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.

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.

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.

Готовият протокол е най-бързият ориентир какво точно се очаква да съдържа отчетът от лабораторно упражнение – от формулировката на заданието до оформянето на изводите. Този материал представя изцяло разработен протокол по упражнение № 2 от курса по материалознание в Технически университет – София, Факултет по комуникационна техника и технологии. Началото възпроизвежда официалната титулна част на протокола – университет, факултет, катедра, дисциплина, данни за студента и преподавателя, поле за оценка и дата, така че оформлението може да се използва като образец. Разделът със заданието формулира четирите задачи на упражнението: измерване на изменението на капацитета и на тангенса на ъгъла на диелектричните загуби при повишаване на температурата, пресмятане на конструктивната константа за всеки образец, изчисляване на относителната диелектрична проницаемост за всяка температура с графично представяне на зависимостите и определяне на температурния коефициент за два температурни интервала. Теоретичната постановка съдържа изходната формула за капацитета, обяснение на всяка величина в нея с нейната дименсия, определение и физически смисъл на конструктивната константа, зависимостта за изчисляване на относителната диелектрична проницаемост и графоаналитичния подход за определяне на температурния коефициент. Централната част е обобщаваща таблица с резултатите от измерванията и изчисленията за четири различни материала. За всеки от тях са дадени геометричните константи и стойностите на трите параметъра при пет температури в изследвания диапазон, както и изчислените температурни коефициенти. Заключителният раздел съдържа анализ и изводи, в които поведението на изследваните материали е съпоставено по стойност на проницаемостта, по загуби и по конструктивна константа. Материалът е подходящ като образец при изготвяне на собствен протокол, за подготовка за защита на упражнението и за преговор на теоретичната част преди изпит.

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.