Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный технический университет

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»

Харламова З.В.

Методические указания по выполнению лабораторных работ

по курсу

«Электротехнические материалы»

для студентов дневной и заочной форм обучения направления 6.090600 «Электротехника»

Утверждено на заседании

методической комиссии

энергетического факультета

протокол № 5 от 25.05.09

Нестеров О.Ю.

Мариуполь 2009 г.

Составитель:

Кандидат технических наук, доцент

Харламова З.В.

Ответственный за выпуск:

Профессор, д.т.н.

Саенко Ю.Л.

Рецензент:

Кандидат технических наук, доцент

Гаврилов Ф.А

Утверждено на заседании кафедры

Протокол № __10______

от ”__27____”_____марта______2009 г.

Лабораторная работа № 1

Тема: «Полупроводниковые материалы».

Цель: изучить свойства полупроводниковых приборов для их применения на практике и расчета электрических схем, содержащих полупроводники.

Внимание!

Техника безопасности: при выполнении лабораторной работы применяется напряжение 220В. Необходимо соблюдать осторожность, не касаться оголенных проводников, находящихся под напряжением.

Введение

К полупроводниковым относятся приборы, в которых используется явление возникновения электронно-дырочной проводимости:

полупроводниковые диоды, транзисторы, фоторезисторы, фотоэлементы, терморезисторы.

На основании полупроводниковых приборов в настоящее время создаются мощные усилители, преобразователи, выпрямители, которые более компактны и имеют хорошие характеристики .

Область применения полупроводниковых приборов очень обширна, так как создание примесных полупроводников позволило создавать приборы с любыми требуемыми характеристиками.

Настоящая лабораторная работа поможет познакомиться с различными полупроводниковыми приборами, их характеристиками.

Основные теоретические положения

Полупроводники представляют собой обширную группу веществ, занимающих по величине удельной объемной проводимости промежуточное значение между диэлектриками и проводниками.

Чистый полупроводник в нормальных условиях обладает так называемой собственной проводимостью.

Проводимостью полупроводников, предварительно хорошо очищенных, можно управлять искусственным введением примеси двух видов: примеси, обуславливающие преимущественно электронную проводимость, называют донорами, а дырочную проводимость – акцепторами.

Энергетические уровни (локальные уровни) донорных примесей при малой концентрации располагаются в запрещенной зоне, вблизи от зоны проводимости и отделены от нее узкой полосой значений энергии W_g (рис. 1.1). Введение акцепторов сопровождается образованием локальных уровней, приподнятых над валентной зоной на величину W_a.

Рисунок 1.1. Простейшие диаграммы энергетических уровней полупроводника: а) беспримесного;

б) с донорными примесями; в) с акцепторными примесями;

1. – зона проводимости; 2 - запретная зона;

3. – валентная зона.

1. Электронно-дырочный переход

Совокупность двух примыкающих областей с проводимостями «р» и «n» вместе с границей раздела называют электронно-дырочным или «р-n»-переходом.

Концентрация электронов в «n» области высока, поэтому электроны стремятся диффундировать в «р» область через границу. В области «р» вблизи от границы происходит рекомбинация электронов с дырками, но отрицательно заряженные атомы акцепторов перемещаться не могут и они образуют в пограничном слое отрицательный объемный заряд.

Аналогичные процессы происходят в области «n» у границы раздела; там положительный объемный заряд появляется между положительно и отрицательно заряженными слоями, возникает электростатическое поле E_k. Взаимный переход электронов и дырок прекращается, когда диффузионные силы уравновешиваются силами электрического поля.

На границе образуется так называемый запорный слой с ничтожно малой концентрацией носителей и, следовательно, низкой проводимостью. Толщина этого слоя порядка 0,0001мм. Электронно-дырочный переход обладает вентильными свойствами.

Рисунок 1.2. Прямая характеристика полупроводников: I_пр – прямой ток; U_пр– прямое напряжение.

При прямом включении (рис. 1.2), когда внешнее поле Е_вн направлено противоположно полю Е_k, через границу протекает прямой ток с плотностью

где I_s – плотность тока насыщения;

U – приложенное к «р-n»-переходу напряжение;

е – заряд носителя;

к – постоянная Больцмана, к = ;

Т – температура полупроводника по шкале Кельвина.

Рисунок 1.3. Обратная характеристика полупроводников: I_обр – обратный ток; U_обр – обратное напряжение.

При обратном включении (рис. 1.3) через «р-n» переход протекает весьма малый поток с плотностью:

Если обратное напряжение , то первичный член в скобках становится много меньше единицы; обратный ток становится независящим от напряжения.

Это справедливо до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет некоторого значения, выше которого происходит пробой запорного слоя. Обратный ток обусловлен наличием не основных носителей, т.е. дырок в «n» - области и электронов в «р» области. Чем меньше этот ток, тем выше качество полупроводникового выпрямителя.

2. Фоторезистор

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление которого уменьшается под воздействием света. Электроны валентной или примесной зоны при достаточной энергии квантов света преодолевают энергетический барьер и переходят в зону проводимости. Электрический ток через фоторезистор при неизменном напряжении питания схемы увеличивается.

3 Фотоэлемент

Фотоэлемент – это полупроводниковый прибор, у которого под воздействием света проявляется электродвижущая сила, называемая фото-э.д.с.

При освещении «р-n»-перехода кванты света через полупрозрачный металлический электрод 5 попадают в тонкий слой 4 полупроводника «n» типа, где их энергия затрачивается на образование свободных электронов и дырок. Наличие поля Е_к в области электрода увлекает дырки через границу 3 в полупроводник «р» типа 2. Таким образом, металлический электрод 1 оказывается заряженным положительно, а электрод 5 – отрицательно (рис. 1.4).

Рисунок 1.4. Схема возникновения фото-э.д.с. при освещении «р-n» перехода:

1. – электрод; 2– полупроводник «р» типа;

3– запирающий слой; 4– полупроводник «n» типа;

5– полупрозрачный металлический электрод.

3. Терморезистор

Терморезистор – это полупроводниковый прибор, обладающий большим температурным коэффициентом электрического сопротивления (3%4%, а в некоторых случаях до 29%).

Терморезисторы используются, в основном, для цепей измерения и регистрации температур и для термокомпенсации.

3. Внешний вид и работа лабораторной установки

Установка (рис. 1.5) получает питание от сети переменного тока напряжением 220В. В верхнем правом углу установки расположены клеммы переменного и постоянного тока соответственно: в левом верхнем углу расположены регуляторы напряжения источника постоянного и переменного тока.

Рисунок 1.5. Внешний вид установки.

Исследуемые элементы установлены с обратной стороны панели установки, причем их выводы подсоединены к клеммам с внешней стороны панели (см. рис. 1.5). Клеммы имеют соответствующие надписи. Диоды закреплены на внешней стенке установки.

Рисунок 1.6. Схема подключения диодов.

С левой стороны установки имеется миллиамперметр, измеряющий ток в исследуемых элементах. С его помощью можно измерять токи от 1 микроампера до 250 миллиампер в зависимости от выбранного предела измерения.

3. Порядок работы с установкой

1. Все регуляторы напряжения вывести в положение «0».

2. С помощью проводников подключить клеммы исследуемого элемента к клеммам соответствующего источника питания.

3. Подключить к клеммам источника питания вольтметр цифровой, предварительно выбрав предел, в котором будут производиться измерения напряжения.

4. После того, как схема собрана, необходимо обратиться к лаборанту для проверки правильности. Без проверки собранной схемы категорически запрещается подключение установки к сети!

5. После проверки лаборантом правильности собранной схемы, включить установку в сеть переменного тока напряжением 220В, при этом должна загореться лампочка «сеть» Л₁.

6. Изменяя с помощью регулятора напряжения величину напряжения на исследуемом элементе, записать показания вольтметра и амперметра в табл.1. Измерения провести 5 – 7 раз.

3. Порядок выполнения работы

Подключить диод к клеммам источника постоянного тока с помощью проводников. При помощи регулятора 2 плавно увеличивать напряжение от 0 до 10 вольт. Через каждые 2 вольта наблюдать за показаниями вольтметра цифрового и миллиамперметра.

1. Снять вольт-амперную характеристику «р-n» перехода по схеме рис. 1.7. Исследуемый элемент – диод (Д). Результаты измерений занести в таблицу 1.1 (прямая проводимость).

Опыт 1 произвести с четырьмя диодами, установленными на панели, при комнатной температуре. Построить вольтамперные характеристики U=f(I) для каждого диода на одном графике в одном масштабе при прямой проводимости, см. рис. 1.11. Сравнить характеристики, определить какой диод имеет более высокий класс.

Таблица 1.1. Результаты измерений.

№ опыта

Тип диода

Измер. велич.

Прямая проводимость

Измер. велич

Обратная проводимость

1

U, В

U, В

I, мА

I, мА

2

U, В

U, В

I, мА

I, мА

3

U, В

U, В

I, мА

I, мА

4

U, В

U, В

I, мА

I, мА

Рисунок 1.7. Схема подключения диодов. а) прямая проводимость; б) обратная проводимость.

Для снятия обратной проводимости диода необходимо поменять концы на диоде (рис. 1.7 б), а так же предел измерения амперметра с миллиампер на микроамперы. Результаты измерений занести в таблицу 1. Построить ВАХ U=f(I) и произвести анализ (см. рис. 1.12).

2. Снять зависимость сопротивления фоторезистора от тока накала лампы освещения (освещенности) R=f(I_н) схема рис. 1.8.

Рисунок 1.8. Схема подключения фоторезистора.

Опыты произвести при освещении фоторезистора от лампы накаливания. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.2.

Построить график зависимости сопротивления фоторезистора от освещенности (тока накала лампы) R=f(I_н) (см. рис. 1.13), сопротивление находится за панелью установки.

Таблица 1.2. Результаты опытов.

Наименование измерений	№ опыта
	1	2	3	4	5
Падение напряжения на фоторезисторе U, В
Ток через резистор Iр, А
Сопротивление фоторезистора
Освещение Iн, А

3. Снять зависимость величины фото-эдс от тока накала осветительной лампы U_фел=f(I_н). Схема установки показана на рис. 1.9.

Рисунок 1.9. Схема подключения фотоэлемента.

Опыты произвести при освещении прибора лампой накаливания. Результаты измерений занести в таблицу 1.3.

Построить графики зависимости U_фэл=f(I_н).

Таблица 1.3. Результаты измерений.

Измеряемая величина	№ опыта
	1	2	3	4	5
Освещен. Iн, А
Фотоэдс Uфэл,В

4. Снять зависимость напряжения от тока в термосопротивлении «ТС». Опыты произвести при различных температурах подогрева термосопротивления (в количестве 3-4 величин тока подогрева).

Таблица 1.4. Результаты измерений.

Наименование измерений	1	2	3	4	5
Падение напряжения на термосопротивлении, В
Ток в термосопротивлении, А
Сопротивление терморезистора, Ом
Ток подогрева, А

Снять показания приборов при различных токах подогрева. Например: I_под=0; 0,66А; 0,84А; 0,98А. Показания приборов занести в таблицу 1.4.

Для производства опыта следует собрать схему (рис. 1.10).

По данным опыта построить семейство вольтамперных характеристик U_тc=f(I_тc) при различных подогревах ТС, а также соответственно кривые. R_тc=f(U_тс) смотри рис. 1.15 и рис. 1.16 а.

Рисунок 1.10. Схема включения термосопротивления.

9. Характеристики полупроводников

Вольт-амперная характеристика диода.

Рисунок 1.11. Прямая проводимость диода.

Рисунок 1.12. Обратная проводимость диода.

Рисунок 1.13. График зависимости сопротивления фоторезистора от освещения.

Рисунок 1.14. График зависимости фото-эдс от освещенности.

Рисунок 1.15. Зависимость термосопротивления от напряжения на термопаре (нагрева) при различных подогревах R_mc=f(U_mc).

Рисунок 1.16. Вольтамперная характеристика термосопротивления при различных перегревах.

Вопросы для допуска

1. Какие изделия из полупроводников исследуются в данной работе?

2. Порядок измерения характеристик диода.

3. Порядок измерения характеристик термосопротивления.

4. Порядок измерения характеристик фотодиода.

5. Порядок измерения характеристик фотоэлемента.

6. Условия техники безопасности при выполнении работы.

Контрольные вопросы

1. Что такое «р-n»-переход?

2. Где применяются полупроводниковые приборы?

3. Что такое запорный слой? Объясните его значение в р-n-переходе.

4. Объяснить возникновение фото-эдс.

5. На основании зонной теории объяснить разницу между акцепторной и донорной проводимостью.

6. Какой полупроводниковый прибор используется для измерения температуры?

7. ВАХ диода для прямой и обратной проводимостей.

8. Влияние температуры на ВАХ диода.

9. Зависимость фото-эдс от освещенности.

10. Каково различие между фотосопротивлением и фотоэлементом?

Лабораторная работа № 2

Тема: «Определение температуры размягчения и каплепадения аморфных веществ».

Цель: определение температуры размягчения и каплепадания опытным путем и сравнение полученных результатов с теоретическими расчетами.

Внимание!

Техника безопасности: при выполнении лабораторной работы применяется нагревательная печь. Необходимо соблюдать осторожность, не касаться нагретых элементов.

1. Приборы для испытания материалов

Прибор для опыта №1 – «кольцо - шар» (рис. 2.1).

Прибор для определения температуры размягчения аморфных диэлектриков состоит из комплекта 4-х алюминиевых колец и стальных шариков для одновременного испытания 4-х образцов.

Прибор для опыта №2 (рис. 2.2).

Прибор для определения температуры каплепадения аморфных диэлектриков состоит из алюминиевой чашечки высотой 12 мм, внутренний диаметр 7 мм, а диаметр ее нижнего отверстия 3 мм. Она предназначена для заполнения испытуемым материалом.

1. Порядок выполнения работы

Опыт №1Определить температуру размягчения аморфных материалов, используя прибор «кольцо-шар».

1. Размягчить парафин.

2. Плотно заложить в кольцо испытуемый материал: парафин, канифоль, воск. На слой материала положить стальной шарик.

3. Поставить кольца с испытуемыми материалами на поддон и установить поддон в печь.

4. Закрыть печь и включить ее.

5. Температуру нагревания определить по термометру. При повышении температуры материал начнет разогреваться. Размягчаясь, испытуемый материал выдавливается под действием веса стального шарика. Опыт считается законченным, если шарик начнет двигаться вниз, погружаясь в материал.

6. Температуру, отмеченную в тот момент, когда шарик начнет движение вниз, принять за температуру размягчения образца материала и записать ее в таблицу 2.1.

Рисунок 2.1. Прибор для определения температуры размягчения аморфных материалов.

Рисунок 2.2. Прибор для определения температуры каплепадения аморфных материалов.

Опыт №2

Определить температуру капелепадения, пользуясь прибором для определения температуры каплепадения.

1. Заполнить прибор размягченным парафином.

2. Заложить прибор с испытываемым материалом в печь.

3. Закрыть печь и включить ее.

4. Отметить момент падения первой капли из нижнего отверстия. Температуру, отмеченную в момент падения первой капли, следует считать температурой каплепадения данного материала и записать ее в таблицу 2.1.

Результаты опытов должны быть представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Результаты испытаний аморфных материалов.

Материал	Температура размягчения, теоретическое значение, tр. теор., оС	Температура размягчения, теоретическое значение, tр. пр., оС	Температура каплепадения, теоретическое значение, tк. теор., оС	Температура каплепадения, теоретическое значение, tк. пр., оС
1. Парафин	45		70
2. Канифоль	50		85
3. Воск	45		65

Теоретические значения температуры размягчения и температуры плавления нужно найти в справочнике

Вопросы для допуска

1. Как Вы измерите температуру размягчения?

2. Как Вы измерите температуру каплепадения?

3. Какие вещества называются аморфными?

4. Какие меры безопасности важны для этой работы?

5. В результате каких действий возникают ошибки измерения в этой работе?

Контрольные вопросы

1. Что понимают под температурой размягчения и температурой каплепадения?

2. Какое практическое значение имеют температуры размягчения и каплепадения аморфных диэлектриков?

3. Физические свойства аморфных диэлектриков.

4. Область применения аморфных диэлектриков.

5. Экспериментальное определение температур размягчения и каплепадения.

Лабораторная работа № 3

Тема: «Изучение свойств магнитомягких материалов».

Цель: изучить свойства магнитомягких материалов в переменном магнитном поле.

Внимание !

Техника безопасности: схема питается от сети напряжением 220 В. При проведении лабораторной работы не предусмат-ривается повышение напряжения выше 220 В. Предусмотре-ны меры, исключающие неправильное включение промежу-точного и испытываемого трансформатора, и появление в связи с этим повышенных напряжений. При проведении работы соблюдать осторожность, не касаться элементов схемы, находящихся под напряжением.

Введение

Магнитомягкие материалы, обладая высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и в ряде других случаев, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют магнитомягкие материалы с повышенным удельным электрическим сопротивлением, обычно применяя магнитопроводы, собранные из отдельных изолированных друг от друга листов.

К магнитомягким материалам относятся: железо (низкоуглеродистая сталь), листовая электротехническая сталь, пермоллои, альсиферы, ферриты.

1. Теоретическая часть

Электрон в атоме вещества совершает движение, в результате которого появляется магнитный момент

М = iS,

где i - элементарный ток, создающий магнитное поле;

S – векторная величина площади, охватываемой током.

В явлениях намагничивания основное значение имеют спиновые магнитные моменты обусловленные вращением электрона вокруг своей оси.

В зависимости от величины магнитной проницаемости μ, знака и величины магнитной восприимчивости æ, все вещества делятся на три группы:

1. диамагнитные (медь, серебро, ртуть) μ<1, æ<0;

2. парамагнитные (алюминий, платина, натрий) μ<1, æ>0;

3. ферромагнитные (железо, никель, кобальт и ферриты).

В ферромагнитных веществах имеются макроскопические структурные области домены, обладающие собственным магнитным моментом. Структура доменов такова, что в них спиновые магнитные моменты ориентированы параллельно. Электрически наиболее выгодным является такое расположение доменов, при котором они образуют замкнутую магнитную цепь, что соответствует минимуму полей рассеивания. При этом суммарный магнитный момент тела близок к нулю. Благодаря наличию доменов, ферромагнитные вещества сильно намагничиваются во внешнем магнитном поле.

Процесс намагничивания заключается в смещении границ доменов, а также в ориентации доменов по полю. В результате этих процессов появляется намагниченность тела в направлении вектора магнитного поля.

Монокристаллы ферромагнитных веществ характеризуются магнитной анизотропией, сводящейся к различной легкости намагничивания вдоль разных осей. В поликристаллических ферромагнетиках анизотропия появляется только в определенной ориентировке поликристаллических областей. Например, в холоднокатаной электротехнической стали поликристаллические области ориентированы вдоль проката – сталь обладает магнитной текстурой, т.е. повышенными магнитными свойствами при намагничивании в указанном направлении.

В горячекатаной электротехнической стали анизотропия не проявляется.

Получение заданной магнитной текстуры имеет большое значение и используется в технике для создания в определенном направлении повышенных магнитных характеристик материала.

Доменная структура ферромагнетика сохраняется до определенной температуры - точка Кюри.

При намагничивании ферромагнетиков наблюдается изменение их линейных размеров кристаллов – магнитострикция. Знак деформации для разных веществ и полей может быть различным.

Важнейшая характеристика магнитных материалов – основная кривая намагничивания В = f (H), представляющая собой геометрическое место вершины кривых (вершин гистерезисных циклов), получающихся при медленном намагничивании.

Гистерезисная петля, получающаяся для условий насыщения, называется предельной петлей или предельным гистерезисным циклом: ему соответствует остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_с. У магнитомягких материалов значения В_r и Н_с малы, для магнитотвердых (постоянные магниты) велики.

Основная кривая намагничивания широко используется для характеристики намагничивания материалов в постоянных полях. В переменных магнитных полях получаются динамические петли гистерезиса, которые по площади больше, чем статические и расположены с большим наклоном к оси Н - за счет возникновения потерь на вихревые токи. Геометрическое место вершин динамических петель называется основной динамической кривой намагничивания.

Примерные величины максимальной относительной магнитной проницаемости μ_max и индукции насыщения В_max для некоторых материалов:

Листовая электротехническая сталь

B_max = 1.6 - 2 Тл; μ_max = 5000 – 30000;

Пермоллой

B_max = 0.8 – 1.2 Тл; μ_max = 60000 – 200000;

Феррит

B_max = 0.3 – 0.5 Тл; μ_max = 600 – 3000.

2. Описание лабораторной установки

Рисунок 3.1. Принципиальная схема установки.

Магнитные характеристики материалов исследуются на тороидальных образцах. Образцы подключаются к схеме специальным переключателем на четыре положения. К первичной обмотке (намагничивающей) тороида подводится регулируемое напряжение.

Для получения на экране осциллографа гистерезисного цикла на горизонтальные ‘ X ‘ и вертикальные ‘ Y ‘ пластины осциллографа подаются сигналы с соответствующих зажимов.

Напряженность поля Н в магнитопроводе пропорциональна падению напряжения на сопротивлении R1, включенном последовательно с намагничивающей обмоткой. Сигнал подключается на зажимы ‘ X ‘.

Напряжение на конденсаторе с интегрирующей цепочки R2 – C пропорциональна индукции В в магнитопроводе. Сигнал подается на зажимы ‘ Y ‘.

При одновременном действии сигналов электронный луч будет описывать гистерезисный цикл В = f (Н).

Рисунок 3.2. Внешний вид лабораторного стенда.

3. Порядок проведения работы

Ручку регулятора напряжения «рег. напр.» повернуть против часовой стрелки до упора в нулевое положение.

Переключатель образцов П1 ставим в положение 1, тем самым подключаем 1 образец.

Подключаем вход осциллографа С1 – 76 к зажимам установки ' X ' и ' З '.

Подключаем вход осциллографа () (X) к зажимам ' X ' и ' З '.

Включаем вилки осциллографа и установки в сеть.

Тумблеры включения установки и осциллографа ставим в положение Вкл.

Плавным поворотом ручки регулятора напряжения по часовой стрелке устанавливаем необходимое напряжение на схеме, а следовательно и величины петель гистерезиса. Следует снять на кальку 4 – 6 петель гистерезиса различной велечины (рис. 3.3).

По снятым петлям гистерезиса для образца № 1 рассчитать величины ‘ В’, ‘ Н ‘, а также ‘ X ', ' У ' (рис. 3.3). Результаты расчетов свести в табл. 3.1 и по этим данным построить кривые В= f (H) и μ=f (H).

После этого снять напряжение со схемы. Переключателем П1 выбирают последовательно образцы 2, 3, 4 и производят аналогичные измерения, расчет и построение кривых, описанных в пп.7 и 8. По указанным уравнениям определяют В и Н. Все размеры следует брать в сантиметрах.

Рисунок 3.3. Петля гистерезиса на экране осциллографа.

Рассчитать напряженность магнитного поля в образце по формуле

где W₁ – число витков первичной обмотки;

X – размер в см по оси X;

n_x – цена деления осциллографа по оси X, В/см;

R₁- сопротивление, Ом;

l_ср- длина средней линии сердечника магнитопровода, см.

где W₂ – количество витков вторичной обмотки;

S – площадь сечения испытуемого сердечника, см;

У – размер в см по оси У;

С – емкость материала, мкФ;

R₂ – сопротивление, Ом;

n_y – цена деления осциллографа по оси У, В/см.

Результаты расчетов для каждого образца занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1. Результаты расчетов.

Опытные данные	Образцы
	1	2	3	4
X, см
Y, см
μ
H, А/м2
B, Тл
Материал

Примечание: свойства материалов указаны в пункте 4.

Вычислить по формуле относительную магнитную проницаемость

где μ_о- абсолютная магнитная проницаемость в вакууме:

μ_о = 4 10^-7 Гн/м.

Предельный цикл гистерезиса снять на миллиметровку и определить масштабы по оси В и Н, цену деления:

где X и Y – размер на изображении по осям (см).

4.Данные для расчета образцов магнитомягких материалов

1. Феррит:

W₁=900 витков; W₂=25 витков;

R₁ = 30 Ом; R₂ =13 кОм;

С= 3 мкФ.

2. Феррит никельцинковый:

W₁=W₂=2000 витков; С = 4.5 мкФ;

R₁ = 13 Ом; R₂ = 11 кОм.

1. Электротехническая сталь:

W₁ =2100 витков; W₂ =110 витков;

R₁ = 120 Ом; R₂ =18 кОм;

С= 5 мкФ.

2. Конструкционная сталь:

W₁=W₂=2000 витков; С= 7 мкФ;

R₁ =3.3 Ом; R₂ = 15 кОм.

Контрольные вопросы

1. Чем объяснить силовую намагниченность ферромагнитных веществ во внешнем магнитном поле?

2. Что такое магнитная текстура?

3. Что такое магнитострикция?

4. Как строится основная динамическая кривая намагничивания?

5. Указать основные параметры предельного гистерезисного цикла.

6. Отличие кривых намагничивания в постоянном и переменном поле.

7. Как определяются коэффициенты масштабов при построении кривых намагничивания ' n_x ‘ и ‘ n_y ‘?

8. Различие в свойствах и характеристиках магнитомягких и магнитотвердых материалов.

9. Деление магнитных материалов в соответствии с их величиной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы.

Приложение 3.1.

По основным кривым намагничивания строится зависимость относительной магнитной проницаемости от напряжения поля μ = f (H).

Рисунок П3.1. Кривые намагничивания B = f (H) и магнитной проницаемости μ = f (H).

Таблица П3.1. Справочные данные для магнитомягких мате-риалов.

Наименование группы материалов (образцы)	№ об-раз-ца	Максимальная магнитная проницаемость μmax	Индукция насыще-ния BS, Тл	Удельное сопротив-ление
Технически чистое железо	4	3500 - 4500	21,8	0,1
Электротехническая сталь	3	3000 - 8000	19,5 – 20	0,25 - 0,6
Пермаллои: а) низконикелевые (40 – 50 % Ni)		15000 - 60000	13 - 16	0,35 – 0,9
б) высоконикелевые (79 % Ni)		70000 - 200000	7 – 7,5	0,5 – 0,65
Ферриты: а) никельцинковые	2	15 - 3500	1,3 – 3,8	1012 - 107
б) марганцинковые	1	3000 - 10000	3,5	(0,5 - 1)*106

Рисунок П3.2. Гистерезисные петли при различных значениях величины напряженности внешнего магнитного поля.

Таблица П3.2. Данные для расчета образцов.

Параметры	Образцы
	1	2	3	4
Усиление по У, В/см	0,10	10	0,10	0,10
Множитель У	1,0	0,5	1,0	2
Делитель напряжения по Х	1:10	1:10	1:10	1:10
Усиление по Х, мВ/см	50	50	50	50
Средняя длина магнитных силовых линий Lср, мм	100	120	150	250
Сечение магнитопровода S, мм2	105	180	54	10

Лабораторная работа № 4

Тема: «Исследование свойств твердых диэлектрических материалов».

Цель работы: изучить реальные значения поверхностных и объемных сопротивлений диэлектриков.

Оборудование: микроамперметр с многопредельным шунтом. Выпрямитель, усилитель и экспериментальные электроды.

Внимание !

Техника безопасности:

Во время измерений испытательные электроды находятся под напряжением. ПРИКАСАТЬСЯ ЗАПРЕЩЕНО! Смена испытываемого материала проводится при отключенном питании и разомкнутом рубильнике (видимый разрыв цепи).

Введение

Для многих твердых диэлектриков объёмные и поверхностные сопротивления могут отличаться в десятки раз. Применение таких материалов должно учитывать эту разницу. В некоторых случаях в изоляционных конструкциях специально увеличивают поверхност­ное сопротивление, покрывая поверхность глазурью, например, фарфоровые подвесные и опорные изоляторы.

Для сравнительной оценки электрических свойств различных твердых электротехнических материалов в отношении их объёмной и поверхностной электропроводимости пользуются значениями удель­ного объёмного сопротивления _v и удельного поверхностного сопротивления _s.

В настоящей лабораторной работе производится определение удельного объёмного b поверхностного сопротивления различных твердых диэлектриков при температуре окружающей среды.

1. Теоретическая часть

Электропроводность изоляционных материалов обуславлива­ется состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также зависит от влажности и температуры испытуемого материала и окружающей среды. При длительном нахождении твердого диэлектри­ка под напряжением ток через него может изменяться. Это обусловлено наличием ионов, посторонних примесей или свойствами самого испытуемого материала.

Для твердых диэлектриков (электроизоляционных материалов) различают объёмную и поверхностную электропроводность. Объём­ная электропроводность определяется удельным объёмным сопротив­лением, которое определяется прохождением электрического тока через толщи­ну образца испытуемого материала.

При испытании образца плоской формы и однородным электрическим полем, удель­ное объёмное сопротивление рассчитывается по формуле:

,

где - объемное сопротивление образца, Ом;

S - площадь электрода, м²;

h - толщина образца, м.

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата любых размеров при прохождении электрического тока от одной его стороны к противоположной. Удельное поверхностное сопротивление _s, Ом, определяется по формуле:

,

где - поверхностное сопротивление образца испытуемого материала, Ом;

l - расстояние между электродами, м;

- площадь между параллельно поставленными элек- тродами, м².

Величина поверхностной электропроводности твердых диэлектриков обусловлена присутствием грязи и влаги на поверхности испытуемого диэлектрика. Вода резко снижает удельное поверхностное сопротивление.

Резко снижается удельное поверхностное сопротивление при большой влажности окружающего воздуха. На величину удельного объёмного и поверхностного сопротивлений сильно влияет окружающая темпе­ратура.

Удельная поверхностная проводимость резко снижается в том случае, если поверхность диэлектрика хорошо отполирована, тщательно очищена от грязи и влаги.

2. Принципиальная схема лабораторной установки

Предоставленная на рисунке 4.1 схема состоит из двух частей. Левая часть схемы до точек “a – b” представляет собою источник питания и устройство для непосредственного испытания различных твердых электротехнических образцов. Правая часть схемы до точек “a – b” представляет собой электронный усилитель, служащий для усиления объёмного поверхностного тока различных испытуемых образцов твердых электротехнических материалов. Перед подачей напряжения на правую и левую часть схемы, следует испытуемый образец вложить между электродами, как показано на рисунке 4.2.

Посредством переключателя ПК2 следует выбрать режим испыта­ния (2-поверхностное прохождение тока, 1- объёмное прохождение тока). Включить рубильник "Р". После этого следует включить вилки, питающие электрическую схему, в розетки сети переменного тока 220 В. Включением переключателя ПК1 подаем питание на выпрямительный мост и испытательный стенд.

После этого снять напряжение, т. е. вынуть вилки из розеток питающей сети. Извлечь испытуемый образец, записать его параметры (материал и толщину образца).

Аналогичным образом проводят испытания других образцов, указанных преподавателем. Опыт повторить не менее чем с десятью образцами различных материалов.

3. Порядок проведения работы

1. Выбрать испытываемый образец согласно заданию преподавателя и установить его между измерительными электродами. Закрыть утяжелителем.

2. Установить переключатель выбора режима испытания ПК2 в положение № 1 или № 2 (объемные или переходные сопротивления).

3. Включить рубильник "Р" видимого разрыва в схеме.

4. Подключить схемы измерения и усилителя к сети 220 В переменного тока.

5. Включить выключатель сети ПК1.

6. Записать показания приборов в таблицу.

7. Отключить выключатель сети ПК1.

8. Переключатель выбора режима испытания переключить в другое положение.

9. Включить выключатель сети ПК1.

10. Записать показание приборов в таблицу 4.1.

11. Отключить выключатель сети ПК1, рубильник видимого разрыва Р, заменить испытуемый образец и повторить измерения, соблюдая последовательность пунктов 1-10.

12. После окончания испытаний следует отключить переключатель сети ПК1, рубильник видимого разрыва Р, выдернуть вилки из розеток питающей сети.

13. Сложить использованные в работе образцы. Привести рабочее место в порядок.

Рисунок 4.1. Принципиальная схема смонтированной установки для определения удельного объемного и поверхностного сопротивления различных твердых диэлектриков:

1, 2, L – электроды;

ПК2 позволяет избирать режим испытания (1 – объёмное, 2 – поверхностное сопротивления);

Предел измерения токов:

I = 10 нА R₁ = 100 MOм

I = 100 нА R₁ = 10 MOм

I = 1 мкА R₁ = 1 MOм

I = 10 мкА R₁ = 100 кOм

R₂ = 1 MOм;

R₃ = 4 кOм;

R₄ = 1 кOм;

R₅ = 4 кOм;

R₆ = 10 кOм;

R₇ = 1 кOм;

С₁ = 0,01;

С₂ = 50,0*50,0.

Рисунок 4.2. Расположение электродов и испытуемого твердого диэлектрика в испытательной установке.

4. Обработка экспериментальных данных

1. Изучить работу электрической схемы.

2. Изучить конструкцию испытательного стенда.

3. Зная приложенное выпрямленное напряжение к испытательному стенду, а также величину тока проходящего по поверхности и че­рез сечение испытуемого образца, определить его поверхностное и объёмное сопротивление.

4. Для определения объёмного и поверх­ностного сопротивления

2

55

3

54

4

53

5

52

6

51

50

7

8

49

48

9

10

47

46

11

12

45

44

13

14

43

42

15

16

41

40

17

18

39