МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА» (СПбГУТ) А. И. Арсирий, Н. О. Дешина МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2022 УДК 621.38(076) ББК 31.2я73 А85 Рецензент доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиосвязи и вещания СПбГУТ О. В. Воробьев Утверждено редакционно-издательским советом СПбГУТ А85 Арсирий, А. И. Материалы электронной техники: учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ / А. И. Арсирий, Н. О. Дёшина ; СПбГУТ. – Санкт-Петербург, 2022. – 44 с. В соответствии с рабочей программой дисциплины «Материалы электронной техники» приведены основные теоретические положения и ход выполнения лабораторных работ. Изложены требования к их выполнению и оформлению отчетов. Предназначено для студентов очной формы обучения, обучающихся по направлениям подготовки: 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств», 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника». УДК 621.38(076) ББК 31.2я73 © Арсирий А. И., Дёшина Н. О., 2022 © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича», 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................4 Лабораторная работа 1. ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ ........................ 5 Лабораторная работа 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ .......................................................................................................15 Лабораторная работа 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ ......................................................... 21 Лабораторная работа 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ............................................... 31 СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .............................................. 43 3 ВВЕДЕНИЕ Дисциплина «Материалы электронной техники» (МЭТ) как одна из составных частей радиоэлектронного материаловедения относится к числу базовых учебных дисциплин для студентов направления подготовки «Электроника, радиотехника и системы связи». Знание основных параметров и характеристик МЭТ позволит уверенно ориентироваться в выборе материалов при проектировании рациональных, конкурентноспособных изделий, разработке современных компонентов для приборов и устройств, способных стабильно работать в заданных условиях. Учебно-методическое пособие представляет собой руководство по выполнению лабораторных работ, может быть использовано при подготовке к выполнению работ и для правильного составления отчетов. Тщательная проработка теоретических положений, приводимых перед каждой работой, позволит в полной мере изучить и понять суть процессов, происходящих в материалах, применяемых в электронной и радиоэлектронной технике. В соответствии с программой дисциплины в пособии изложены четыре лабораторные работы. Первая работа посвящена изучению диаграмм состояния важнейших сплавов металлов, которые применяются при изготовлении и обслуживании электроники. Изложенный в работе материал позволит уверенно ориентироваться в данной теме позволит не только правильно подобрать сплав для работы в определенных температурных интервалах, но и спрогнозировать технологические переделы при производстве приборов. Работы по изучению свойств диэлектриков как линейных, так и сегнетоэлектриков (представленных во второй работе) позволяют понять суть процессов, происходящих в материале, исполняющем изоляционные функции. Влияние внешних факторов (температуры) и параметров электрического поля (частоты, напряженности) рассмотрено в третьей работе. Помимо этого предстоит на практике освоить навыки по получению данных об основных эксплуатационных характеристиках – потерях в диэлектрике и добротности. Изучению магнитных свойств материалов посвящена четвертая работа, в ней исследуется характеристики и возможность петли магнитного гистерезиса (форма, параметры насыщения и т. п.). К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Приступая к работе необходимо внимательно прочитать цель и теоретические положения по теме лабораторной работы. Их выполнение должно быть в соответствии с инструкцией на рабочем месте (за исключением первой работы). По результатам работы составляется отчет. 4 Лабораторная работа 1 ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ Цель работы Изучить виды взаимодействия между двумя компонентами, основные типы диаграмм состояния двойных сплавов, правило фаз и правило отрезков. Приобрести практические навыки попостроению кривых охлаждения, определению количества фаз и концентрации компонентов. Задания на лабораторную работу 1. В соответствии с индивидуальным заданием вычертить заданную диаграмму состояния двойных сплавов. Обозначить характеристические линии диаграммы. Описать строение сплавов в различных областях диаграммы. 2. Построить кривую охлаждения для сплава заданного состава с объяснением всех происходящих фазовых превращений и зарисовкой микроструктур. 3. Рассчитать число степеней свободы сплава (для всех фазовых областей), концентрацию компонентов в фазах и их количество при заданной температуре. Теоретические положения Диаграммой состояния (ДС) называют графическое изображение состояния вещества или смеси веществ в зависимости от температуры и концентрации (давление будем считать постоянным). ДС отражают превращения при малых скоростях нагрева или охлаждения, позволяют определить условия устойчивости фаз. Фазой называют область, отделенную от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачком. В твердой фазе при изменении температуры также могут происходить структурные изменения. Поэтому ДС позволяют определить, каких изменений микроструктуры можно добиться в результате термической обработки. Диаграммы состояния в графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы строят в координатах: температура (в градусах Цельсия); концентрация компонентов (в процентах) [1]. Тип диаграммы состояния зависит от вида взаимодействия компонентов сплава, т. е. от того, какую фазу образуют компонентыв твердом состоянии. Рассмотрим основные типы диаграмм состояния. 5 Диаграмма состояния I типа характерна для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом состоянии и образуют механическую смесь своих кристаллов. Общий вид диаграммы состояния первого типа для компонентов А и В представлен на рис. 1.1, где линия АСВ – линия ликвидус, DСЕ – линия солидус. Рис. 1.1. Диаграмма состояния I типа Диаграмма состояния дает возможность не только провести анализфазового состояния сплава, но и определить состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется с помощью правил концентраций и отрезков. Правило концентраций формулируется следующим образом: чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, через точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими область. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. Правило отрезков формулируется так: для того, чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. Используя эти правила, на примере затвердевания заэвтектического сплава III (рис. 1.1) можно определить состав и количество фаз сплава в 6 точке k при температуре t1. Из диаграммы состояния следует, что при температуре, соответствующей точке k, сплав включает в себя жидкую фазу и кристаллы компонента В. Для определения соотношения фаз и их состава через точку k проводят горизонтальную линию (mn) до пересечения с линиями, ограничивающими область на диаграмме. Концентрацию компонентов А и В в жидкой фазе показывает проекция точки пересечения m горизонтали с линией ликвидус. Концентрацию компонентов в твердой фазе определяют проекцией точки пересечения линии солидус с горизонталью. В данном случае это буде точка n, которая лежит на вертикали и показывает, что твердой фазой в заэвтектических сплавах является чистый компонент В. Отрезки горизонтали между заданной точкой k и точками пересечения m и n, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. Диаграмма состояния II типа характерна для сплавов, оба компонента которых неограниченно взаимно растворимы в жидком и твердом состояниях и образуют твердые растворы. Общий вид диаграммы показан на рис. 1.2, а, где АmВ – линия ликвидус, АnВ – линия солидус, α – обозначение твердого раствора. Рассмотрим процесс кристаллизации сплава I (рис. 1.2, б). Точка 1 соответствует началу кристаллизации, точка 2 – концу. В интервале температур 1 – 2 сплав находится в двухфазном состоянии (Ж + α), а по окончании кристаллизации переходит в однофазное состояние α – твердого раствора [1]. а б Рис. 1.2. Диаграмма состояния II рода: а) диаграмма состояния; б) кривая охлаждения сплава I 7 Исходная концентрация компонентов А и В в сплаве I соответствует точке 3 на оси концентраций. С началом кристаллизации в точке 1 из жидкой фазы выпадают кристаллы с концентрацией компонентов, соответствующей проекции точки s. В точке t1 концентрация компонентов в жидкой фазе соответствуетпроекции точки m, а в твердой – точки n. При температуре конца кристаллизации концентрация компонентов в жидкой фазе соответствует проекции точки l, в твердой фазе – точки 3. Таким образом, состав жидкости изменяется по кривой 1ml, а состав кристаллов твердого раствора – по кривой sn2, и в момент окончания кристаллизации состав кристаллов такой же, как и состав исходной жидкости. Диаграмма состояния III типа характерна для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно – в твердом и не образуют химических соединений. Общий вид диаграммы показан на рис. 1.3, где АСВ – линия ликвидус; AECDB – линия солидус; ECD – линия эвтектических превращений; α – твердый раствор компонента В в компоненте А; β – твердый раствор компонента А в компоненте В. Линия EF – линия переменной растворимости; линия DG – линия, ограничивающая область раствора β. Рис. 1.3. Диаграмма состояния III типа Используя правила фаз и отрезков, проанализируем процесс кристаллизации сплавов I и II. 8 На рис. 1.3 сплав I выше точки 1 находится в жидком состоянии. В точке 1 с началом кристаллизации из жидкости выделяются кристаллы твердого раствора α, концентрация которого изменяется по кривой a2, а состав жидкости – по кривой 1с. В точке 2 кристаллизация заканчивается, и образовавшиеся кристаллы твердого раствора a имеют концентрацию исходной жидкости. Эти кристаллы не претерпевают изменений до точки 3, лежащей на линии предельной растворимости. Ниже точки 3 твердый раствор α является пересыщенным и выделяет избыточные кристаллы – кристаллы β твердого раствора. Состав твердого раствора a изменяется по кривой 3F вследствие выделения кристаллов β концентрации G. Количество кристаллов β увеличивается и характеризуется отрезком от вертикали I до линии 3F. Кристаллы β, выделившиеся из твердого раствора, называются вторичными кристаллами и обозначаются символом β II, в отличие от первичных β кристаллов, выделяющихся из жидкости. В процессе кристаллизации сплава II при достижении горизонтальной линии ECD протекает эвтектическая реакция – из жидкости состава, соответствующего точке С, выделяются a кристаллы состава точки Е и β кристаллы состава точки D. В равновесии находятся три фазы, следовательно С = 2 – 3 + 1 = 0. Все три фазы имеют определенный состав (проекции точек Е, С и D), и температура их превращения постоянна. В результате кристаллизации сплава II кроме первичных кристаллов А образуется также эвтектика α + β. При дальнейшем охлаждении вследствие снижения растворимости α кристаллы выделяют вторичные кристаллы β II, и при комнатной температуре α кристаллы будут иметь состав, соответствующий точке F. Диаграмма состояния IV типа характерна для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и образуют химическое соединение. Это соединение можно рассматривать как самостоятельный компонент, а диаграмму состояния IV типа – как две сочлененные диаграммы. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых А и В образуют химическое соединение АmВn, показана на рис. 1.4. Кристаллизация сплавов по этой диаграмме происходит аналогично кристаллизации сплавов, образующих механическую смесь кристаллов чистых компонентов. Отличие состоит только в том, что кроме выделения кристаллов чистых компонентов А и В происходит еще образование кристаллов 9 химического соединения. Поэтому к ним полностью применимы правила фаз и отрезков. Рис. 1.4. Диаграмма состояния IV типа Для определения концентрации компонентов и массы вещества в фазах пользуются правилом отрезков. В соответствии с этим правилом, для того чтобы определить концентрации компонентов в фазах, характеризующую состояние системы, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями солидуса и ликвидуса, проекции точек пересечения на ось концентраций показывают содержание компонентов в соответствующих фазах. Чтобы определить количественное соотношение фаз (или массу каждой фазы в граммах), учитывают размеры отрезков горизонтальной линии, проведенной через точку, характеризующую состояние системы: отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. Методические указания по выполнению лабораторного задания 1. В соответствии с индивидуальным заданием (табл. 1.1) вычертить заданную диаграмму состояния двойных сплавов [2]. Обозначить все линии диаграммы, отметив линии ликвидус и солидус. Описать строение сплавов в различных областях диаграммы. 2. Построить кривую охлаждения для сплава заданного состава с объяснением всех превращений. 3. Рассчитать число степеней свободы сплава (для всех фазовых областей), концентрацию компонентов в фазах и их количество при заданной температуре. 10 Таблица 1.1 Вариант Состав Температура, сплава °С 1 90 % Ge 800 2 90 % Al 500 3 60 % Ge 600 4 90 % Zn 350 5 60 % Sn 250 6 50 % Zn 300 7 40 % Ge 900 8 10 % Mg 800 9 20 % Ge 700 Диаграмма состояния 11 Продолжение табл. 1.1 Вариант 12 Состав Температура, сплава °С 10 50 % Sb 500 11 70 % Bi 400 12 90 % Sb 600 13 20 % Ag 800 14 70 % Cu 900 15 90 % Ag 800 16 70 % Pb 600 17 10 % Mg 300 18 50 % Mg 500 Диаграмма состояния Продолжение табл. 1.1 Вариант Состав Температура, сплава °С 19 70 % Ni 1300 20 10 % Cu 1400 21 40 % Ni 1200 22 90 % Sb 600 23 30 % Pb 300 24 70 % Sb 400 25 90 % Ca 500 26 60 % Mg 600 27 60 % Ca 500 Диаграмма состояния 13 Окончание табл. 1.1 Вариант Состав Температура, сплава °С 28 10 % Cu 600 29 80 % Al 600 30 15 % Cu 600 Диаграмма состояния Контрольные вопросы 1. Что такое твердый раствор? Перечислите виды твердых растворов. 2. Как записывается уравнение правила фаз? Какой физический смысл числа степеней свободы? 3. Какой сплав называют эвтектическим и заэвтектическим? 4. Как будет выглядеть участок кривой охлаждения, если число степеней свободы равно двум и имеется одна фаза? 5. Каким образом определяется концентрация фаз и их количественное соотношение? Содержание отчета 1. Выполнение задания в соответствии с вариантом. 2. Ответы на контрольные вопросы. 14 Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Цель работы Определить диэлектрическую проницаемость и тангенса угла диэлектрических потерь твердого диэлектрика и характера влияния на них частоты изменения электрического поля. Задание на лабораторной работу 1. Ознакомиться с теоретическими положениями по работе. 2. Изучить методику измерения и расчета исследуемых параметров диэлектрика. 3. Определить значения добротности Q1 и Q2 и емкости C1 и C2 колебательных контуров для заданных значений частоты изменения электрического поля. 4. Рассчитать значения емкости Сх, тангенса угла диэлектрических потерь tgδε и диэлектрической проницаемости ε диэлектрика для заданных частот изменения электрического поля. 5. Построить графики частотных зависимостей tgδε = φ(f), ε = φ (f) и провести их анализ. Теоретические положения Диэлектриками называют вещества и материалы, плохо проводящие электрический ток. Для обеспечения электроизоляции диэлектрики могут находиться в различном агрегатном состоянии: газообразном (вакуум, воздух, инертные газы), жидкими (трансформаторное масло), твердом (керамика, стекло, пластики, композиционные материалы и др.). В электрическом поле в диэлектриках происходят изменения во взаимном расположении заряженных частиц вещества друг относительно друга, называемые – поляризацией диэлектриков [3]. Поляризация диэлектрика вызывается смещением электрических зарядов на ограниченное расстояние под действием сил внешнего и внутреннего электрических полей. При этом в атомах, молекулах и кристаллической решетке происходит смещение электронной плотности или ориентация дипольных молекул под воздействием электрического поля. На поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды, и диэлектрик приобретает электрический момент. 15 Параметры поляризации зависят от механизма ее образования рис. 2.1, а – г. По механизмам поляризации диэлектрики подразделяются на неполярные и полярные. а б в г Рис. 2.1. Механизмы образования поляризации в диэлектриках: а – электронная поляризация; б – ионная поляризация; в – дипольная поляризация; г – миграционная поляризация. К неполярным относятся диэлектрики, молекулы которых не имеют постоянного дипольного момента (центры отрицательных и положительных зарядов совпадают). Для них характерен механизм упругой поляризации за счет упругого смещения связанных зарядов. Примерами неполярных диэлектриков являются полиэтилен, полистирол, фторопласт-4 и др. К полярным относятся диэлектрики, молекулы которых без воздействия внешнего электрического поля имеют дипольный момент (центры противоположных по знаку зарядов не совпадают). Для этих диэлектриков характерно действие механизмов упругой (мгновенной) (рис. 2.1, а, б) и одновременно дипольно-релаксационной (замедленной) поляризации (рис. 2.1, в, г). Примерами полярных диэлектриков являются целлюлоза, гетинакс, стеклотекстолит [2]. Для диэлектриков, используемых в конденсаторах, основными показателями электрических свойств являются диэлектрическая проницаемость ε и тангенс угла диэлектрических потерь tgδε. Диэлектрические потери. При воздействии электрического поля на любое вещество в нем наблюдается рассеяние некоторого количества электрической энергии, превращающейся в тепловую энергию. Это называется потерями мощности. Потери мощности в веществе прямо пропорциональны квадрату приложенного электрического напряжения. Потери мощности в диэлектрике под действием приложенного постоянного или переменного напряжения, превращающиеся в теплоту, называют диэлектрическими потерями. 16 Тангенс угла диэлектрических потерь является очень важной характеристикой диэлектрика в переменном электрическом поле. Углом диэлектрических потерь δε называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз (φ) между напряжением и током в емкостной цепи. Для определения рассеиваемой в диэлектрике мощности используется эквивалентная схема конденсатора и векторная диаграмма рис. 2.2, а, б. [4] а б Рис. 2.2. Эквивалентная схема для определения тангенса угла диэлектрических потерь: а) последовательная; б) параллельная Выражения для нахождения тангенса угла диэлектрических потерь: tg δ = 𝑈𝑟 =𝑟∙𝑓∙𝐶 ; 𝑈𝑐 𝐼𝑅 tg δ = 𝐼𝑐 𝑟 = 1 , 𝑅∙𝑓∙𝐶𝑅 где r и R – сопротивления эквивалентные потерям в конденсаторе, Ом; Cr и CR – эквивалентные емкости, Ф; U – напряжение частоты f; I – ток через конденсатор, А. Из полученного выражения следует, что при фиксированных значениях U, С и f активные потери мощности Ра в диэлектрике зависят от тангенса угла диэлектрических потерь tgδε. Чем меньше значение tgδε, тем выше качество диэлектрика, так как в нем меньше потерь энергии на нагрев, приводящих к его преждевременному разрушению. У твердых диэлектриков, применяемых в низкочастотных и высокочастотных цепях РЭА, минимальные значения tgδε находятся в пределах 0,0002…0,005. Характер частотных зависимостей tgδε = φ(f) и Pа = φ(f) неполярных и полярных диэлектриков 17 В неполярных диэлектриках имеют место диэлектрические потери только на электропроводность, которые не зависят от частоты изменения напряженности электрического поля (Pа = const). В полярных диэлектриках к потерям на электропроводность добавляются потери на поляризацию. Диэлектрическая проницаемость ε характеризует поляризуемость диэлектриков. Поскольку процесс поляризации диэлектриков внешне проявляется в их способности накапливать заряды (образовывать электрическую емкость), то величину диэлектрической проницаемости определяют измерением емкости конденсатора, между обкладками которого находится испытуемый диэлектрик: 𝐶 ε = 𝑥, 𝐶0 где Сх – емкость конденсатора, Ф; С0 – емкость воздушного конденсатора, Ф. Заряд, внесенный в диэлектрик, называют свободным зарядом. Наименьшую проницаемость (ε ≈ 1) имеют газы, для неполярных диэлектриков ε в большинстве случаев, меньше 3, а для полярных твердых диэлектриков ε = 3 ÷ 8. Более высокие значения диэлектрической проницаемости (до 250) имеет конденсаторная керамика. Сверхвысокой диэлектрической проницаемостью (ε = 103104) обладают сегнетоэлектрики. Характер частотной зависимости ε = φ(f) обусловлен временем протекания процессов поляризации и, следовательно, частотами, до которых процессы поляризации успевают следить за изменением электрического поля [3]. Основным, наиболее характерным процессом, протекающим в любом диэлектрике под воздействием электрического поля, является поляризация. Описание проведение работы и расчетов Для определения емкости конденсатора используется прибор «Измеритель добротности». Прибор состоит из генератора электрического тока и измерительного колебательного контура. К клеммам Lx Lx подключается эталонная катушка индуктивности с параметрами R и L (номер катушки соответствует определенной частоте, указанной в инструкции по работе с прибором). К клеммам СX СX подключается образец испытуемого диэлектрика с параметрами Rx и Lx. Настройка измерительного контура в резонанс производится с помощью переменного конденсатора, имеющего шкалу. При этом резонанс проградуированному в единицах добротности контура: Q = Uc / U0. 18 Определение емкости образца диэлектрика Сх производится путем двухкратной настройки колебательного контура в резонанс. Первая настройка контура производится без подключения образца диэлектрика. При этом фиксируется добротность контура Q1 емкость переменного конденсатора С1. Вторичная настройка контура производится с подключенным образцом диэлектрика. При этом фиксируется добротность контура Q2 и емкость контура С2 = C1 – Cх, отсюда емкость образца испытуемого диэлектрика будет Сх = С1 – C2. Значение тангенса угла диэлектрических потерь рассчитывается по формуле Tgδ𝗌 = 𝐶1(𝑄1−𝑄2) 𝑄1∙𝑄2∙𝐶𝑥 . Значение диэлектрической проницаемости рассчитывается по формуле 14,4 ∙ С𝑥 ∙ ℎ ε= , 𝑑2 где Сx – емкость конденсатора с испытуемым диэлектриком, пФ; h – толщина диэлектрика, см. d – диаметр электродов конденсатора, см. Измерения и расчеты повторяются для различных частей с использованием набора эталонных катушек индуктивности согласно инструкции по работе с измерителем добротности. Результаты измерений и расчета оформляются в виде табл. 2.1. Таблица 2.1 Частота f, кГц 50 150 500 1500 5000 15000 С1, пФ Q1 С2, пФ Q2 СX, пФ tgδε ε Контрольные вопросы 1. Какие вещества называются диэлектриками? 2. Что такое диэлектрические материалы? 3. Что такое поляризация диэлектриков? 4. Какие существуют основные виды поляризации диэлектриков? 5. В чем заключается электронная поляризация? 19 6. В чем заключается ионная поляризация? 7. В чем заключается дипольная поляризация? 8. Каковы особенности дипольной поляризации? 9. Какие свойства диэлектриков называются диэлектрическими? 10. Что называется абсолютной диэлектрической проницаемостью? 11. Что такое относительная диэлектрическая проницаемость? 12. Как на практике определяют диэлектрическую проницаемость? 13. Что такое тангенс угла диэлектрических потерь? 14. Какие диэлектрики называются неполярными? Какие полярными? Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Таблица результатов измерений и расчета. 3. Графики частотных зависимостей tgδε = φ(f), ε = φ(f) и их анализ. 4. Ответы на контрольные вопросы. 20 Лабораторная работа 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ Цель работы Изучить процессы, протекающие в сегнетоэлектриках под действием электрических полей, температурные и полевые зависимости основных характеристик сегнетоэлектриков. Задание на лабораторную работу Изучить теоретические положения по теме работы. Ознакомиться с основами работы на лабораторно-измерительном комплексе. Построить график зависимости заряда от приложенного напряжения. Получить параметры заданного количества петель гистерезиса. Построить зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры. Ответить на контрольные вопросы. Теоретические положения Диэлектриками принято считать материалы, плохо проводящие электрический ток. Эти материалы часто подразделяют на пассивные (линейные) и активные (нелинейные) диэлектрики. Устройства, основанные на активных диэлектриках, призваны генерировать, модулировать, усиливать электрические и оптические сигналы, они позволяют хранить и впоследствии трансформировать информацию. В подобных приборах представлены пиро-, пьезо- и сегнетоэлектрики, магнитои электроматериалы, жидкие кристаллы. Свойства активных диэлектриков могут быть изменены внешним энергетическим воздействием. В разных обстоятельствах при наличии неодинаковых условий один и тот же материал способен выступать в роли изолятора, конденсатора либо проявлять себя как преобразующий или управляющий элемент. В первом случае его функции приобретают пассивный характер, во втором – становятся активными. [5] Чаще всего классификация активных диэлектриков выполняется с учетом физических эффектов, используемых с целью управления теми свойствами, которые характеризуют эти материалы. Наиболее универсальными среди активных диэлектриков являются сегнетоэлектрики, они могут обладать одновременно несколькими функциями. Сегнетоэлектрики – материалы, приобретающие в некотором температурном интервале самопроизвольную (спонтанную) поляризацию. 21 Спонтанная поляризация – возникновение и сохранение на определенное время локализации разноименно заряженных областей в структуре материала. Спонтанная поляризация становится возможной, даже если электрического поля нет. Для сегнетоэлектриков характерно наличие некоторого температурного интервала, в котором сохраняется спонтанная поляризация, границей этого интервала является точка Кюри (Тс). Среди наиболее распространенных сегнетоэлектриков можно выделить: нитрат натрия, сегнетову соль (NKC4H4O4∙4H2O), дигидрофосфат калия, триглицинсульфат, соединения типа АВО3. Относимые к типу АВО3 (обозначение А представлено двухзарядными катионами Zr+2, скита (рис. 3.1), отличающейся наличием образованного кислородными октаэдрами ВО6 трехмерного каркаса. Такие октаэдры изнутри наполнены катионами В [6]. Октаэдры разделены между собой областями, в которых размещаются немалой величины двухзарядные катионы А. Сегнетоэлектрические свойства возникают при наличии центров тяжести титановых ионов, смещенных относительно центров кислородных октаэдров. Это влечет за собой возникновение электрической декомпенсации ионных подрешеток, несущих в себе как положительный, так и отрицательный заряд. В настоящее время основой для производства сегнетоэлектриков являются перовскитоподобные структуры титаната кальция (CaTiO3), бария имеет высокий показатель механической прочности. Для их производства используют специальные керамические технологии [1, 7]. Рис. 3.1. Структура перовскита При температурах выше точки Кюри, на фоне теплового движения, титановый катион располагается равновесно поблизости со всеми кислородными анионами, при этом электрический момент ячейки устремляется к нулю (рис. 3.2, а). Снижение температуры ниже точки Кюри приводит к его приближению к кислородным анионам (рис. 3.1, б). Траектория его движения повторяется ионами бария. Перечисленные смещения ионов становятся причиной незначительной деформации кубической решетки. 22 а б Рис. 3.2. Смещение ионов в решетке титаната бария: а) положение ионов в кубической решетке выше Тс; б) положение ионов в решетке ниже Тс Решетка становится тетрагональной, в результате чего появляется значительный электрический момент. Происходит спонтанная поляризация. На фоне этого ячейки, где присутствуют электрические моменты с аналогичным направлением, создают незначительные объемы, получившие название доменов. Домен – объединяет в себе элементарные ячейки, для которых характерно наличие совместного вектора спонтанной поляризации. У неодинаковых доменов имеются векторы с разной направленностью. По этой причине итоговая сумма поляризации образца становится нулевой [8]. В доменной структуре наблюдается неуклонное сокращение остаточной поляризации. В основе такого процесса лежит экспоненциальный закон, разориентация, затрагивающая направления, в которых изменяются структура доменов и поляризация. При этом происходит возникновение диэлектрического гистерезиса в переменных полях. При этом изменения, которым подвергается электрическая индукция D, не соответствуют напряженности, свойственной электрическому полю E. В результате изменившейся напряженности поля, происходящей в соответствии с цикличным принципом, она начинает выглядеть как кривая. Это так называемая петля гистерезиса. Наличие гистерезисного цикла связывается с особенностями строения сегнетоэлектриков, являющихся доменными. Для того, чтобы структура доменов направлялась в сторону электрического поля, должна затрачиваться определенная электроэнергия, характеризующая потери в материале рис. 3.3). 23 Рис. 3.3. Доменная структура сегнетоэлектрика и петля диэлектрического гистерезиса Данными для составления характеристики предельного цикла петли гистерезиса являются: – поляризация остаточная и спонтанная на конденсаторных обкладках при наблюдаемой у поля напряженности (±Es) и при снятии внешнего поля (E = – На первом этапе приложение электрического поля к располагающему многими доменами образцу сегнетоэлектрика способствует нарастанию его кполяризации. При этом происходит действие похожее на линейный закон – оналичие слабых полей осложняет рост доменных зародышей с направле- н э ием Р, не отличающихся от направления поля. Продолжая увеличиваться, Е р помогает доменным зародышам расти. Кроме этого переориентируются д циполи, на фоне чего активно растет поляризация. Достигнув определенного и уровня напряженности поля (Es) каждый из доменов, устремляется по полю. Линейно нарастает поляризация, поскольку поле увеличено. При иапряженности поля диполи более не переориентируются, снятии н сохраняется впредыдущий характер у остаточной поляризации Pr. Для обратной переори- н а я 24 с и л 25 ентации диполей необходимо наличие показателя Е < 0. В результате поляризация становится нулевой (–Ec). При продолжающемся увеличении напряженности поля диполи полностью переориентируются. В условиях повышенных температур (выше Тс) ориентации векторов поляризации доменов противодействуют значительные тепловые колебания материальных частиц, при этом говорят о разрушении доменной структуры. Материал частично или полностью утрачивает свои сегнетоэлектрические свойства [6]. Описание работы на лабораторно-измерительном комплексе Работа выполняется посредством автоматизированного лабораторноизмерительного комплекса [5]. Инструкция по работе с комплексом и его интерфейсом предоставлена на рабочем месте. Основные положения и требования к выполнению работы приведены ниже. Структурная схема (рис. 3.4) измерений и ее описание приводятся на основании методических рекомендаций по работе лабораторно-измерительного комплекса, предоставленного разработчиком. Рис. 3.4. Структурная схема измерений Переменное напряжение синусоидальной формы амплитудой от 0 до 250 В подается с выхода ВУ на измерительную схему, состоящую из резисторов R1 и R2, конденсатора и образца емкостью Co и Cx соответственно, причем (Cx << Co). Напряжение, снимаемое с конденсатора C0 пропорционально электрическому смещению в образце (D), а напряжение, снимаемое с резистора R2, пропорционально напряженности электрического поля (Е). Эти сигналы подаются на контроллер измерительного блока, на котором также отображается информация о температуре в термокамере. Изменение входных параметров осуществляется посредством прилагаемого к комплексу интерфейса, а результаты исследований визуализируются на экране монитора в табличном и графическом виде. Пример окна интерфейса представлен на рис. 3.5. 25 Рис. 3.5. Пример окна интерфейса лабораторно-измерительного комплекса Измерения с использованием комплекса проводятся по следующим трем схемам. Схема измерений № 1 (рис. 3.6) предназначена для проведения измерений формы сигналов, пропорциональных напряженности электрического поля и заряду на конденсаторе. Рис. 3.6. Схема измерений № 1 26 Схема измерений № 2 для сравнения сигналов пропорциональна напряженности электрического поля и заряду на сегнетоэлектрике представлена на рис. 3.7. Рис. 3.7. Схема измерений № 2 Схема измерения № 3 предназначена для определения температурных зависимостей посредством определения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь при изменении температуры образца в нагревательной камере. Представлена на рис. 3.8. Рис. 3.8. Схема измерения № 3 Результаты измерений заносят в интегрированную в интерфейс комплекса рабочую тетрадь. Правила работы с тетрадью приведены в инструкции на рабочем месте. 27 Описание проведения измерений и расчетов 1. По заданной преподавателем частоте и температуре нагрева по схеме измерений №1, активизировав все инструменты и установив максимальное значение амплитуды, получить результаты измерений, которые нужно внести в рабочую тетрадь. 2. Выбрать схему измерения № 2 и активизировать все инструменты. 2.1. Измерить петлю гистерезиса при максимальной амплитуде, полученные данные записать в рабочую тетрадь. Уменьшать пошагово амплитуду, фиксируя параметры петли на каждом шаге, заданном преподавателем, до нуля. Полученные данные занести в рабочую тетрадь. 2.2. После удаления точек, полученных в п. 2, установить амплитуду генератора сигнала около 30 % от максимального значения. Записать полученную петлю гистерезиса в рабочую тетрадь. 3. Выбрать схему измерения № 3 и активизировать все инструменты. 3.1. Провести измерения емкости образца и тангенса угла диэлектрических потерь без нагрева. После включения нагревателя через 1-2° повторить измерения. 3.2. Выбрать схему измерения № 2 и активизировать характериограф. Полученную петлю гистерезиса записать в рабочую тетрадь. Обработка результатов измерений Пересчитать напряжения, полученные в ходе измерений в поляризацию и напряженность электрического поля по формулам (1), (2) соответственно. 𝑈 ∙𝐶 Р = 𝑦 0, (1) 𝑆 где 𝑃 – поляризация, Кл/м ; 𝑈𝑦 – напряжение по горизонтали, В; 𝐶𝑜 – заряд на конденсаторе, Кл; 2 𝐸= 𝑈𝑥 ℎ , (2) где E – напряженность поля в сегнетоэлектрике, В/м; 𝑈𝑥 – напряжение по вертикали, В; h – толщина образца, м. Используя формулу (3), по значениям емкости рассчитать диэлектрическую проницаемость, а также по формулам (4) и (5) рассчитать статическую и дифференциальную диэлектрическую проницаемость для основной кривой поляризации [2]: 28 ℎ ∙ 𝐶𝑥𝜀0 ∙ 𝑆; 𝜀ст=𝐷𝜀0 ∙ 𝐸; 𝜀д=𝑑𝐷𝜀0 ∙ 𝑑𝐸, (3) (4) (5) где D, E – координаты точек основной кривой поляризации, полученной по схеме 2; ε0 = 8,85 ∙ 10–12 Ф/м – диэлектрическая постоянная. Графическая часть На основании проведенных измерений и расчетов выполнить графическую часть – построить: 1) графики зависимости сигналов до нагрева и после, сравнить их; 2) на одном графике петлю гистерезиса и основную кривую поляризации в координатах P = f(E); 3) на одном графике петли гистерезиса до и после нагрева образца в координатах P = f(E); 4) зависимость емкости сегнетоэлектрика от температуры; 5) зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры; 6) зависимость диэлектрической проницаемости от температуры; 7) на одном графике зависимости статистической и дифференциальной диэлектрической проницаемости от напряженности поля. Контрольные вопросы 1. Какие диэлектрики считаются активными? 2. Перечислите виды поляризации. Какие виды поляризации являются замедленными, а какие мгновенными? Как происходит явление диэлектрического гистерезиса? Как влияет на него температура? 4. Что называется диэлектрическими потерями? Перечислите механизмы диэлектрических потерь. 5. В чем заключается отличие структуры активных диэлектриков в интервале температур до и после температуры точки Кюри (на примере Каковы основные отличия сегнетоэлектриков от линейных диэлектриков? Какие существуют области применения сегнетоэлектриков в соответствии с их особенностями? Содержание отчета по работе 29 Отчет по работе состоит из рабочей тетради, которую студент формирует в интерфейсе лабораторно-измерительного комплекса в виде файла, пример содержания рабочей тетради приведен на рис. 3.9. 1. Цель работы. 2. Расчетные формулы и результаты расчетов. 3. Графическую часть. 4. Описание отличий сегнетоэлектриков от линейных диэлектриков с указанием области применения. 5. Выводы по полученным результатам. 6. Ответы на контрольные вопросы. Рис. 3.9. Пример содержания рабочей тетради 30 Лабораторная работа 4 ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Исследование магнитных материалов по заданию преподавателя проводится с использованием одного из лабораторных комплексов. Вариант 1. Измеритель добротности – для определения частотной зависимости магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь. Вариант 2. Лабораторно-измерительный комплекс для исследования основных характеристик ферромагнитных материалов по кривой намагничивания [5]. Вариант 1 Цель работы: определение динамической магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь магнитомягких ферритов и магнитодиэлектриков и исследование зависимости этих параметров от частоты. Задание на лабораторной работу 1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями к работе. 2. Ознакомиться с методикой измерения. 3. Подготовить измеритель добротности к работе. 4. Исследовать частотную зависимость индуктивности и добротности катушек с кольцевыми магнитопроводами из одного из наборов, выдаваемого преподавателем: набор 1. Материалы магнитопроводов – феррит типа 2000 НМ, 2000 НН и магнитодиэлектрик на основе или альсифера типа ТЧ 60, или карбонильного железа типа ПЧ, Р2; набор 2. Материалы магнитопроводов – ферриты 400 НН, 200 НМ и 600 НМ, 600 НН. 5. Рассчитать динамическую магнитную проницаемость и тангенс угла магнитных потерь материалов магнитопроводов. 6. Построить графики частотной зависимости динамической магнитной проницаемости и тангенс угла магнитных потерь исследованных материалов. 7. Проанализировать полученные результаты. Теоретические положения Магнитные материалы способны намагничиваться в магнитном поле и приобретать магнитный момент [11]. Способность к намагничиванию характеризуется магнитным моментом, который представляет сумму элементарных магнитных моментов всех атомов данного вещества: ⃗ = ∑𝑛 𝑚 , М 𝑖=1 𝑖 31 где М – магнитный момент единицы объема; m – магнитный момент отдельного атома вещества. Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной восприимчивостью: χ = 𝑀/𝐻, где χ – магнитная восприимчивость; Н – напряженность магнитного поля. Ферритами принято называть поликристаллические вещества, являющиеся твердыми растворами на основе оксида железа Fe2O3 с оксидами металлов (Ni+2, Co+2, Мn+2 и др.). По природе своего магнетизма ферриты относятся к антиферромагнетикам, у которых нескомпенсированные спины электронов соседних магнитных катионов ориентируются антипараллельно. Результирующим магнитным моментом и спонтанной намагниченностью обладают лишь те соединения, у которых магнитные моменты катионов одного направления преобладают над магнитными моментами катионов антипараллельного направления. Такие нескомпенсированные антиферромагнетики называются ферримагнетиками, они обладают магнитными свойствами, подобными ферромагнетикам, и к ним принадлежит большая часть ферритов рис. 4.1. а б в Рис. 4.1. Спиновые конфигурации и намагниченности при различных типах магнитного упорядочивания: а) ферромагнетизм; б) антиферромагнетизм μ = μ1 + μ2 = 0; в) ферримагнетизм μ = μ1 + μ2 Широкое распространение получили ферриты двухвалентных металлов, кристаллизующиеся в структуре минерала шпинели, с общей формулой Me+2O·Fe2+3O3 – феррошпинели. Из них магнитными являются ферриты с ионами: Ni+2, Cu+2, Mn+2, Co+2, Fe+2, а также ферриты одновалентного лития Li2+1О·(Fe2O3)5; они имеют структуру обращенной шпинели. Не магнитные 32 ферриты с ионами Zn+2 и Cd+2 со структурой нормальной шпинели рис. 4.2. [12, 13] Рис. 4.2. Кристаллическая решетка нормальной шпинели цинкового феррита В кубической решетке феррошпинелей можно выделить две подрешетки А и В (рис. 4.3), в которых тем или иным образом в зависимости от радиуса располагаются катионы Fe+3 и характеризующего металла Me+2. Рис. 4.3. Подрешетки в кубической решетке феррошпинелей Магнитные моменты катионов, расположенных в разных подрешетках А и В, всегда антипараллельны, в то время как в пределах одной подрешетки, например В, они могут быть параллельны. 33 Различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы. Магнитомягкие материалы характеризуются значительными значениями магнитной проницаемости, индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой (не более 4 кА/м). К наиболее распространенным относятся технически чистое железо (Р10, Р20, …, Р100 и др.), электротехнические стали, кремнистые стали (содержат 0,5–5 % кремния), пермаллой – сплав железа с никелем с добавками других металлов (П-250, П-160 и др.), магнитомягкие ферриты (НМ-5, 200НН и др.), магнитодиэлектрики – мелкодисперсные порошки, встроенные в диэлектрическую матрицу. В обозначении феррита первые цифры указывают начальную магнитную проницаемость, Н – низкочастотный, вторая буква Н никелево-цинковый, М – марганцево-цинковый, ВЧ – высокочастотный [5]. Магнитотвердые материалы, напротив, имеют большую коэрцитивную силу, высокие значения объемной плотности энергии, малую магнитную проницаемость. К магнитотвердым материалам относятся стали с высоким содержанием углерода (ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5), алнико – сплавы железа с алюминием, никелем, кобальтом, магнитотвердые ферриты, викаллой – сплав железа с ванадием, соединения на основе редкоземельных элементов – самария, празеодима и др. Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы, содержащие магнитную фазу в виде зерен ферромагнетика, изолированных друг от друга пленкой диэлектрического немагнитного связующего. Получаются прессованием (по технологии пластмасс). В технике широко применяются двойные ферриты, представляющие собой твердые растворы магнитного и немагнитного феррита; никель-цинковые, марганцово-цинковые, литиево-цинковые. Ферриты в постоянном поле имеют невысокую индукцию насыщения В ~ 0,15 ÷ 0,5 Тл, что значительно ниже Bs магнитных сплавов, у которых эта величина может достигать значений 2,45 Тл. Однако в переменных полях высокой частоты у сплавов вследствие размагничивающего действия вихревых токов В сильно падает. В ферритах вследствие их высокого удельного сопротивления (103 ÷ 1012 Ом · см) вихревые токи пренебрежимо малы, поэтому ферриты сохраняют свои магнитные свойства в полях высокой частоты. У промышленных ферритов начальная магнитная проницаемость μнач достигает 6000, максимальная μmax – 15000. С повышением температуры магнитная проницаемость ферритов растет, достигая максимума в точке Кюри, поэтому температурный коэффициент проницаемости у них положительный. С повышением частоты величина μ вначале остается постоянной, а затем снижается, одновременно сильно возрастает тангенс угла магнитных 34 потерь tgδμ. Граничной частотой рабочего диапазона считается та частота, при которой tgδμ достигает значения 0,1. Наблюдается определенная связь между начальной проницаемостью μнач и fгр: чем выше μнач тем ниже fгр. Магнитные свойства материалов описываются зависимостями индукции В от напряженности Н и потерь на перемагничивание Р от индукции и частоты, данный вид зависимости называют кривой намагничивания (рис. 4.4). При циклическом перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса. Рис. 4.4. Петля магнитного гистерезиса Основные параметры петли гистерезиса: остаточная индукция Вr – индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля; коэрцитивная сила Нc – размагничивающее поле, которое должно быть приложено к образцу, чтобы индукция стала равной нулю; частная петля гистерезиса (2) – петля, полученная при циклическом изменении напряженности, если H < Hm; предельная петля гистерезиса (3) – петля, полученная при циклическом изменении напряженности H ≥ Hm; основная кривая намагничивания (1) – представляет собой геометрическое место вершин симметричных петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании или при монотонном увеличении напряженности поля в предварительно размагниченном образце. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы имеют разные по форме петли гистерезиса рис. 4.5. 35 Рис. 4.5. Петля гистерезиса для различных материалов: 1 – магнитомягкий материал – электротехническая сталь; 2 – магнитомягкий материал – пермаллой; 3 – магнитотвердый материал Перемагничивание магнитных материалов в переменных полях возбуждает вихревые токи, магнитное поле которых направлено встречно внешнему полю. Вихревые токи вносят вклад в потери на перемагничивание. Для уменьшения этих потерь на высоких частотах следует применять магнитомягкие высокочастотные материалы (магнитодиэлектрики, ферриты), у которых значение удельного сопротивления значительно больше, чем у низкочастотных материалов – электротехнических сталей, пермаллоев. Ход выполнения работы Измерения параметров катушек индуктивности с магнитопроводами из исследуемых материалов проводятся с помощью измерителя добротности. 1. Ознакомиться с принципом работы измерительного прибора с помощью инструкции, имеющейся на рабочем месте. Подготовить прибор к работе. 2. Исследовать частотную зависимость индуктивности и добротности катушек с магнитопроводами из исследуемых материалов проводится в соответствии с заданием преподавателя с учетом частотного диапазона, в котором проводится измерение, и шага изменения частоты ∆f, которые указаны на корпусе катушки. Исследуемую катушку подключить к клеммам «Lx» прибора. В соответствии с инструкцией по эксплуатации измерителя добротности, имеющейся на рабочем месте, установить требуемую частоту, настроить контур в резонанс изменением емкости и провести измерение резонансных емкости и добротности. Данные измерений занести в табл. 5.1. Таблица 5.1 Феррит F, кГц 36 C, пФ Q L, Гн μ~ tgδμ Проведение расчетов и обработка результатов измерений Значение индуктивности катушки определяется на основе измеренной резонансной емкости С по формуле 𝐿= 2,53 ∙ 107 𝑓2(𝐶э − С0) , где f – частота, кГц; С0 – собственная емкость катушки, пФ; Сэ – экспериментальная емкость, определяется из выражения, пФ, 104 ∙ С Сэ = (104+ С). При значениях С меньше 100 пФ можно считать Сэ ≅ С. Рассчитать динамическую магнитную проницаемость μ~ и тангенс угла магнитных потерь tgδμ материалами магнитопровода. Величина μ~ вычисляется по формуле μ~ = a∙L, где а – множитель, определяемый размерами магнитопровода и числом витков катушки, 1/мГ (его величина указана на корпусе катушки); L – индуктивность катушки, мГн. Значение tgδμ материала магнитопровода определяется из значения Q добротности катушки по формуле (16) tgδ = μ 1 𝑄 − 0,16 ∙ 𝑟к 𝑓∙𝐿 , где rк – сопротивление обмотки катушки, Ом; f – частота, кГц; L – индуктивность катушки, мГн. 1. Построить графики частотной зависимости μ~ и tgδμ исследованных материалов. Графики μ~ = φ(f) и tgδμ = φ(f) для обоих исследованных материалов нужно построить совместно в одной системе координат, подобрав соответствующим образом масштаб. Это облегчит сравнение частотных характеристик материалов. 2. Проанализировать полученные результаты и занести их в таблицу. Рекомендуется сопоставить полученные экспериментально зависимости динамической магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь исследованных ВЧ магнитных материалов с известными положениями теории. На основании изменений μ~, tgδμ с частотой оценить критическую чacтоту fк материала по резкому изменению одной из характеристик. 37 Содержание отчета по работе 1. Цель работы. 2. Таблицу результатов измерений μ = φ(f) кГц и Q = φ(f) кГц. 3. Расчеты μ~ и tgδμ и графики зависимостей μ~ = φ(f) и tgδμ = φ(f). 4. Анализ полученных результатов. 5. Ответы на контрольные вопросы. Вариант 2 Цель работы: изучение процессов, протекающих в ферромагнитных материалах в магнитном поле, исследование основных характеристик этих материалов по кривой намагничивания. Задание для выполнения работы 1. Измерить временные зависимости напряженности поля и индукции. 2. Определить намагниченность материалов. 3. Сформировать отчет. Ход выполнения работы на лабораторно-измерительном комплексе Работа выполняется посредством автоматизированного лабораторноизмерительного комплекса. Инструкция по работе с комплексом и его интерфейсом предоставлена на рабочем месте. Основные положения и требования к выполнению работы приведены ниже [5]. Структурная схема (рис. 4.6) измерений и ее описание приводятся на основании методических рекомендаций по работе лабораторно-измерительного комплекса, предоставленных разработчиком. Рис. 4.6. Структурная схема измерений: 1 – намагничивающая обмотка; 2 – измерительная обмотка Измерение магнитных параметров с использованием лабораторно-измерительного комплекса проводится по трем схемам, для каждой из них в 38 интерфейсе применяется свой набор управляющих и регистрирующих инструментов. Для описания их работы на экране монитора предусмотрена кнопка «СПРАВКА». Схема измерений № 1 (рис. 4.7) предназначена для проведения измерений формы сигналов, пропорциональных напряженности и индукции магнитного поля, получаемого посредством специального интегрирующего усилителя. Двухканальный характериограф позволяет одновременно наблюдать два сигнала. Изменение частотных и амплитудных характеристик проводится с использованием звукового генератора. Рис. 4.7. Схема измерений № 1 На схеме присутствуют следующие элементы: звуковой генератор. Предназначен для формирования синусоидального напряжения с частотой от 10 до 2000 Гц; образец/Коммутатор объектов. Предназначен для отражения информации об объекте исследования; характериограф. Предназначен для отображения зависимости напряжений, пропорциональных напряженности H и индукции магнитного поля B, от времени t; частотомер. Предназначен для измерения частоты сигнала f, подаваемого на образец. Схема измерений № 2 (рис. 4.8) предназначена для проведения измерений зависимости сигналов, пропорциональных напряженности H и индукции B магнитного поля, друг от друга. 39 Рис. 4.8. Схема измерений № 2 Управляющие элементы аналогичны элементам, используемым в схеме 1. Напряжение, пропорциональное индукции, получается при помощи специального интегрирующего усилителя. На горизонтальные входы характериографа подается напряжение UH, а на вертикальные – UB, таким образом строится петля гистерезиса. Изменить амплитуду и частоту можно с помощью звукового генератора. Схема измерений № 3. (рис. 4.9) предназначена для проведения измерений точек основной кривой намагничивания. Рис. 4.9. Схема измерений № 3 В данной схеме вместо характериографа применяются: вольтметр V1 – для измерения амплитудного значения напряжения, пропорционального напряженности магнитного поля в образце; вольтметр V2 – предназначен для измерения амплитудного значения напряжения, пропорционального индукции магнитного поля в образце. 40 Описание проведения измерений и расчетов При проведении практической части лабораторной работы необходимо использовать инструкции по работе с лабораторно-измерительным комплексом на рабочем месте. В соответствии с вариантом, выдаваемым преподавателем, в интервале заданных частот проводятся измерения на образце. Образец подключается к измерительному блоку на его переднюю панель, этот же образец необходимо выбрать в коммутаторе образцов. Затем выбирается схема и активизируются ее регулирующие элементы. Варьирование частот и амплитуды проводится по границам заданного интервала. В интерфейсе создается новая рабочая тетрадь, в которой проводятся вычисления и записываются результаты, строятся графики зависимостей. Пример полученных результатов работы в рабочей тетради приведен на рис. 4.10. Рис. 4.10. Пример окна интерфейса при использовании лабораторно-измерительного комплекса Содержание отчета по работе Отчет по работе состоит из рабочей тетради, которую студент формирует в интерфейсе лабораторно-измерительного комплекса в виде файла, и оформленного на бумажном носителе отчета, который должен содержать следующие данные. 41 1. Цель работы. 2. Расчетные формулы и результаты расчетов. 3. Графическую часть. 4. Описание отличий сегнетоэлектриков от линейных диэлектриков с указанием области применения. 5. Выводы по полученным результатам. 6. Ответы на контрольные вопросы. Контрольные вопросы 1. Какой химический состав и структура ферритов? 2. Что такое магнитодиэлектрики? 3. Почему ферриты и магнитодиэлектрики сохраняют свои магнитные свойства на высоких частотах? 4. В чем заключается особенность природы магнетизма ферритов? 5. Что такое граничная и критическая частоты ферритов? 6. Как протекают процессы, происходящие в ферромагнитных материалах при их перемагничивании, в соответствии с кривыми намагничивания? Охарактеризуйте типы кривых намагничивания. 7. Назовите параметры петли гистерезиса и другие параметры, характеризующие магнитные свойства материалов? 8. Какие существуют различия между магнитомягкими и магнитотвердыми ферромагнитными материалами? Приведите примеры данных материалов. 9. Назовите виды потерь на перемагничивание в ферромагнитных материалах? 10. Какие примеры областей применения ферромагнитных материалов с различными свойствами вы можете привести? 42 СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Березовская, В. В. Диаграмма состояния двойных систем : учебник для вузов / В. В. Березовская, Н. Н. Озерец, М. А. Гервасьев. – Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2018. – 200 с. 2. Конструкционные материалы : учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов [и др.]. – Москва : Машиностроение. 1990. – 687 с. 3. Лахтин, Ю. М. Материаловедение : учебник для вузов / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьев. – Москва : Машиностроение, 1990. – 528 с. 4. Колесов, С. Н. Материаловедение и ТКМ: учебник для вузов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. – Москва : Высшая школа, 2004. – 519 с. 5. Исследование сегнетоэлектрических материалов. Описание работы автоматизированного лабораторного стенда : методическое пособие / В. Б. Абрамов [и др.]. – Пенза : Издательство ПГУ, 2010. – 52 с. 6. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники : учебник для вузов / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. – Москва : Высш. шк., 2003. – 368 с. 7. Справочник по электротехническим материалам / Ю. В. Корицкий [и др.]. – Л. : Энергоиздат, 1988. – 728 с. 8. Тареев, Б.М. Физика диэлектрических материалов : учебник для вузов / Б. М. Тареев. – Москва : Энергоатомиздат, 1982. – 320 с. 9. Лайнс, М. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы : учебник для вузов / М. Лайнс, А. Гласс. – Москва : Мир, 1991. – 736 с. 10. Материаловедение : учебное пособие / С. В. Давыдов [и др.]. –Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 424 с. 11. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники : учебник для вузов / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. – Москва : Высшая школа, 2003. – 368 с. 12. Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы : учебник для втузов / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. – Ленинград : Энергоатомиздат, 1985. – 304 с. 13. Лахтин, Ю. М. Материаловедение : учебник для высш. техн. учеб. заведений / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. – Москва : Машиностроение, 1990. – 528 c. 14. Гуляев, А. П. Металловедение : учебник для высш. техн. учеб. заведений / А. П. Гуляев. – Москва : Металлургия, 1990. – 648 с. 15. Материаловедение : учебник для высш. техн. учеб. заведений / Б. Н. Арзамасов [и др.]. – Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 657 с 43 Арсирий Алла Ивановна Дёшина Наталия Олеговна МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ Редактор В. А. Соловьева Компьютерная верстка Н. А. Ефремовой План издания 2022 г., п. 23 Подписано к печати 03.11.2022 Объем 2,75 печ. л. Тираж 11 экз. Заказ ???? Редакционно-издательский отдел СПбГУТ 193232 СПб., пр. Большевиков, 22 Отпечатано в СПбГУТ 44
