Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Материаловедение. Конструкционные и электротехнические материалы. Материалы и элементы электронной техники

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 631944.01.99
Доступ онлайн
32 ₽
В корзину
Дано краткое описание работ по исследованию электрических и эксплуатационных свойств электроматериалов. Для каждой работы приведены краткие теоретические сведения об основных физических процессах, происходящих в исследуемых материалах, дано описание лабораторной установки, изложены методы испытаний и обработки экспериментальных данных, указаны требования к отчету. В конце описания каждой работы приведены контрольные вопросы для самоподготовки студентов. Пособие предназначено для студентов всех специальностей, выполняющих лабораторные работы по курсам «Радиоматериалы и компоненты», «Электротехнические и конструкционные материалы» и «Материалы и элементы электронной техники».
Новиков, И. Л. Материаловедение. Конструкционные и электротехнические материалы : материалы и элементы электронной техники / И. Л. Новиков, Р. П. Дикарева, Т. С. Романова. - Новосибирск : НГТУ, 2010. - 56 с. - ISBN 978-5-7782-1479-8. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/548084 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

И.Л. НОВИКОВ, Р.П. ДИКАРЕВА, Т.С. РОМАНОВА

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

КОНСТРУКЦИОННЫЕ

И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ

ТЕХНИКИ

ПРАКТИКУМ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Учебно-методическое пособие

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.315.5/.6(076.5)

Н731

Рецензенты:

А.В. Баранов, канд. физ.-мат. наук, доцент;
Б.К. Богомолов, канд. физ.-мат. наук, доцент

Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов

и микроэлектроники для студентов II курса ЭМФ и РЭФ

и утверждена Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Новиков И.Л.

Н731
Материаловедение. Конструкционные и электротехнические 

материалы. Материалы и элементы электронной техники . 
Практикум к лабораторным работам : учеб.-метод. пособие / 
И.Л. Новиков, Р.П. Дикарева, Т.С. Романова. – Новосибирск : 
Изд-во НГТУ, 2010. – 56 с.

ISBN 978-5-7782-1479-8

Дано краткое описание работ по исследованию электрических и 

эксплуатационных свойств электроматериалов. Для каждой работы 
приведены краткие теоретические сведения об основных  физических 
процессах, происходящих в исследуемых материалах, дано описание 
лабораторной установки, изложены методы испытаний и обработки 
экспериментальных данных, указаны требования к отчету. В конце 
описания каждой работы приведены контрольные вопросы для самоподготовки студентов.

Пособие предназначено для студентов всех специальностей, вы
полняющих лабораторные работы по курсам «Радиоматериалы и 
компоненты», «Электротехнические и конструкционные материалы» 
и «Материалы и элементы электронной техники».

УДК 621.315.5/.6(076.5)

ISBN 978-5-7782-1479-8
© Новиков И.Л., Дикарева Р.П., 

Романова Т.С., 2010

© Новосибирский государственный 

технический университет, 2010

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение электрической прочности газообразных  и жидких ди
электриков.

1. Исследовать зависимость пробивного напряжения Uпр и электри
ческой прочности Епр воздуха от расстояния между электродами в однородном и неоднородном электрических полях.

2. Определить электрическую прочность трансформаторного масла 

одним из стандартных методов и дать заключение об его пригодности.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

1. Пробой газов

Под действием электрического поля заряженные частицы (элек
троны, отрицательные и положительные ионы газа) перемещаются в 
направлении поля или против него в зависимости от их знака и приобретают на длине свободного пробега дополнительную к тепловой 
энергию:

W
qE ,                                                (1)

где Е – напряженность электрического поля; q – заряд частицы; λ –
длина свободного пробега.

Если эта энергия становится равной или большей энергии иониза
ции газовых молекул Wи, то при столкновении с молекулой газа происходит ударная ионизация, т. е. расщепление молекулы на электрон и 
положительный ион. Освобожденный «вторичный» электрон под действием поля, в свою очередь, ионизует следующие молекулы газа, 
формируя, таким образом, электронную лавину.

Электронная лавина, достигая анода, интенсивно ионизует газ 

вблизи этого электрода, доводя его концентрацию до критической величины. Положительная ионная лавина начинает продвигаться от анода к катоду, насыщаясь электронами. Полученная плазма, достигая катода, производит генерацию свободных электронов из него. Эти новые 
носители заряда образуют устойчивый ток пробоя по проводящему 
плазменному каналу. 

В однородном поле пробой газа наступает внезапно с образованием 

электрической искры, в неоднородном поле ему предшествует явление 
короны. Пробивное напряжение при однородном поле выше пробивного напряжения в неоднородном поле при прочих равных условиях. 
Кроме того, пробивное напряжение и электрическая прочность газа 
зависят от рода тока, давления и химического состава газа.

2. Пробой жидких диэлектриков

Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектри
ческих жидкостей зависят от степени их очистки.

На величине электрической прочности Епр жидких диэлектриков 

весьма резко сказываются форма электродов и расстояние между ними. Поэтому измерение Епр электротехнических масел проводят в 
стандартном пробойнике – керамическом сосуде с латунными электродами: диаметр 25 мм, радиус закругления краев 2.5 мм, расстояние 
между электродами 2.5 мм.

Поскольку на электрическую прочность жидкого диэлектрика су
щественно влияют газовые включения, подачу напряжения после заливки масла в пробойник можно производить, выждав некоторое время, для того чтобы пузырьки воздуха успели выйти из жидкости. 

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Измерение пробивного напряжения и определение электрической 

прочности воздуха при постоянном напряжении выполняется с помощью генератора постоянного напряжения ГНВ1-01 (рис. 1). Максимальное напряжение, подаваемое на диэлектрик, составляет 20 кВ. 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Изучение зависимости электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном (шар-шар, плоскость-плоскость) 
и неоднородном (игла-плоскость) электрических полях следует проводить, соблюдая приведенный ниже порядок работы.

1. Отключить генератор напряжения от сети (кнопка 10). Вставить 

электроды плоскость-плоскость в высоковольтную камеру  генератора 
напряжения, открыв верхнюю крышку прибора. С помощью микрометра установить между электродами плоскость-плоскость начальное 
расстояние 0.5 мм, используя риски на его стержне. Нижняя неподвижная шкала микрометра, имея шаг 1 мм, показывает количество 
миллиметров, верхняя часть также имеет шаг 1 мм, но показывает 
среднее расстояние между делениями нижней шкалы, тем самым позволяя точно установить величину 0.5 мм. Шкала на подвижной ручке 
соответствует шагу 0.01 мм; расстояние 0.5 мм – одному полному повороту подвижной ручки микровинта; расстояние 1 мм равняется двум 
полным поворотам ручки микрометра и т. д. Для установки требуемого 
расстояния необходимо электроды привести в легкое касание, после 
чего ручкой микрометра отвести один из них на нужное расстояние, 
повернув ее необходимое число оборотов. 

Рис. 1. Лицевая панель установки ГНВ1

1 – индикатор напряжения; 2 – индикатор перегрузки по току; 3 – индикатор перегрузки по напряжению; 4 – блокировка; 5 – связь с ЭВМ; 6 – кнопка  “+/Пуск”;
7 – кнопка “----”; 8 – кнопка  “Режим”; 9 – кнопка  “Сброс”; 10 – кнопка выключателя

“Сеть”; 11 – Индикатор режима работы

2. Закрыть крышку прибора. 
3. Включить кнопку “Сеть” 10 ( см. рис.1), при этом загорится ин
дикатор напряжения 1 (---), через 20–30 с индикатор покажет (000). 
Прибор готов к работе. Если горит индикатор блокировки 4, то либо 
открыта высоковольтная камера, либо она не установлена. 

4. Кнопкой «Режим» включить автоматический режим измерения. 

Нажмите кнопку «Пуск». Рост напряжения будет происходить автоматически.

5. Следить за индикатором перегрузки по току. При его срабатыва
нии установленное напряжение генератора считается пробивным. Если 
сработал индикатор «Перегрузка по напряжению», необходимо выполнить п. 6 и повторить измерение еще раз.

6. Нажать кнопку «Сброс», выключить прибор, открыть крышку и 

продуть камеру.  

7. Повторить пп. 3–6 три раза. Среднее арифметическое значение 

принимается за пробивное напряжение воздуха при данном расстоянии 
между электродами. 

8. Меняя расстояние между электродами, измерить пробивное на
пряжение и определить электрическую прочность воздуха при расстояниях 0.5, 1, 1.5, 2 мм. При смене расстояния обязательно кнопкой «Сеть» отключать установку от сети.

9. Вставить в камеру электроды игла-плоскость и повторить пп. 1–8. 

10. Вставить электроды шар-шар и повторить пп. 1–8.
11. Результаты испытаний свести в табл. 1. Построить графики зави
симости Uпр = f(h) и Епр = f(h) для трех типов электродов.

Обработку результатов выполнять в пакете MS Excel или Origin. 

Снятые с прибора данные занести в таблицы и рассчитать параметры. 
Графики зависимости Uпр = f(h) и Епр = f(h) для трех типов электродов 
аппроксимировать с помощью линейной функции и В-Spline функции 
(для нелинейной зависимости). Вставить графики в отчет, заполнить 
таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл пакета ORIGIN
(OPJ) или MS Excel) и отчет с именем: <Фамилия И.О.>_5. Рабочая 
папка: D:/МиЭЭТ/<Номер группы>.

Т а б л и ц а  1

№
п/п

Расстояние 
между электродами, мм

Электроды

Uпр, кВ
Епр, В/м
1
2
3
среднее

1
2
3
4

0.5
1
1.5
2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Механизм пробоя газов.
2. Как и почему электрическая прочность воздуха зависит от фор
мы электродов, расстояния между ними и давления?

3. Механизм развития пробоя жидких диэлектриков различной сте
пени очистки.

4. Физическая сущность тепловой формы пробоя твердых диэлек
триков. 

5. Физическая сущность электрического пробоя твердых диэлек
триков. 

6. Какой диэлектрик имеет большую электрическую прочность –

плотный или пористый? Почему?

7. Пленка поливинилхлорида при электрическом пробое разруша
ется при напряжении 1.5 кВ. Определить толщину пленки, если ее
электрическая прочность равна 50 МВ/м.

8. Какую толщину должен иметь воздух, чтобы электрический 

пробой имел место при значении напряжения из задачи 7. Электрическая прочность воздуха 3 МВ/м?

9. При каком максимальном напряжении может работать слюдяной 

конденсатор емкостью С = 1000 пФ с площадью обкладок S = 6·10–4 м2, 
если он должен иметь четырехкратный запас по электрической прочности. Диэлектрическая проницаемость слюды ε = 7, ее электрическая 
прочность Епр = 100 МВ/м.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение основных магнитных свойств ферромагнетиков и их за
висимости от напряженности магнитного поля.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

1. Спонтанная намагниченность

Ферромагнетики – кристаллические вещества, в которых результи
рующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними фор
мами движения электрических зарядов. Такими формами движения 
являются: вращение электронов вокруг собственной оси – спиновое 
вращение и орбитальное вращение электронов в атомах. Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов 
ниже определенной температуры (точки Кюри) макроскопических намагниченных областей, называемых магнитными доменами. В пределах магнитного домена ориентация электронных спинов оказывается 
параллельной. 

Таким образом, характерным для ферромагнитного состояния ве
щества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя 
в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, направления магнитных моментов отдельных доменов получаются разными, чтобы система имела минимум свободной энергии. 
Магнитный момент такого тела будет равен нулю в отсутствии магнитного поля.

2. Ферромагнетик во внешнем магнитном поле

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влияни
ем внешнего магнитного поля сводится: 1) к росту тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением поля за счет уменьшения размеров других доменов (процесс 
смещения доменных границ); 2) к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации). Магнитное насыщение достигается тогда, когда рост доменов прекращается и магнитные 

моменты всех спонтанно намагниченных микроскопических участков 
окажутся ориентированными в направлении поля (рис. 2). 

Рис. 2. Схема ориентации спинов в доменах

при намагничивании ферромагнетика

Протекание процессов намагничивания ферромагнитного материа
ла характеризуют кривыми намагничивания В(Н) (рис. 3). Относительная магнитная проницаемость μ определяется по основной кривой 
намагничивания как отношение индукции В в ферромагнетике к напряженности внешнего магнитного поля Н в данной точке кривой с 
учетом магнитной постоянной μ0 = 4π·10–7 Гн/м:

0

B
H .

Рис. 3. Кривая намагничивания ферромагнетика

Н = 0
Н 

Н 

В

Магнитная проницаемость, определяемая по выражению (2), назы
вается статической. Она оказывается зависимой от величины внешнего 
магнитного поля (рис. 4). Магнитную проницаемость при Н ≈ 0 называют начальной проницаемостью μнач, определяя ее при полях около 0.1 А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости носит наименование максимальной проницаемости μmax.

При перемагничивании ферромагнетика зависимость В(Н) характе
ризуется магнитным гистерезисом. Если медленно производить намагничивание материала во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с 
какой-либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать 
напряженность поля, то индукция будет также уменьшаться, но не по 
основной кривой, а с отставанием. При увеличении поля противоположного направления материал может быть полностью размагничен, 
перемагничен и при новой перемене направления магнитного поля индукция снова вернется в исходную точку. Таким образом, будет описана кривая, называемая петлей магнитного гистерезиса. В зависимости

Рис. 4. Зависимость статической магнитной
проницаемости от внешнего магнитного поля

от максимальной величины напряженности внешнего магнитного поля 
можно построить семейство петель гистерезиса. Петля гистерезиса называется предельной, если величина напряженности магнитного поля 
намагничивает ферромагнетик до насыщения. На предельной петле 
гистерезиса выделяют следующие параметры (рис. 5): остаточная индукция Вост, определяемая в точке Н = 0 на размагничивающей ветви 
петли; коэрцитивная сила Нс, определяющая величину напряженности 

Н 

μ

Доступ онлайн
32 ₽
В корзину