материаловедение методичка лабы

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

где B = b × y , а H = h × x .

По пункту 3.2.5 рассчитать потери энергии в образце при различном числе короткозамкнутых витков.

Расчеты занести в таблицу 6.

Произвести аналитическое разделение потерь на гистерезис и на вихревые токи, решая систему уравнений

Руд1 = а × f1 + c × f12 ;

Руд2 = а × f 2 + c × f 22 ,

где Руд1, Руд2 - удельные потери, измеренные на частотах f1 и f2 при постоянном значении магнитной индукции;

а – удельные потери на гистерезис за один период; с – коэффициент потерь на вихревые токи за один период.

Удельные потери на гистерезис и на вихревые токи на любой рабочей частоте записать как Рг = f раб × а ; Рв = f раб2 × с.

11

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

4. Содержание отчета

Отчет должен включать:

4.1.Цель работы.

4.2.Краткие теоретические положения.

4.3.Принципиальную электрическую схему установки.

4.4.Основные формулы и соотношения, использованные в работе.

4.5.Графики зависимостей В = f (H), µ = f (H), Руд= f (nкз), Руд = f(f) .

4.6.Выводы по работе, сравнительную оценку испытанных материалов.

4.7.Технические характеристики использованных приборов.

4.8.Выводы по работе.

5.Контрольные вопросы

5.1.Какова природа магнитных свойств материалов?

5.2.Чем отличаются диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные материалы?

5.3.Какие виды потерь имеются в магнитных материалах?

5.4.Как производится разделение потерь?

5.5.Чем отличается зависимость индукции от напряженности магнитного поля для парамагнитного и ферромагнитного материала?

5.6.Чем объяснить насыщение на основной кривой намагничивания?

5.7.Какие характеристики магнитного материала могут быть получены по петле гистерезиса?

5.8.Для каких целей могут быть использованы материалы, исследованные в данной работе?

5.9.Почему вертикальное отклонение луча осциллографа пропорционально индукции в образце?

5.10.В каких единицах измеряются: напряженность магнитного поля, индукция магнитного поля, относительная магнитная проницаемость, абсолютная магнитная проницаемость?

12

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ, ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЙ И НЕЛИНЕЙНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Цель работы: ознакомление с основными свойствами полупроводниковых термо-, фото- и нелинейных сопротивлений, освоение методик исследования проводимости и температурной зависимости, а также расчетное определение некоторых параметров полупроводников.

1. Основные теоретические положения

Полупроводники являются группой веществ, отличающихся значительной чувствительностью к воздействию ряда факторов, например, количества и характера примесей, температуры, сильного электрического поля, освещенности и т.д.

Полупроводники характеризуются в большинстве своем отрицательным значением температурного коэффициента электрического сопротивления TKR, который характеризует изменение сопротивления при изменении температуры на один градус.

К полупроводникам относятся: германий, кремний, селен, соединение типа АIIIBV (например, арсенид галлия), большое число окислов, сульфидов,

карбидов (MgO, SiO, AgS, SiC, и др.).

В данной лабораторной работе изучению подлежат полупроводниковые термо -, фото - и нелинейные сопротивления.

Термосопротивлением (ТС) или терморезистором называется объемное полупроводниковое нелинейное сопротивление, величина которого зависит от температуры. Температурный коэффициент уТС может достигать 3-7% на 1 0С. В большинстве своем TKR терморезисторов отрицательный. Так, при повыше-

нии температуры от 0 0С до 100 0С сопротивление терморезисторов может уменьшиться в 20 – 25 раз. ТС с положительным ТКR называют позисторами.

ТС изменяют величину своего сопротивления R по экспоненциальному закону:

где А и В - постоянные, зависящие от характера материала и технологии изготовления;

Т - абсолютная температура, К; к = 1,38·10-23 Дж/К- постоянная Больцмана.

Практически удобнее пользоваться формулой для электропроводности γ:

где W - работа переброса электронов в незаполненную зону, эВ.

13

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

ТС применяют для измерения и регулирования температуры, в качестве термокомпенсаторов в электрических цепях, в автоматике, телемеханике и т.д.

Фотосопротивление (ФС) представляет собой полупроводниковое сопротивление, величина которого изменяется под воздействием падающей на него лучистой энергии (на основе явления внутреннего фотоэффекта).

ФС характеризуются:

-интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение фототока к падающему на него общему потоку излучения, пропорциональному освещенности Е;

-спектральной чувствительностью, представляющей собой отношение реакции сопротивления к падающему на него монохроматическому потоку излучения определенной длины волны;

-инерционностью, характеризующей реакцию ФС на изменение падающего на него потока излучения.

Фототоком ∆i является разность между током, проходящим по освещенному ФС, и током, проходящим через то же сопротивление в темноте, при неизменном значении приложенного напряжения.

Для большинства фотосопротивлений зависимость фототока от освещенности выражается формулой:

Если величина приложенного к ФС напряжения не изменяется, а напряженность, создаваемая осветительной лампой, пропорциональна току накала лампы, то вышеприведенную закономерность можно переписать в виде:

где δ - фотопроводимость ФС; Iн - ток накала лампы, А;

С - постоянная, характеризующая ФС.

ФС различных типов широко используют в схемах автоматических устройств и измерительных приборах.

Нелинейное полупроводниковое сопротивление (НПС) – это сопротивление, величина которого зависит от приложенного напряжения.

Вольтамперная характеристика НПС обычно выражается формулой:

где В - постоянная, зависящая от материала и геометрических размеров НПС; β - коэффициент нелинейности; не является постоянным для данной вольтамперной характеристики и изменяется в зависимости от приложенного напряжения:

14

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

15

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

16

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

3. Порядок проведения лабораторной работы

3.1. Подготовка к работе

При подготовке к работе необходимо изучить лабораторную установку и инструкции к приборам; записать технические характеристики приборов, применяемых в работе. После собеседования с преподавателем приступить к выполнению работы.

3.2. Проведение эксперимента

3.2.1. Снятие вольтамперных характеристик термосопротивлений при различном времени протекания тока и определение зависимости сопротивления терморезисторов от температуры

Перед включением стенда в сеть необходимо проверить положение переключателя SA4 «напряжение - ток», тумблера SA2 и рукояток регулирования температуры и напряжения (RP). При этом переключатель SA4 «напряжение - ток» должен находиться в нейтральном положении, SA2 - выключено. SA5 - в положении образца 1, рукоятки регулирования температуры и напряжения, соответственно, RP1 и RP2 - в крайнем левом положении. При выполнении работы необходим секундомер (часы с секундной стрелкой).

3.2.1.1. Включить стенд в сеть тумблером SA1. Переключатель SA4 «напряжение - ток»установить в положение напряжения, с помощью рукоятки RP2 на вольтметре установить, например, 28 В. После этого переключатель «напряжение - ток» установить в положение тока. Подготовить секундомер. Далее включить SA3 . Записать значение тока в начальный момент времени, затем снять пять точек через 10 секунд. Время определять при помощи секундомера. Записать снятые данные в таблицу 1.

Таблица 1

Исходные данные для построения вольтамперных характеристик термосопротивлений

Затем SA3 выключить и сразу включить образец 2, измерения аналогичны. Записать пять значений тока через 5 секунд. Результаты занести в таблицу 1. 3.2.1.2. К зажимам ХТ 1 и ХТ 2 подключить вольтметр В 7-38 для измерения сопротивления, т.е. должна быть нажата кнопка k >' .

17

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

ВНИМАНИЕ! ЕСЛИ НА ТАБЛО ВОЛЬТМЕТРА ПОЯВЛЯЕТСЯ БУКВА «П» (ПЕРЕГРУЗКА), НЕОБХОДИМО СРОЧНО ОТСОЕДИНИТЬ ВОЛЬТМЕТР ОТ СЕТИ.

Изменение температуры достигается при помощи регулирования напряжения на ТЭНе посредством регулятора RP1. Сигнальная лампа нагрева загорается при включении тумблера SA2. Измерить сопротивление образцов 1 и 2 в начальный момент времени при комнатной температуре. Установить регулятор RP1 в крайнее правое положение. При этом записывать сопротивление образцов 1 и 2 через каждые 10 градусов в диапазоне от 20 до 80 градусов. Результа-

3.2.2. Снятие вольтамперных характеристик нелинейных полупроводниковых сопротивлений (НПС ) на переменном токе и определение зависимости фотосопротивления от освещенности

Для проведения необходимых опытов служит вторая часть стенда, схема которой изображена на рис. 2.

Перед включением стенда в сеть необходимо проверить положение переключателей, тумблеров (SA) и рукоятки регулирования напряжения на трансформаторе TV. При этом все тумблеры должны находиться в отключенном состоянии, рукоятка регулирования напряжения в крайнем левом положении. К зажимам ХТ1 и ХТ2 подключить осциллограф. Поставить переключатели SA1, SA2, и SA3 в положение ВКЛ.

Включить осциллограф в сеть. Регулировочными ручками добиться появления на экране прямой линии и переместить ее на середину экрана. Установить напряжение 3,5 В при помощи рукоятки на стенде и получить на экране осциллографа устойчивое изображение синусоиды. Ручкой «УСИЛЕНИЕ» развернуть изображение на ширину экрана. Указанная операция предназначена для градуировки вертикальной оси осциллографа. При этом масштаб тока mi определяется по формуле:

где U0 - приложенное напряжение, В;

18

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

R1 - сопротивление, равное 10 Ом;

h0 - амплитудное значение изображения синусоиды, мм.

Примечание: после проведения градуировки осей осциллографа изменение положения ручек «УСИЛЕНИЕ» не допускается.

Далее тумблер SA4 поставить в положение 2 (рис. 2), подключив нелинейное сопротивление RU. При этом на экране осциллографа появится изображение, характеризующее изменение напряжения в электрической цепи, содержащей НПС. Изменяя ручкой автотрансформатора напряжение в диапазоне от 40 до 100 В через каждые 15 В записывать в таблицу 3 амплитудное значение этой кривой.

По данным измерений вычислить значения тока I в цепи и сопротивления RU по формулам:

где mi - масштаб тока, А /мм;

h - амплитудное значение осциллограммы, мм.

Вычисление коэффициента нелинейности НПС производится по формуле:

β – средний коэффициент нелинейности между двумя ближайшими зна-

чениями I1, U1 и I2, U2.

Таблица 3

Данные для вольтамперных характеристик НПС

3.2.3. Зависимость фотосопротивления от освещенности

При измерении зависимости фотосопротивления от освещенности нужно к клеммам ХТЗ - ХТ4 подключить вольтметр В7-38 для измерения сопротивления (должна быть нажата кнопка k>). К клемме ХТ5 подсоединить люксметр. На люксметре измерения снимаются по верхней шкале, установив предел измерений 1000 лк. Переключатель образцов SA1 поставить в положение 1.

Установив при помощи регулятора напряжения на электронном табло 50 В, замерить освещенность и сопротивление первого образца. Затем переключить образец и замерить сопротивление второго образца.

19

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Таблица 4

Зависимость сопротивлений фоторезисторов от освещенности

3.3. Обработка результатов измерений

Изменяя напряжение от 50 до 200 В установить пять различных точек, в которых замерить освещенность и сопротивление одновременно двух образцов при помощи переключателя SA5.

На участках линейного изменения сопротивления для термисторов определить температурный коэффициент сопротивления:

где R1, R2, Ом - сопротивления термистора при температурах, соответственно,

t1 и t2.

Пользуясь графиками lnγ=f(1/T), построенными для термосопротивлений, определить работу переброса электрона в незаполненную зону для каждого из образцов.

- W

Известное уравнение γ = A × e k×T логарифмируем и получаем:

ln γ = ln A - W× . k T

По графикам lnγ=f(l/T) выбираем два любых значения lnγ и соответствующие им значения l/T и подставляем каждую пару значений в полученное уравнение.

При этом имеем систему из двух уравнений с двумя неизвестными А и W.

Получив значение энергии W в джоулях, следует сделать перевод этих

единиц в электрон-вольты (1 эВ = 1,6·10-19 Дж).

Второй способ определения работы переброса электрона: см. в курсе физики высшей школы (физика твердого тела).

4. Содержание отчета

Отчет должен включать:

4.1.Цель работы.

4.2.Краткие теоретические положения.

4.3.Принципиальные электрические схемы.

4.4.Таблицы с результатами измерений и вычислений.

20

Вологодский государственный университет. Научная библиотека