Файл: Учебнометодическое пособие по лабораторным работам для студентов направления 11. 03. 04 Электроника и наноэлектроника.docx

Для измерения магнитных свойств материала с генератора звуковых частот ЗГ переменное напряжение через сопротивление подается на первичную обмотку W₁ тороидального трансформатора Т, магнитопроводом которого является испытуемый магнитный материал (рис.3).

С сопротивления R₁ напряжение, пропорциональное току первичной обмотки, через контакты 5,4 переключателя П подается на горизонтально отклоняющиеся пластины «X» осциллографа.

Со вторичной обмотки W₂ трансформатора Т напряжение подается на интегрирующую цепочку C₁R₂, параметры которой изменяются переключателями S₁, S₂, конденсатора С напряжение подается на отклоняющиеся пластины «Y» осциллографа. При этом на экране осциллографа будет изображен гистерезисный цикл.

Для определения масштаба по осям В и Н необходимо выполнить калибровку полученного сигнала, т.е. калибровку осциллографа. Порядок выполнения калибровки изложен в инструкции по эксплуатации осциллографа и в методике работы с осциллографом (методика прилагается). Следует помнить, что при калибровке сигнала по входу «Y» переключатели S₁ иS₂ необходимо поставить в положение «О», чтобы интегрирующая цепочка не шунтировала вход «Y» осциллографа.

5. Указания к выполнению работы

Перед началом измерений на генераторе звуковых частот ручку плавной регулировки напряжения установить в положение «минимальное напряжение», ручку ΔdВ в положение 0, тумблер «внутренняя нагрузка» в положение «выключено», ручку «множитель» - в положение1.

Подготовка осциллографа к работе, органы управления и работа с осциллографом изложены в «Методике работы с осциллографом».

Подключить к схеме трансформатор с испытуемым образцом.

Подать питание на генератор звуковых частот и осциллограф и дать им
прогреться в течение 3-5 минут.

Подготовить осциллограф для работы - отрегулировать яркость и фокусировку луча и установить его в центре экрана.

По указанию преподавателя установить необходимую частоту генератора звуковых частот и переключателями S

---

_t и S₂ выбрать параметры интегрирующей цепочки.

Увеличивая выходное напряжение генератора звуковых частот и подбирая усиление по каналам «X» и «У» осциллографа, добиться получения на экране изображения предельного гистерезисного цикла. Изображение гистерезисной петли по горизонтали и вертикали должно быть таким, чтобы координаты вершин петли были равны 40-50 мм.

При дальнейших измерениях ручки усиления по каналам «X» и «У» остаются в одном положении.

Перевести на кальку изображение предельного гистерезисного цикла.

Для снятия основной кривой намагничивания необходимо постепенно уменьшить напряжение на выходе генератора звуковых частот от максимального значения до нуля. На той же кальке отмечать вершины гистерезисных петель через каждые 3-5 мм. Не снимая кальки с экрана, изобразить на ней координатные оси.

Для определения масштаба координатных осей выполняется калибровка осциллографа.

М
асштаб по горизонтальной оси вычисляется по формуле, (А/мм дел.):

где W₁ - число витков намагничивающей обмотки;

U_h – чувствительность осциллографа по оси «Н», [В/дел];

R_t - величина сопротивления, Ом;

l_ср- средняя длина силовых линий магнитного поля, м.

М
асштаб по вертикальной оси вычисляется по формуле, (Тл/дел.):

где W₂ - число витков измерительной обмотки;

U_B - чувствительность осциллографа по оси «В», [В/дел.];

С₁- емкость конденсатора интегрирующей цепочки, Ф;

R₂ - величина сопротивления интегрирующей цепочки, Ом;

S-площадь сечения магнитопровода, м².

Нанести масштаб на координатные оси.

По полученной предельной петле гистерезиса и по основной кривой намагничивания определить В_м, В_r, Н_с, дифференциальную магнитную проницаемость µ_r, µ_rнач, µ_гmах, Р_уд - удельные потери, которые рассчитываются по формуле, (Вт/кг):

г
де S_n - площадь петли гистерезисного цикла, дел²; D - плотность материала, кг/м³;

f

---

- частота, Гц.

Площадь петли определить, как минимум двумя различными способами с той точностью, которую удастся достичь (способы выбрать самостоятельно). Например, в качестве одного из способов можно использовать формулу Пика. Для увеличения точности рекомендуется разделить клетки экрана осциллографа на меньшие части (например, на четвертики). Результаты способов сравнить между собой.
6. Содержание отчета

1. 
   Цель работы.
   
2. 
   Программа работы.
   
3. 
   Описание лабораторной установки и методики проведения опыта.
   
4. 
   Краткое изложение последовательности выполнения работы и полученных результатов в виде графиков.
   
5. 
   Теоретические и практические выводы, вытекающие из анализа полученных результатов.
   

7. Вопросы для самоконтроля

1. 
   Перечислите основные характеристики магнитных материалов. Какова их размерность?
   
2. 
   Как влияют различные факторы на основные характеристики магнитных
   материалов?
   
3. 
   Чем отличаются магнитомягкие материалы от магнитотвердых?
   
4. 
   Где применяются магнитные материалы?
   

5. 
   От каких факторов зависят потери в магнитных материалах, какие применяются меры для уменьшения потерь?
   
6. 
   Как зависят характеристики магнитного материала от частоты магнитного поля?
   
7. 
   Какими процессами обусловлены потери в магнитных материалах?
   

9. Изобразите на рисунке магнитное поле и путь индуцированных токов в магнитопроводе испытуемого образца?

10. 
    Как по основной кривой намагничивания определяются µ_aµ_max и µ_диф?
    

Рекомендуемая литература

1. 
   Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Ленинград : Энергия, 1977. – 352 с.
   
2. 
   Пасынков, В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – М. : Высш. шк., 1986. – 367 с.
   

---

Лабораторная работа №3. Измерения тангенса диэлектрических потерь tgδ и диэлектрической проницаемости ε.

1 Цель работы

Целью работы является изучение стандартных методов определения ди­электрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδпри переменном (частота 50 Гц) напряжении твердых электроизоляци­онных материалов, исследование и обоснование влияния температуры на ε и tgδобразцов различных материалов.

2 Теория. Диэлектрик в электрическом поле

2 1. Поляризация

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникаю­щим под воздействием электрического поля, является поляризация. Поля­ризация характеризуется диэлектрической проницаемостью ε и тангенсом угла потерь tgδ. Величины ε и tgδзависят от вида поляризации.

Поляризация - это ограниченное смещение связанных зарядов или ори­ентация дипольных молекул под действием приложенного электрического поля. Поляризуемость материала зависит от количества элементарных за­рядов, принимающих участие в процессе поляризации, их величины и вели­чины смещения этих зарядов. Основными видами поляризации являются:

- электронная;

- дипольная;

- ионная.

Электронная и ионная поляризации в чистом виде происходят без по­терь, дипольная - с потерями, т.е. энергия электрического поля переходит в тепло, что вызывает нагрев диэлектрика. Поляризация с потерями называется релаксационной.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и дефор­мацию электронных оболочек атомов и ионов в сторону, обратную направ­лению поля. Установление электронной поляризации происходит почти мгновенно (около 10^-15с), поэтому она условно называется мгновенной.

Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков и происхо­дит без потерь энергии. Поляризуемость частиц не зависит от температуры, однако электронная поляризация уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и, следовательно, с уменьше­нием частиц в единице объема.

Одновременно с деформацией электронных оболочек происходит сме­щение ядер в атомах (поляризация ядерного смещения), которое совершает­ся за 10^-13 с и не зависит от температуры.

Ионная поляризация обуславливается смещением упруго связанных ионов под воздействием приложенного электрического поля. Она характер­на для твердых материалов с ионным строением. Этот процесс происходит внутри молекул. Время установления ионной поляризации порядка 10

---

^-13 с.

Дипольно-релаксационная (ориентационная) поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц. Время установления дипольно-релаксационной поляриза­ции равно 10^-10... 10^-2 с. Дипольно-релаксационная поляризация с увеличением температуры растет, достигает определенного максимума, а затем падает.

Упруго-дипольная поляризация наблюдается у дипольных молекул в не­которых кристаллах, где дипольные молекулы закреплены и могут по­ворачиваться на небольшой угол, поэтому диэлектрическая проницаемость этих материалов имеет малую величину.

К видам поляризаций, имеющих потери, также относятся ионно-релаксационная, электронно-релаксационная и другие виды.

Ионно-релаксационная поляризация появляется при тепловых перебросах слабосвязанных в веществе ионов в направлении действия электричес­кого поля. Такие ионы в тепловом движении перемещаются на значительно большее расстояние, чем при упругих смещениях (при ионной поляризации). Этот вид поляризации зависит от температуры, носит замедленный харак­тер и наблюдается на низких частотах.

Электронно-релаксационная поляризация обусловлена ограниченным смещением возбужденных тепловой энергией электронов и дырок.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованием объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения (высоковольтная поляризация), имеет боль­шие потери и является поляризацией замедленного действия.

Спонтанная поляризация возникает при отсутствии внешнего электри­ческого поля, типична для диэлектриков кристаллических структур, имею­щих области (домены) с легко поляризующимися и длительно сохраняющи­ми поляризованность кристаллическими системами. Этот вид поляризации зависит от температуры, носит замедленный характер, при высоких часто­тах не происходит и наблюдается в сегнетодиэлектриках (титаниты бария, кальция, стронция).

Остаточная поляризация характеризуется длительным сохранением по­ляризованного состояния в диэлектрике после снятия внешнего элек­трического поля. Такие диэлектрики называются электретами. Длительность сохранения поляризации измеряется месяцами, годами и даже столетиями.

2.2 Относительная диэлектрическая проницаемость

---