Протокол по материалознание: Изследване на температурните коефициенти на параметрите на пасивни електронни елементи – задание, теория, таблици и изводи

Протокол, който върши двойна работа: освен готова разработка на упражнението е и справочник за пасивните елементи, годен за самостоятелно четене. Справочната част е това, което го отличава. Тя не се задоволява с определения, а обяснява как реално се разчитат елементите. За резисторите е описан цветният код – какво носи всяка лента, коя дава значещите цифри, коя броя нули и коя толеранса – и е показан конкретен пример за разчитане. Обяснено е и цифровото означаване с буква на мястото на десетичната запетая. Именно тези две неща най-често затрудняват в началото и рядко се намират обяснени толкова просто. Кондензаторите са разгледани по типове – шест на брой, всеки с начина си на изработване, обхвата на капацитета и характерните силни и слаби страни. Отделно е обяснено защо при един от типовете полярността е задължителна, защо толерансите му са по-широки и какво се случва при ниски температури. Този преглед подрежда знанието по начин, по който то се пита на изпит. Обхватът на самото измерване е широк. Изследвани са седем елемента – три резистора, единият от които термистор, и четири кондензатора с различни диелектрици. Присъствието на термистора е особено ценно, защото поведението му се различава рязко от това на обикновените резистори и разликата личи веднага в числата. Данните са отчетени при шест температурни стъпки, а при резисторите има и допълнителни редове с крайни стойности извън основния интервал. За всеки елемент са изчислени относителното изменение и температурният коефициент, така че сравнението между елементите е налице наготово. Графиките са шест – по една за отделните елементи, изградени в еднакъв формат, което позволява да се съпоставят с един поглед. Изводите също са по елементи, а не общи. Всеки от шестте е конкретен: посочва за кой елемент се отнася и в каква посока се променя параметърът му. Точно това се изисква и точно това най-често липсва в ученическите и студентските протоколи. За преподавателя това е удобен материал за сравнение – показва как изглежда протокол, в който всеки изследван елемент е получил и графика, и отделен извод. За студента ползата е двойна: справочната част става готова подготовка по темата за пасивните елементи, а самата разработка дава завършена структура, в която се заместват собствените измервания.

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.

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.

Протокол от първото лабораторно упражнение по дисциплината, оформен както трябва: теория, задачи, схема, измервания и обработени резултати в таблица. Протокол по материалознание върху поведението на проводниковите материали при промяна на температурата. Какво съдържа Пет части, подредени в обичайния за протокол ред. Теоретичната част е кратка и по същество. Започва с класификацията на проводниците по агрегатно състояние, после ги разделя по предназначение в няколко групи, като при всяка са посочени конкретни приложения и материали. Следват двете основни характеристики, с формулите за тях и с разчитане на означенията, както и обяснение коя стойност прави един материал по-добър проводник. Отделно е разгледана свръхпроводимостта: при какви условия се получава, какво става със съпротивлението, обратим ли е процесът и в какъв температурен интервал настъпва преходът при повечето метали. Втората част е за топлинните свойства. Включва топлопроводимостта и температурния коефициент на удължението с формулата за него. Към нея са добавени и две явления, които са пряко свързани с темата на упражнението: възникването на напрежение при температурна разлика между двата края на проводник и контактната потенциална разлика при допир на два различни метала. Третата част е схемата на опитната постановка, по която се извършва измерването. Четвъртата изброява четирите задачи за изпълнение: измерване на съпротивленията при зададени температури, определяне на температурния коефициент за всеки образец между всеки две температури, графично представяне на зависимостта и пресмятане на съпротивленията в двата края на интервала. Практическата част Най-ценното в протокола. Дадени са изходните стойности на специфичното съпротивление за използваните материали при началната температура, както и формулите, по които се работи, включително преобразуването към абсолютна температура. Следва голямата таблица с резултатите. В нея са включени четири различни образеца, измерени при шест температури, като за всеки са дадени както измереното съпротивление, така и изчисленият температурен коефициент между съответните две температури. Накрая са добавени средните стойности и пресметнатите съпротивления при двата крайни случая. Тази таблица е полезна и сама по себе си, защото по нея се вижда нещо, което в теорията звучи абстрактно: че при различните материали коефициентът се държи напълно различно, при един от образците е дори с обратен знак, а при друг на места се оказва нула. За учащия: готов образец за оформяне на протокол, с попълнена таблица и с показани изчисления. Подходящ за подготовка на собствен протокол, за преговор преди защита на упражнението, за сверяване на собствените резултати и за подготовка за изпит. За преподавателя: пример за протокол с пълна обработка на данните, по който се проверява докъде е стигнало разбирането за температурната зависимост. Таблицата се раздава с празни колони за изчисленията.

Готовият лабораторен протокол по материалознание представя упражнение върху изследването на проводникови материали и е оформен по стандартната структура за отчитане на лабораторна работа – титулна част, задание, теоретична постановка, резултати от измерванията и изчисленията, графики и раздел за анализ и изводи. Заданието включва четири задачи: измерване на съпротивлението на опитните образци при посочените температури и графично представяне на получените зависимости, определяне на температурните коефициенти на съпротивлението за всеки образец в зададения интервал, намиране на средна стойност на коефициента и теоретично изчисляване на съпротивленията при двете гранични температури, както и пресмятане на коефициента на топлопроводност при определена температура въз основа на каталожни данни за специфичното съпротивление. Отличителна страна на този протокол е подробната теоретична постановка, в която изчислителният ход е изведен стъпка по стъпка. Дадени са формулата за температурния коефициент на съпротивлението и нейният вид за произволна температура от интервала, начинът за изчисляване на средната стойност, както и формулата за прогнозиране на съпротивлението, развита в явен вид. Отделно е показано как се процедира при определяне на съпротивлението при нулева температура – чрез най-близката до нея температура на измерване – и при най-високата достигната температура. Приведена е и формулата за коефициента на топлопроводност с пояснение на всички величини, включително стойността на Лоренцовото число и абсолютната температура на образеца. Посочена е и възможността зависимостите да се нанесат върху обща координатна мрежа при използване на отделни числови оси. Практическата част съдържа измерените стойности на съпротивлението при четири температури за няколко образеца – мед, константан, кантал и резистивен слой – както и каталожните стойности на специфичното съпротивление при стайна температура. Следва обобщена таблица с изчислените температурни коефициенти между отделните измервания, осреднената стойност, съпротивленията при двете гранични температури и получения коефициент на топлопроводност. Част от данните за последния образец и разделът за анализ и изводи са оставени за допълване, което позволява протоколът да се използва и като основа за собствена работа. Подходящ е като образец при оформяне на лабораторен протокол, като ориентир за реда на изчисленията и за подготовка за защита на упражнението.

Два примерни изпитни варианта по дисциплината „Материалознание“, оформени във вида, в който се провежда изпитът – с таблица за разпределение на точките по раздели и общ сбор от 100 точки. Всеки вариант е структуриран в четири раздела, а тежестта на отделните въпроси е обозначена до всеки от тях. Първият вариант обхваща загубите в диелектричните материали, проводниковите свойства на материалите, полупроводниковите материали и кондензаторите. Въпросите са свързани с процесите, които не са придружени със загуба на енергия, разпределението на Ферми и разчитането на графиката му, общата формула за температурния коефициент на специфичното съпротивление и неговата дименсия, закона на Видеман – Франц с описание на величините, температурната зависимост на специфичното съпротивление при чистите метали, влиянието на примесите, контакта между два метала с различно ниво на Ферми, термоелектродвижещото напрежение, параметрите на германий и силиций, валентността на елементите в полупроводникови съединения, чистотата на материалите и метода на Чохралски, както и активните градивни елементи, волт-амперната характеристика, определението за променлив кондензатор, номиналното напрежение, времеконстантата, еквивалентната схема и особеностите на електролитните кондензатори. Вторият вариант е посветен на поляризацията, полупроводниковите свойства на материалите, магнитните материали и резисторите. Включени са въпроси за поведението на електрическото поле между електроди във вакуум, реалната част на комплексната относителна диелектрична проницаемост, графичното представяне на зависимости, основните и неосновните токоносители, температурния коефициент при полупроводниците, ефекта на Хол, разделянето на магнитните материали, представителите на магнитномеките материали, състава и приложенията на феритите, както и определението за постоянен резистор, материалите за токопровеждащия елемент, зависимостта на съпротивлението, графиката на относителната мощност, граничното работно напрежение, собствения капацитет, характеристиката на термистора и параметрите на фоторезисторите. Форматът на въпросите е разнообразен – с избираем отговор, с повече от един верен отговор, с попълване, с чертане на графика или схема и с описание на елементите във формула. Отговори не са приложени, което позволява вариантите да се използват за реална самопроверка и за подготовка в изпитни условия. Подходящи са за подготовка за изпит или тест, за преговор по конспект и за ориентиране във формата и тежестта на изпитните въпроси.