Ćwiczenie 69

Elektrody pomiarowe dobiera się w zależności od rodzaju próbek materiału (np. płaskie - najczęściej stosowane, czy rurowe). Elektrody pomiarowe:

- mogą stanowić powłoki przewodzące wykonane przez naniesienie odpowiednich lakierów przewodzących, tworzących stałe warstwy na powierzchni materiału,

- mogą zostać naniesione przez metalizację natryskową z cynku, miedzi, aluminium lub srebra,

- mogą zostać napylone w próżni lub katodowo i wykonane ze srebra, złota, platyny, miedzi.

Średnica elektrody pomiarowej powinna wynosić co najmniej czterokrotną wartość grubości próbki i posiadać wartość 10, 25, 50, 100 mm.

Napięcie pomiarowe stabilizowane, zgodne z normą na matreriał 1,10,50,100,250,500,1000,10000 V by natężenie w próbce wynosiło od 0,1 do 1kV/mm. Woltomierz elektrostatyczny

Ro ok. 10kom ogranicza prąd w przypadku przebicia próbki.

Gdy mierzone rezystancje wynoszą:

Rx<<10do potęgi 13 om-do pomiaru prądu stosujemy galwanometr

Rx>10do 13 om-elektrometr

Konduktywność w dielektrykach ma najczęściej charakter jonowy a tylko niekiedy elektronowy. Decyduje o tym niższa energia niezbędna do wyzwolenia jonu z sieci krystalicznej niż do przeniesienia elektronu do pasma przewodnictwa. Wynosi ona dla jonu 0,5-2eV, dla elektronu >2eV.

W materiałach o strukturze krystalicznej przewodnictwo jonowe jest wynikiem defektów sieci krystalicznej, tj. przejścia jonu z węzła w międzywęźle, natomiast w amorficznych - obecność domieszek i zanieczyszczeń. Przewodnictwo może mieć charakter jonowy, gdy: E>10do4, T>300oC, naświetlanie promieniami krótszymi od ultrafioletowych.

u=v/E, J=nqv, y=nqu

- rezystywność skrośna - charakteryzująca właściwości objętości materiału, jest to iloraz stałego natężenia pola elektrycznego przez ustaloną wartość gęstości prądu płynącego na wskroś materiału [om*m]

- rezystywność powierzchniowa - charakteryzująca powierzchnię materiału gł. ze względu na procesy adsorbcji wilgoci i zanieczyszczeń z otoczenia, to rezystywność kwadratu (o dowolnym boku) na powierzchni materiału, przy czym prąd płynie do przeciwległych boków kwadratu [om]

Rezystancja całkowita:

- rezystancja skośna R_v- stosunek napięcia stałego doprowadzonego do próbki za pomocą elektrod i ustalonego natężenia prądu płynącego między elektrodami przez próbkę na wskroś, bez uwzględnienia tej części prądu, który płynie po powierzchni próbki

- rezystancja powierzchniowa R_s- stosunek napięcia stałego doprowadzonego do próbki za pomocą elektrod, do ustalonego natężenia prądu płynącego przez warstwy wilgoci zaadsorbowanej na powierzchni materiału i innych przewodzących zanieczyszczeń.

Uporządkowanie dipoli w polu elektrycznym nazywa się relaksacją a opóźnienie za zmianami pola - czasem relaksacji. Opóźnienie to dotyczy polaryzacji dipolowej i makroskopowej które nazywa się polaryzacją relaksacyjną w odróżnieniu od polaryzacji elektronowej i jonowej zwanych rezonansowymi przy których to opóźnienie nie występuje. Polaryzacje relaksacyjne są źródłem strat dielektrycznych.

Zależność przenikalności elektrycznej względnej epsilon od częstotliwości f

Przy częstotliwości f>10do13Hz może zajść tylko polaryzacja elektronowa, a pojemność nazywa się wówczas geometryczną Cg. Przy częstotliwości gdzie występują wszystkie rodzaje polaryzacji pojemność nazywa się fizyczną Cf

Pomiędzy przenikalnością elektryczną epsilon i podatnością elektryczną n jest związek:

epsilon=1+n

n=n.el+n.a.j+n.d+n.m

deltaC=Cf-Cg=nCg

n=deltaC/Cg

epsilon=Cf/Cg

Schemat zaspępczy zjawisk polaryzacyjnych

Cg-pojemność geometryczna

Ca-pojemność absorpcyjna związana z polaryzacją dipolową i makroskopową

Ra-rezystancja absorpcyjna, przedstawiająca straty dielektryczne

i=ic+ia+ip

ic=epsilon*(dE/dt) - prąd pojemnościowy

ia=(dP/dt) - prąd absorpcji

ip - prąd przewodnościowy (prąd upływu)

Polaryzacja (orientacja ładunków zorientowanych) pod wpływem pola elektrycznego powoduje w ośrodku przepływ prądu elektrycznego, tzw. prądu absorbcji. Istnieje kilka rodzajów polaryzacji różniącymi się czasem relaksacji tał, który oznacza czas po jakim prąd absorbcji zmniejszy się e razy.

- Pe - polaryzacja elektronowa - przesunięcie powłok elektronowych względem jądra atomu, tał 10do-15 - 10do-13s

- Pa,Pj - polaryzacja atomowa, jądrowa - przesunięcie atomów lub jonów połączonych wiązaniami jonowymi tał=10do-13 - 10do-10s

- Pd - polaryzacja dipolowa - występuje w dielektrykach zawierających cząsteczki o trwałym momencie dipolowych, tał 10do-10 - 10do-2 s

- Pm - polaryzacja makroskopowa - w dielektrykach niejednorodnych, zawierających jony swobodn, które są przesuwane do elektrod.

Ćwiczenie 7

Warystor krzemowy - wytwarzany metodą spiekania. Wykonane są z węglika krzemu w postaci polikrystalicznej wraz z różnymi zanieczyszczeniami i domieszkami. Na własności warystorów duży wpływ mają zanieczyszczenia, technologia wytwarzania i rodzaju użytego węglika krzemu (istnieje 7 odmian). Te warystory są stosowane m.in. jako elementy stosu zmiennorezystancyjnego w iskiernikowych ogranicznikach przepięć oraz jako rezystory bocznikujące przerwy iskiernikowe odgromników. Iskiernikowe odgromniki używa się do ochrony przeciwprzepięciowej urządzeń elektroenergetycznych.

Warystory charakteryzują się silnie nieliniowymi charakterystykami prądowo-napięciowymi. Struktura warystorów ma postać mocno upakowanych ziaren. Rezystywność wnętrza ziaren jest niewielka i wynosi mniej niż 1om*cm. O przewodnictwie prądu decydują głównie zjawiska na granicach między ziarnami. Na powierzchniach ziaren znajdują się cienkie warstwy o grubościach 0,01-0,001um (0,005-0,01um0) mające dużą rezystywność. Na powierzchni ziaren istnieje ładunek przestrzenny tworzący barierę potencjału, utrudniające przepływ prądu przy małym napięciu, a regulujące prąd przy dużym napięciu. Warystor składa się więc jakby z wielu elementarnych mikrowarystorów, połączonych szeregowo-równolegle. Dla małego napięcia zależność prąd-napięcie jest liniowe. Ze wzrostem napięciu prąd ulega zwiększeniu. Wzrost prądu nastąpi, gdy napięcie na warstwie zaporowej osiągnie wartość równą pracy wyjścia elektronów z warstwy zaporowej. Przy wzroście napięcia rosnący prąd nagrzewa warstwy powierzchniowe prowadzą do jeszcze większego wzrostu prądu.

Zakres przedprzebiciowy A

Przy małym napięciu (nie większym od pracy ciągłej) przez warystor płynie mały prąd nie powodując wzrostu temp. Są to normalne warunki pracy warystora - charakterystyka warystora jest zgodna z prawem Ohma.

Bariera potencjału na granicach między ziarnami reguluje przepływ prądu. Elektron może osiągnąć taką energię na skutek jonizacji termicznej. Wraz ze wzrostem temp. więcej elektronów przedostaje się przez barierę. Dlatego charakterystyka w zakresie A jest zależna od temp.

Zakres przebiciowy B

Gdy podczas zwiększania napięcia doprowadzonego do warystora energia przypadająca na warstwę graniczną pojedynczego mikrowarystora przekroczy 3,2eV energia kinetyczna elektronów płynących przez tą warstwę staje się bardzo duża. Elektrony wybijają kolejne elektrony z pasma walencyjnego przez jonizację zderzeniową. Powstają pary ładunków elektron - dziura i te dziury tworzą nieliniowość charakterystyki - powodują zmniejszenie wysokości bariery potencjału, co powoduje szybki wzrost prądu przepuszczanego przez warystor.

Zakres nasycenia C

Podczas przepływu przez warystor udarów prądowych o dużych wartościach płyną większe prądy niż w zakresie B. Warystor przechodzi wówczas w stan nasycenia i charakterystyka staje się praktycznie liniowa

Termistorami są nazywane elementy półprzewodnikowe, których rezystancja zależy od temperatury. Zależność rezystancji od temperatury jest podstawą podziału termistorów:

Termistory z ujemnym współczynniku temperaturowym są wytwarzane ze spieków np. Fe2O3-TiO2 czy NiO-Li2O. Rt=Rto*exp(B*(To-T/ToT) Stosuje się do pomiaru temperatury, kompensacji temperaturowych zmian rezystancji obwodów elektrycznych, stabilizacji napięcia, zabezpieczenia urządzeń w przekaźnikach rozruchowych i czasowych.

Termistory z dodatnim współczynnikiem temperaturowym są materiałami ceramicznymi wytwarzanymi z polikrystalicznego tytanianu baru BaTiO3 lub inne. O charakterystyce rezystancji termistora z dodatnim wsp. temp. decydują zjawiska na granicy ziaren. W niskich temp. ładunek powoduje obniżenie bariery potencjału na granicy ziaren, czyli zmniejsza rezystancję. Efekt ten wraz z wzrostem temperatury maleje - po osiągnięciu temp Curie). Przez to w pewnym zakresie temperatur następuje duży wzrost temperatury. Poniżej temp. początkowej termistor działa jak warystor. Powyżej górnej temp. rezystancja termistora maleje ze wzrostem temp/

Termistory z skokowym zmniejszaniem się temp. wykonuje się ze spieków polikrystalicznego tlenku wanadu lub tytanu. W pewnej temperaturze zmienia się ich struktura krystaliczna, co powoduje gwałtowne zmniejszenie rezystywności. Można regulować zmiany temp. przez wprowadzanie domieszek np german, żelazo)

Ćwiczenie 8

Ładunek elektryczny w ruchu wytwarza trwały magnetyczny moment dipolowy. W atomie ładunek zawierają elektrony i jądro. Każdy elektron obiega jądro po orbicie i obraca się wokół własnej osi, wytwarzając moment pędu - spin. Na wypadkowy magnetyczny moment dipolowy składają się dodawane wektorowo:

- jądrowy moment magnetyczny - wynika z momentu pędu jądra związanego z jego spinem i jest wielkością tego samego rzędu co spin elektronu. Masa jądra jest większa od masy elektronu stąd magnetyczny moment dipolowy związany ze spinem jądra jest mniejszy od spinowego momentu magnetycznego elektronu i jego wpływ na wypadkowy moment magnetyczny atomu może być pominięty

- orbitalne momenty magnetyczne - wynikają z ruchu elektronu po orbicie kołowej wokół jądra. Modelem krążącego po orbicie elektronu może być zamknięta pętla z prądem. W powłokach zapełnionych całkowicie elektronami wypadkowy moment magnetyczny = 0

- spinowe momenty magnetyczne - wynikają z ruchu obrotowego elektronów wokół własnej osi. Temu ruchowi odpowiada moment pędu zwany spinem. W atomach wieloelektronowych spinowe momenty magnetyczne dodają się i wypadkowy spinowy moment magnetyczny atomów z powłokami całkowicie zapełnionymi = 0, jednak w niektórych pierwiastkach obserwuje się silne niezrównoważenie spinowych atomowych momentów magnetycznych.

- indukowane dipole magnetyczne - jeśli swobodna naładowana cząstka o ładunku q i masie m poruszająca się z prędkością v wejdzie w obszar pola magnetycznego o indukcji B zacznie na nią działać siła skierowana prostopadle do kierunku poruszania się cząstki i prostopadle do wektora B (siła Lorentza F=q(vxB) [J/m]), Cząstka zostanie schwytana przez pole i rozpocznie zataczać krąg (lub jeśli prędkość v miała składową równoległą do B, poruszać się po torze śrubowym) wokół linii sił pola magnetycznego z częstotliwością omegaL, zwaną częstotliwością Larmora.

- Diamagnetyki - Materiały, które nie mają stałych dipolowych momentów magnetycznych. Dla większości przypadków przyjmujemy podatność magnetyczna równą 0

- Paramagnetyki - mają stałe momenty magnetyczne. Gdy nie ma zewnętrznego pola magnetycznego te momenty ustawiają się chaotycznie, czyli nie oddziałują wzajemnie na siebie. W polu magnetycznym dochodzi do porządkowania tych dipoli w kierunku pola, czyli powstaje wypadkowe magnesowanie. Momenty ustawiają się w kierunku pola, wypadkowe pole rośnie i podatność magnetyczna jest większa od 0. Stopień uporządkowania zależy od temperatury - im wyższa temperatura tym bardziej chaotyczna orientacja dipoli.

- ferromagnetyki - Fe, Ni, Co mają bardzo wysoką wartość podatności magnetycznej wiele rzędów wyższą niż podatność materiałów paramagnetycznych. Warunkiem istnienia ferromagnetyzmu jest istnienie w materiale nieskompensowanych spinowych momentów magnetycznych oraz występowania w krysztale materiału tzw. sił wymiany, występujących najczęściej w ciałach krystalicznych. Wszystkie materiały ferromagnetyczne charakteryzuje temperatura Curie, przy której energia drgań cieplnych atomów jest tak duża, że całkowicie niszczy efekt magnesowania materiału.

Procesy magnesowania

Materiał magnetyczny jak każdy inny dąży do osiągnięcia stanu najmniejszej energii. Dipole magnetyczne pod nieobecność pola magnetycznego przyjmują taką orientacją aby cała energia magnetyczna była jak najmniejsza. Powstają w materiale obszary zwane domenami lub obszarami Weissa, w których spiny atomów pod działaniem sił wymiany porządkują się równolegle, a ich momenty magnetyczne ustawiają się zgodnie z osiami łatwego magnesowania kryształu.

W przypadku braku pola magnetycznego kryształ jest rozmagnesowany, tzw. wypadkowe namagnesowanie domen w dowolnym kierunku = 0. Przyłożone pole magnetyczne powoduje powstanie wypadkowego namagnesowania rosnącego wraz ze zwiększaniem pola magnetycznego aż do osiągnięcia nasycenia. Tak wygląda wykres magnesowania ferromagnetyka

W pkt a) H=0 i materiał nie jest namagnesowany. Wraz ze wzrostem H ścianki między domenami są powoli przesuwane, zwiększając objętość tej domeny, której wektor namagnesowania ma kierunek najbardziej zbliżony do kierunku wektora H (pkt. b) i c)). W pkt d) wogóle znikają domeny o innych kierunkach namagnesowania. Przy dalszym wzroście H następuje powolny obrót wektora namagnesowania M do kierunku zgodnego z kierunkiem wektora H. W pkt e)magnesowanie ferromagnetyka osiąga nasycenie

Pętla histerezy magnetycznej

Br- pozostałość magnetyczna

Hc - natężenie pola koercji

Hn - natężenie pola nasycenia

Bn - indukcja nasycenia

Przenikalność magnetyczna

Własności wszelkich materiałów są scharakteryzowane przez ich podatność magnetyczną n_m lub przenikalność magnetyczna względną u_w.

- diamagnetyki u_w <1

- paramagnetyki u_w >1

- ferromagnetyki u_w >>1

Dla ferromagnetyków przenikalność magnetyczna nie jest stała, ale zależy od natężenia pola magnetycznego. Rozróżnia się trzy podstawowe pojęcia przenikalności:

- normalna (styczna)

- różniczkowa (dynamiczna)

- przyrostowa (odwracalna)

W materiałach ferromagnetycznych w zmiennym polu magnetycznym następują straty energii. Dzielimy je na:

- straty na histerezę deltaph=deltaph1*f/50 * (B_mdo potęgi k) gdzie ph1-stratność histerezowa jednostkowa dla B=1T i f=50Hz, k-współczynnik (wynosi około 2)

- straty na prądy wirowe (na ciepło Joule`s) w jednostce objętości blach wyraża wzór: delta pw=delta pw1(ksi_k/1,11 * B_m/1 * f/50 * d/0,351do-3)do2 gdzie pw1 - stratność materiału na prądu wirowe w materiale o masie 1 kg, przy f=50Hz i indukcji maks. 1T, d-grubość blachy, ksi_k- współczynnik kształtu strumienia, B_m-wartość maksymalna indukcji

Suma tych strat energii do jednostki objętości materiału nazywa się stratnością magnetyczną dletapFe

Materiały miękkie

Mają bardzo wąską graniczną pętlę histerezy. Łatwo się magnesują i rozmagnesują pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Straty energii są małe. Są stosowane na rdzenie elektromagnesów prądu stałego oraz maszyn prądu przemiennego (maszyny elektryczne, transformatory, dławiki, elektromagnesy prądu zmiennego)

- czyste odmiany żelaza

- stale krzemowe (elektrotechniczne), gł. zimnowalcowane

- stale bezkrzemowe

- stopy żelazo-niklowe - permaloje

- materiały magnetyczne amorficzne - np. Metglas

Materiały twarde

Mają dużą powierzchnię pętli histerezy, raz namagnesowane do nasycenia na stałe zachowują swoje właściwości magnetyczne, dlatego są stosowane do budowy magnesów trwałych.

- stal węglowa

- stal wolframowa

- stal kobaltowa

- stopy Fe-Al-Ni (Alni) lub Fe-Al-Ni-Co (Alnico)

---