Контрольная работа. Материалы и компоненты. Контрольная работа По дисциплине Материалы электронных средств Группа Вариант 6 Проверил
![]()
|
Федеральное агентство связи Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики Межрегиональный центр переподготовки специалистов Контрольная работа По дисциплине: Материалы электронных средств Выполнил: Группа: Вариант: 6 Проверил: ___________________ Новосибирск, 2019 г. Задача № 3.1.2 Вычислить падение напряжения на полностью включенном реостате, изготовленном из константановой проволоки длиной 10 м, при плотности тока 5 А/мм2. Удельное сопротивление константана принять равным 0,5 мкОм·м. Дано: j=5 А/мм2Решение l=10м Сопротивление проводника: ![]() ![]() U-? Плотность тока в материале: ![]() Ток в проводнике тогда будет равен: ![]() Падение напряжения вычисляется по формуле: ![]() ![]() Ответ: падение напряжения на полностью включенном реостате, изготовленном из константановой проволоки составит ![]() Задача № 3.1.6 Определить температуру, до которой нагреется алюминиевый провод сечением15 мм2, длиной 1000 м, если по нему течет ток 40А ,создающий падение напряжения 225 В. Решение. Зная ток и падение напряжения, получим сопротивление проводника. Зная длину и сечение, от сопротивления проводника перейдём к удельному сопротивлению металла. Которое зависит от температуры. Принимая зависимость линейной, и зная удельное сопротивление при 20С и температурный коэффициент сопротивления, получим температуру. Итак, начнём. Для решения этой задачи нужны след. законы и формулы: 1 - з. Ома - ![]() 2 - зависимость сопротивления от длины, сечения и материала проводника - ![]() 3 - зависимость сопротивления от изменения температуры - ![]() Температура которая нас интересует может быть найдена как ![]() ![]() ![]() ![]() При температуре 20 градусов Цельсия ![]() ![]() ![]() Идём дальше. Из (1) находим R. R = U/I. R = 5 Ом. Из (2) находим ![]() ![]() ![]() (3) же перепишем так, чтобы выразить дельта т. - ![]() Отсюда ![]() Задача № 3.2.1 Вычиcлить собственную концентрацию носителей заряда в кремнии при Т=300 К, если ширина его запрещенной зоны ΔW=1,12 эВ, а эффективные Массы плотности соcтоянийmc=1,05m0, mv=0,56m0. Решение. Концентрация собственных носителей заряда рассчитывается по формуле: ![]() ![]() ![]() где Nc– эффективная плотность состояний в зоне проводимости, Nv– эффективная плотность состояний в валентной зоне. Рассчитаем эффективные плотности: Nc=2,69·1019 см-3, Nv=1,05·1019 см-3. Подставим эти значения в формулу концентрации собственных носителей заряда. Ответ: ni=6.45·109см-3,Nc=2,69·1019 см-3, Nv=1,05·1019 см-3. Задача № 3.2.12 Объясните, почему при одинаковом содержании легирующих примесей поликристаллический кремний обладает гораздо более высоким удельным сопротивлением, чем монокристаллический материал. По правилу Маттиссена об аддитивности удельного сопротивления: ![]() т. е. полное сопротивление металла есть сумма сопротивлений, обусловленных рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки, и остаточного сопротивления, обусловленного рассеянием электронов на статических дефектах структуры. При одинаковом содержании легирующих примесей остаточное сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на статических дефектах структуры поликристаллического и монокристаллического кремния равны. Следовательно, удельное сопротивление будет зависеть от сопротивления, обусловленного рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки. А так как в поликристаллическом кремнии гораздо больше узлов в кристаллической решетке нежели в монокристаллической, то потери вызванные рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов будут больше и удельное сопротивление соответственно то же будет иметь большее значение. Задача № 3.3.1 В чем различие между ионной и ионно-релаксационной поляризацией? Что характеризует время релаксации и от каких факторов оно зависит? Ионная поляризация характерна для тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстояния, меньше периода решетки. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах и в некоторых кристаллических веществах. В этом случае слабосвязанные ионы веществ под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия. Время релаксации–это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения, т. е. система из не равновесного состояния приближается к равновесному. Время релаксации сильно зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше силы молекулярного сопротивления повороту диполей в вязкой среде, тем меньше время релаксации. Задача № 3.3.13 Электрическая прочность непропитанной конденсаторной бумаги и конденсаторного масла соответственно равна 35 и 20 кВ/мм. После пропитки бумаги конденсаторным маслом ее электрическая прочность возросла до 50 кВ/мм. Почему электрическая прочность пропитанной бумаги больше, чем электрические прочности непропитанной бумаги и пропитывающего диэлектрика? Пробивное напряжение изоляции зависит от ее толщины (т. е. от расстояния между электродами а): чем толще слой данного электроизоляционного материала, тем выше его пробивноенапряжение.Бумажно-масляная изоляция изготовляется из слоев пропитанной маслом бумаги, причем промежутки между слоями бумаги тоже заполнены маслом. Бумажно-масляная изоляция является самой надежной и поэтому применяется в изоляционных конструкциях с наиболее высокими напряженностями электрического поля. Пробивное напряжение масляных промежутков определяет пробивное напряжение всей бумажно-масляной изоляции, так как электрическая прочность масла ниже, чем бумаги. Электрическая прочность диэлектрика: ![]() где Uпр – напряжение пробоя диэлектрика. h – толщина материала. Задача № 3.3.15 Чем отличается пробой газа в однородном и неоднородном электрических полях? Каким образом в газе можно создать однородное поле? Почему при увеличении расстояния между электродами пробивное напряжение газа в однородном поле возрастает? Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном поле. Неоднородное поле образуется между остриём и плоскостью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхностями, если расстояние между ними больше радиуса сферы. Пробой газа в неоднородном электрическом поле происходит при меньшем напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле. Вначале наступает неполное электрическое разрушение слоя газа у электрода с меньшим радиусом, так как у его поверхности наблюдаются наибольшие напряженности электрического поля. При повышении напряжения возникает разряд в виде короны. При дальнейшем повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточной мощности источника – в дуговой. Однородное поле реализуется между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами, если расстояние между ними не более их диаметра. В однородном электрическом поле при T=const пробой газообразного диэлектрика выражается следующей формулой: Uпр=Aph где Uпр = пробивное напряжение слоя газа, В; р – давление газа h – расстояние между электродами, м; А – коэффициент. Из формулы видно, что при увеличении расстояния между электродами прямо пропорционально возрастает и пробивное напряжение. ![]() Рис.1 Зависимость пробивного напряжения газа от расстояния между электродами при постоянном давлении ![]() При дальнейшем уменьшении расстояния между электродами до значений ![]() ![]() Задача № 3.3.27 На каких принципах основано создание термостабильной конденсаторной керамики? Ответ: Керамика – это поликристаллический материал, полученный из минералов и оксидов металлов спеканием при высокотемпературном обжиге. По строению керамика представляет собой сложную систему состоящую из трех основных фаз: кристаллической, стекловидной и газовой. Кристаллическая фаза (основная) представляет собой химические соединения или твердые растворы, она определяет характерные свойства керамического материала; стекловидная фаза находится в керамическом материале в виде прослоек между кристаллической составляющей или обособленных микрочастиц и выполняет роль связующего вещества; газовая фаза представляет собой газы, содержащиеся в порах керамики. Поры ухудшают свойства керамики, особенно при повышенной влажности. Изменяя состав твердых растворов можно получить очень незначительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости как с положительным, так и с отрицательным знаком. Такая керамика используется для изготовления термостабильных конденсаторов. Для улучшения температурной стабильности в состав керамики добавляют цирконат кальция CaZrO2, лантанат алюминия LaAlO3, станнат кальция CaSnO2, которые образуют кристаллическую фазу с положительным значением ТКЕ. Изменяя соотношения между этими компонентами получают термостабильную керамику с ТКЕ от +33×10-6 до -75×10-6К-1. Принципы создания термостабильной конденсаторной керамики: 1)малая емкость обкладок конденсатора; 2)малое значение ТКЕ(температурный коэффициент емкости ) ТКЕ - температурный коэффициент ёмкости. Конденсаторы с группами ТКЕ П100 (П120), П33, М47, М75, т.е. с малыми значениями ТКЕ называют ещё термостабильными; 3)жесткие допуски ( ±2%; ±5%) Задача № 3.4.2. К какому классу веществ по магнитным свойствам относятся полупроводники кремний и германий, химические соединения АIIIВV? К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения АЗВ5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. Соединения типа АIIIВV являются ближайшими электронными аналогами германия и кремния. Они образуются в результате соединения элементов III группы Периодической системы (бора, алюминия, галлия и индия) с элементами V группы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). 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? Диамагнетизм(диамагнетизм (от греч. dia… — расхождение (силовых линий), и магнетизм) — один из видов магнетизма, который проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего поля) универсален, в отличии от парамагнитизма (Парамагнетизм (от пара… и магнетизм), свойство тел, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент)в направлении, совпадающем с направлением этого поля), так как он свойственен всем веществам. Таблица Менделеева чётко разделяется на две компактные области: диамагнитную и парамагнитную, что особенно хорошо видно в длиннопериодном варианте. Граница раздела проходит по линии элементов с номерами 3 – 13 – 28 – 46 – 78 – 110 (литий – алюминий – никель – палладий – платина – дармштадтий). Исходя из вида распределения диамагнитных и парамагнитных элементов в ПСЭ и с учётом приведенных выше замечаний, можно сделать следующие обобщения (в отношении элементов 7-го периода некоторые из данных обобщений являются гипотетическими): 1. За исключением 1-го периода, каждый период начинается с парамагнитного элемента и заканчивается диамагнитным (впрочем, и в 1-ом периоде водород в атомарном состоянии представляет собой классический пример парамагнитного вещества). 2. В коротких периодах (периоды 1 – 3) преобладают диамагнитные элементы, а в длинных (периоды 4 – 7) – парамагнитные. 3. В длинных периодах содержится одинаковое количество диамагнитных элементов (Nd = 8) в конце каждого периода, а количество парамагнитных элементов в начале каждого периода составляет Np = N - Nd, где N – общее число элементов в периоде. 4. В 1-ом периоде оба s-элемента являются диамагнитными; во 2-ом периоде содержится один парамагнитный и один диамагнитный s-элементы; в каждом из остальных периодов оба s-элемента являются парамагнитными. 5. Все р-элементы являются диамагнитными, за исключением алюминия и магнитоамфотерных элементов . 6. В длинных периодах содержится одинаковое количество парамагнитных d-элементов – по 8 в начале каждого ряда d-элементов, и одинаковое количество диамагнитных d-элементов – по 2 в конце каждого ряда d-элементов. 7. Все f-элементы являются парамагнитными. 8. Все элементы 1 – 10 групп являются парамагнитными, за исключением бериллия. 9. Все элементы 11 – 18 групп являются диамагнитными, за исключением алюминия и магнитоамфотерных элементов . Диамагнитный эффект, являющийся следствием закона индукции Фарадея: внешнее магнитное поле всегда создаёт в веществе такой индукционный ток, магнитное поле которого направлено против начального поля (Ленца правило). Поэтому создаваемый внешним полем диамагнитный момент вещества всегда отрицателен по отношению к этому полю. |