Электрорадиоматериалы и радиокомпоненты: Методические указания по проведению лабораторных работ

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания для студентов по проведению лабораторных работ

для специальности 2201 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» по дисциплине «Электрорадиоматериалы и радиокомпоненты»

Уфа 2004

Методические указания для студентов по проведению лабораторных работ для специальности 2201 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» по дисциплине «Электрорадиоматериалы и радиокомпоненты»

Составитель:

А.Г. Кильдибекова (Фамилия И.О.)

Методист УГКР, преподаватель (Занимаемая должность и место работы)

Рецензенты:

Л.Р.Туктарова (Фамилия И.О.)

Зам. директора по УВР УГКР (Занимаемая должность и место работы)

Н.М. Дубинин (Фамилия И.О.)

Доцент кафедры АСУ УГАТУ, к.т.н. (Занимаемая должность и место работы)

Предисловие Назначение методических указаний Данные методические указания предназначены для закрепления теоретических знаний и приобретения необходимых практических навыков и умений по программе дисциплины «Электрорадиоматериалы и радиокомпоненты» для специальности 2201 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». В сборнике содержатся методические указания по выполнению следующих лабораторных работ: №1 Определение твердости металлов методом Бринеля. №2 Определение удельного электросопротивления низко и высокоомных проводников. №3 Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. №4 Определение удельного объемного и поверхностного сопротивления диэлектриков. №5 Исследование электрических свойств и диэлектрических петель гистерезиса сегнетоэлектриков. №6. Исследование петель гистерезиса низкочастотных магнитомягких материалов, определение магнитной проницаемости.

Требования к знаниям лабораторных работ

и

умениям

при

выполнении

При выполнении лабораторных работ студент должен: знать: - основные механические свойства проводниковых материалов (твердость); - методы определения важнейшего параметра проводниковых материалов (удельного сопротивления); - основные свойства меди; - составы, свойства, применение важнейших сплавов высокого сопротивления на основе меди, никеля, хрома; - механизмы поляризации в диэлектриках; - электропроводность в диэлектриках; объемное и поверхностное сопротивления; - состав, свойства, применение сегнетоэлектриков; 3

- гистерезисный цикл перемагничивания, его характеристики; уметь: - определять механические свойства проводниковых материалов; - определять электрические свойства проводниковых материалов; - определять значения важнейших параметров диэлектриков с помощью приборов; - определять важнейшие свойства сегнетоэлектриков с помощью петли гистерезиса; - по свойствам сегнетоэлектриков определять область их применения; - уметь определять магнитные свойства материалов с помощью петли гистерезиса; - по свойствам и видам магнитных материалов определять область их применения.

4

Содержание Предисловие …………………………………………….3 Правила выполнения лабораторных работ……………5 Лабораторная работа № 1………………………………6 Лабораторная работа № 2………………………………10 Лабораторная работа № 3………………………………16 Лабораторная работа № 4………………………………21 Лабораторная работа № 5………………………………28 Лабораторная работа № 6………………………………37

45

5.4 Результаты наблюдений формы кривой магнитного гистерезиса и расчёт магнитной проницаемости сердечников (таблица 1). 5.5 Расшифровку марки исследованного феррита. 5.6 Осциллограммы В = ƒ(Н) при ƒ = const. 5.7 Ответы на контрольные вопросы: 5.7.1 Какие магнитные материалы называются ферритами? 5.7.1 Какими преимуществами обладают ферриты по сравнению с другими магнитными материалами? 5.7.1 Какие магнитные характеристики ферритов исследуются в данной работе? 5.7.1 На какие группы делятся ферриты? 5.8 Выводы по работе.

Список литературы Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., ТареевБ.М.Электротехнические материалы: Учебник для ВУЗов.-7-е издание перераб. и допол. Л.Энергоатомиздат, 1985.-365с.

Правила выполнения лабораторных работ 1.Студент должен прийти на лабораторное занятие подготовленным к выполнению лабораторной работы. 2. Каждый студент после проведения работы должен представить отчет о проделанной работе с анализом полученных результатов и выводом по работе. 3. Отчет о проделанной работе следует выполнять в журнале лабораторных работ на листах формата А4 с одной стороны листа. Содержание отчета указано в описании лабораторной работы. 4. Таблицы и рисунки следует выполнять с помощью чертежных инструментов (линейки, циркуля, и т.д.) карандашом с соблюдением ЕСКД. 5. В заголовках граф таблиц обязательно приводить буквенные обозначения величин в соответствии с ЕСКД. 6. Расчет следует проводить с точностью до двух значащих цифр. 7. Исправления выполняются на обратной стороне листа. При мелких исправлениях неправильное слово (буква, число и т.п.) аккуратно зачеркиваются и над ним пишут правильное пропущенное слово (букву, число и т.п.). 8. Вспомогательные расчеты можно выполнять на отдельных листках, а при необходимости на листах отчета. 9. Если студент не выполнит лабораторную работу или часть работы, то он может выполнить ее во внеурочное время, согласованное с преподавателем. 10. Оценку по лабораторной работе студент получает, с учетом срока выполнения работы, если: - расчеты выполнены правильно и полном объеме; - сделан анализ проделанной работы и вывод по результатам работы; - студент может пояснить выполнение любого этапа работы; - отчет выполнен в соответствии с требованиями к выполнению работы. Зачет по лабораторным работам студент получает при условии выполнения всех предусмотренных программой работ после сдачи отчетов по работам при удовлетворительных оценках за опросы и контрольные вопросы во время лабораторных работ или при получении зачета.

44

5

где Uym – напряжение, В; С – ёмкость, Ф; R2 – сопротивление, Ом; S – сечение образца, см2; n2 – число витков.

Лабораторная работа № 1 Определение твёрдости металлов

1 Цель работы

Относительная магнитная проницаемость рассчитывается по формуле 7:

1.1 Научиться определять твердость различных образцов сталей. 1.2 Приобрести практический навык работы с прессом Бринеля.

μ=

2 Пояснения к работе 2.1 Краткие теоретические сведения Определение твёрдости методом Бринеля. Выбор того или иного метода измерений твёрдости зависит от твёрдости металла, формы, размеров деталей и требуемой точности. Величины твёрдости , измеренные по любому методу, обычно стремятся сопоставить с числом твёрдости по Бринелю т.к. способ более изучен и обладает наибольшей повторимостью и точностью результатов. Метод Бринеля заключается в том, что в поверхность испытуемого образца вдавливается под определённой нагрузкой стальной закалённый шарик диаметром D и выдерживается 30 + 10 сек. Затем, нагрузку снимают, и на поверхности образца остаётся отпечаток в виде шарового сегмента. Диаметр шарика и величину нагрузки выбирают в зависимости от толщины и твёрдости испытуемого материала. Число твёрдости по Бринелю равно отношению приложенной нагрузки Р к площади поверхности шарового отпечатка, и определяется по формуле:

НВ =

Р , F

поверхности

F=

шарового

(7)

где μ0 = 4π 10-7≈1,257 10-6 Гн/м; μ0 = const (магнитная постоянная.) Подставляя значения Вm, Нm, μ0 в формулу для определения относительной магнитной проницаемости, получим формулу 8:

μ=

Мy ⋅lx

Мx ⋅ly

⋅

CR 1 R 2 D CР ⋅ 2 ,5 ⋅ 10 8 Sn 1 n 2

4.5 Результаты вычислений занести в таблицу 1. 4.6 Определить марку исследованного феррита. 4.7 Выключить все приборы установки. 4.8 Разобрать лабораторную установку ( отсоединить макет от приборов.). 4.9 Оформить отчёт по проделанной работе.

отпечатка

определяется

по

Отчёт должен содержать: 5.1 Название работы; 5.2 Цель, задание, перечень используемого оборудования. 5.3 Принципиальную схему установки для снятия магнитного гистерезиса.

)

(

π⋅D D − D2 − d2 , 2

где D – диаметр шарика, мм; 6

(8)

5 Содержание отчета

где НВ – число твердости, кг/мм2 (Н/м2 ); Р – приложенная нагрузка, кг, (Н); F- площадь поверхности шарового отпечатка, мм2 , (м2 ) Площадь формуле:

Bm μ0 H

43

петли

Масштабы горизонтального и вертикального отклонений на экране осциллографа рассчитываются по формулам 3 и 4:

МХ =

U Xm ⋅ 2 2 , lX

Объединив формулы 1 и 2 получаем: (3)

HВ =

где Мх – масштаб по горизонтальной оси, В/мм; Uxm – напряжение, измеренное ламповым милливольтметром, В; ℓх – длина горизонтальной развёртки на экране осциллографа (отклонение луча от центра), мм.

Мy =

В;

U ym ⋅ 2 2 ly

,

(4)

где Му – масштаб по вертикальной оси, В/мм; Uym – напряжение, измеренное ламповым милливольтметром, ℓу – длина вертикальной развёртки на экране осциллографа, мм. Напряженность магнитного поля Нm определяется по формуле:

Нm =

U xm ⋅ 0,4n 1 10 3 ⋅ R СР ⋅ D СР 4π

(5)

где Uxm – напряжение, В; R1 – сопротивление. Ом; n1 – число витков Dср – средний диаметр тороидального сердечника, см; DH – наружный диаметр тороидального сердечника, см; DBH – внутренний диаметр тороидального сердечника, см. Максимальная магнитная индукция Вm определяется по формуле 6:

Вm =

U ym ⋅ C ⋅ R 2 n2 ⋅S

⋅ 10 4 42

d – диаметр отпечатка шарика (измеряется с помощью специальной лупы с делениями или микроскопом), мм.

2⋅Р π ⋅ D ⋅ (D − D 2 − d 2 )

,

По справочной таблице 1 производится выбор условий испытаний (в данной работе используются образцы толщиной более 6 мм). Таблица 1 – Справочная таблица Толщина образца, мм Более 6 От 6 до 3 Менее 3

Диаметр шарика D, мм 10 5 2,5

Нагрузка Р,кг Для стали и чугуна 3000 750 167,5

Для латуни и бронзы 1000 250 62,5

На практике для определения твёрдости пользуются готовыми таблицами, в которых даны значения НВ для различных диаметров отпечатка. 2.2 Перечень используемого оборудования 2.2.1 Пресс Бринеля ТМ – 2М; 2.2.2 Лупа (микроскоп МБП - 2); 2.2.3 Набор образцов сплавов.

3 Задание 3.1 Самостоятельно изучить методические рекомендации измерению твердости; 3.2 Рассчитать твёрдость различных образцов сталей.

(6) 7

по

4 Работа в лаборатории 4.1 Произвести замеры твёрдости на прессе Бринеля. Положите образец на стол пресса и вращением маховика поджимайте к шарику до тех пор, пока он не коснется ограничителя , центр шарика должен находится от края образца на расстоянии не менее 2,5 α. Нажимая на кнопку , включите электродвигатель; 4.2 Замерить отпечаток микроскопом в двух взаимно – перпендикулярных направлениях и определить среднее арифметическое из двух измерений; 4.3 Подсчитать число твёрдости по формуле. 4.4 Определить число твердости по справочной таблице; 4.5 Данные занести в таблицу 2.

5 Содержание отчёта Отчет должен содержать: 5.1 Название работы; 5.2 Цель работы; 5.3 Перечень используемого оборудования;

Для измерения Uym необходимо ламповый вольтметр подключить к клеммам «Х» и «У», расположенным на макете. 4.4.4 Определить длину горизонтальной развёртки и длину вертикальной развёртки по миллиметровой сетке, расположенной на экране прибора С1-65А. Полученные результаты записать в таблицу 1. Таблица 1-Результатов измерений. №

Измерить

Uхm B

l x,, мм

Вычислить

Uym B

l y, мм

MХ, В/мм

My, В/мм

Dср, мм

Hm, А/м

Bm, Тл

μ

Опре де лить мар ку Фер рита

1 2 3 Исходные данные для расчёта μ определить по таблице2. Таблица 2 - Справочные данные R1, Ом

R2, кОм

10

51

С, мкФ

n1, витки

n2, витки

85

85

0,047

S, см2

D H, мм 20

4.4.5 Произвести расчёт S используя данные из таблицы 2.

DВН , мм 11

[ ] и D [мм] вычисляются по формулам 1 и 2:

Значения S cм

2

S=

D cр 8

ср

2 π ⋅ D ср

,

4 D н + D вн = , 2 41

(1) (2)

1) Клеммы «Земля» и «Вход ЗГ», расположенные на макете, подсоединить к клеммам «Земля», «Вход» звукового генератора ГЗ-102. 2) Клеммы Х, а также У «Земля» макета соединить с клеммами Х, У «Земля» осциллографа. 3) Соединить милливольтметр с клеммами «Земля» и «Вход» на макете. Включить все три прибора, дать прогреться в течении 10 минут. Проверить положение ручек и переключателей управления и регулировки на осциллографе С1-56А и генераторе сигналов ГЗ-102. а) переключатель множитель частоты в положение 103; б) предел шкалы U в положение 10В. Добиться изображения точки на экране осциллографа с помощью рукояток «яркость» и «фокус».Установить переключатель «развёртка» в положение → → Х. Установить переключатель синхронизация в положение «внеш 1:1». От звукового генератора подать на первичную обмотку генератора тороида напряжение не более 10В при ƒ=20 кГц. Путём регулировки усиления с помощью ручек U/дел. и переключателя синхронизации внеш 1:1 или 1:10, расположенных на осциллографе, добиться более удобной для наблюдения формы петли гистерезиса на экране осциллографа.

5.4 Задание; 5.5 Результаты измерения твёрдости, вычислений (заполнить таблицу 2). Таблица 2 – Результаты вычислений твёрдости Материал

D шара, мм

d отп, мм

Р, кг

Твердость по формуле, кг/мм2

Сталь 1 Сталь 2 Сталь 3 5.6 Ответы на контрольные вопросы: 5.6.1 Указать применяемый в работе индектор (наконечник). 5.6.2 Каковы достоинства метода Бринеля? 5.6.3 Каковы недостатки метода Бринеля? 5.7 Выводы к работе (указать наиболее твёрдые и мягкие образцы).

Список литературы 1 Никифоров В.Н. Технология металлов и конструкционные материалы: Учебник для средних специальных учебных заведений. 7е издание, перераб. и допол.– Л.: Машиностроение, 1968 . - 200с.

4.4 Порядок выполнения работы 4.4.1 От генератора ГЗ-102 подать на первичную обмотку, тороида напряжение 10В при ƒ=20 кГц. 4.4.2 Путём регулировки ручек U/дел и переключателя синхронизации внеш.1:1 или 1:10 прибора С1-65А добиться более удобной для наблюдения формы петли гистерезиса на экране осциллографа и больше эти ручки не трогать, т.к. изменится масштаб изображения на экране. 4.4.3 Входное напряжение Ux, подаваемое на макет с исследуемым ферритом и выходное напряжение Uy , снимаемое с макета, измерить с помощью милливольтметра В3-38А. Для измерения Uym необходимо ламповый вольтметр подключить к клеммам «Земля» и «ЗГ», расположенные на макете.

40

Твердость по таблице, кг/мм2

9

Лабораторная работа № 2 Определение удельного электросопротивления низко и высоко омных проводников 1 Цель работы 1.1Научиться определять электрические свойства проводниковых материалов: удельное электрическое сопротивление

2 Пояснения к работе 2.1 Краткие теоретические сведения К металлическим проводникам относятся вещества, у которых на энергетической диаграмме валентная зона вплотную примыкает к свободной зоне, т.е. ширина запрещенной зоны равна нулю. Поэтому все валентные электроны являются свободными и могут перемещаться в пределах твердого тела под действием электрического поля. Однако движение электронов несвободно и сопровождается рассеянием энергии на дефектах кристаллической решетки проводника и на тепловых колебаниях решетки. Способность проводников пропускать электрический ток оценивается величиной удельного сопротивления, которое определяется по формуле (1):

ρ=R⋅

S , l

где ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом*м; R – сопротивление проводника, Ом; S – поперечное сечение проводника, мм2 (м2); l – длина проводника, мм (м). Металлические проводники по величине ρ могут быть разделены на материалы высокой проводимости (медь, латунь, и др.) и материалы высокого удельного сопротивления (нихром, константан, манганин и др.). Диапазон электросопротивлений удельных металлических проводников довольно узок от 0,016 для серебра и примерно до 10 мкОм*м для железохромоалюминиевых сплавов, то есть занимает всего три порядка. Удельное сопротивление проводниковых материалов определяется при постоянном или переменном токе путем изменения сопротивления образца. 10

Напряжение звуковой части (20 кГц) подаётся с выхода звукового генератора на первичную обмотку тороида. Последовательно с ней включается резистор R1, величина сопротивления которого удовлетворяет условию R1 Uо (при последовательном соединении конденсаторов, если принебречь в точках утечки, напряжения распределяются обратно пропорционально емкости). Практически можно считать, что Uх равно напряжению на вторичных зажимах автотрансформатора ОНШ. Оба напряжения Uх и Uо подводятся на горизонтальные пластины осциллографа непосредственно, минуя усилитель. и

π⋅ r2 , h

ε ≤ 2,8

где Uo- напряжение на конденсаторе Со, В; Со – емкость конденсатора Со, Ф.

4.2 Назначение лабораторной установки.

C = ε ⋅ ε0

приборов

2.2.1 Мосты универсальные Е8-4. 2.2.2 Штангенциркуль 0…15 мм. 2.2.3 Образцы конденсаторов.

3 Задание 3.1 Самостоятельно изучить методические рекомендации по определению диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь. 3.2 Рассчитать диэлектрическую проницаемость используемых диэлектриков, определить тангенс угла диэлектрических потерь.

4 Работа в лаборатории 4.1 Измеритель ёмкости, цифровой прибор типа Е8-4, предназначен для измерения емкости и тангенса угла потерь электрических 17

конденсаторов с автоматическим измерения в лабораторных условиях.

цифровым

отсчётом

результатов

3 Задание 3.1 Самостоятельно изучить методические рекомендации по исследованию электрических свойств сегнетоэлектриков. 3.2 Снять осциллограммы диэлектрического гистерезиса. 3.3 Определить по петле диэлектрического гистерезиса эффективную ёмкость испытуемого сегнетоконденсатора и потери на гистерезиса в зависимости от приложенного к конденсатору напряжения.

4 Работа в лаборатории 4.1.Описание лабораторной установки Снятие характеристик сегнетоконденсаторов производится на осциллографической установке, принципиальная схема которой приведена на рисунке 4.1.1.

Рисунок 4.1.1 - Схема присоединения двух электродных ёмкостей к прибору Е8-4. 4.2 Подготовка к работе 4.2.1 Перед включением прибора ознакомится с инструкцией по эксплуатации. 4.2.2 Тумблер «СЕТЬ» установить в нижнее положение. 4.2.3 Заземлить прибор с помощю клеммы защитного заземления. 4.2.4 Установить переключатель «КАЛИБРОВКА» в положение «ОТКЛ.». 4.2.5 Установить тумблер «СЛЕЖЕНИЕ» в нижнее положение. 4.2.6 Включить кабель питания в сеть. 4.3 Порядок работы с прибором Е8-4: Измерение ёмкости конденсаторов на приборе Е8-4 производится в следующем порядке: 1). Кабели устройства подключите к гнёздам Е, Е`, y`, и y. 2). Переключатель “ЗАПУСК” прибора Е8-4 установите в положение “ПЕРЕОДИЧ”.

˜

Рисунок 4.1.1 – Принципиальная схема осциллографической установки Напряжение подаётся на пластины горизонтального отклонения луча осциллографа х. Это напряжение равно половине напряжения, подаваемого на схему. Следовательно, горизонтальное отклонение луча пропорционально напряжению Uх, приложенному к исследуему конденсатору Сх. 31

18

Рисунок 2.1.2 – Графики зависимости заряда на обкладках конденсатора от подаваемого напряжения Осциллографические зависимости потерь на поляризацию для различных линейных и нелинейных диэлектриков приведены на рисунке. Наличие зависимости диэлектрической проницаемости и, следовательно, ёмкости сегнетоконденсатора от напряженности электрического поля заставляет ввести условное понятие эффективной ёмкости. Пусть при данном напряжении максимальное значение заряда сегнетоконденсаторов Qm. Если взять такой линейный конденсатор, у которого при том же напряжении максимальное значение заряда так же равно Qm, то его ёмкость и принимается за эффективную ёмкость сегнетоконденсатора. Значит СЭ – ёмкость такого линейного конденсатора, максимальный заряд которого равен максимальному заряду сегнетоконденсатора при одном и том же напряжении. Сегнетоэлектрики применяются для изготовления малогабаритных конденсаторов большой емкости, для множителей и модуляторов частоты в усилителях мощности и напряжения, в запоминающих устройствах. 2.2 Перечень используемого оборудования 2.2.1 Милливольтметр В3-38А. 2.2.2 Осциллограф типа С1-65. 2.2.3 Сегнетоконднсатор. 2.2.4 Конденсатор КТБ. 30

3). Включите тумблер “СЕТЬ” и дайте прогреться прибору 5 мин. 4). Присоедините к зажимам устройства конденсатор. 5). Нажмите кнопку “ЗАПУСК”. 6).Прочтите результаты измерений на табло прибора и запишите в таблицу. 4.4 Порядок выполнения работы. 4.4.1 Ознакомиться с принципом работы прибора Е8-4. 4.4.2 Из испытуемого диэлектрика приготовить конденсатор. Для этого на образец наклеивают смазанные тонким слоем вазелина или трансформаторного масла 2 электрода из оловянной или свинцовой фольги диаметром 5 см. Изготовленный конденсатор своими электродами подключить к зажимам установки Е8-4 для замера ёмкости. 4.4.3 Произвести измерение ёмкости и tg приготовленных материалов. 4.4.4 Определить толщину диэлектрика и радиус электрода. 4.4.5 Подсчитать диэлектрическую проницаемость, зная ёмкость конденсатора, по формуле 3:

ε=

36 ⋅ C ⋅ h ⋅ 10 9 r2

(3)

Результаты испытаний занести в таблицу 1. Таблица 1 – Результаты измерений Испытываемый материал

Толщина материала h, м

С, Ф

Стеклотекстолит Гетинакс Оргстекло

5 Содержание отчёта Отчет должен содержать: 5.1 Название работы; 5.2 Цель работы; 5.3 Задание; 5.4 Перечень используемого оборудования; 19

ε

tgδ

5.5 Схему моста для измерения ёмкости и тангенса угла; 5.6 На основании полученных результатов дать сравнительную характеристику исследованных диэлектриков; 5.7 Результаты измерений в виде таблицы №1; 5.8 Ответы на контрольные вопросы: 1) Что представляет собой процесс поляризации? 2) Какие существуют виды поляризации? 3) Что показывает относительная диэлектрическая проницаемость? 4) Какие параметры диэлектрика используются для определения диапазона рабочих частот? 5.9 Вывод по работе (указать, основываясь на значениях ε и tgδ, какие использовались диэлектрики: НЧ или ВЧ).

Список литературы Богородицкий Ю.В., Пасынков Н.П. Тарев Б.М. Электротехнические материалы: Учебник для ВУЗов.-7-е издание перераб. и допол.- Л.: Энергоатомиздат,1985. –365с. Рисунок 2.1.1 – Графики зависимости диэлектрической проницаемости от температуры и напряженности поля Основными особенностями сегнетоэлектриков в сегнетоэлектрической области являются следующие: 1 Диэлектрическая проницаемость и ёмкость сильно меняются в зависимости от напряженности электрического поля соответственно. Коэффициент нелинейности сегнетоэлектриков достигает несколько десятков единиц. 2 Зависимость заряда от приложенного напряжения на обкладках сегнетоконденсатора аналогична кривой намагничивания: при определённом значении напряжения и здесь рост заряда замедляется, т.п. наступает насыщение. В переменных электрических полях у сегнетоэлектриков наблюдается явление гистерезиса, т.е. отставание изменения электрической индукции (заряда) от напряженности электрического поля. Площадь петли диэлектрического гистерезиса пропорциональна гистерезисным потерям.

20

29

Лабораторная работа №5 Исследование электрических свойств и диэлектрических петель гистерезиса сегнетоэлектриков 1 Цель работы

Лабораторная работа № 4 Определение удельных объемных и поверхностных сопротивлений твердых диэлектриков 1 Цель работы

1.1 Научиться определять важнейшие свойства сегнетоэлектриков с помощю петли гистерезиса.

1.1 Научиться определять значение важнейших параметров диэлектриков: удельное объемное и поверхностное сопротивления с помощью тераомметра Е6-13.

2 Пояснение к работе 2.1 Краткие теоретические сведения Сегнетоэлектриками называются вещества, которые обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в отсутствии внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрические свойства наблюдаются в некоторых кристаллических веществах (сегнетова соль, титанат бария, и д.р.). В кристалле титаната бария, ион титана расположен в центре кислородного октаэдра. При определённых температурах ион титана приобретает возможность несколько приближаться к одному из ионов кислорода. Образуется диполь и кристаллическая ячейка приобретает электрический момент. Благодаря взаимодействию, существующему между соседними ячейками, образуются целые облака (домены), состоящие из кристаллических ячеек с одинаково направленными электрическими моментами. Это явление носит название спонтанной поляризации. Для всех сегнетоэлектриков характерным является то, что спонтанная поляризация проявляется только в определённом интервале температур. При температурах, лежащих вне этого интервала, они обладают свойствами обычного диэлектрика. Температура, выше которой вещество теряет сегнетоэлектрические свойства, называется точкой Кюри. При этом изменяется кристаллическое состояние диэлектриков; например, в титанате бария тетрагональная решетка переходит в кубическую. В ряде материалов имеет место несколько фазовых переходов при более низких температурах.

28

2 Пояснения к работе 2.1 Краткие теоретические сведения Чистые диэлектрики не должны проводить электрического тока в силу своего внутреннего химического строения, так как в них отсутствуют свободные электрические заряды. Электроизоляционные материалы, применяемые в радиоэлектронике, не являются совершенными с точки зрения электропроводности. Если приложить к диэлектрику постоянное напряжение, то через него потечет ток, изменяющийся согласно графику.

Ι

Iсм

Iабс Iпр τ

Рисунок 2.1 – Зависимость тока, протекающего через диэлектрик от времени нахождения диэлектрика под напряжением

21

Максимальный ток в диэлектрике возникает и прекращается через 10-16–10-15 сек. после включения. Он обусловлен упругой электронной поляризацией и называется током смещения Iсм. Установившийся ток в диэлектрике, не изменяющийся со временем, называется сквозным током Iск ,током проводимости Iпр или током утечки Iут. Он обусловлен наличием в технических диэлектриках малого количества свободных зарядов. Ток, изменяющийся от максимального значения до значения тока утечки, называется током абсорбции Iабс. Он вызван замедленной поляризацией в диэлектрике. Оба тока: смещения и абсорбции - составляют ток поляризации Iпол. В различных диэлектриках ток абсорбции спадает с различной скоростью. Поэтому находят «одноминутный» ток I1, который определяют через τ = 1мин после включения напряжения. Для твёрдых диэлектриков сквозной ток складывается из объёмного и поверхностного токов (формула 1): Iпр= Iск= Iут= Iv + Is

(1)

где Iпр –ТОК ПРОВОДИМОСТИ, А; Iск – сквозной ток,А; Iут – ток утечки, А; Iv - объёмный ток, А; Is - поверхностный ток, А. Так как сквозной ток ничтожно мал, удобнее характеризовать электропроводность диэлектриков величиной их сопротивления. Соответственно токам различают объёмное сопротивление Rv которое определяют по формуле 2:

RV =

U , IV

5 Содержание отчета Отчёт должен содержать: 5.1 Цель. 5.2 Перечень используемого оборудования. 5.3 Задание. 5.4 Схемы для измерений объёмного и поверхностного сопротивлений диэлектриков. 5.5 Результаты измерений сопротивлений, вычислений удельных объемных и поверхностных сопротивлений используемых диэлектриков (Заполнить таблицу 1). 5.6 Дать сравнительную характеристику вычисленных значений ρv и ρs испытуемых диэлектриков. 5.7 Сравнить полученные результаты с соответствующими данными, приведёнными в учебниках. 5.8 Ответы на контрольные вопросы: 5.8.1 Какой ток называется током сквозной проводимости? 5.8.2 Для чего служит охранное кольцо? 5.8.3 Как влияет на величину ρv и ρs влажность и температура? 6 Выводы по работе.

Список литературы 1 Богородицкий Н.П., Пасынков В.В.Материалы радиоэлектронной техники, - Л.: Энергоатомиздат, 1985.- 350с

(2)

где RV - объемное сопротивление, Ом; U - величина приложенного напряжения, В; IV - «одноминутный» объёмный ток, А; и поверхностное сопротивление RS , которое определяется по формуле 3:

RS =

U , IS

(3)

где Is - «одноминутный» поверхностный ток, А; 22

27

4.5.4 Измерить объёмное сопротивление диэлектриков. Результаты измерений записать в таблицу 1. 4.5.5 Измерить поверхностное сопротивление диэлектриков. Результаты измерений записать в таблицу1. 4.5.6 Вычислить удельное объемное сопротивление ρv испытуемых диэлектриков по формуле 3:

ρV = R V

SA , l

3.1 Самостоятельно изучить методические рекомендации по определению удельных сопротивлений; 3.2 Рассчитать удельное объемное и поверхностное сопротивления диэлектриков.

где ρv – удельное объемное сопротивление, Ом; Rv – объёмное сопротивление, Ом;

π ⋅ d 12 , 4

4.1 Назначение, технические характеристики и принцип действия тераомметра Е6 – 13 . Тераомметр Е6 – 13 предназначен для измерения электрического сопротивления. Принципиальная схема тераомметра представлена на рисунке 4.1.1. Приложение 1:

(4)

Прибор питается от сети с напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

где d 1 - диаметр электрода А, м Удельное поверхностное сопротивление ρS испытуемых диэлектриков находится по формуле 5:

ρS = R S где

2.74 , d2 lg d1

(5)

ρ S - удельное поверхностное сопротивление, Ом; d1 – диаметр электрода А, м; Rs – поверхностное сопротивление, Ом; d2 – внутренний диаметр электрода В, м.

26

4 Работа в лаборатории

.

SA находится по формуле 4:

SA =

2.2 Перечень используемого оборудования 2.2.1 Тераомметр Е6-13; 2.2.2 Набор диэлектриков; 2.2.З Измерительные электроды.

3 Задание

(3)

ℓ – толщина испытуемого образца, м ; SA – контактная поверхность электрода А, м2

RS- поверхностное сопротивление, Ом.

Необходимыми условиями работы прибора являются: а) отсутствие механических вибраций; б) отсутствие мощных постоянных магнитных полей; в) отсутствие мгновенных изменений напряжения сети. Принцип работы тераомметра заключается в том, что измеряемое сопротивление подсоединяется к известному калиброванному сопротивлению, (5) образуя делитель, питаемый от стабилизированного источника напряжения. Полученное в результате деления напряжение, затем усиленное, позволяет определить величину измеряемого сопротивления по прибору непосредственного отчёта .Входной делитель подключаем к усилителю постоянного тока с глубокой отрицательной обратной связью (см. схему). Тераомметр снабжён дополнительными измерительными электродами для измерения объёмного и поверхностного сопротивлений диэлектриков. 4.2 Описание лабораторной установки Схема для измерения объёмного сопротивления представлена на рисунке 4.2.1. Приложение 1.На схеме А, В, С – электроды. 23

Кольцевой электрод В в этой схеме охранной, он служит для отвода поверхностных токов и токов, проходящих сквозь образец краевых областях с неоднородным полем на землю. Схема для измерения поверхностного сопротивления диэлектрика представлена на рисунке 4.2.2. Приложение 1 Объёмные токи отводят на землю с помощью нижнего электрода С. 4.3 Подготовка прибора к работе » Земля, расположенную на задней панели 4.3.1 Клемму « прибора, соединить шиной заземления. 4.3.2 Проверить положение замыкателя входа (должен быть в положении «403»). 4.3.3 Переключатель характера шкалы должен находится в положении «ЛИНЕЙНАЯ» (при измерении с линейной шкалой). Или в положении «ОБРАТНАЯ». 4.3.4 Включить питание прибора, при этом должна загореться индикаторная лампочка. После 30 минут прогрева, ручкой «403 », расположеной на передней панели, установить указатель на нулевую отметку шкалы. Если ручкой не удаётся установить указатель на нулевую отметку шкалы, необходимо воспользоваться расположенной на задней панели прибора.

ручкой

«403»,

4.4 Порядок работы с тераомметром 4.4.1 Проведение измерений с линейной шкалой . Перевести переключатель поддиапазонов в положение , соответствующее измеряемому сопротивлению (102 – 1012 Ом) .При этом переключатель характера шкалы на задней стенке прибора должен быть в положении «ЛИНЕЙНАЯ». При необходимости заземления измеряемого объекта его следует соединить с клеммой « », расположенной на задней панели прибора. Измерения на поддиапазонах свыше 109 Ом следует производить в измерительной камере, причём клемму «

», расположенную на задней

стенке измерительной камеры, необходимо соединить с клеммой « прибора.

24

»

Ручкой установки нуля «403», расположенной на передней панели, установить указатель прибора на нулевую отметку шкалы. Подключив измеряемый объект, открыть вход прибора (ручку замыкателя »). входа на передней панели прибора поставить в положение « После измерения закрыть вход прибора поворотом той же ручки в противоположную сторону и зафиксировать её в положении «403». Только после этого можно отключить измеряемый объект. Рисунок 4.4.1 представлен в Приложении 1 4.4.2 Проведение измерений с обратно пропорциональной шкалой. Измерение с обратно пропорциональной шкалой производится на поддиапазонах с верхними пределами 1013 - 1014 Ом. Переключатель характера шкалы на задней стенке , прибора должен быть в положении «ОБРАТНАЯ» , при этом должен светиться индикатор «ОБРАТНАЯ ШКАЛА» , расположенный на передней панели прибора . Переключатель поддиапазонов поставить в положение , соответствующее измеряемому сопротивлению . После этого измерение производится аналогично измерениям с линейной шкалой . 4.5. Порядок выполнения работы 4.5.1 Ознакомиться с методом измерения объёмных и поверхностных сопротивлений. 4.5.2 Включить тераомметр. 4.5.3 Измерить с помощью штангенциркуля геометрические размеры образцов. Таблица 1 – Результаты измерений Материал

Измерить d1, d2, ℓ,м м м

Rv, Ом

Rs, Ом

1 Гетинакс 2 Стеклотекстолит

25

SA, м2

Вычислить ρv, ρs, Ом Ом·м