Материалы и элементы электронной техники

Министерство Российской Федерации по атомной энергии Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НОВОУРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания к выполнению самостоятельных работ по курсу

”Материалы и элементы электронной техники”

для студентов дневной формы обучения специальности 200400 ”Промышленная электроника”

Новоуральск 2003

УДК 621.3.042

Методические указания к выполнению домашних работ по курсу “Материалы и элементы электронной техники” для студентов дневной и вечерней форм обучения специальности 200400 «Промышленная электроника»

Новоуральск: НГТИ, 2003.-17c.

Работа предназначена для методического обеспечения самостоятельной деятельности студентов по дисциплине “Материалы и элементы электронной техники”

Методические указания к выполнению домашних работ по курсу “Материалы и элементы электронной техники” рассмотрены на заседании кафедры

“__”_____________________2003 г.

2

Введение

Разработка новых материалов и непрерывное совершенствование уже известных происходят одновременно с общим развитием электротехники, промышленной электроники, вычислительной техники и расширением требований промышленности к качеству материалов.

Первым практическим применением электроматериалов для создания сравнительно мощного источника электрической энергии можно считать изготовление большой батареи, электродвижущая сила которой создавалась за счёт контактной разности потенциалов между дисками из разных металлов. Эта батарея была создана в 1802 году академиком В. В. Петровым. В ней использовалось 8400 медных и цинковых дисков с прокладками из бумаги, пропитанной электролитом. С помощью этой батареи впервые в мире была получена электрическая дуга.

В1832 г. в своих опытах по созданию электромагнитного телеграфа русский учёный П. Л. Шиллинг использовал в качестве изоляции плёнку, пропитанную воском, невулканизированный каучук и шёлковую пряжу.

В1872 г. изобретатель А. Н. Лодыгин создал первую угольную лампу накаливания; инженер П. Н. Яблочков в 1876 г. изобрёл электрическую “свечу”, положившую начало широкому применению электрического освещения. В этих изобретениях были использованы проводники, магнитные материалы и электрическая изоляция.

По мере развития электротехники всё большее значение приобретал правильный выбор материалов, помогавший успешно разрешать возникавшие задачи.

Быстрый рост промышленности во всех её многочисленных отраслях сопровождается непрерывным увеличением номенклатуры применяемых материалов, совершенствованием технологии их изготовления и всё более широким использованием новых, ранее не применявшихся в технике видов сырья.

Развитие отечественной электротехники выдвинуло на одно из первых мест проблему быстрейшего совершенствования электротехнических материалов высокого качества, полностью отвечающих наименьшим техническим требованиям и изготовляемых из отечественного сырья по самой совершенной технологии. Для дальнейшего развития электрификации и автоматизации промышленности потребовались многие виды электротехнических материалов и в первую очередь новейшие гибкие высокомолекулярные диэлектрики с нагревостойкостью до

600…650 С, надёжные в эксплуатации полупроводниковые элементы, ферромагнетики с высокими магнитными характеристиками и т. п.

4

1 Требования к выполнению домашних заданий

Выполнение домашнего задания является одним из наиболее важных этапов самостоятельной работы при изучении студентами курса “Материалы и элементы электронной техники” специальности 200400.

Домашнее задание помогает студентам проверить степень усвоения ими курса, вырабатывает у них навык чётко и кратко излагать свои мысли, навык работы со справочной литературой, приучает к систематическому, самостоятельному, достаточно напряжённому интеллектуальному труду.

Перед выполнением домашнего задания необходимо изучить теоретические и практические положения соответствующего раздела изучаемого курса, ознакомиться со справочными данными тех или иных материалов.

Номер варианта работы студента определяется двумя цифрами, соответствующими порядковому номеру студента в учебном журнале.

Домашнее задание должно быть выполнено в соответствии с требованиями стандарта предприятия СТП НПИ-2-2002 (требованиями к оформлению текстовой документации).

Домашнее задание зачитывается, если оно не содержит ошибок принципиального характера, выполнено в полном объёме, с учётом требований стандарта предприятия СТП НПИ-2-2002.

5

2 Методические указания и задания для выполнения домашних работ

2.1Задания на выполнение домашней работы №1 Характеристики и свойства диэлектриков

Задание 2.1.1 К образцу прямоугольной формы из диэлектрического материала размерами a b, толщиной h приложено постоянное напряжение к противоположным граням образца, покрытым слоем металла.

Заданы значения: удельного объёмного сопротивления v, удельного поверхностного сопротивления s, диэлектрической проницаемости , тангенса угла диэлектрических потерь tg .

Требуется определить: ток утечки, мощность диэлектрических потерь, удельные диэлектрические потери, удельные диэлектрические потери при включении образца на переменное напряжение с действующим значением U при частных f1, f2, f3.

Числовые значения заданных величин приведены в таблице 2.1 Таблица 2.1

Методические указания

Если диэлектрик включить на постоянное напряжение, то вследствие движения зарядов по нему будет протекать ток сквозной проводимости или ток утечки. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму объёмного и поверхностного токов. Для плотностей токов можно записать

6

Объёмный и поверхностный токи определяются величиной приложенного напряжения и сопротивлением диэлектрика. Объёмное сопротивление образца прямоугольной формы вычисляется по формуле

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью.

Мощность потерь в диэлектрике обычно относят к единице объёма и выражают в Вт/мм3. При включении образца на переменное напряжение диэлектрические потери пропорцио-

нальны ёмкости. Ёмкость следует определять по формуле

Задание 2.1.2 Дать полную характеристику диэлектрикам, приведённым в таблице 2.2, по следующим процессам:

–по виду поляризации. Привести и объяснить зависимости диэлектрической проницаемости от частоты и температуры;

–по виду электропроводимости. Привести зависимость токов, протекающих по диэлектрику от времени приложения напряжения, векторную диаграмму для данных диэлектриков с указанием углов между токами и напряжением;

–по виду диэлектрических потерь;

–по электрической прочности.

Таблица 2.2

Методические указания

7

ния, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряжённости поля – электрической прочностью диэлектрика.

Пробой газа обуславливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой диэлектриков может вызываться как электрическими, так и тепловыми процессами, возникающими под действием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

Материал по данной теме изложен в [1], с. 58-65. В задании 2.1.4 показать, чем отличается пробой воздуха в однородных и резко неоднородных полях.

2.2 Задания на выполнение домашней работы №2 Проводниковые, полупроводниковые, магнитные материалы

Задание 2.2.1 Дать определение проводника, назвать их основные параметры и пояснить их физический смысл. Для заданных в таблице 2.4 двух различных проводников привести числовые значения этих параметров. Дать краткую характеристику и область их применения.

Таблица 2.4

Методические указания

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твёрдые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твёрдыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

9

Проводниковые материалы в соответствии с их свойствами и областями применения классифицируются на группы по различным признакам. Главным отличием проводников от других материалов является их повышенная электропроводность.

Свойства проводниковых материалов изложены в [1] с. 186-229.

Задание 2.2.2 По данным таблицы 2.5 необходимо привести классификацию полупроводниковых материалов, определить к какой группе относится полупроводник. Указать какой электропроводностью обладают полупроводники, и от каких факторов она изменяется. Дайте краткую характеристику материала и области применения

Таблица 2.5

Методические указания

Большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, относится к полупроводникам. Электропроводность полупроводников в большей степени зависит от внешних энергетических воздействий, а также от различных примесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в теле собственного полупроводника.

Полупроводниковые системы могут быть использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока. Полупроводники могут служить также нагревательными элементами, индикаторами радиоактивных излучений, с их помощью также можно измерять напряжённость магнитного поля (преобразователи Холла). Разнообразие полупроводниковых материалов обусловило их широкое применение в полупроводниковых приборах. Они отличаются простотой изготовления, надёжностью и долговечностью, малыми габаритами и весом. Все эти качества обусловили их широкое применение в технике. Укажите, какие из них широко применяются в электроэнергетике.

При написании задания дать краткую характеристику материала, к какой группе он относится и чем отличается от других электротехнических материалов. Привести основные свойства и как они зависят от внешних факторов.

Задание 2.2.3 Варианты заданий приведены в таблице 2.6 и таблице 2.7. Для каждого варианта дать краткую характеристику магнитных свойств и описать магнитные характеристики [B(H), (H), B(t ), (t)]. Затем дать краткую характеристику вариантного материала. Рассчитать и построить зависимости магнитной проницаемости от напряжённости H по таблице 2.6 и зависимость магнитной индукции B от магнитной энергииW по данным таблицы 2.7. Назовите области применения магнитных материалов.

10