Изследване на магнитни материали. Методика на измерването, схема на постановката, резултати и сравнителен анализ на три феритни образеца

Четири лабораторни упражнения, но не бланки, а завършени протоколи. Всяко от тях е минато докрай: с измерените стойности в таблиците, с начертаните графики и с написаните изводи накрая. Разликата спрямо празно задание е огромна, защото едва след като види попълнен протокол, човек разбира какво точно се иска от него. Четирите упражнения обхващат трите големи групи материали в електрониката плюс готовите елементи, направени от тях. Това е и логиката на подредбата, от материала към изделието. Първото е върху проводниците и поведението им при нагряване. Изследвани са четири различни образеца, сред които чист метал, две съпротивителни сплави и резистивен слой, така че се вижда колко различно реагират. Освен измерванията протоколът стига и до изчислени величини: температурни коефициенти за всеки интервал, средна стойност, теоретично пресметнати съпротивления в краищата на обхвата и коефициент на топлопроводност по каталожни данни. Второто е върху диелектриците при същото условие, промяна на температурата. Тук се работи с два параметъра едновременно и се минава през коефициент, който отчита геометрията на образеца, преди да се стигне до относителната диелектрична проницаемост и до температурния коефициент. Третото е върху магнитните материали и е най-графичното от четирите. В него се снема основната крива на намагнитване, определят се двете характерни величини на хистерезиса и се чертае граничният цикъл, а накрая се изчислява динамичната проницаемост. Четвъртото затваря кръга с готовите елементи. В него се гледа как се променят съпротивлението на различни видове резистори, параметрите на термистор и капацитетът на различни видове кондензатори при нагряване, с отделни графики за относителните изменения. Всеки протокол е по един и същи образец, което прави комплекта удобен за работа. Задание, теоретична постановка, схема на опитната постановка, таблица с резултати, графики и накрая анализ и изводи. Схемите са печатни и ясни, таблиците са с реални числа, а графиките са начертани на милиметрова хартия, така че се вижда и как се нанасят точките и как се прокарва кривата. Най-ценното обаче е последният раздел. Изводите са кратки, по две или три изречения, но показват точно какво се очаква да се забележи от експеримента и как се формулира. Това е частта, която обикновено затруднява най-много, защото в заданието не пише какво да се заключи. Какво получаваш. Четири завършени протокола по един и същ образец. Реални измервания и реални сметки, не примерни числа. Начертани графики за всяко упражнение. И готови формулировки на изводи, по които се вижда какво се очаква да бъде забелязано. За какво служи. За подготовка преди влизане в лабораторията, за да е ясно какво предстои. За разбиране как се обработват измерените данни и как се стига от таблицата до графиката. За проверка на собствените сметки, когато резултатът изглежда странен. И за преговор на понятията преди защита. Понятия: проводникови материали, диелектрични материали, магнитни материали, пасивни електронни елементи, специфично съпротивление, температурен коефициент на съпротивлението, коефициент на топлопроводност, диелектрична проницаемост, тангенс на ъгъла на диелектричните загуби, крива на намагнитване, коерцитивен интензитет, остатъчна магнитна индукция, хистерезисен цикъл, магнитна проницаемост, термистор, температурна чувствителност. Полза за преподавателя: готов образец за това как трябва да изглежда предаден протокол, с попълнени таблици, начертани графики и формулирани изводи, по който се задават изискванията в началото на семестъра. Полза за студента: яснота какво точно се иска във всеки раздел. След прегледа се знае как се попълва таблицата, как се нанасят точките на графиката и в каква посока се мисли, когато се пишат изводите.

Протокол, в който теоретичната част не е формална. Тя заема по-голямата част от документа и обяснява материята по-подробно от повечето учебници. Протокол по материалознание върху магнитните материали. Устройство Три части: схема на опитната постановка, теоретични сведения и опитни данни с резултати. Теоретичната част Най-обемната и най-полезната. Изложена е последователно, от общото към частното. Започва с израза за индукцията в материална среда и с величините, чрез които се описва поведението на материалите в магнитно поле. Оттам идва разделянето на три групи, с ясен критерий: стойност на относителната магнитна проницаемост и вид на зависимостта между индукцията и интензитета. Следва доменната структура. Обяснено е какво представляват домените, защо магнитният момент на областта е голям, какви са размерите им и защо при липса на външно поле общият момент е нула. Най-ценното е описанието на двата процеса, които протичат при прилагане на външно поле. Те са разгледани поотделно и подробно: кои домени растат за сметка на кои, защо процесът е необратим, какво се преодолява при преместването на границите и какво се случва, когато този процес приключи. Оттам естествено се стига до насищането. След това са изведени петте области от кривата на първоначално намагнитване. При всяка е посочено при какви полета се получава, какво става с границите на домените, обратим ли е процесът и как се изменя намагнитването. Отделна част е посветена на магнитната проницаемост. Дадено е определението ѝ като производна, въведена е диференциалната проницаемост, после началната и максималната, с указание, че именно те се цитират в справочниците, и накрая амплитудната проницаемост с формулата за нея. Следва разборът на хистерезисния цикъл: защо изобщо се получава, какво става при премахване на полето, какво е остатъчната индукция, коя част от цикъла е крива на размагнитване и при какъв интензитет материалът се размагнитва напълно. Изброени са и трите параметъра, които се определят чрез него, с уточнение за кой цикъл важат те. Накрая е класификацията. Двата вида материали са съпоставени по магнитна енергия, по вид на хистерезисния цикъл и по приложения, с конкретни примери. Отделно са разгледани металните магнитни материали с ограничението им по честота и двата им основни представителя, както и феритите с начина им на получаване, химическия им състав и двете класификации. Опитната част Таблица с изследване на три различни ферита. При всеки са дадени броят навивки, средната дължина, сечението и работните коефициенти, а измерванията са при пет стойности на тока, с изчислени интензитет, индукция и относителна проницаемост. Накрая са посочени и данните за макета. По таблицата се вижда ясно как с нарастването на тока проницаемостта намалява, което онагледява теорията. За учащия: готов образец за протокол с изчерпателна теоретична част и с попълнена таблица. Подходящ за подготовка на собствен протокол, за преговор преди защита, за подготовка за изпит и за самопроверка. За преподавателя: теоретична част, която върши работа и като самостоятелен учебен текст по темата.

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.

Пет страници, четири раздела, сто точки – и всичко решено. Това е примерен изпитен вариант, върху който вече е работено: верните отговори са отбелязани, формулите са попълнени, елементите са описани с размерностите им, а графиките и схемите са начертани на ръка. Разпределението на точките е видно още от заглавната таблица – първите два раздела носят по около една трета от общия резултат, третият е най-кратък, а четвъртият е с осезаема тежест. Така веднага се вижда къде да отиде повечето подготовка. Първият раздел е за електропроводимостта в диелектричните материали и е най-обемният по брой задачи. В него влизат поведението на поляризационния ток след установяване на поляризациите, разчитане на графика на зависимостта му от времето, плътността на този ток с нейната размерност, връзката между тока на утечка и изолационното съпротивление, природата на самото съпротивление, индукцията и токовете в диелектрик без загуби при променливо поле, поведението на идеален кондензатор във верига, проводимостта на газовете с работа върху волт-амперна характеристика и означаване на областите с нормална и с ударна йонизация, проводимостта на течности и на твърди диелектрици с йонна структура, както и изразът за специфичната електропроводимост по дифузионния модел. Вторият раздел е посветен изцяло на магнитните свойства. Тук са изразът за индукцията във вакуум, чертането на зависимостите на намагнитването от интензитета за трите основни групи материали, понятието за домени и поведението им в слабо поле, кривата на първоначалното намагнитване с означаване на областите и обяснение на процесите, импулсната магнитна проницаемост, граничният хистерезисен цикъл с дефиниране на параметрите му, видовете загуби, тангенсът на ъгъла на магнитните загуби, температурата на Кюри и свойствата на магнитотвърдите материали. Третият раздел е кратък и практически насочен: защо в печатните платки не се използва определен проводников материал, предимствата на безоловните припои, основното свойство на благородните метали и изискванията към резистивните сплави. Четвъртият раздел е за кондензаторите – пасивни и активни елементи, волт-амперна характеристика на линеен елемент, приложения, от какво зависи капацитетът, изпитвателно напрежение, температурен коефициент на капацитета, коефициент на загубите по дадена еквивалентна схема, както и параметрите и особеностите на електролитните кондензатори. Има и бонус: към варианта е приложен допълнителен лист с начертан на ръка хистерезисен цикъл, върху който са означени и обяснени основните параметри – готово решение на една от най-скъпо оценените задачи. Типовете задачи са разнообразни: избор от няколко варианта, въпроси с повече от един верен отговор, попълване на формула и размерност, описване на елементите, чертане на графики и на схеми. За преподавателя: готов примерен вариант с разпределение на точките – за пробен изпит или за упражнение. За студента: реален изпитен вариант, решен докрай – най-бързият начин да се види какво се пита и какъв обем отговор се очаква.

Протокол, в който теоретичната част не се задоволява с определение, а стига до класификацията на цяла група материали и до техните конкретни приложения. Материалът е върху изследването на магнитно-меки ферити в нискочестотни полета и е разположен на четири страници, оформени в три раздела с римска номерация. Титулната част съдържа наименованието на висшето училище, катедрата и факултета, полета за студентските данни, ръководител и оценка, а също номера на протокола, предмета и специалността. Заданието е формулирано в три номерирани задачи. Всяка казва точно какво трябва да се получи и какво да се построи графично – визуализиране на семейство криви, снемане от екрана на уреда и накрая изчисляване на величина за всяка отделна стойност. Теоретичната обосновка е най-обширната част и е разгърната в няколко подточки. Началото изяснява какво представляват тези материали, от какво се състоят и защо имат високо специфично съпротивление. Дадена е и обобщената химична формула. Следват две определения, разграничаващи два вида според броя на участващите съставки, а после и обяснение защо разнообразието им е толкова голямо. Отделен абзац е за начина на получаване, с посочен температурен интервал и с указание какво следва след изпичането. Оттам изложението минава към класификацията по състав. Първите две групи са разгледани подробно и съпоставими: при всяка са дадени формулата, честотният обхват, предимствата, слабостта и конкретните приложения, включително профилите на изделията. Втората група е сравнена с първата по устойчивост. Особено ценна е частта за материалите с правоъгълен хистерезисен цикъл. В нея е обяснено защо две ясно разграничени състояния позволяват кодиране на двоична информация – рядко срещана връзка между свойство на материала и приложение в изчислителната техника. Въведен е и коефициент за оценка, с указание към каква стойност трябва да се стреми. Разделът завършва с изведените работни зависимости – четири на брой, свързващи измерените напрежения с търсените величини чрез два коефициента, а накрая и изразът за проницаемостта. Третият раздел е схемата на постановката с легенда, обясняваща четирите означения, и подготвената таблица с десет колони за резултатите. За преподавателя това е готов образец за раздаване преди упражнението, а теоретичната част върши работа и самостоятелно, при въвеждане на темата. За студента ползата е двойна: подреден пример за оформяне на собствен протокол и теоретична част, годна за отговор на конспектен въпрос за феритите.

Сканирани изпитни варианти по материалознание с нанесени върху тях решения – отбелязани отговори, дописани определения, попълнени формули и начертани графики. Материалът съдържа два примерни варианта, всеки от които е с пълна изпитна структура: таблица за данните на студента, таблица с разпределението на точките по раздели и обща сума от сто точки. Първият вариант е организиран в четири раздела. Първият е върху поляризацията и обхваща поведението на диелектрик в електрическо поле, изразите за капацитет и за поляризация с описание на елементите и размерностите, видовете поляризация и поляризуемостта, комплексната диелектрична проницаемост и честотната зависимост, температурната зависимост, времеконстантата, разграничаването на линейни и нелинейни диелектрици. Вторият раздел е върху полупроводниковите свойства: зонна теория, зонна диаграма с процеса на генерация, разпределение на Ферми с нанасяне на означения, изчисляване на броя на свободните електрони. Третият раздел разглежда полупроводниковите материали чрез сравнителна таблица с параметри, валентността на елементите в химичните съединения с примери, чистотата на материалите и метода за изтегляне на монокристали. Четвъртият е за кондензаторите – активни и пасивни елементи, волт-амперна характеристика, определения, номинално напрежение, времеконстанта, еквивалентна схема, електролитни кондензатори. Вторият вариант следва същия модел, но започва с проводниковите свойства и включва раздел за магнитните свойства с хистерезисния цикъл, както и раздел за резисторите. В него присъстват задачи за проводимостта в различни материали, за разпределението на Ферми при няколко температури, за закона на Видеман-Франц, за температурния коефициент, за контактните явления, за доменната структура и за параметрите на намагнитването. Материалът е подходящ за подготовка за изпит или за контролно, за запознаване с формата на изпитната работа и за самопроверка след самостоятелно решаване. Основното му предимство е, че показва не само въпросите, но и как изглежда попълнена работа. Вижда се какъв обем се очаква при задачите с описание на елементите на формула, докъде стига обяснението при въпросите с обосновка и как се нанасят означенията върху дадена графика. Ценно е и присъствието на две различни разпределения на точките по раздели. Така се вижда кои теми носят най-много точки и къде си струва да се насочи подготовката. Полезно е и разнообразието от типове задачи – с избираем отговор, с попълване, с чертане, с извеждане на размерности и с кратко обяснение. Подготовката по всеки от тях изисква различно умение, а тук те са събрани на едно място.