагничения, т.к. при Н = 0, J = 0 и В = 0, т.е. образец полностью размагничен.

Если ферромагнетик поместить во внешнее переменное магнитное поле, то зависимость индукции В от напряженности Н оказывается неоднозначной (рис.17). При ослаблении внешнего магнитного поля образец размагничивается, но уменьшение В идет не по начальной кривой 0а, а отстает и идет согласно участку аb. При изменении направления внешнего поля образец сначала размагничивается (участок bc), а потом, намагничиваясь, вновь достигает состояния насыщения (точка d). Ослабление поля создает участок de, усиление поля противоположного направления -участок efa. Полученная зависимость В от Н на рис.17 носит название  петли гистерезиса.

Если максимальное значение Н таково, что намагниченность достигает насыщения, получается максимальная петля гистерезиса. Если насыщение не достигается, получается петля, называемая

частным циклом. Частных циклов существует множество, вершины петель лежат на кривой Оа - на начальной кривой намагничения.

Значение индукции поля В_r (точка b) при H=0 носит название  остаточной , а значение напряженности магнитного поля Н_с (точка с), при которой снимается остаточное намагничение, называют  коэрцитивной силой.  Величины Вr и Н_с относятся к основным характеристикам ферромагнетика. Если Н_c велика, ферромагнетик называется жестким. Для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой Н_c (с узкой петлей) называется мягким.

Элементарная работа намагничивания единицы объема ферромагнетика может быть записана в виде: dA = HdB.

Следовательно, за один цикл перемагничивания в единицу объема ферромагнетика вводится энергия:

Q₁ = HdB

Отсюда Q ₁ численно равна площади петли гистерезиса, построенной в координатах В-Н. Эта энергия увеличивает внутреннюю энергию, ферромагнетик нагревается и тем больше, чем сильнее выражен гистерезис.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.