Лабораторная работа №5.

Фотопроводимость.

1. Цель работы: изучить явление фотопроводимости полупроводников, измерить сопротивление фоторезистора при различной освещенности и определить параметры полупроводника примененного для изготовления фоторезистора.

2. Оборудование: модуль «Модуль питания и USB осциллограф», модуль «Барьерный эффект. Фотопроводимость», модуль «Мультиметры», модуль «Функциональный генератор», соединительные проводники. На рисунке 1 изображена электрическая схема соединений типового комплекта для измерения зависимости проводимости полупроводника от интенсивности светового потока.

Рисунок 1.

3. Абсолютные погрешности приборов:

Мультиметр MASTECH MY64 – 0,01 mA

4. Основные формулы: световой поток светодиода

, (1)

где k_VD – коэффициент зависящий от светодиода (k=60Кд/А);

r – расстояние от источника света до приёмника (r=10мм)

Δi = i_RK - i_RKT – изменение тока при облучении

5. Таблица обработки результатов измерений:

№	iVD,мА	URK,В	iRK,мА	∆iRK,мА	E,B	ln(∆i),мА	ln(E),B
1	0	14	0.16	0	0	0	0
2	1.01	14	0.22	0.06	0.606	-2.8	-0.5
3	3.0	14	0.35	0.19	1.8	-1.7	0.587
4	6.04	14	0.47	0.31	3.624	-1.2	1.287
5	9.0	14	0.54	0.40	5.4	-0.9	1.686
6	12.06	14	0.59	0.43	7.236	-0.8	1.979
7	14.0	14	0.61	0,45	8.4	-0.8	2.128

6. График зависимости ln(∆i) = f (ln(E))

Рисунок 2 – График зависимости натурального логарифма изменения тока через полупроводник от натурального логарифма светового потока

Из графика определяем показатель степени х для измеряемого фоторезистора, как тангенс угла наклона, и коэффициент β:

Вывод: В данной лабораторной работе изучили явление фотопроводимости полупроводников и убедились, что при освещении полупроводника, в результате оптической генерации носителей, фотопроводимость нарастает постепенно и спустя некоторое время устанавливается стационарная фотопроводимость. Изменение тока в зависимости от изменения светового потока носит линейный характер.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Фотопроводимостью называется явление, заключающееся в изменении проводимости полупроводника под воздействием электромагнитного излучения, не связанное с его нагреванием.

2. Физический смысл оптической генерации заключается в возникновении дополнительных (неравновесных) носителей заряда при освещении полупроводника, в результате чего происходит поглощение квантов света с энергией, превышающей энергию активации носителей заряда.

3.Релаксация фотопроводимости. Изменение электрических свойств полупроводников под влиянием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быстродействия.

4. Основные параметры фоторезисторов:

Рабочее напряжение Uр– постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях (как правило, от 1 до 1000 в).

Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax– максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

Темновое сопротивление Rт– сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности (варьирует в обычных приборах от 1000 до 100000000 ом).

Световое сопротивление Rс– сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

Кратность изменения сопротивления KR– отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению).

Допустимая мощность рассеяния– мощность, при которой не наступает необратимых изменений параметров фоторезистора в процессе его эксплуатации.

Общий ток фоторезистора– ток, состоящий из темнового тока и фототока.

Фототок– ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

Удельная чувствительность – отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение, мкА / (лм • В)

Интегральная чувствительность – произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение Sинт=К0Umax.

Постоянная времени tф– время, в течение которого фототок изменяется на 63%, т. е. в e раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики.

Лабораторная работа №7

Измерение диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков.

1. Цель работы: ознакомиться с образцами диэлектрических материалов. Определить их диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь. Сравнить полученные результаты со справочными данными.

2. Оборудование: «Измеритель RLC», минимодули «Диэлектрическая проницаемость бумаги», «Диэлектрическая проницаемость полиэтилентерефталата», «Диэлектрическая проницаемость полипропилена», соединительные проводники.

Рисунок 3 – Соединение измерителя RLC и минимодуля «Диэлектрическая проницаемость:

1-кнопка выбора режима измерения основного параметра (ёмкость, индуктивность, сопротивление); 2-кнопка включения прибора; 3-кнопка выбора частоты тест сигнала; 4- кнопка выбора режима измерения дополнительного параметра (активное сопротивление, добротность, диэлектрические потери)

3. Абсолютные погрешности приборов:

Измеритель RLC – 0,01*10^(-9) Ф;

4. Расчетные формулы:

, (2)

где C_x – емкость конденсатора, заполненного данным диэлектриком, Ф;

С₀ – емкость конденсатора тех же размеров, между обкладками которого находится вакуум, Ф.

Для плоского конденсатора значение C₀, Ф:

, (3)

где ₀ – электрическая постоянная, ₀=8.8510^-12 Ф/м;

S – площадь обкладки конденсатора, м²;

d – зазор между пластинами, м.

5. Таблица обработки результатов измерений:

№	f,Гц	ε	Измерителем RLC		ε справ.	d,м*10-6	S,м2*10-6	Со,Ф*10-9
			tgδ	Cx,Ф*10-9
Бумага	120	5,657	0,2642	1,377	2,0-3,5	48	1320	243,375
Полипропилен	120	3,397	0,0019	0,531	2,2	77	1360	156,311
Полиэтилен-терефталат	120	4,658	0,0013	1,168	3,1	48	1360	250,75

5. Пример расчета для бумаги :

6. Гистограмма

Рисунок 4 – Гистограмма диэлектриков по величине тангенса диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.

Вывод: из результатов расчетов видно, что данные электротехнические материалы обладают высокими электрическими характеристиками, но полученные расчетные значения диэлектрической проницаемости незначительно отличаются от табличных. Причиной этому является неравномерность прилегания электродов к исследуемым материалам, загрязнение поверхности и старение материала. Бумага обладает наибольшей диэлектрической проницаемостью и диэлектрическими потерями, по сравнению с полипропиленом и полиэтилен-терефталатом, у которых диэлектрические потери ничтожно малы. Последнии находят при­менение в качестве высокочастотных диэлектриков, широко используют в качестве силовой электрической изоляции в кабелях. Бумага используется для изготовления конденсаторов.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.

2. Поляризация вещества имеет три основных механизма, в основе которых лежат процессы деформации электронных оболочек атомов, смещения ионов в кристаллах и ориентация полярных молекул. Большинство материалов обладают двумя и более типами поляризации.

3. Диэлектрическая проницаемость среды — физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая зависимость электрической индукции от напряжённости электрического поля.

4. Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества.

Диэлектрические потери могут обуславливаться сквозным током или активными составляющими поляризационных токов. При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно изобразить это явление в виде кривых, представляющих зависимость электрического заряда на обкладках конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения. При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения и такой диэлектрик называется линейным (рисунок 5,а).

Рисунок 5 – Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б).

Если в линейном диэлектрике имеет место замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (см. рисунок 5,б).

5. Мощность диэлектрических потерь расходуется на нагрев диэлектрика и зависит от тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика.

6. Векторные диаграммы, соответствующие последовательной и параллельной схемам замещения диэлектрика.

а б

Рисунок 6 – Векторные диаграммы и схемы замещения диэлектрика с потерями.

7. Способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле обычно характеризуют углом диэлектрических потерь, а также тангенсом угла диэлектрических потерь. При испытании диэлектрик рассматривается как диэлектрик конденсатора, у которого измеряется емкость и угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Этот угол называется углом диэлектрических потерь.

8. Диэлектрические потери, возникающие в изоляции при переменном электрическом поле, вызывают нагрев электрических материалов, что может привести к разрушению изоляции. Чем диэлектрические потери электрических материалов меньше, тем надежнее изоляция. Механическая прочность электрических материалов не менее важна, т. к. их механическое повреждение приводит к снижению электрической стойкости изоляции.

Лабораторная работа №11.

Электрический пробой в диэлектриках.

1. Цель работы: ознакомиться с образцами диэлектрических материалов. Определить электрическую прочность воздуха. Сравнить полученные результаты со справочными данными.

2. Оборудование: минимодуль «Пробой маслянного диэлектрика» с различными воздушными промежутками, прибор «МЕГАОММЕТР Е6-24», защищенные соединительные проводники.

Схема лабораторной установки

Рисунок 7 – Стандартный маслопробойник

1–фарфоровый сосуд; 2–плоские электроды; 3–регулировочные гайки; 4 – исследуемое масло; 5–уплотнители; 6–гайки; 7–отверстия под выводы трансформатора.