Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Радиоматериалы и радиокомпоненты

Методические указания к выполнению лабораторных работ
Покупка
Новинка
Артикул: 837808.01.99
Доступ онлайн
600 ₽
В корзину
Приведены методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Радиоматериалы и радиокомпоненты». Даны краткие теоретические сведения об исследуемых физических эффектах в диэлектрических, полупроводниковых и проводящих материалах, представлены описания лабораторных стендов и порядок выполнения работ. Сформированы требования к содержанию отчетов и приведены контрольные вопросы. Для студентов 2-го курса МГТУ им. Н. Э. Баумана, обучающихся по специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы».
Радиоматериалы и радиокомпоненты : методические указания / Н. А. Голов, А. Д. Грамаков, С. В. Пресняков, [и др.]. - Москва : Издательство МГТУ им. Баумана, 2015. - 39 с. - ISBN 978-5-7038-4274-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2161591 (дата обращения: 15.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Московский государственный технический университет  

имени Н. Э. Баумана 

 
 
 
 

Радиоматериалы и радиокомпоненты 

 

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ  

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
УДК 621.3.002.396.6 
ББК  31.23я73 
 Р15 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/212/book1312.html 
 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства» 
 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве методических указаний 
 
Авторы: Н. А. Голов, А. Д. Грамаков,  
С. В. Пресняков, И. С. Слепова, В. А. Усачёв 
 
Радиоматериалы и радиокомпоненты : методические указания к выполнению лабораторных работ / [Н. А. Голов и др.]. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 34, [6] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4274-4 

Приведены методические указания к выполнению лабораторных работ 
по дисциплине «Радиоматериалы и радиокомпоненты». Даны краткие теоретические сведения об исследуемых физических эффектах в диэлектрических, полупроводниковых и проводящих материалах, представлены описания лабораторных стендов и порядок выполнения работ. Сформированы 
требования к содержанию отчетов и приведены контрольные вопросы.  
Для студентов 2-го курса МГТУ им. Н. Э. Баумана, обучающихся по 
специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы». 
 
УДК 621.3.002.396.6 
ББК  31.23я73 
 
 
 
 
 

 
 

 
 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4274-4  
 
    МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 

Р15 
Предисловие 

Дисциплина «Радиоматериалы и радиокомпоненты» входит в базо
вую часть профессионального цикла. Продолжительность изучения — 
один семестр. Трудоемкость дисциплины — четыре зачетных единицы: 
лекций — 51 ч, лабораторных работ — 17 ч. 

Цели преподавания дисциплины — формирование у обучающихся зна
ний о физической природе, свойствах, номенклатуре и параметрах материалов, применяемых в радиоэлектронной технике, конструкциях, характеристиках, номенклатуре и особенностях применения радиоэлектронных 
компонентов, формирование навыков обоснованного выбора материалов и 
компонентов при разработке радиоэлектронной аппаратуры (РЭА); формирование навыков измерения параметров материалов и компонентов для применения в РЭА.  

Задачами преподавания дисциплины являются: изучение свойств и 

номенклатуры проводящих, полупроводниковых, диэлектрических, магнитных, оптоэлектронных материалов, а также материалов функциональной электроники; изучение характеристик, конструкций и особенностей 
применения радиоэлектронных компонентов в РЭА. 

Цель выполнения лабораторных работ — ознакомление студентов с 

реальными образцами материалов и компонентов, применяемых для создания радиоэлектронных средств. 

Задачи выполнения лабораторных работ: 
– формирование навыков обоснованного выбора материалов и ком
понентов при разработке РЭА;  

– формирование навыков измерения параметров материалов и ком
понентов для применения в РЭА.  

После выполнения лабораторной работы студенты: 
– будут уметь проводить измерения параметров диэлектрических, 

полупроводниковых и проводящих материалов, а также измерения параметров пассивных компонентов РЭА; 

– изучат особенности применения радиоэлектронных компонентов; 
– овладеют навыками выбора материалов и компонентов и измерения 

их параметров при разработке, макетировании и производстве радиоэлектронных средств. 
 
Работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  
ПРОНИЦАЕМОСТИ И ИЗМЕРЕНИЕ ТАНГЕНСА УГЛА  
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 

Цель работы — экспериментальное исследование диэлектри
ческой проницаемости и измерение тангенса угла диэлектрических 
потерь для твердых диэлектриков различных типов. 

Теоретическая часть 

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков. 

При помещении диэлектрика в электрическое поле происходит его 
поляризация. Явление электрической поляризации вещества заключается в ограниченном смещении связанных зарядов или ориентации дипольных молекул вдоль силовых линий поля. В результате поляризации в направлении электрического поля возрастает 
электрический момент. Степень поляризации вещества характеризуется вектором поляризации 

 
эл
0
lim
,

i
i

V

p
P
E
V
Δ →
=
= χ
Δ
∑
  
(1.1) 

который имеет смысл удельного электрического момента вещества. Вектор поляризации пропорционален напряженности приложенного поля 
.
E   Электрическая восприимчивость 
эл
χ
 вещества 

определяет степень этой пропорциональности. 

В результате поляризации напряженность электрического поля 

в веществе возрастает. В качестве характеристики результирующего поля применяют электрическую индукцию 

 
0
0
эл
,
D
E
P
E
E
E
= ε
+
= ε
+ χ
= ε
  
(1.2) 

которая складывается из индукции приложенного поля и поляризации вещества. Коэффициент пропорциональности 
0
эл
ε = ε + χ
 
между напряженностью приложенного поля и индукцией называют диэлектрической проницаемостью 
12
0
(
8,8542 10
 Ф/м
−
ε =
⋅
 — 

диэлектрическая постоянная). 

В диэлектриках может возникать поляризация различных ви
дов: быстрая (электронная и ионная) и медленная, или релаксационная (электронно-, ионно-, дипольно-релаксационная, спонтанная, резонансная). Быстрая поляризации происходит практически 
без затрат энергии, а медленная поляризация сопровождается потерями энергии. 

В нейтральных и слабополярных диэлектриках происходит  

в основном быстрая поляризация. Значение относительной диэлектрической проницаемости в этих диэлектриках невелико 

0
(
/
2,5).
rε = ε ε ≤
 Чрезвычайно большое значение 
rε  (до несколь
ких тысяч) имеют сегнетоэлектрики, в которых наблюдается 
спонтанная поляризация. 

Тангенс угла диэлектрических потерь. Основной составля
ющей тока в диэлектриках в переменных электрических полях является ток смещения 

 
см
0
.
D
E
P
E
J
t
t
t
t
∂
∂
∂
∂
=
= ε
+
= ε
∂
∂
∂
∂
 
 (1.3) 

Плотность тока смещения представляет собой изменение элек
трической индукции во времени. Из формулы (1.3) видно, что в 
результате поляризации плотность тока смещения в ε раз больше в 
веществе, чем в вакууме; плотность тока смещения в основном 
носит реактивный характер. Однако на поляризацию диэлектрика 
затрачивается энергия, поэтому появляется активная составляющая тока, связанная с этой поляризацией. Кроме того, в диэлектриках присутствует небольшое число свободных носителей заряда и в поле с напряженностью Е через диэлектрики, согласно 
закону Ома, протекает ток сквозной электропроводимости, или ток 
утечки, который также имеет активный характер. На поддержание 
активных составляющих тока, согласно закону Джоуля—Ленца, 
затрачивается энергия. 

Диэлектрическими потерями в веществе называют мощность, 

рассеиваемую в диэлектрике в результате протекания активных 
составляющих тока поляризации и тока утечки; tgδ является ме
рой оценки диэлектрических потерь (в качестве характеристики 
диэлектрических потерь можно применять мнимую компоненту 

′′
ε  комплексной диэлектрической проницаемости (
,
e
j
′
′′
ε =
− ε  

tg
/
)).
′′
′
δ = ε
ε
 

Параметры ε и tgδ исследуют, помещая диэлектрик между об
кладками конденсатора. Конденсатор с реальным диэлектриком в 
этом случае заменяют идеальным, а потери учитывают дополнительным включением резисторов. 

Полная эквивалентная схема замещения конденсатора с техни
ческим диэлектриком (т. е. диэлектриком с конечным значением 
tgδ), в котором имеются все виды поляризации, показана на 
рис. 1.1. 
 

 

 

Рис. 1.1. Полная эквивалентная схема замещения конденсатора с техническим диэлектриком: 
C0 — емкость конденсатора без диэлектрика; Cэ, Cи — емкости, 
связанные с электронной и ионной поляризациями; Cэ.р, rэ.р, Cи.р, 
rи.р, Cд.р, rд.р — емкости и сопротивления, связанные с электронно-, ионно-, дипольно-релаксационными поляризациями соответственно; Cсп, rсп, Cрез, rрез, — емкости и сопротивления, связанные 
со 
спонтанной 
и 
резонансной 
поляризациями 

соответственно; rск — сопротивление сквозной проводимости 

 
Векторная диаграмма токов и напряжений, действующих в 

данной схеме, приведена на рис. 1.2. 

Видно, что 

 
а.д
ск

э.и
р.д

tg
,
I
I

I
I

+
δ =
+
 
 (1.4) 

где 
э.и
I
 — емкостный ток, вызванный электронной и ионной по
ляризациями; 
а.д,
I
 
р.д
I
 — активная и реактивная составляющие 

тока добавочной релаксационной поляризации; 
ск
I
 — ток сквоз
ной проводимости. 

сп

п
Угол диэлектрических потерь δ 

(см. рис. 1.2) — это угол, дополняющий до 90° угол сдвига между 
напряжением и полным током, действующими в схеме; tgδ определяется отношением активной составляющей тока в техническом диэлектрике 
к реактивной составляющей. Поскольку выражение для tgδ получается сложным и составляющие тока 
для технического диэлектрика, как 
правило, 
неизвестны 
(неизвестно, 

какие конкретно механизмы поляризации действуют в данном диэлектрике), эти составляющие определяют экспериментально. 

Экспериментальная часть 

Определение параметров диэлектриков проводят посредством 

измерения емкости С между электродами и tg .δ  Эти измерения 
могут быть осуществлены с помощью таких приборов, как Q-метр, 
RLС-метр и др. При использовании последнего tgδ измеряют 
непосредственно, а диэлектрическую проницаемость ε рассчитывают по измеренной емкости С по формуле  

 
2
0,14
,
Ch

d
ε =
  
 (1.5) 

где С — емкость, пФ; h — толщина образца диэлектрика, м; d — 
диаметр электродов, м. 

Описание стенда 

Структурная схема лабораторного стенда приведена на рис. 1.3. 
Измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь 

осуществляется с помощью цифрового измерителя емкости Е8-4, 
лицевая панель которого показана на рис. 1.4. К его измерительной 

 

 

Рис. 1.2. Векторная диаграмма токов и напряжений 
Рис. 1.3. Структурная схема 
лабораторного стенда: 
Е8-4 — цифровой измеритель емкости; 1 — электроды измерительного 
прибора; 2 — исследуемый образец 
твердотельного диэлектрика

Рис. 1.4. Лицевая панель цифрового 
измерителя емкости Е8-4 

 
линии подключают электроды 1, между которым устанавливают 
исследуемый образец 2 (см. рис. 1.3). По измеренному значению 
емкости определяют значение диэлектрической проницаемости 
образца по формуле (1.5). 

Порядок выполнения работы 

1. Ознакомиться с цифровым измерителем емкости Е8-4. 
2. Ознакомиться с образцами, предложенными для исследова
ния. Определить, к какому типу диэлектриков относится каждый 
из них. 

3. Измерить толщину h образца и диаметр электродов d (в мет
рах), нанесенных на каждый образец. 

4. Включить измерительный прибор Е8-4 в сеть с помощью пе
реключателя «Сеть вкл.». 

5. Измерить значения емкости и тангенса угла потерь для ис
следуемых образцов. Образец диэлектрика поместить между электродами цифрового измерителя, значения емкости и тангенса угла 
потерь считать с цифрового индикатора. 

6. Результаты измерений, выполненных по пп. 3 и 5, занести в 

табл. 1.1. 

7. Рассчитать значение ε образцов по формуле (1.5) и внести 

полученные данные в табл. 1.1. 

8. Сравнить полученные результаты со справочными значени
ями. При расхождении экспериментальных и справочных значений 
на один-два порядка провести измерения повторно. 
Примечание. Иногда в справочнике не оговаривается часто
та измерения, температура и влажность. Это означает, что измерения проводились на частоте f = 1 МГц, при температуре t = 
= 20 ± 5 °С и относительной влажности 60…70 %. 

 

Таблица 1.1 

Исходные данные 
Измеренные величины 
ε 

Материал 

Толщина 
h, м 

Диаметр 
d, м 

С, 
пФ 

tg δ  

Вычисленное 

Справочное 
Измеренное 

Справоч
ное 

 
 
 
 
 
 
 
 

Требования к отчету 

Отчет о лабораторной работе должен содержать: 
– цель и задачи лабораторной работы; 
– упрощенную схему лабораторного макета; 
– результаты измерений и расчетные данные в форме табл. 1.1; 
– выводы. 

Контрольные вопросы 

1. Дайте определения параметров 
эл
см
,
,
,
, , tg .
P
D J
χ
ε
δ  

2. Что такое диэлектрические потери? 
3. Какие виды поляризации присущи техническому диэлектрику? 
4. Объясните эквивалентную схему замещения обобщенного 

диэлектрика и векторную диаграмму токов и напряжений, действующих в схеме. 

5. Какова частотная зависимость ε и tgδ для обобщенного ди
электрика? 

6. Какие значения ε имеют современные диэлектрики? 
7. Какие значения tgδ имеют современные диэлектрики? 
8. Какие требования предъявляются к твердотельным диэлек
трикам в зависимости от назначения? 
 
 
Работа № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНЫХ  
ПОВЕРХНОСТНОГО И ОБЪЕМНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ 
ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 

Цель работы — исследование зависимости удельных поверх
ностного и объемного сопротивлений от типа диэлектрика. 

Теоретическая часть 

Электропроводность диэлектриков. Все твердые диэлектри
ки обладают электропроводностью, которая обусловлена ионной и 
электронной проводимостью материала, причем в нормальных 
условиях определяющей является ионная проводимость, так как 
электронная настолько мала, что ею можно пренебречь. 

Электропроводность диэлектрика измеряют, помещая его меж
ду обкладками конденсатора (эквивалентная схема измерения 
представлена на рис. 2.1). При подключении постоянного напряжения к образцу диэлектрика ток, протекающий через него, сильно 
зависит от времени (рис. 2.2). 
 

 

 
Рис. 2.1. Эквивалентная схема 
измерения электропроводности 
диэлектрика 

Рис. 2.2. Зависимость i(t) между 
обкладками конденсатора 
 
Доступ онлайн
600 ₽
В корзину