Zestaw 1

1. Opisać właściwości ferromagnetyków.

Ferromagnetyki to materiały charakteryzujące się wysoką podatnośćią magnetyczną. Własnościami ferromagnetyków jest wytwarzanie własnego pola magnetycznego. Co więcej atomy te mają tendencję do ustawiania się w ten sposób, aby ich pole magnetyczne miało ten sam kierunek, co pole magnetyczne atomów sąsiednich. W rezultacie tworzą się duże obszary (w porównaniu z rozmiarami pojedynczego atomu), w których pole magnetyczne ma stały kierunek. Te obszary nazywamy domenami magnetycznymi. Ferromagnetyk może jednak posiadać domeny w róznych kierunkach co oznacza, że nie będzie zachowywał się jak magnes, jednak gdy wprowadzimy go w zewnętrzne pole magnetyczne wówczas domeny zaczynają ustawiać się zgodnie z tym zewnętrznym polem magnetycznym co prowadzi do tego, że ferromagnetyk staje się magnesem. Istotny wpływ na własności ferromagnetyczne ma temperatura. Dla każdego ferromagnetyka określona jest temperatura, tzw.punkt Curie, po przekroczeniu którego własności ferromagnetyczne zanikają, a materiał staje się paramagnetykiem. Warunkami wystąpienia ferromagnetyzmu jest istnienie niezapełnionych powłok elektronowych a także tzw. sił wymiany (skłonności do uporządkowania orientacji spinów) o odpowiedniej wielkości.

2. Omówić materiały izolacyjne stosowane w elektroenergetyce.

Sześciofluorek siarki SF₆ (elegaz) - nietoksyczny, trwały do temp. 500°C, nie wywołuje korozji, gęstość 5x większa od powietrza, 3x lepsze własności izolacyjne od powietrza, niepalny, dobrze gasi łuk elektryczny, wymaga hermetyzacji kadzi. Stosowany w nowszych transformatorach, wyłącznikach i rozdzielniach.

Oleje mineralne - głównie stosowane do gaszenia łuków elektrycznych, do izolacji w transformatorach (także konserwacji), jako chłodziwo.

Wyroby ceramiczne - głownie ze względu na dużą odporność na warunki atmosferyczne, temperaturę, wytrzymałość mechaniczną, niska cena (porcelana elektrotechniczna, kamionka) używane np. w izolatorach.

Kalafonia - żywica pochodzenia roślinnego, używana do zagęszczania olejów mineralnych, nasycania papieru izolacyjnego.

Papiery elektroizolacyjne - jedynie dobrze wysuszony i nasycony odpowiednim syciwem. Używany do izolacji w kablach (stosunkowo gruby, wytrzymały mechanicznie), kondensatorach (bardzo cienki i wysokiej jakości), transformatorach.

Guma - materiał dość tani, używany do izolacji elementów pod niskim napięciem lub odzieży/narzędzi ochronnej.

Polietylen (XLPE) - stosowany głównie do izolacji przy napięciach do 30 kV. Odporny na działanie temperatury, kwasów, zasad, olejów.

Polichlorek winylu PCW - jeden z najbardziej rozpowszechnionych tworzyw sztucznych, zastępuje gumę, może być barwiony na dowolne kolory, jedna z najczęściej stosowanych izolacji.

3. Omówić sposoby domieszkowania półprzewodników.

Domieszkuje się zazwyczaj fosforem lub borem w fazie ciekłej wytwarzania. Obecnie stosuje się metodę nowocześniejszą tzw. transmutację. Polega na napromieniowaniu wałka monokryształu krzemu strumieniem neutronów w rdzeniu reaktora jądrowego. Ta skomplikowana metoda pozwala na uzyskanie półprzewodników na prądy rzędu 3kA. Podczas tego procesu mogą powstawać ubytki sieci krystalicznej, które eliminuje się wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Następnie elementy są cięte piłami diamentowymi na płytki o grubości ok. 0,1 mm. Istnieją trzy metody domieszkowania półprzewodników. Są to: epitaksja - jest to wytwarzanie cienkiej warstwy półprzewodnika monokrystalicznego na podłożu monokrystalicznym z zachowaniem budowy krystalicznej podłoża. Służy do wytwarzania tzw. waflów zbudowanych z czystych półprzewodników ważnych z punktu widzenia technologii i elektroniki. Epitaksja cechuje się przede wszystkim łatwością w kontrolowaniu grubości warstw, poziomu i profilu domieszkowania. Dodatkowo umożliwia tworzenie warstw zagrzebanych i warstw słabo domieszkowanych na silnie domieszkowanym podłożu. Dyfuzja - domieszkowanie przez dyfuzję jest zwykle przeprowadzane poprzez umieszczenie wafli krzemowych w wysokotemperaturowych (600-1200°C) kwarcowych tubach i przepuszczenie nad nimi mieszaniny gazów zawierającą potrzebną domieszkę. Dyfuzja jest rozumiana jako ruch atomów domieszek w krystalicznej sieci w ubytkach lub poza węzłami sieci. Implantacja jonów - jest procesem wprowadzania (wbijania) rozpędzonych w polu elektrycznym jonów domieszki. Podstawową zaletą procesu implantacji jonów jest duża dokładność uzyskiwanej koncentracji i niska temperatura procesu, negatywną natomiast jest niszczenie sieci krystalicznej półprzewodnika.

4. Obliczania - wytrzymałość na przebicia.

5. Obliczanie prądu w kablu o danej długości, przekroju, temperaturze, i rezystywności.

Zestaw 2

1. Co ma wpływ na konduktywność?

Wraz ze wzrostem temperatury maleje konduktywność (przewodność), opisuje to temperaturowy współczynnik rezystywności/konduktywności. Im mniejszy współczynnik rezystywności, tym lepsza konduktywność. Najlepsza przewodność występuje w metalach czystych (bez domieszek). Każda domieszka wywołuje większy opór wobec przepływającego prądu. Wpływ na konduktywność ma przede wszystkim długość i przekrój poprzeczny materiału, którego konduktywność dotyczy, dlatego iż ma to związek z nośnikami elektronów poruszających się po średniej swobodnej drodze przewodnika lub dielektryka. Wpływ na konduktywność ma także temperatura, która wraz ze wzrostem konduktywność maleje, gdyż prędkość ładunków swobodnych w materiale staje się większa.

2. Wpływ domieszek donorowych i akceptorowych w warystorach

Domieszki są tak naprawdę defektami punktowymi (a dokładnie rzecz biorąc taki defekt nosi miano domieszki podstawieniowej tj. obcy atom zajmuje w sieci krystalicznej miejsce atomu kryształu macierzystego), czyli zaburzeniami sieci w obrębie jednego atomu. Półprzewodnik zawierający domieszki podstawieniowe nazywamy półprzewodnikiem domieszkowym. W większości przypadków idealny kryształ półprzewodnikowy (bez defektów) nie nadaje się do żadnych zastosowań w elektronice klasycznej. Domieszki podstawieniowe możemy podzielić na trzy grupy: donorowe (D) - atom o większej liczbie elektronów walencyjnych, zastępuje atom sieci macierzystej; akceptorowe (A): atom o mniejszej liczbie elektronów walencyjnych zastępuje atom sieci macierzystej; domieszka izowalencyjna (I): atom innego pierwiastka o tej samej walencyjności zastępuje atom sieci macierzystej. Domieszkowanie akceptorowe i donorowe zmniejsza pasmo zabronione w materiałach, co powoduje szerszy zakres przewodzenia (niższy próg dla którego w warystorze dojdzie do przepływu prądu). Domieszki donorowe i akceptorowe w warystorach mają szczególnie istotny wpływ na własności elektryczne materiałów pozwalające na otrzymanie dodatnich lub ujemnych nośników ładunku o zadanej koncentracji Wprowadzanie domieszek odbywa się za pomocą trzech metod: epitaksji, dyfuzji lub implantacji jonów.

3. Ferromagnetyki - właściwości

Jak w Zestawie 1 pod. 1.

4. Znaleźć napięcie na warystorze przy prądzie 20A

Dane: 200V-.....μA, 800V-.....μA,

5. Obliczanie rezystywności skrośnej.

Zestaw 3

1. Właściwości i zastosowanie gazów jako izolatorów

Sześciofluorek siarki SF₆ (elegaz) - nietoksyczny, trwały do temp. 500°C, nie wywołuje korozji, gęstość 5x większa od powietrza, 3x lepsze własności izolacyjne od powietrza, niepalny, dobrze gasi łuk elektryczny, wymaga hermetyzacji kadzi. Stosowany w nowszych transformatorach, wyłącznikach i rozdzielniach.

Powietrze - w warunkach normalnej rezystywność skrośna ok. 10¹⁸Ω. Z uwagi na obecność pary wodnej i zanieczyszczeń, powoduje korozję. Powietrze jako izolację stosuje się głownie w sieciach energetycznych (przewody przesyłowe rozpięte na słupach z reguły nie posiadają zewnętrznej izolacji).

Azot - gaz niepalny, nietoksyczny, pod wysokim ciśnieniem (kilkanaście atm.) ma dużo większą wytrzymałość elektryczną. Służy do wypełniania kondensatorów, w niektórych przewodach jako chłodziwo.

2. Właściwości magnetyków miękkich

Materiały magnetyczne miękkie mają bardzo wąską pętlę histerezy, co pozwala na wielokrotne na- i roz- magnesowywanie materiałów bez większych strat. Stosuje się je w obwodach magnetycznych, jako rdzenie elektromagnesów, maszynach elektrycznych, transformatorach. Duża przenikalność magnetyczna, pozwalająca uzyskać duże wartości indukcji magnetycznej przy użyciu małego prądu magnesowania. Mała stratność, pozwalająca na wysokosprawne przetwarzanie energii. Duża indukcja nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechanicznej (proporcjonalnej do kwadratu indukcji). Duża rezystywność w celu zmniejszenia strat mocy powodowanych prądami wirowymi. Magnetyki miękkie mogą być wykonywane w postaci cienkich warstw, włókien, drutów, taśm, blach, odlewów, wyprasek itp. Przykłady: czyste żelazo, stal krzemowa, stopy Fe-Ni, metglas.

3. Przyczyny strat energii w izolatorach z ciał stałych

Na straty energetyczne składają się wszelkie defekty struktury materiału (domieszki, zanieczyszczenia, ubytki sieci krystalicznej). Jednym z parametrów opisujących straty jest współczynnik strat dielektrycznych tgδ. Wyrażony jest stosunkiem składowej prądu rzeczywistej do urojonej. Sam kąt δ jest dopełnieniem do 90° kąta przesunięcia fazowego. Głównymi przyczynami są: straty upływowe (konduktywność) - w zależności od rezystywności danego materiału. Charakterystyczny jest tu prądu upływu (i_p). Polaryzacja - polega na uporządkowaniu dipoli magnetycznych. W jej wyniku występuje tzw. prąd absorpcji (i_a), będący jednym ze składowych elementów strat. Przyczyną strat energii może być również zmniejszenie oporu izolatora na skutek dostania się wilgoci do maszyn elektrycznych lub także poprzez mechaniczne uszkodzenie układu izolacyjnego.

4. Obliczanie. Mamy 3 prądy na warystorze i 2 napięcia. Znaleźć 3 napięcie.

5. Znaleźć rezystywność i porównać z rezystywnością miedzi.

Dane: S=1mm² , L=10m, P=1kW, I=5A.

Zestaw 4

1. Wpływ temperatury na konduktywność materiałów półprzewodzących

Podobnie jak w przypadku metali, wzrost temp. (większe drgania sieci krystalicznej) zmniejsza ruchliwość elektronów. W półprzewodnikach koncentracja elektronów nie jest stała, zależy silnie od temperatury (ze wzrostem T silnie rośnie koncentracja), co w rezultacie powoduje wzrost przewodności wraz ze wzrostem T - w półprzewodnikach samoistnych. W przypadku półprzewodników niesamoistnych (z domieszkami), charakterystyka jest skokowa - przy niższych temperaturach jest zależna od koncentracji elektronów). W trzecim etapie, znowu rośnie (z uwagi na przewodnictwo elektronowe, możliwe w wysokiej temp.). Wysoki wpływ temperatury na konduktywność możemy zauważyć w materiałach półprzewodzących zwanych termistorami. Wpływ ten jest uzależniony od wartości współczynnika temperaturowego. Jeżeli współczynnik jest większy od zera tym rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury skutkiem czego zmniejsza się przewodność warystora. Sytuacja jest odwrotna gdy współczynnik temperaturowy termistora jest ujemny.

2. Układ do pomiaru pętli histerezy materiałów magnetycznych metodą oscyloskopową

3. Podstawowe własności przewodników i izolatorów

Przewodniki - ρ₂₀ ≤ 10^-6 [Ωm]. Charakteryzuje się małą rezystywnością, dużą konduktywnością (w porównaniu do innych materiałów). Atomy metali w sieci krystalicznej pozbawione są elektronów walencyjnych, tworzących gaz elektronowy, umożliwiający przewodzenie. Są bardziej stabilne i odporne od półprzewodników.

Izolatory - ρ₂₀ ≥ 10¹⁰ [Ωm]. Charakteryzują się dużą rezystywnością, małą konduktywnością (w porównaniu do innych materiałów). Podstawową własnością jest brak elektronów swobodnych, umożliwiających przewodzenie (przy braku zewnętrznych bodźców jonizujących). Pole elektryczne nie powoduje rozerwania silnie związanych ze sobą ładunków (jedynie sprężyste przesunięcia).

4. Obliczyć współczynnik β i C

5. Obliczyć natężenie prądu....

Zestaw 5

1. Przyczyny powstawania strat energii w ferromagnetykach

Starty na histerezą - największe w magnetykach twardych, gdzie pętla histerezy jest szeroka. Wzór:
, spowodowane wielokrotnym namagnesowaniem materiału. B_m - wartość maksymalna indukcji, k - współczynnik (k<2 dla małych B_m, k=1,6 dla B_m = 1T, k>2 dla B_m >2T). Przykłady: blacha walcowana na gorąco (0% Si) - 1,6 W/kg, na gorąco (4% Si) - 0,7-0,8 W/kg, anizotropowa - (2,5% Si) - <0,3 W/kg.

Straty na prądy wirowe - straty na ciepło Joule'a wywołane przepływem prądu zmiennego przez cewkę z rdzeniem, spowodowane obecnością prądów wirowych.
, gdzie m_v-masa właściwa blachy, m_v - masa właściwa blachy, d - grubość blachy, σ_w - współczynnik kształtu, 1. Straty na prądy wirowe ogranicza się poprzez zmniejszenie grubości blach oraz zwiększenie rezystywności elektrycznej materiału. Całkowite straty w blachach ferromagnetycznych są sumą strat histerezowych i strat na prądy wirowe. Sposobem na obniżenie strat energii w ferromagnetykach może być dodanie krzemu do blach przez co: zwiększa się rezystywność materiału co powoduje zmniejszenie się strat spowodowanych prądami wirowymi; zmniejsza się wartość natężenia powściągającego Hc co powoduje zwężenie się pętli histerezy co czyni mniejsze straty energii na histerezę. Innym sposobem jest stosowanie walcowania blach materiałowych na zimno. Charakteryzują się właśnie mniejszą stratnością niż te walcowane na gorąco. Kolejnym sposobem jest stosowanie materiałów amorficznych czyli takich, w których atomy na wskutek szybkiego schładzania nie zdążyły uporządkować się i wytworzyć kryształów. Straty na prądy wirowe ogranicza się jak najmniejszą grubością rdzenia ferromagnetycznego. Należy również unikać wielokrotnego namagnesowywania i rozmagnesowywania, szczególnie w przypadku materiałów o szerszej pętli histerezy (mat. grube). By ograniczyć straty można również zwiększyć rezystywność elektryczną materiału.

2. Czynniki wpływające na wytrzymałość elektryczną materiałów izolacyjnych

Kształt elektrod (największa dla płaskich, dużych elektrod), stan zawilgocenia izolacji, temperatura, ciśnienie, grubość warstwy izolacyjnej (uwarstwienie i jednorodność) i jej stan techniczny (wcześniejsze nasycanie, suszenie), rodzaj napięcia (największa dla U udarowego, najniższa dla stałego - wiąże się to z czasem działania), szybkość podnoszenia napięcia i czas jego przyłożenia. E_p=U_p/d (wytrzymałość elektryczna - napięcie przebicia / grubość dielektryka). Istotny jest również czas pracy, z biegiem lat wytrzymałość maleje (zwłaszcza w wyższych temperaturach czy też niekorzystnych warunkach środowiska).

3. Metody domieszkowania materiałów półprzewodzących

Jak w Zestawie 1 pod. 3.

4. Rezystancja termistora w temp. 16°C wynosi 807Ω, w temp. 73,8°C wynosi 64,9Ω. Jaka jest temp. Mierzona jeżeli rezystancja termistora wynosi 35Ω?

5. Oblicz współczynnik nieliniowości β i stałą C warystora z tlenków metali, jeśli przy napięciu 200V przez warystor płynie prąd 0,5*10^-6 przy napięciu 400V prąd 3,1 mA.

Zestaw 6

1. Miedź a aluminium

Miedź - jeden z częstszych materiałów przewodzących. W stanie czystym duża plastyczność, duża przewodność cieplna i elektryczna. Na przewody stosuje się miedź czystości 99,9%. Każda domieszka znacznie obniża konduktywność. Miedź ma konduktywność ok. 58MS/m, gęstość 8,9 g/cm³. Miedź silnie koroduje pod wpływem kontaktu z gumą (dlatego żyły powleka się warstwą cyny przed kontaktem z izolacja gumową). Zielona warstwa patyny skutecznie ogranicza degradację miedzi. Materiał łatwy do gięcia, spawania, lutowania, odpowrny na ścieranie. Jest droga (droższa od aluminium). Stosuje się ja w przewodach giętkich, stałych instalacjach, kolejnictwie, transformatorach, uzwojeniach silników. Stosuje się stopy z cynkiem (mosiądz - słabsza konduktywność ale niższa cena, lepsza wytrzymałość na rozciąganie). Brąz - lepsza odporność na ścieranie, twardość.

Aluminium - mała gęstość 2,7 g/cm³. Duża przewodność, odporność na korozję, niewielka cena (w porównaniu do miedzi). Konduktywność ok. 38MS/m. Domieszki nie psują aluminium tak bardzo jak w miedzi. Stosuje się głównie na liniach napowietrznych oraz wszędzie tam, gdzie miedź okazuje się zbyt droga. Folie w kondensatorach.

2. Przenikalność magnetyczna normalna i różniczkowa

Normalna - zwana statyczną, odnosi się do pierwotnej krzywej magnesowania. Dla określonego punktu pracy P na krzywej wartość przenikalności określona zależnością μ=B/H=tgα i jest równa tangensowi kąta nachylenia prostej poprowadzonej przez początek układu współrzędnych. Zmienia się ze wzrostem natężenia pola magnetycznego od wartości początkowej do pewnej wartości maksymalnej. Przy dużych natężeniach pola, wartość zmniejsza się.

Różniczkowa - zwana dynamiczną. jest definiowana zależnością μ_d=dB/dH=tgβ i jest równa tangensowi kąta nachylenia stycznej (czyli pochodna funkcji B=f(H)) do krzywej magnesowania w punkcie pracy P. Ze wzrostem H zmienia się jej wartość od wartości początkowej do maksymalnej. Przy dalszym zwiększaniu H wartość przenikalności maleje.

Wartości początkowe przenikalności są sobie równe. Dla bardzo dużej wartości H wartości te są zbliżone do wartości przenikalności magnetycznej próżni.

3. Podział na materiały przewodzące

Przewodowe - kable, przewody, szyny przewodzące (wysoka konduktywność, wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie, wysoka przewodność cieplna i temperatura pracy, łatwa lutowalność i spawalność, odporność na korozję, niski koszt).

Oporowe - mat. na rezystory pomiarowe (niewielki współczynnik temperaturowy rezystancji, stabilność własności elektrycznych, niezmienność rezystancji w czasie). Mat. na rezystory regulacyjne (zazwyczaj z konstantanu, duża rezystywność, właściwości j.w.). Mat. na rezystory grzejne (odporność na działanie temperatury, duża rezystywność, wysoka T topnienia) wykorzystuje się nichromy, ferrochromy.

Stykowe - Rozłączne (odporność na opalanie, wysoką temperaturę, na erozję mechaniczną, odporność na łuk elektryczny). Ślizgowe (odporność na ścieranie).

Specjalne - Ołów (głównie szczelne powłoki kabli). Cynk (ochrona przed korozją). Cyna (pokrycie miedzi, jako lut i składnik stopów). Wolfram (żarówki, lampy elektronowe, styki elektryczne). Węgiel (surowiec do wytwarzania tworzyw sztucznych).

4. Stratność blachy krzemowej anizotropowej o grubości 0,3mm w polu magnetycznym o indukcji 1T i częstotliwości 50Hz wynosi 0,84W/kg. Obliczyć całkowite straty energii w rdzeniu o masie 67kg przy indukcji 1,6T i częstotliwości 50Hz.

5. Obliczyć napięcie na warystorze przy przepływie prądu 18A, gdy przy prądzie 48μA wynosi ono 300V, a przy 4,29mA-880V.

Zestaw 7

1. Zależność rezystywności przewodników i dielektryków od temperatury. Omówić różnice w oparciu o mechanizm przewodnictwa tych materiałów.

Ze wzrostem temp. wzrasta amplituda drgań atomów w sieci krystalicznej, co wpływa na obniżenie ruchliwości elektronów a w konsekwencji - rosnąca rezystywność. Opisuje to temperaturowy współczynnik rezystywności. Dla α>0 rezystywność rośnie ze wzrostem temp. W temp. bardzo niskich i wysokich obserwuje się skokowe zmiany rezystywności (przy niskich - nadprzewodnictwo). W przypadku dielektryków, straty mocy powodują wzrost temperatury, która w skrajnych przypadkach może doprowadzić do przebicia. Jeśli materiał izolacyjny pracuje w wysokiej temperaturze, z czasem ulega degradacji (starzenie cieplne). Teorię przewodnictwa elektrycznego metali opracowano na podstawie mechaniki kwantowej. Zgodnie z tą teorią posługujemy się funkcją rozkładu Fermiego-Diraca. Zgodnie z teorią przewodnictwa prąd płynący jest postrzegany jako rozchodzie się fali elektronowych deBroglie'a, które zostają rozproszone na wskutek drgań cieplnych. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się ilość drgań cieplnych co zmniejsza średnią drogę swobodną elektronu.

2. Czynniki wpływające na wytrzymałość elektryczną materiałów ciekłych i gazowych.

Każde zanieczyszczenie powoduje mniejszą wytrzymałość elektryczną. Obecność wody pod różną postacią również działa negatywnie. Wzrost temperatury powoduje wzrost współczynnika strat dielektrycznych. Znaczenie ma skład chemiczny, ciśnienie, odległość miedzy elektrodami. Ogólnie wytrzymałość materiałów ciekłych (tutaj olejów izolacyjnych) zależy od: zawartości wody i innych zanieczyszczeń; rodzaju napięcia i jego biegunowości oraz czasu działania; ciśnienia i temperatury; objętość próbki; układu elektrod; szybkości podnoszenia napięcia.

Jeżeli chodzi o wytrzymałość materiałów gazowych to zależy ona od: składu chemicznego gazu; ciśnienia i temperatury; odległości między elektrodami; rodzaju i biegunowości napięcia; szybkości podnoszenia napięcia; kształtu elektrod. Zależność natężenia przeskoku w powietrzu od odstępu elektrod (w cm), w normalnych warunkach atmosferycznych, przy napięciu przemiennym 50 kH wyraża wzór empiryczny:
. Średnia wytrzymałość powietrza wynosi 30 kV/cm.

3. Omówienie własności materiałów magnetycznie miękkich i twardych.

Materiały magnetyczne miękkie mają bardzo wąską pętlę histerezy, co pozwala na wielokrotne na- i roz- magnesowywanie materiałów bez większych strat. Stosuje się je w obwodach magnetycznych, jako rdzenie elektromagnesów, maszynach elektrycznych, transformatorach. Duża przenikalność magnetyczna, pozwalająca uzyskać duże wartości indukcji magnetycznej przy użyciu małego prądu magnesowania. Mała stratność, pozwalająca na wysokosprawne przetwarzanie energii. Duża indukcja nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechanicznej (proporcjonalnej do kwadratu indukcji). Duża rezystywność w celu zmniejszenia strat mocy powodowanych prądami wirowymi. Magnetyki miękkie mogą być wykonywane w postaci cienkich warstw, włókien, drutów, taśm, blach, odlewów, wyprasek itp. Przykłady: czyste żelazo, stal krzemowa, stopy Fe-Ni, metglas.

Materiały magnetyczne twarde - charakteryzują się szeroka pętlą histerezy, czyli namagnesowywanie i rozmagnesowywanie jest w ich przypadku trudne, są stosowane jako magnesy trwałe (szczególnie większych rozmiarów). Duża wartość remanencji (indukcji szczątkowej), pozwalająca uzyskać siły mechanicznej. Duże natężenie koercji, pozwalające na uzyskanie jak największej energii magnetycznej. Odporność na korozję. Najstarszym i jedynym z najtańszych tego typu materiałów jest stal węglowa (zaw. ok. 1% C). Lepsza trwałość zapewnia stal wolframowa (kilka % wolframu). Stosuje się je w licznikach indukcyjnych, jest stosunkowo droga. Stosuje się również stopy typu Fe-Al.-Ni oraz Fe-Al.-Ni-Co. Są twarde i kruche ale stabilne magnetycznie, nawet w wysokich temperaturach.

4. W temp. T1 mamy dane R1 termistora, dla T2 mamy dane R2, mając R3 oblicz T3.

5. Indukcja magnetyczna - był podany prąd przepływający przez próbkę, której grubość była podana, napięcie Halla, stała Halla, i trzeba było wyznaczyć wartość wektora B.

Zestaw 8

1. Wymień sposoby zmniejszania strat energii w materiałach ferromagnetycznych.

Jak w Zestawie 5 pod. 1.

2. Wymień podstawowe właściwości materiałów przewodzących oraz izolatorów

Jak w Zestawie 4 pod. 3.

3. Narysuj shcemat do badania rezystywności powierzchniowej

4. T1=16°C, R=3,8kΩ, T2=65°C, R=650Ω. Wyznacz temperaturowy współczynnik rezystancji dla termistora.

5. U=100V, S=50cm², d=10mm. Wyznacz ilość energii zgromadzonej w kondensatorze dla a) izolacja powietrzna; b) powinit ε_r=4,5.

Zestaw 9

1. Wymień czynniki mające wpływ na wytrzymałość elektryczną materiałów stałych

Jak w Zestawie 5 pod. 2.

2. Porównaj właściwości materiałów przewodzących i półprzewodzących

Przewodniki - ρ₂₀ ≤ 10^-6 [Ωm]. Charakteryzuje się małą rezystywnością, dużą konduktywnością (w porównaniu do innych materiałów). Atomy metali w sieci krystalicznej pozbawione są elektronów walencyjnych, tworzących gaz elektronowy, umożliwiający przewodzenie. Są bardziej stabilne i odporne od półprzewodników.

Półprzewodniki - 10^-4 ≤ ρ₂₀ ≤ 10⁶[Ωm]. Silna zależność konduktywności od czystości danego materiału oraz czynników zewnętrznych - temperatury, pola elektrycznego i promieniowania. Ogólnie półprzewodniki nie są ani dobrymi przewodnikami ani izolatorami. Ich własności wykorzystuje się, ponieważ stanowią dobry materiał „decyzyjny” albo przewodzą albo nie, co odpowiada reprezentacji 0 lub 1 w informatyce.

3. Polaryzacja - mechanika procesu i skutki

Polaryzacja polega na uporządkowywaniu się ładunków ujemnych z dodatnimi. Zjawisko to ma miejsce w dielektrykach, pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Efektem polaryzacji jest tworzenie się dipoli. Skutkiem polaryzacji jest występowanie strat dielektrycznych: w prądzie stałym podczas włączania i wyłączania zasilania w prądzie zmiennym przez cały okres trwania zasilania jednak straty są zależne od częstotliwości. Wyróżnia się kilka typów polaryzacji:

Elektronowa - we wszystkich dielektrykach, polega na przesunięciu powłok elektronowych (zewnętrznych) w stronę dodatniego jądra atomu. Przebiega bardzo szybko, w czasie rzędu 10^-13s.

Jonowa - występuje tylko w materiałach, których cząsteczki zbudowane są z jonów. Ustępuje po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego (podobnie jak elektronowa). Polega na sprężystym rozsuwaniu się przeciwnych jonów. Czas relaksacji wynosi ok. 10^-13s.

Dipolowa - występuje w dielektrykach ciekłych i gazowych z cząsteczkami o charakterze trwałych dipoli elektrycznych. Bez pola elektrycznego cząsteczki poruszają się chaotycznie, pod jego wpływem, dipole dążą do uporządkowania wzdłuż linii sił pola.

Makroskopowa - gdy w dielektryku znajduje się niewiele ładunków swobodnych. Wędrują one w materiale pod wpływem pola elektrycznego, osadzając się na niedoskonałościach sieci krystalicznej. Czas relaksacji wynosi kilka minut.

4. Zadanie z transformatorem (długie, skomplikowane?)

5. Mając dane U1, I1 oraz U2m I2 obliczyć współczynniki C i β dla warystora

Zestaw 10

1. Opisać parametry ferromagnetyków na podstawie pętli histerezy

Kształt i wielkość pętli histerezy może się zmieniać w szerokich granicach, w zależności od składu i właściwości materiałów magnetycznych. Pętle histerezy charakteryzują wielkości: pozostałość magnetyczna B_r, natężenie pola koercji H_c, indukcja nasycenia B_n. Pętla histerezy przedstawia krzywą magnesowania się materiałów i charakteryzuje w ten sposób ferromagnetyki. Materiały o bardzo małej pętli histerezy to znaczy takiej, które pole powierzchni jest stosunkowo małe w polu nasycenia nazywamy ferromagnetykami miękkimi. Materiały magnetyczne miękkie mają bardzo wąską pętlę histerezy, co pozwala na wielokrotne na- i roz- magnesowywanie materiałów bez większych strat. Stosuje się je w obwodach magnetycznych, jako rdzenie elektromagnesów, maszynach elektrycznych, transformatorach. Duża przenikalność magnetyczna, pozwalająca uzyskać duże wartości indukcji magnetycznej przy użyciu małego prądu magnesowania. Mała stratność, pozwalająca na wysokosprawne przetwarzanie energii. Duża indukcja nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechanicznej (proporcjonalnej do kwadratu indukcji). Duża rezystywność w celu zmniejszenia strat mocy powodowanych prądami wirowymi. Przykłady: czyste żelazo, stal krzemowa, stopy Fe-Ni, metglas. Jeżeli pętla histerezy jest stosunkowo duża, mamy wówczas do czynienia z ferromagnetykami twardymi. Materiały magnetyczne twarde charakteryzują się szeroka pętlą histerezy, czyli namagnesowywanie i rozmagnesowywanie jest w ich przypadku trudne, są stosowane jako magnesy trwałe (szczególnie większych rozmiarów). Duża wartość remanencji (indukcji szczątkowej), pozwalająca uzyskać siły mechanicznej. Duże natężenie koercji, pozwalające na uzyskanie jak największej energii magnetycznej. Odporność na korozję. Najstarszym i jedynym z najtańszych tego typu materiałów jest stal węglowa (zaw. ok. 1% C). Lepsza trwałość zapewnia stal wolframowa (kilka % wolframu). Stosuje się je w licznikach indukcyjnych, jest stosunkowo droga. Są twarde i kruche ale stabilne magnetycznie, nawet w wysokich temperaturach.

2. wpływ temperatury na rezystywność dielektryków i przewodników. Omówić różnicę na podstawie teorii przewodnictwa.

Jak w Zestawie 7 pod. 1.

3. Właściwości warystorów

Jest to rezystor, o nieliniowej charakterystyce rezystancji, zależnej od napięcia elektrycznego. Dla małych napięć wykazuje on dużą rezystancję, gdy przekroczy ono pewną wartość, charakterystyczną dla danego typu warystora, jego rezystancja szybko maleje, z początkowych setek kiloomów do zaledwie kilkunastu omów. Właściwości elektryczne warystorów wynikają wprost z charakterystycznej budowy jego struktury spiekanych tlenków metali. Warystory mają strukturę ziarnistą (ziarna są półprzewodzące, przestrzenie między nimi dielektryczne). Przy niskim napięciu prąd płynie jedynie przez obszary bezpośredniego styku ziaren i charakterystyka napięciowo-prądowa jest wówczas prawie liniowa. Ze wzrostem natężenia pola, na skutek autoemisji elektronów z ziaren, zwiększa się efektywna powierzchnia styków, wzrasta zatem konduktywność materiału tak, że przyrosty wartości prądu są większe niż napięcia. Warystory stosowane są jako elementy zabezpieczenia odbiorników przed zbyt wysokim napięciem. Gdy napięcie przekroczy zadaną wartość, płynie przez niego duży prąd powodujący przejęcie energii impulsu a nawet przepalenie lub rozłączenie bezpiecznika, co jest równoznaczne z wyłączeniem urządzenia. Do opisu warystorów stosuje się zależności: U = CI^β , gdzie C jest stałą danego warystora, β współczynnikiem nieliniowości (dla β = 1 char. liniowy, dla β = 0 równoległa do osi OX) β = (dU / dI)*(I/U). Warystory buduje się głównie jako spieki ZnO z innymi metalami (m.in. tlenek bizmutu).

4. Obliczyć rezystywność dielektryka. Dane było przyłożone napięcie, prąd i wymiary próbki

5. Obliczyć napięcie Halla. Dane było indukcja magnetyczna, prąd, grubość materiału i współczynnik Halla.

---