Міністерство освіти і науки України

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ



МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З ДИСЦИПЛІНИ

“МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО РАДІОАПАРАТІВ”

для студентів напряму 6.050902 – „Радіоелектронні апарати”

денної форми навчання



Одеса ОНПУ 2007

Міністерство освіти і науки України

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ



МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З ДИСЦИПЛІНИ

“МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО РАДІОАПАРАТІВ”

для студентів напряму 6.050902 – „Радіоелектронні апарати”

денної форми навчання



Затверджено на засіданні

кафедри інформаційних технологій

проектування в електроніці

та телекомунікаціях,

протокол № 5 від 24.10.2007



Одеса ОНПУ 2007

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Матеріалознавство радіоапаратів” для студентів напряму 6.050902 – „Радіоелектронні апарати” денної форми навчання/ Укл.: О.В.Андріянов, В.А.Мокрицький. Одеса – 2007. ОНПУ, 18 с.



Укладачі: О.В. Андріянов, канд. фіз.-мат. наук, доцент

В.А.Мокрицький, доктор техн. наук, професор



Зміст

стор



ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 4

1.1 Методика проведення експерименту 4

1.2 Хід роботи 5

1.3 Завдання до лабораторної роботи 6

1.4 Контрольні запитання 6

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2 7

2.1 Методика проведення експерименту 7

2.2 Завдання до лабораторної роботи 7

2.3 Контрольні запитання 7

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3 8

3.1 Методика проведення експерименту 8

3.2 Завдання до лабораторної роботи 8

3.3 Контрольні запитання 8

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4 9

4.1 Методика проведення експерименту 9

4.2 Завдання до лабораторної роботи 11

4.3 Контрольні запитання 11

Лабораторна робота № 5 12

5.1 Методика проведення експерименту 12

5.2 Завдання до лабораторної роботи 12

5.3 Контрольні запитання 13

Лабораторна робота №6 14

6.1 Методика проведення експерименту 14

6.2 Завдання до лабораторної роботи 16

6.3 Контрольні запитання 17

7 Література 17



ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1



ВИМІРЮВАННЯ ДІЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОНИКНОСТІ

ТА ТАНГЕНСУ КУТА ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ВТРАТ

ДЕЯКИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ



Мета роботи – ознайомитись з основними параметрами, властивостями та галузями використання основних активних та пасивних діелектриків.

[1, c.39-52, 61-89, 128-140, 169-184, 207-227; 2, c.260-287, 316-325].



Методика проведення експерименту



Діелектрична проникність та тангенс кута діелектричних втрат вимірюються за допомогою універсального мосту змінного струму типу Е7-11, спрощена схема якого показана на рис.1.1.

В основі вимірювання лежить принцип вимірювання ємності конденсатора мостовим методом. З досліджуваного матеріалу виготовляється плоский чи циліндричний конденсатор, геометричні розміри якого наведені в табл. 1.1. Знаючі співвідношення між ємністю конденсатора та його геометричними розмірами, можна розрахувати відносну діелектричну проникність досліджуваного матеріалу.

Ємність плоского конденсатора, Ф



, (1.1)



Рис.1.1. Схема вимірювання

де ( - відносна діелектрична проникність; (о= 8,85(10-12 Ф/м – електрична стала; S – площа діелектрика, м2; d – товщина діелектрика, м.

Ємність плоского конденсатора, що складається з набору пластин:



(1.2)



де n – кількість обкладинок.



Ємність циліндричного конденсатора



(1.3)



де l – довжина конденсатора, м; D, d – зовнішній та внутрішній діаметри відповідно, м.

Таким чином, визначення діелектричної проникності зводиться до вимірювання ємності конденсатора та розрахунку проникності за допомогою відповідних співвідношень.



Таблиця 1.1



№ п/п

Діелектрик

Товщина,

мкм

Розмір обкладок,

мм

Розрахун-кова формула

Сх, нФ

(

tg(



1

Фторопласт-4

20

15х650

(1.1)



2

Полістирол

20

14х140

(1.1)



3

Слюда

50

4х12

n=12

(1.2)



4

Кераміка

-

D=6,4 мм

d=5,9 мм

l=25 мм

(1.3)



5

Поліетилен-терефталат (лавсан)

10

6х150

(1.1)



6

Папір

20

8х140

(1.1)



7

Сегнето-кераміка ВК-2

1500

D=25 мм

n=4

(1.2)



Регулюючи конденсатором Со та резистором Rт по реактивній та активній складовим частинам відповідно підтримують міст у стані балансу та домагаються мінімального струму, що тече вздовж діагоналі мосту, в яку вимкнено мікроамперметр. При рівновазі моста виконуються співвідношення:



Відлік значень СХ та tg( роблять безпосередньо по шкалі прибору.



1.2 Хід роботи



Під’єднати плату з діелектриками, що досліджуються, до з’єднувача у термостаті.

Встановити перемикач “Выбор образца” у положення 1. При цьому буде підключено перший конденсатор (згідно з табл.1.1).

Встановити вимикачі на приборі Е7-11 у такі положення:

а) “L, C, R~, R=” – в положення “С”;

б) “Q<0,5, Q>0,5, tg( ” – в положення “tg( “;

в) “Частота” – в положення “1000 Гц”;

г) “Пределы” – в положення “1 нФ”.

Крім того, необхідно шкалу “tg( “ зафіксувати в положенні “0”, а ручку “Чувствительность” – в положенні, відповідному 50 %.

Вибрати необхідні границі вимірювання. Для цього слід нажати кнопку “Выбор предела” та обертаючи ручку “Пределы”, змінювати встановлену межу доти, доки знак фази напруги розбалансу не зміниться на протилежний чи не стане дорівнювати нулю.

Відпустивши кнопку “Выбор предела”, урівноважити міст вимикачем “Множитель” до одержання мінімального значення струму на мікроамперметрі. Після чого обертанням плавної шкали “Множитель” знайти положення, при якому мінімум стане ще меншим. Зменшити струм індикатора розбалансу обертанням шкали “tg( “. Регулювання повторювати при поступовому збільшенні чутливості мосту. При низької чутливості відбувається загрубіння результатів вимірювання, а при великій – важко зафіксувати мінімальне значення струму розбалансу. Рекомендоване значення чутливості – 30...50%. Відлік tg( проводити безпосередньо по шкалі прибору “tg( “. Відлік ємності виконується помноженням результату, що був одержаний по шкалі, на відповідний множник шкали “Пределы”. Наприклад, відлік ємності 0,345, множник 10 нФ, тоді

СX = 10(0,345 = 3,45 нФ = 3,45(10-9 Ф.

За допомогою вимикача “Выбор образца” вибрати на стенді другий конденсатор та повторити пп.3-5 для всіх семи зразків.



1.3 Завдання до лабораторної роботи



Вимірити значення ємності і тангенса кута діелектричних втрат для семи діелектриків.

Розрахувати значення діелектричної проникності для всіх зразків, використовуючи (1.1)-(1.3).

Порівняти отримані значення діелектричної проникності і тангенсу кута діелектричних втрат із довідниковими даними для цих матеріалів.

Надати стислу характеристику досліджених матеріалів та вказати галузі їхнього використання.



1.4 Контрольні запитання



Дайте визначення діелектрика.

Що таке поляризація діелектриків?

Які види поляризації спостерігаються в діелектриках?

Що таке діелектрична проникність та тангенс кута діелектричних втрат?

Як підрозділяють діелектрики по видах поляризації?

Як розрахувати потужність втрат у діелектриках?

Назвіть види діелектричних втрат.

Опишіть методику вимірювання ( та tg(.



ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2



ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ

ДІЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОНИКНОСТІ ТА ТАНГЕНСУ КУТА

ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ВТРАТ ДЕЯКИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ



Мета роботи – ознайомитись із тепловими властивостями пасивних діелектриків [1,c.39-52, 73-89; 2, c.260-285].



2.1 Методика проведення експерименту



Теплові властивості діелектриків досліджуються на прикладі паперового, полістирольного та керамічного конденсаторів. Вони мають відповідно дипольно-релаксаційну, електронну та іонно-релаксаційну поляризації. Методика проведення експерименту відповідає роботі №1, де вона докладно описана.



2.2 Завдання до лабораторної роботи



Вимірити значення ємності й тангенса кута діелектричних втрат для паперового, полістирольного та керамічного конденсаторів при кімнатній температурі.

Розрахувати значення діелектричної проникності для всіх зразків, використовуючи (1.1)-(1.3).

Увімкнути термостат. Замірити кімнатну температуру, при якій було заміряно значення ємності та тангенса кута діелектричних втрат.

Через кожні 5 градусів повторювати вимірювання ємності та тангенса кута діелектричних втрат указаних діелектриків, нагріваючи їх до 60 оС, кожний раз фіксуючи температуру.

Розрахувати значення діелектричної проникності для кожного заміру.

Побудувати графіки залежності діелектричної проникності та тангенса кута діелектричних втрат паперового, полістирольного та керамічного діелектриків від температури.

Зробити висновки щодо температурній стійкості діелектриків та галузей їхнього використання, а також про тип поляризації.



2.3 Контрольні запитання



Що таке дипольно-релаксаційна поляризація?

Що таке іонно-релаксаційна поляризація?

Що таке електронна поляризація?

Як залежить діелектрична проникність та тангенс кута діелектричних втрат від температури для дипольно-релаксаційної поляризації?



ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3



ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ

ДІЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОНИКНОСТІ СЕГНЕТОЕЛЕКТРИКІВ



Мета роботи – вивчити основні властивості сегнетоелектриків на прикладі сегнетокераміки [1, c.52-57, 224-230; 2, c.325-343].



3.1 Методика проведення експерименту



Температурна залежність діелектричної проникності й тангенса кута діелектричних втрат вимірюється за допомогою універсального мосту змінного струму типу Е7-11, принципова схема якого зображена на рис.1.1. Плоский конденсатор виготовлено з досліджуваного матеріалу. Його ємність визначається так:



, (3.1)



де D – діаметр пластин, м; d – товщина діелектрика, м; n – кількість обкладинок.

Геометричні розміри зразка наведені в табл.1.1, поз. 7. Методика вимірювання аналогічна методиці, що наведена у лабораторній роботі №1.



3.2 Завдання до лабораторної роботи



Вимірити значення ємності та тангенса кута діелектричних втрат сегнетоелектрика при кімнатній температурі. Перемикач “Выбор предела” при цьому повинен знаходитись у положенні “7”.

Увімкнути термостат та вимірити значення кімнатної температури.

У міру прогріву термостату безперервно балансувати міст за активною та реактивною складовими обертаннями шкали відповідно “tg(“ і “Множитель”. Через кожні 5 градусів повторювати вимірювання ємності та тангенса кута діелектричних. Вимірювання проводити до 65оС. При температурі 50...60оС спостерігається різка зміна ємності та tg(. Будьте уважні!

Розрахувати значення діелектричної проникності для сегнетоелектрика, використовуючи (3.1).

Побудувати графіки залежності діелектричної проникності та тангенса кута діелектричних втрат сегнетоелектрика від температури і визначити точку Кюрі.

Зробити висновки щодо галузей використання даного матеріалу.



3.3 Контрольні запитання



Що таке сегнетоелектрики?

Поясніть виникнення спонтанної поляризації в сегнетоелектриках.

Назвіть галузі використання сегнетоелектриків.

Як розподіляються сегнетоелектрики за властивостями?

Як впливає температура на властивості сегнетоелектриків?



ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4



ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ

ПИТОМОГО ОПОРУ ВЛАСНОГО ТА ДОМІШКОВОГО ГЕРМАНІЮ



Мета роботи – вивчити вплив температури та домішок на опір напівпровідників [1, c.293-310, 331-336; 2, c.133-142, 178-191].



4.1 Методика проведення експерименту



У роботі досліджуються власний та донорний германій. За результатами роботи необхідно визначити ширину його забороненої зони, концентрацію власних носіїв заряду та концентрацію донорів.

Ширину забороненої зони напівпровідника можна визначити за допомогою температурної залежності опору власного напівпровідника (рис. 4.1). Звісно, що опір власного напівпровідника зменшується з підвищенням температури згідно з експоненціальним законом:



, (4.1)



де (о - питомий опір напівпровідника при необмежено високій температурі;

(Е – ширина забороненої зони, еВ;

k = 8,625(10-5 еВ/К – стала Больцмана;

Т – абсолютна температура, К.



Рис.4.1. До визначення ширини забороненої зони

напівпровідника



Прологарифмуємо цю залежність



(4.2)



Звідси виходить, що в координатах ln(=f(1/T) спостерігається лінійна залежність із кутовим коефіцієнтом



(4.3)



Таким чином, отримавши експериментальну залежність ln(=f(1/T), необхідно апроксимувати її прямою лінією в області високих температур та визначити кутовий коефіцієнт отриманої прямої за допомогою співвідношення



(4.4)



Після цього з (4.3) можна знайти ширину забороненої зони германію.

Знаючи, що рухомість електронів у германії при температурі 300К дорівнює 3800см2/(B(c), а дірок – 1800см2/(B(c), та враховуючи, що вона слабко залежить від температури, можна визначити значення концентрації власних носіїв заряду в германії зі співвідношення



(і=е(ni(((n+(p), (4.5)



де (і=1/(і – питома електропровідність при 300 К, Ом-1(м-1;

е=1,6(10-19, Кл – заряд електрона;

ni – концентрації власних носіїв заряду, м-3;

(n – рухомість електронів, м2/(B(c);

(p – рухомість дірок, м2/(B(c).



Для домішкового напівпровідника, що знаходиться при температурі, відповідній ділянці виснаження домішок, можна визначити і концентрацію донорів із співвідношення



(n=1/(i=е(Nd((n, (4.6)



де Nd – концентрація донорів, м-3.



Експериментальну залежність R=f(T) знімають за допомогою схеми вимірювання, зображеної на рис.4.2.

Питомий опір розраховується як



(4.7)



де R – опір напівпровідника, Ом;

S – площа його поперечного перетину, м2;

l – довжина, м.



Геометричні розміри досліджуваних зразків наведені в табл. 4.1.



Рис.4.2. Схема вимірювання



Таблиця 4.1

№ п/п

Германій (зразок)

Довжина, мм

Розміри поперечного перетину, мм



1

власний

10

1,5х1,3



2

донорний

5

1,2х1,4



4.2 Завдання до лабораторної роботи



Помістити плату з досліджуваними зразками в термостат.

Заміряти омметром типу Щ4313 опір власного та домішкового напівпровідників. Зразки вибирають за допомогою перемикача “Выбор образца” на стенді відповідно до табл.4.1.

Увімкнути термостат та заміряти значення кімнатної температури.

У міру прогріву термостата заміряти опір та температуру середовища для обох зразків через кожні 5оС в інтервалі від 20 до 70оС.

Розрахувати значення питомого опору обох зразків при кожній температурі згідно з (4.7).

Побудувати графік залежності ln(=f(1/T) для власного напівпровідника та визначити кутовий коефіцієнт, згідно з (4.4).

Розрахувати значення ширини забороненої зони власного напівпровідника, використовуючи (4.3).

Побудувати графік залежності (=f(T) для домішкового напівпровідника.

Розрахувати концентрацію носіїв заряду у власному напівпровіднику та концентрацію донорів у домішковому напівпровіднику при кімнатній температурі, використовуючи відповідно (4.5) та (4.6).

Зробити висновки про вплив температури до домішок на електричну провідність напівпровідників.

Порівняти одержані значення ширини забороненої зони та концентрації власних носіїв заряду в германії із довідковими.



4.3 Контрольні запитання



1. Які матеріали відносяться до класу напівпровідників?

2. Основні параметри напівпровідникових матеріалів.

3. Які фактори визначають електричну провідність напівпровідників?

4. Що таке власна та домішкова провідність?

5. Які параметри напівпровідників можна визначити за допомогою температурної залежності їхнього опору?

6. Чим відрізняється температурна залежність питомого опору власного напівпровідника від домішкового?



Лабораторна робота № 5



Дослідження температурної залежності

питомого опору металевих провідників



Мета роботи - вивчити вплив температури і наявності домішок на опір металевих провідників [1, с.231-260, 283-289; 2, с.368-393, 408-410].



5.1 Методика проведення експерименту



Досліджуються металеві сплави на основі міді та нікелю (типу константу),а також нікелю та хрому (типу ніхрому). Їхні основні параметри наведені в табл. 5.1.

Питомий опір провідника можна визначити так:

(5.1)

де R – опір провідника, Ом;

l – довжина, м;

S – площа поперечного перетину, м2.

Температурний коефіцієнт питомого опору визначається по температурній залежності питомого опору провідника:



(5.2)

де (0 – питомий опір при кімнатній температурі, Ом(м;

- нахил прямої у координатах , Ом(м/K.

Таблиця 5.1

№

п/п

Склад

Довжина, м

Діаметр, мм

Т,

0С

R,

Oм

(, мкОмм

,

К–1



1

Cu 85 % + Ni 15 %

8,7

0,17



2

Cu 60 % + Ni 40 %

6,2

0,18



3

Cu 20 % + Ni 80 %

7,7

0,12



4

Cu 100 %

30,0

0,08



5

Ni 80 % + Cr 20 %

8,5

0,40



Щоб зняти температурну залежність опору металевих провідників, використовується така схема вимірювання (рис.5.1).



5.2 Завдання до лабораторної роботи



Помістити плату з досліджуваними зразками в термостат.

Заміряти тестером Щ 4313 опір усіх металевих провідників при кімнатній температурі. Зразки, що розташовані на стенді і відповідають табл.5.1 вибирають перемикачем “Выбор образца”.

Увімкнути термостат і заміряти кімнатну температуру.

У міру прогріву зразків заміряти значення опору кожного зразка і температури через кожні 50С в інтервалі 20…70 0С.



Розрахувати питомий опір зразків при кожному значенні температури по (5.1) і побудувати залежності питомого опору від температури для кожного зразка.

За нахилом прямої питомого опору від температури визначити температурний коефіцієнт питомого опору для кожного матеріалу, використовуючи (5.2).

Побудувати залежності питомого опору і температурного коефіцієнта питомого опору для перших чотирьох зразків від складу сплаву мідь–нікель.

Порівняти отримані значення питомого опору і температурного коефіцієнта питомого опору із довідковими.

Зробити висновки про вплив температури та домішок на питомий опір та температурний коефіцієнт питомого опору металевих провідників.



Рис.5.1. Схема вимірювання



5.3 Контрольні запитання



Чим визначається питомий опір металів?

Як залежить питомий опір чистих металів від температури?

Як залежить питомий опір металу від температури та наявності домішок?

Як впливає наявність домішку на температурний коефіцієнт питомого опору?

Що таке над провідність?

Наведіть класифікацію провідникових матеріалів.

Перелічіть вимоги до матеріалів високої електричної провід-ності.

Перелічіть вимоги до матеріалів, що використовуються для нагрівальних приладів та зразкових резисторів.



Лабораторна робота №6



Дослідження властивостей магнітом’яких матеріалів



Мета роботи – заміряти основну криву намагнічування та дослідити вплив напруженості магнітного поля на параметри магнітно м’яких матеріалів [1, с.352–384; 2, с.427-466].



6.1 Методика проведення експерименту



У даній роботі використано осцилографічний метод вимірювання основній кривої намагнічування (рис.6.1). На кільцеподібній серцевник, виготовлений із досліджуваних матеріалів, наносять дві обмотки: первинну з числом витків W1 та повторну з числом витків W2. З теорії електромагнетизму відомо, що напруженість магнітного поля у зразку пропорційна струму в намагнічуючій первинній обмотці трансформатора, що живиться від генератора змінної напруги.



До осцилографу



Рис.6.1. Схема вимірювання



Отже, напруга на активному резисторі R1 пропорційна напруженості магнітного поля H і через підсилювач подається на горизонтальні відхиляючі пластини осцилографа. Дійсно, напруженість магнітного поля в осерді пропорційна струму в намагнічувальній первинній обмотці:



H=i1W1/l, (6.1)



де i1- струм первинної обмотки, А;

l - довжина магнітного осердя.



Напруга на резисторі R1



. (6.2)



Звідки



. (6.3)



У вторинній обмотці зразка під впливом магнітного поля виникає EPC. На вертикальні відхиляючі пластини осцилографа подається напруга uy, що знімається з ємності С і пропорційна ЕРС повторної обмотки. Дійсно

, (6.4)



де i2 –струм повторної обмотки; t –тривалість.

Коли , то i2=E2/R2, де R2 – опір інтегрувального ланцюга; E2 - EPC повторної обмотки.

Тоді



, (6.5)



де S - перетин магнітопроводу, м2; B – магнітна індукція, Тл.

Отже,



(6.6)



звідки



. (6.7)



Таким чином, на екрані осцилографа можна спостерігати частинні петлі гістерезису, розмір яких залежить від прикладеної змінної напруги u1. При цьому геометричне місце точок вершин петель гістерезису дасть основну криву намагнічування (рис. 6.2). Отже, експериментально необхідно визначити координати вершин петель гістерезису та, використовуючи вираз



ux=kxx , (6.8)



uy=kyy , (6.9)



де kх , kу –коефіцієнти посилення осцилографа по осі Х та У відповідно, знайти напруги ux і uy. Підставляючи їхні значення в (6.3) та (6.7), можна побудувати основну криву намагнічування.

Коерцитивну силу можна розрахувати, попередньо вимірявши при максимальній напрузі ширину петлі гістерезису (х:



. (6.10)



Знаючи основну криву намагнічування, можна побудувати залежність статичної та динамічної магнітної проникності від напруженості магнітного поля:



(6.11)



(6.12)



де (0=4 10-7 Гн/м – магнітна постійна.

Для побудови залежності (д=f(H) необхідно провести графічне диференціювання основній кривої намагнічування для 5-6 точок.

Апроксимуючи до насичення залежність В=f(Н), можна визначити індукцію насичення матеріалу Вs.

У роботі досліджуються три різних магнітом’які матеріали: електротехнічна сталь, пермалой і ферит, параметри яких наведені в табл. 6.1.

Таблиця 6.1

№ п/п

Матеріал

W1

W2

l,

мм

S1, мм2

R1, Oм

R2, кОм

C, мкФ



1

Електротехнічна

сталь

2000

28

87

99

82

240

0,5



2

Ферит

700

200

75

42

82

240

0,5



3

Пермалой

2000

200

46

30

82

240

0,5



6.2 Завдання до лабораторної роботи



Приєднати плати з досліджуваними матеріалами до з’єднувача термостата.

Зафіксувати перемикач “Выбор образца” на стенді в положенні “1”. При цьому буде приєднано перший зразок згідно з табл. 6.1.

Виставити максимальне значення напруги ручкою “” на генераторі.

Регулюючи зміщення по осях X і Y на осцилографі, виставити петлю гістерезису так, щоб вершина петлі гістерезису знаходилася у верхньому правому куті . Змінюючи посилення перемикачем “Усиление по У” на осцилографі добитися зручного для вимірювання розміру петлі гістерезису.

Убрати ручкою “” на генераторі напругу до нуля.

Регулюючи на осцилографі зміщення по осях Х і У, виставити світляну точку в найближче перехре