Методические указания по их выполнению по курсу «Материалы электронных средств». Составитель: к т. н. Фадеева Н. Е



НазваниеМетодические указания по их выполнению по курсу «Материалы электронных средств». Составитель: к т. н. Фадеева Н. Е
страница3/6
Дата13.03.2013
Размер0.84 Mb.
ТипМетодические указания
источник
1   2   3   4   5   6
^

Задача № 3.4.3


Назовите основные механизмы намагничивания ферромагнетика, приводящие к нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля.

Задача № 3.4.4

Могут ли обладать ферримагнитными свойствами сплавы, состоящие из неферромагнитных элементов?

Задача № 3.4.5

Чем отличается спиновое обменное взаимодействие в ферро- и антиферромагнетиках?

Задача № 3.4.6

Укажите, следствием какого универсального закона являются диамагнитные свойства вещества. Почему парамагнетизм, в отличие от диамагнетизма, не универсален? Как зависит диамагнитная восприимчивость химического элемента от его места в Периодической системе элементов?

Задача № 3.4.7

Какими причинами обусловлен различный характер температурных зависимостей магнитной проницаемости магнитомягкого материала, измеряемой в слабом и сильном магнитных полях?

Задача № 3.4.8

Найти индуктивность соленоида, имеющего 200 витков, намотанных на диэлектрическое основание, длиной l=50 мм. Площадь поперечного сечения основания S= 50 мм2. Как изменится индуктивность катушки, если в нее введен цилиндрический ферритовый сердечник, имеющий магнитную проницаемость μ=400, определенную с учетом размагничивающего действия воздушного зазора?

Задача № 3.4.9

Определить магнитную индукцию ферримагнитного сердечника, помещенного внутрь соленоида длиной l=20 см с числом витков n=800, если по обмотке проходит ток 0,2 А, а эффективная магнитная проницаемость сердечника μ=200.

Задача № 3.4.10

Определить, сколько витков необходимо намотать на магнитный сердечник длиной 100 мм и диаметром 8 мм, чтобы получить индуктивность катушки L=10 мГн. Магнитную проницаемость сердечника считать равной 500.

^

4. Справочный материал по курсу.



4.1.Общие электрические и физические свойства проводниковых материалов


Закон Ома в дифференциальной форме

, (1)

где – плотность тока в материале, т.е. электрический заряд, движущийся в электрическом поле Ев за единицу времени через единицу площади.

– удельная проводимость и удельное сопротивление материала соответственно.

Закон Ома в интегральной форме:

, (2)

где I – ток в материале.

U – напряжение, приложенное к материалу или его участку.

R – полное сопротивление материала.

, (3)

где – геометрический параметр тела, называемый приведенной длиной.

Для тела с постоянным по всей длине поперечным сечением S и длиной h (например, жила провода или кабеля):

(4)

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры:

r(Т)=r0(1+ar(Т-Т0)), (5)

где ar - температурный коэффициент сопротивления;

r0 – удельное сопротивление проводника при температуре Т0.

Мощность ^ Р, рассеиваемая материалом, находящимся под напряжением U при прохождении через него тока величиной I.


(6)


4.2 Общие электрические и физические свойства полупроводниковых материалов


Собственные полупроводники – полупроводники, не содержащие донорных и акцепторных примесей.

В собственном полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинаковы:

; (7)


где NC и NV – эффективные плотности состояний электронов и дырок в зонах проводимости и валентной зоне соответственно:

; (8)

; (9)

эффективная масса электронов в зоне проводимости полупроводника.

эффективная масса дырок в валентной зоне полупроводника.

постоянная Планка.

постоянная Больцмана.

DEg– ширина запрещенной зоны полупроводника.


Произведение концентраций электронов и дырок – величина постоянная для данного полупроводника при каждой конкретной температуре, это есть выражение закона действующих масс:

, (10)

где ni – концентрация собственных носителей в полупроводнике;

Условие электронейтральности для единичного объема:


р+NД=n+NА , (11)


где слева – положительный заряд дырок и ионизированных доноров NД, а справа – отрицательный заряд электронов и ионизированных акцепторов NА.

Для электронных полупроводников, не содержащих акцепторов:

n=NД(12)

Для дырочных полупроводников, не содержащих доноров:

р=NА+n. (13)

Плотность электронной и дырочной составляющей тока в полупроводниковом материале, во внешнем электрическом поле Е:

; (14)

; (15)

где gn и gp – удельные электронная и дырочная проводимости полупроводника.

; (16)

; (17)

где mn и mp – подвижность электронов и дырок соответственно.

; (18)

; (19)

где Vn и Vp – средние скорости носителей в полупроводнике.

Соотношение Эйнштейна:

; (20)

; (21)

где Dn и Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно.

; (22)

; (23)

где Ln и Lp – диффузионная длина носителей; tn и tp – время жизни носителей.

Суммарная плотность тока в полупроводнике:

; (24)

- удельная проводимость полупроводника.

; (25)

Для собственного полупроводника, где ni = pi:

; (26)

Для электронного полупроводника где n>>p:

gn=enmn. (27)

Для дырочного полупроводника где р>>n

gp=epmp. (28)


4.3 Общие электрические и физические свойства диэлектрических материалов


К основным характеристикам диэлектриков относят.

Поляризованность диэлектрика:

, (29)

где - вектор индуцированного электрического момента.

V – объем поляризованного диэлектрика.

Дипольный момент поляризованного диэлектрика:

, (30)

где q – суммарный положительный (или отрицательный) заряд диэлектрика.

- плечо диполя, то есть расстояние между положительным и отрицательным зарядами.

В диэлектрике, помещенном в переменное синусоидальное электрическое поле с напряженностью E и угловой частотой w, возникают токи двух видов: ток смещения и ток проводимости.

Плотность тока смещения:

, (31)

где e0 – диэлектрическая проницаемость вакуума.

e – диэлектрическая проницаемость материала.

Плотность тока проводимости:

; (32)

где – активная проводимость диэлектрика на угловой частоте w.

Плотность общего тока j равна векторной сумме плотностей токов смещения и проводимости. Угол d между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь d. Тангенс этого угла:

; (33)

Добротность диэлектрика:

; (34)

Электрическая прочность диэлектрика:

, (35)

где Uпр – напряжение пробоя диэлектрика.

h – толщина материала.

Удельная емкость диэлектрика:

, (36)

где l - приведенная длина участка изоляции (см. (4)).

Зависимость удельного сопротивления диэлектрика от температуры:

; (37)

где 0 –сопротивление диэлектрика при температуре окружающей среды Т0=0°С .

a - температурный коэффициент сопротивления.

Мощность, выделяемая диэлектриком емкостью С, при подаче на него напряжения U с угловой частотой w:

; (38)

Тепловая мощность, отводимая от образца диэлектрика нагретого до температуры Т:

; (39)

где s – коэффициент теплоотдачи материала.

S – площадь поверхности диэлектрика.

Т0 – температура окружающей среды.

В условиях теплового равновесия: .

Поэтому

; (40)

При этом температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь определяется формулой:, (41)


тогда

. (42)


4.4 Общие электрические и физические свойства магнитных материалов


Намагниченностью материала J называется суммарный магнитный момент электронов в единице объема.

Намагниченность материала равна 0 в случае, когда он не был намагничен, и внешнее магнитное поле отсутствует. Под воздействием магнитного поля со средней напряженностью Н внутри тела намагниченность равна:

^ J=c×H, (43)

где c - магнитная восприимчивость.

Магнитная индукция вещества В связана с намагниченностью:

В=В0+J=B0+c×H, (44)

где В0 – магнитная индукция вещества в отсутствии внешнего магнитного поля.

Относительная магнитная проницаемость

m=1+/m0, (45)

где m0=4p×10-7 Гн/м - магнитная постоянная вакуума.


Классификация материалов по магнитным свойствам:


Материалы

Магнитная восприимчивость c

Диамагнетики

<0

Парамагнетики

»0

Ферромагнетики

>>0



Остаточной индукцией Br называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля.

Коэрцитивная сила Hc – напряженность размагничивающего поля, которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу для того, чтобы магнитная индукция в нем стала равной нулю.

Энергетические потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, отнесенные к единице объема вещества (удельные потери):

; (46)

Зависимость магнитной индукции материала от напряженности внешнего магнитного поля имеет форму петли гистерезиса.


Классификация материалов по форме петли гистерезиса:

Материал

Форма петли гистерезиса

Применение

Магнитомягкие

Узкая, округлая, небольшая площадь, Нс®0

Сердечники трансформаторов и электрические машины.

Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ)

Узкая, округлая, небольшая площадь, Нс®0

Элементы памяти.

Магнитотвердые

Широкая, Нс>>0

Для изготовления постоянных магнитов.


Дополнительные параметры магнитных материалов вводят в частных областях по признакам применения.

Например, для магнитных материалов с прямоугольной петлей гистерезиса, основой элементов памяти, важным параметром является коэффициент переключения:

Sф=t(Нm-H0), (47)

где Нm- напряженность магнитного поля, соответствующая максимальной магнитной индукции Вm:

Нm»4/3Hc (48)

t - время переключения элемента памяти, т.е. время необходимое для перехода из одного магнитного состояния в другое, например, от -Вr до +Вr;

Н0 – напряженность поля старта, т.е. минимальная напряженность поля, необходимое для такого перехода.

Для магнитодиэлектрика, состоящего из связующего диэлектрика и магнитного наполнителя магнитная проницаемость m:

m=mаa, (49)

где mа- магнитная проницаемость наполнителя.

Диэлектрическая проницаемость магнитодиэлектрика:

e=emaeД1-a , (50)

где em, eД – диэлектрическая проницаемость наполнителя и диэлектрика соответственно;

a - объемное содержание магнитного материала.


ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение1. Физические параметры чистых металлов (при 20°С)

Металл

Плотность , Мг/м3

Температура плавления,°С

Температурный коэффициент линейного расширения, αl∙106-1

Удельное сопротивление, мкОм∙м

Температурный коэффициент удельного сопротивления, αρ∙106-1

Работа выхода, эВ

Абсолютная удельная термо –эдс,мкВ∙К-1

Период решетки,нм

Алюминий

2,7

660

21,0

0,027

4,1

4,25

-1,3

а=0,404

Вольфрам

19,3

3400

4,4

0,055

5,0

4,54

+2,0

0,316

Железо

7,87

1540

10,7

0,097

6,3

4,31

+16,6

0,286

Золото

19,3

1063

14,0

0,023

3,9

4,30

+1,5

0,407

Кобальт

8,85

1500

13,5

0,064

6,0

4,41

-20,1

а=0.251

с=0,407

Медь

8,92

1083

16,6

0,017

4.3

4,40

+1,8

а=0.361

Молибден

10,2

2620

5.3

0,050

4,3

4,30

+6,3

0,314

Натрий

0,97

98

72,0

0,042

5,5

2,35

-8,7

0,428

Никель

8,96

1453

13,2

0,068

6,7

4,50

-19.3

0,352

Олово

7,29

232

23,0

0,113

4,5

4,38

-1,1

а=0.583

с=0,318

Платина

21,45

1770

9,5

0,098

3,9

5,32

-5,1

а=0,392

Свинец

11,34

327

38,3

0,190

4,2

4,00

-1,2

0,494

Серебро

10,49

961

18,6

0,015

4,1

4,30

+1,5

0,408

Тантал

16,6

3000

6,6

0,124

3,8

4,12

-2,5

0,330

Хром

7,19

1900

6,2

0,130

2,4

4,58

+18,0

0,288

Цинк

7.14

419

30,0

0,059

4,1

4,25

+1,5

а=0.266

с=0,494
1   2   3   4   5   6



Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru