Протокол от лабораторно упражнение № 2 по материалознание – „Изследване на диелектрични материали“, с таблица с резултати и изводи

1. Задание: 1.1. Да се измери изменението на капацитета - Cx и tg при изменението на температурата на средата. 1.2. Да се изчисли относителната диелектрична проницаемост r на образците за всяка температура, като получените резултати се представят графично. 1.3. Да се определят температурните коефициенти Tkt и Ткtg на всеки образец за две температури от изследвания интервал. 1.4. Да се пресметне за всеки образец коефициентът “к”, отразяващ геометричните размери на образеца. 2. Теоретически данни и методи за изследване: Най-важните параметри характеризиращи един диелектрик са: относителна диелектрична проницаемост, показваща колко пъти намалява проницаемостта на електричното поле в съответния диелектрик в сравнение с вакуума и тангенса от ъгъла на диелектричните загуби, който е дефиниран само при променливо електрично поле.

Заснети лабораторни работи по материалознание – с попълнени таблици с измерени и изчислени стойности, начертани на милиметрова хартия графики и написани на ръка изводи. Към тях е приложен и изходящ тест. Материалът обхваща четири упражнения. Първото е върху магнитните материали. В таблицата са въведени данните за три образеца от различни ферити – броят на навивките на двете намотки, дължината на магнитната верига, сечението и коефициентите. За всеки образец са направени по пет измервания при различни стойности на тока, като са изчислени напрегнатостта, магнитната индукция и относителната магнитна проницаемост. На отделен лист са построени по две графики за всеки образец – кривата на намагнитване с хистерезисната примка и зависимостта на проницаемостта. Второто упражнение изследва температурната зависимост при резистори и кондензатори. Таблиците обхващат три резистора, единият от които е термистор, и четири кондензатора, като при всеки са проследени изменението на параметъра и температурният коефициент в диапазон от няколко температури. Графиките са изчертани в шест координатни системи. Третото упражнение е върху диелектрични материали – измерени са капацитетът, тангенсът на ъгъла на загубите и относителната диелектрична проницаемост при два образеца в температурен диапазон, а резултатите са нанесени в общи графики с легенда. Четвъртото е върху проводникови материали и проследява изменението на съпротивлението при четири образеца с посочени специфични съпротивления, като при единия са изчислени средният температурен коефициент, стойностите при двете гранични температури и коефициентът на топлопроводимост. Последните два кадъра са на изходящ тест по същата дисциплина – вариант с дванадесет въпроса от затворен тип по темите за проводимостта, поляризацията, магнитните свойства, резисторите и кондензаторите. Материалът е подходящ за подготовка на собствени протоколи, за наваксване при пропуснато упражнение, за проверка на реда на изчисленията и за подготовка за защита на лабораторните работи. Основното му предимство е, че показва завършени работи. Вижда се какви точно величини се вписват в таблиците, с каква точност се дават резултатите, как се оформят графиките и какъв обем се очаква от заключителната част. Ценни са и написаните изводи. Те са кратки, но обвързват измереното с теорията – посочват как се променя всяка величина и защо, което е и най-често задаваният въпрос при защита. Полезно е и присъствието на изходящия тест. Той показва какви въпроси се задават в края на курса и кои теми се проверяват най-често.

Лабораторното упражнение е свършено, измерванията са записани, но протоколът трябва да изглежда както се иска – с теория, таблици, изчисления и изводи. Този готов протокол показва точно такъв завършен вид и може да послужи като модел за оформяне на собствената работа. Материалът е изготвен по установената форма за лабораторен протокол и започва със заглавна част – висше училище, факултет, катедра, учебен предмет, номер и тема на упражнението, място за оценка и за подпис. Следва разделът със заданието, изведено в три отделни точки. Първата поставя изследване на зависимостта на съпротивлението от температурата при различни видове резистори в определен температурен интервал, определяне на температурните им коефициенти и изчисляване на стойности извън измерения обхват, както и графично представяне. Втората точка е насочена към термистор – изчисляване на коефициента на температурна чувствителност и на константата, определяне на температурния коефициент и на съпротивлението при две гранични температури. Третата точка е за температурните коефициенти на капацитета при няколко вида кондензатори, също с графично представяне. Теоретичната постановка е разгърната и подредена. В нея са разгледани предназначението на резисторите и класификациите им по няколко признака – по конструктивно изпълнение на токопроводящия елемент, по използван материал и по обединен признак. Изброени са основните параметри и са дадени изразите за съпротивлението, за съпротивлението на слоен резистор и за температурния коефициент. Отделно са представени термисторите и двата им вида, а след това и кондензаторите – класификация по вида на диелектрика в пет отделни групи, основни параметри и изразът за температурния коефициент на капацитета. След теорията е обособено място за схемата на опитната постановка. Практическата част съдържа две таблици с резултати. Първата обхваща три позиции на превключвателя и представя измерените стойности на съпротивлението, относителното изменение и температурния коефициент при пет температурни стойности. Втората таблица е за четири позиции и по същия начин проследява капацитета, относителното му изменение и температурния коефициент. Всички клетки са попълнени с реални измервания и с изчислени стойности, което прави протокола използваем и като пример за пресмятанията. Изложението завършва с анализ и изводи, в които са съпоставени получените стойности, и с обособена част за графиките. На преподавателя материалът може да послужи като образец при поставяне на изискванията към оформянето на протокол – с ясна структура, попълнени таблици и изведени изводи. На студента протоколът дава пълна представа как изглежда завършена лабораторна работа по темата – какво съдържа заданието, докъде стига теоретичната част, как се подреждат таблиците и как се формулират изводите. Полезен е при подготовка на собствен протокол, при преговор преди защита на упражнението и при подготовка за изпит по дисциплината.

Сканирани страници от решени примерни изпитни варианти по дисциплината „Материалознание“, в които въпросите са попълнени на ръка директно върху изпитния формуляр. Всяка страница възпроизвежда оригиналния вид на изпита – с таблица за разпределението на точките по раздели и обозначена тежест до всеки въпрос. Обхватът следва структурата на изпита. Разделът за загубите в диелектричните материали включва определение за диелектрични загуби, обяснение на величината, отразяваща загубите при различен вид електрическо поле, означаване на елементите от паралелната еквивалентна схема и от векторната диаграма на напрежението и токовете, избор на верния израз за специфичните загуби с описание на всички величини и техните дименсии. Разделът за проводниковите свойства съдържа разчитане на елементите от графиката на разпределението на Ферми, изведена обща формула за температурния коефициент на специфичното съпротивление с посочена дименсия, описание на величините в закона на Видеман – Франц, както и начертана и обяснена температурна зависимост на специфичното съпротивление при чистите метали, редом с отговорите за влиянието на примесите, контакта между два метала и термоелектродвижещото напрежение. Разделът за полупроводниковите материали включва работа с таблица с параметри на германий и силиций, попълнена валентност на елементите в полупроводникови съединения и посочени конкретни примери за всеки тип. Разделът за магнитните материали съдържа изброени представители на магнитно меките материали и отговори за състава и приложенията на феритите. Разделът за кондензаторите включва определение за променлив кондензатор, класификация според режима на работа, изведен израз за температурния коефициент на капацитета с описание на величините и начертана конструкция на електролитен кондензатор с обяснение. Подходящ е за подготовка за изпит, за преговор по конспект и за ориентиране в изискваната пълнота на отговорите.

Примерен изпитен вариант – с отговорите. Не просто списък със задачи, а самият вариант, върху който вече е работено: верните отговори са отбелязани, формулите са попълнени, елементите са описани, графиките са построени. Точно това търси всеки, който се готви за изпита и иска да знае не само какво ще го питат, а и как изглежда добре решен вариант. Структурата е ясна още от заглавната таблица. Четири раздела, всеки със своята тежест в точки, и обща стойност сто. Така веднага се вижда кой дял носи най-много и къде си струва да се вложи повече подготовка. Първият раздел е за загубите в диелектричните материали. В него влизат дефиниция, величината, чрез която загубите се оценяват, еквивалентна схема с векторна диаграма и означаване на елементите, изразите за специфичните загуби с техните размерности, съставът на тангенса на ъгъла на загубите, анализ на честотната зависимост при трите гранични случая и температурната зависимост, както и изразите за активните и за йонизационните загуби. Вторият раздел покрива проводниковите свойства. Тук са видът проводимост, строежът на металите и произходът на колективните електрони, изразът за подвижността, разпределението на Ферми и разчитането му по графика, температурният коефициент на специфичното съпротивление, законът на Видеман–Франц, графичната зависимост при чисти метали, влиянието на примесите, контактът между два метала и термоелектродвижещото напрежение. Третият раздел е за полупроводниковите материали и включва работа с таблица с параметри на два основни материала, валентности при полупроводникови съединения с примери, начина за измерване на чистотата и метода за изтегляне на монокристал. Четвъртият раздел е за кондензаторите: активни и пасивни елементи, волт-амперна характеристика, определения, номинално напрежение, времеконстанта, последователна еквивалентна схема по израза за пълното съпротивление и особеностите на електролитните кондензатори. Подредбата следва логиката на самия учебен курс – от поведението на диелектрика, през металите и полупроводниците, до готовия електронен елемент. Затова вариантът върши работа и като план за преговор. Типовете задачи са разнообразни и това е важно. Освен въпроси с избор има попълване на формула, описване на елементите с размерности, построяване на графика, чертане на схема и въпроси с повече от един верен отговор. Файлът е сканиран, а решенията са нанесени на ръка върху самия вариант – така се вижда и какъв обем отговор се очаква на изпита. Обемът е четири страници – достатъчно, за да покрие целия курс, и достатъчно кратко, за да се прегледа наведнъж вечерта преди изпита. За преподавателя: готов примерен вариант с разпределение на точките – удобен за подготовка на изпит или за упражнение. За студента: най-прекият начин да се подготви – реален изпитен вариант, решен докрай, с ясно кой раздел колко тежи.

Материалът обединява два решени тестови варианта по електротехнически материали, оформени като работни разработки с отговори на поставените въпроси. Всеки вариант е структуриран в четири тематични раздела, а въпросите в тях следват логиката на изпитен тест по конспект. Първият вариант обхваща загубите в диелектричните материали, проводниковите свойства на материалите, полупроводниковите материали и кондензаторите. Разгледани са понятието за диелектрични загуби и процесите, които ги пораждат в постоянно и в променливо електрическо поле, тангенсът на ъгъла на диелектричните загуби, означенията от векторната диаграма на токовете, изразът за загубите в единица обем, поведението на материала при различни честотни граници, йонизационните загуби, строежът на металите и характерът на металната връзка, разпределението по енергетични нива, температурните зависимости на съпротивлението и топлопроводността, както и основни параметри на кондензаторите – видове, номинално напрежение, времеконстанта и еквивалентна схема. Вторият вариант е посветен на поляризацията, полупроводниковите свойства на материалите, магнитните материали и резисторите. Включени са изразите за капацитет и за поляризация с пояснение на означенията, поведението на относителната диелектрична проницаемост при различни честоти, характеристиките на токоносителите в собствен полупроводник, групите магнитно меки материали, определението за постоянни резистори, зависимостта на мощността от температурата на околната среда и характеристиките на термисторите. Отговорите са дадени в сбит работен вид – буквени отговори, формули с разчетени означения на величините, кратки определения и обяснения на зависимостите. При отделни въпроси отговорът е само маркиран или оставен за допълване, което позволява материалът да се използва и като основа за собствена доработка. Разработката е подходяща за подготовка за изпит или колоквиум, за преговор по конспект и за самопроверка по включените теми.