Dielektryki i Magnetyki

Podobne dokumenty
Laboratorium Półprzewodniki Dielektryki Magnetyki Ćwiczenie nr 8

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

X L = jωl. Impedancja Z cewki przy danej częstotliwości jest wartością zespoloną

Główne zadania Laboratorium Wzorców Wielkości Elektrycznych

Ćwiczenie 6 BADANIE STABILNOŚCI TEMPERATUROWEJ KONDENSATORÓW I CEWEK. Laboratorium Inżynierii Materiałowej

Indukcja elektromagnetyczna. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2.3. Bierne elementy regulacyjne rezystory, Rezystancja znamionowa Moc znamionowa, Napięcie graniczne Zależność rezystancji od napięcia

LABORATORYJNY MIERNIK RLC ELC 3133A DANE TECHNICZNE

Laboratorium Półprzewodniki Dielektryki Magnetyki Ćwiczenie nr 12 Pomiary dielektryków i magnetyków metodami klasycznymi

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki

Indukcja wzajemna. Transformator. dr inż. Romuald Kędzierski

ĆWICZENIE nr 5. Pomiary rezystancji, pojemności, indukcyjności, impedancji

Ć wiczenie 2 POMIARY REZYSTANCJI, INDUKCYJNOŚCI I POJEMNOŚCI

UKŁADY KONDENSATOROWE

Zad. 2 Jaka jest częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej o długości λ = 300 m.

PROFESJONALNY MULTIMETR CYFROWY ESCORT-99 DANE TECHNICZNE ELEKTRYCZNE

Pomiar indukcyjności.

21 ELEKTROSTATYKA. KONDENSATORY

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki

Elementy indukcyjne. Konstrukcja i właściwości

POMIARY CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWEJ IMPEDANCJI ELEMENTÓW R L C

1. W gałęzi obwodu elektrycznego jak na rysunku poniżej wartość napięcia Ux wynosi:

Indukcyjność. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

MULTIMETR CYFROWY TES 2360 #02970 INSTRUKCJA OBSŁUGI

II. Elementy systemów energoelektronicznych

MIERNIK RLC ESCORT ELC-133A Ogólne dane techniczne

Podstawowe własności elektrostatyczne przewodników: Pole E na zewnątrz przewodnika jest prostopadłe do jego powierzchni

Wykład 14: Indukcja cz.2.

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Ćwiczenie nr 3 OBWODY LINIOWE PRĄDU SINUSOIDALNEGO

Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze - dielektryk stały

2 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

Przedmowa do wydania drugiego Konwencje i ważniejsze oznaczenia... 13

Obwody sprzężone magnetycznie.

Badanie rozkładu pola magnetycznego przewodników z prądem

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH

ZJAWISKO PIEZOELEKTRYCZNE.

LABORATORIUM PODZESPOŁÓW ELEKTRONICZNYCH. Ćwiczenie nr 2. Pomiar pojemności i indukcyjności. Szeregowy i równoległy obwód rezonansowy

Własność ciała lub cecha zjawiska fizycznego, którą można zmierzyć, np. napięcie elektryczne, siła, masa, czas, długość itp.

Ćwiczenie 5 BADANIE PRZENIKALNOŚCI MATERIAŁÓW FERROMAGNETYCZNYCH. Laboratorium Inżynierii Materiałowej

1. Połącz w pary: 3. Aluminiowy pierścień oddala się od nieruchomego magnesu w stronę wskazaną na rysunku przez strzałkę. Imię i nazwisko... Klasa...

POLE ELEKTRYCZNE PRAWO COULOMBA

LABORATORIUM PODSTAWY ELEKTROTECHNIKI

Ćwiczenie 4 BADANIE CHARAKTERYSTYK CZĘSTOTLIWOŚCIOWYCH ELEMENTÓW LC. Laboratorium Inżynierii Materiałowej

cz.3 dr inż. Zbigniew Szklarski

MIERNIK RLC ESCORT ELC-132A DANE TECHNICZNE

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki

BADANIE PROSTEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO POMIAR NAPRĘŻEŃ

OBWODY MAGNETYCZNE SPRZĘśONE

Badanie transformatora

29 PRĄD PRZEMIENNY. CZĘŚĆ 2

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Badanie transformatora

Wartość średnia półokresowa prądu sinusoidalnego I śr : Analogicznie określa się wartość skuteczną i średnią napięcia sinusoidalnego:

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 27 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 2

Zbiór wielkości fizycznych obejmujący wszystkie lub tylko niektóre dziedziny fizyki.

Przyrządy pomiarowe w elektronice multimetr

GENERATOR WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI BADANIE ZJAWISK TOWARZYSZĄCYCH NAGRZEWANIU DIELEKTRYKÓW

WSTĘP DO ELEKTRONIKI

WYDZIAŁ PPT / KATEDRA INŻYNIERII BIOMEDYCZNE D-1 LABORATORIUM Z MIERNICTWA I AUTOMATYKI Ćwiczenie nr 14. Pomiary przemieszczeń liniowych

Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 33: Kondensatory

DOKŁADNOŚĆ MIERNIKÓW STOSOWANYCH W LPF

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2016/2017. Zadania z elektrotechniki na zawody I stopnia

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2015/2016. Zadania z elektrotechniki na zawody I stopnia

Badanie transformatora

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

BADANIE PROSTEGO I ODWROTNEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO I JEGO ZASTOSOWANIA

Kondensator. Kondensator jest to układ dwóch przewodników przedzielonych

Laboratorium Elektroniczna aparatura Medyczna

POLE MAGNETYCZNE Własności pola magnetycznego. Źródła pola magnetycznego

Pojemność elektryczna. Pojemność elektryczna, Kondensatory Energia elektryczna

Wykład 4 i 5 Prawo Gaussa i pole elektryczne w materii. Pojemność.

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

1) Wyprowadź wzór pozwalający obliczyć rezystancję R AB i konduktancję G AB zastępczą układu. R 1 R 2 R 3 R 6 R 4

Ćwiczenie nr 74. Pomiary mostkami RLC. Celem ćwiczenia jest pomiar rezystancji, indukcyjności i pojemności automatycznym mostkiem RLC.

F = e(v B) (2) F = evb (3)

Rurkowe Indukcyjne Elementy Grzejne

Wymagania edukacyjne: Elektrotechnika i elektronika. Klasa: 1Tc TECHNIK MECHATRONIK. Ilość godzin: 4. Wykonała: Beata Sedivy

Pracownia Technik Informatycznych w Inżynierii Elektrycznej

Podpis prowadzącego SPRAWOZDANIE

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2014/2015

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Projekt silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi

Zastosowanie metod dielektrycznych do badania właściwości żywności

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki

Politechnika Wrocławska Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych. Materiał ilustracyjny do przedmiotu. (Cz. 1)

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

INSTRUKCJA LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI BADANIE TRANSFORMATORA. Autor: Grzegorz Lenc, Strona 1/11

SAMOCHODOWY MULTIMETR DIAGNOSTYCZNY AT-9945 DANE TECHNICZNE

Zaznacz właściwą odpowiedź

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

Dielektryki Opis w domenie częstotliwości

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Prąd przemienny - wprowadzenie

26 MAGNETYZM. Włodzimierz Wolczyński. Indukcja magnetyczna a natężenie pola magnetycznego. Wirowe pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

Transkrypt:

Dielektryki i Magnetyki Zbiór zdań rachunkowych dr inż. Tomasz Piasecki tomasz.piasecki@pwr.edu.pl Wydanie 2 - poprawione ponownie 1 marca 2018

Spis treści 1 Zadania 3 1 Elektrotechnika.................................... 3 2 Dielektryki i kondensatory.............................. 3 3 Spektroskopia impedancyjna............................. 4 4 Ferroelektryki i piezoelektryki............................ 5 5 Materiały magnetyczne i elementy indukcyjne................... 5 2 Odpowiedzi 7 1 Elektrotechnika.................................... 7 2 Dielektryki i kondensatory.............................. 7 3 Spektroskopia impedancyjna............................. 7 4 Ferroelektryki i piezoelektryki............................ 8 5 Materiały magnetyczne i elementy indukcyjne................... 8 3 Wskazówki i podpowiedzi 9 1 Elektrotechnika.................................... 9 2 Dielektryki i kondensatory.............................. 9 3 Spektroskopia impedancyjna............................. 9 4 Ferroelektryki i piezoelektryki............................ 9 5 Materiały magnetyczne i elementy indukcyjne................... 10 1

Wstęp Na pierwszym stopniu studiów kierunku Elektronika i Telekomunikacja na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki prowadzone są wykład Dielektryki i Magnetyki oraz laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki. Niniejszy zbiór zawiera przykładowe zadania obliczeniowe, które stanowią istotną pomoc w przygotowaniu się do egzaminu, którym kończy się wykład, oraz do poszczególnych ćwiczeń laboratorium. Opracowanie to zostało podzielone na trzy rozdziały. Pierwszy zawiera treści zadań podzielone w grupy tematów. W drugim znajdują się odpowiedzi. Jeżeli zadanie polegało na obliczeniu wartości liczbowej, to o ile nie wskazano inaczej w treści zadania, wartości te podawane są z dokładnością do czterech cyfr znaczących. W ostatnim rozdziale znajdują się wskazówki i podpowiedzi do wybranych zadań. 2

Rozdział 1 Zadania 1 Elektrotechnika 1.1 Moduł i argument impedancji elementu elektronicznego wynoszą odpowiednio 3256 Ω i 86,20. Oblicz wartość rezystancji, reaktancji, konduktancji i susceptancji tego elementu. 1.2 Kondensator stratny ma ekwiwalentną pojemność równoległą C P =33 nf i rezystancję równoległą R P =50 kω, mierzone przy częstotliwości 1 khz. Oblicz jego ekwiwalentne pojemność szeregową i rezystancję szeregową. 1.3 Induktor stratny ma ekwiwalentną indukcyjność szeregową L S =15 µh i rezystancję szeregową R S =10 Ω, mierzone przy częstotliwości 1 MHz. Oblicz jego ekwiwalentne indukcyjność równoległą i rezystancję równoległą. 2 Dielektryki i kondensatory 2.1 Dielektryk o przenikalności względnej ɛ = 5, 8 jest umieszczony między okładkami kondensatora. Natężenie pola elektrycznego wynikające z napięcia, do jakiego naładowano kondensator wynosi E = 1500 V. Przyjmujemy uproszczenie, że pole elektryczne jest jednorodne. m Oblicz gęstości powierzchniowe ładunków związanego i swobodnego na okładkach tego kondensatora. 2.2 Kondensator płaski ma prostokątne elektrody o wymiarach 25 100 mm, przylegające do bezstratnego dielektryka o ɛ r = 5, 6 i grubości 0,7 mm. Przyjmując, że pole elektryczne w kondensatorze jest jednorodne oblicz pojemność kondensatora, zaokrągloną do 1 pf. 2.3 Kondensator płaski o pojemności 295 pf ma okrągłe elektrody o średnicy 50 mm. Pomiędzy nimi znajduje się bezstratny dielektryk o grubości 0,5 mm. Jaką przenikalność elektryczną względną ma ten dielektryk? Przyjmij, że pole elektryczne pomiędzy elektrodami kondensatora jest jednorodne. 2.4 Za pomocą miernika RLC zmierzono Z =1434 Ω, arg(z)= 85,70 kondensatora przy częstotliwości 10 khz. Oblicz ekwiwalentne pojemności równoległą i szeregową tego kondensatora. 2.5 Za pomocą miernika RLC zmierzono Z =15,80 kω, arg(z)= 88,50 kondensatora płaskiego o powierzchni okładek A=500 mm 2 naniesionych na dielektryk o grubości d=100 µm, 3

przy częstotliwości 25 khz. Oblicz względną zespoloną przenikalność elektryczną dielektryka i współczynnik strat kondensatora. Przyjmij, że pole elektryczne pomiędzy elektrodami kondensatora jest jednorodne. 2.6 W kondensatorze wykonanym z dielektryka o przenikalności zespolonej względnej równej ɛ = 10 + j0, 3 zgromadzono 5 J energii w postaci pola elektrycznego. Ile energii należało doprowadzić do elektrod tego kondensatora? 3 Spektroskopia impedancyjna 3.1 Zmierzono widmo impedancji kondensatora testowego o powierzchni okładek A = 1500 mm 2, pomiędzy którymi znajduje się badany materiał o grubości 0,2330 mm. Do zmierzonego widma dopasowano elektryczny model równoważny, jak na rysunku: Dopasowane wartości parametrów modelu to: R 2 = 550 kω, C 1 = 16 nf, C 2 = 5 nf. Oblicz przenikalność elektryczną względną statyczną ɛ s, przenikalność elektryczną wysokoczęstotliwościową ɛ tego materiału oraz stałą czasu relaksacji dielektrycznej τ, opisywanej tym modelem. 3.2 Zmierzono widmo impedancji kondensatora testowego o powierzchni okładek A = 550 mm 2, pomiędzy którymi znajduje się badany materiał o grubości 0,5500 mm. Do zmierzonego widma dopasowano elektryczny model równoważny, jak na rysunku: Dopasowane wartości parametrów modelu to: R 1 = 20 MΩ, R 2 = 550 kω, C 1 = 55 nf, C 2 = 15 nf. Oblicz konduktywność stałoprądową σ DC oraz wysokoczęstotliwościową σ AC tego materiału. 3.3 Zmierzono widmo impedancji kondensatora testowego o powierzchni okładek A = 2500 mm 2, pomiędzy którymi znajduje się badany materiał o grubości 1,900 mm. Do zmierzonego widma dopasowano elektryczny model równoważny, jak na rysunku: Dopasowane wartości parametrów modelu to: R 1 = 20 kω, R 2 = 220 kω, C 1 = 10 nf, C 2 = 315 nf. Oblicz konduktywność stałoprądową σ DC oraz wysokoczęstotliwościową przenikalność elektryczną ɛ tego materiału. 4

4 Ferroelektryki i piezoelektryki 4.1 W zapalarce zastosowano cylindryczny element z ceramiki piezoelektrycznej o długości l = 8,854 mm z elektrodami naniesionymi na kołowe podstawy cylindra o powierzchni A = 10 mm 2. Parametry ceramiki piezoelektrycznej: d 31 = 200 pm, d V 33 = 250 pm, V ɛt 33 r = 2500, ɛ S 33 r = 2400. Młoteczek zapalarki ma masę m = 10 g i uderza w element piezoelektryczny z prędkością v = 1 m. Przyjmij, że w trakcie uderzenia trwającego t = 20 µs młoteczek zwalnia s jednostajnie. Ile wyniesie napięcie V, jakie pojawi się pomiędzy elektrodami elementu piezoelektrycznego? 4.2 Piezostsos składa się z 35 warstw wykonanych z ceramicznego materiału piezoelektrycznego o następujących parametrach: d 31 = 250 pc N, d 33 = 350 pc m, ɛt 33 r = 3000, ɛ S 33 r = 2900. O ile zmieni się długość tego piezostosu, jeśli przyłoży się do niego napięcie V = 50 V? 5 Materiały magnetyczne i elementy indukcyjne 5.1 Na ferromagnetycznym rdzeniu toroidalnym o średnicy wewnętrznej d 1 = 12 mm, zewnętrznej d 2 = 25 mm i szerokości w = 12 mm nawinięto N = 10 zwojów. Przez uzwojenie płynie prąd o natężeniu I = 12 ma. Ile wynosi natężenie pola magnetycznego w rdzeniu? 5.2 Na transformatorze nawiniętym na ferromagnetycznym rdzeniu toroidalnym o średnicy wewnętrznej d 1 = 15 mm, zewnętrznej d 2 = 35 mm i szerokości w = 10 mm nawinięto N = 17 zwojów uzwojenia wtórnego. W ciągu 2 ms w uzwojeniu tym napięcie liniowo narosło od 0 do 100 mv. O ile przez ten czas zmieniła się wartość indukcji magnetycznej w rdzeniu transformatora? 5.3 Na ferromagnetycznym rdzeniu toroidalnym o średnicy wewnętrznej d 1 = 10 mm, zewnętrznej d 2 = 20 mm i szerokości w = 5 mm nawinięto N 1 = 10 zwojów uzwojenia pierwotnego i N 2 = 15 zwojów uzwojenia wtórnego transformatora. W uzwojeniu pierwotnym płynie prąd sinusoidalnie przemienny o amplitudzie 10 ma i częstotliwości 10 khz. W uzwojeniu wtórnym indukuje się napięcie sinusoidalnie zmienne o amplitudzie 0, 5 V. Oblicz przenikalność magnetyczną względną rdzenia toroidalnego. 5.4 Masz do dyspozycji cztery rdzenie toroidalne o wymiarach (d 1 /d 2 /w): 1) 5/10/5, 2) 7/15/10, 3) 10/20/15, 4) 12/25/20, podanych w milimetrach, wykonanych z materiału o przenikalności magnetycznej względnej 5000, natężeniu pola koercji 14 H i pozostałości magnetycznej 70 m mt. d2 d 1 w Który z nich będzie najmniejszym, pozwalającym na wykonanie dławika o indukcyjności 1 mh na prąd o natężeniu 50 ma, w którym indukcja magnetyczna będzie mniejsza niż 100 mt? Jaka będzie wymagana liczba zwojów? Jaka będzie w nim indukcja magnetyczna przy zadanym prądzie? 5.5 Na podstawie danych katalogowych producenta materiałów ferromagnetycznych wybrano optymalne warunki do ich pracy jako element magazynujący energię w zasilaczu impulsowym: 5

materiał częstotliwość (khz) µ r maksymalne H ( A ) T m C ( C) B r (T) A 100 4000 20 150 0,25 B 200 2000 50 250 0,11 C 500 1000 80 220 0,15 D 1000 500 100 350 0,20 Który z materiałów zapewni uzyskanie największej gęstości energii pola magnetycznego u max i ile ona wynosi? Który z materiałów umożliwi przeniesienie największej mocy w zasilaczu i ile ona wyniesie, jeśli objętość rdzenia elementu indukcyjnego wyniesie 2 cm 3 6

Rozdział 2 Odpowiedzi 1 Elektrotechnika 1.1 R = 215,8 Ω, X = 3249 Ω, G = 20,35 µs, B = 306,5 µs. 1.2 C S =33,31 nf, R S =460,9 Ω. 1.3 L P =15,17 µh, R P =898,3 Ω. 2 Dielektryki i kondensatory 2.1 σ f = 75, 70 nc m 2, σ p = 62, 42 nc m 2. 2.2 177 pf. 2.3 8,484. 2.4 C P = 11, 07 nf, C S = 11, 13 nf. 2.5 ɛ = 9, 098, ɛ = 0, 2382, D = 0, 02619. 2.6 5, 15 J. 3 Spektroskopia impedancyjna 3.1 τ = 2,750 ms, ɛ s = 368,4, ɛ = 280,7 3.2 σ DC = 50 ns m, σ AC = 1,868 µs m 3.3 σ DC = 3,167 µs m, ɛ = 832,0 7

4 Ferroelektryki i piezoelektryki 4.1 V = 5 kv 4.2 l = 612,5 nm 5 Materiały magnetyczne i elementy indukcyjne 5.1 H = 2, 065 A m. 5.2 B zmieniło się o 58, 82 mt. 5.3 µ = 7958. 5.4 Będzie to rdzeń nr 3 z 10 zwojami, w którym indukcja magnetyczna wyniesie 66,67 mt. 5.5 Największą gęstość energii można zgromadzić w rdzeniu z materiału C (u max =4,021 J m 3 ). Największą moc przeniesie rdzeń z materiału D, i wyniesie ona P max =6,283 W. 8

Rozdział 3 Wskazówki i podpowiedzi 1 Elektrotechnika 1.1 Jeśli używasz reprezentacji zespolonej to pamiętaj o użyciu właściwej jej reprezentacji w zależności od tego, jaką operację arytmetyczną wykonujesz. 2 Dielektryki i kondensatory 2.2 Pamiętaj o wyrażaniu wartości w podstawowych jednostkach SI. 2.5 Przed obliczeniem przenikalności zespolonej wyznacz pojemność zespoloną. W ten sposób uprościsz sobie obliczenia. 3 Spektroskopia impedancyjna 4 Ferroelektryki i piezoelektryki 4.1 Zasady dynamiki Newtona pozwolą na obliczenie siły, z jaką młoteczek oddziałuje z piezoelektrykiem. Zwróć szczególną uwagę na to, które z podanych parametrów piezoelektryka są potrzebne do wykonania obliczeń. 9

5 Materiały magnetyczne i elementy indukcyjne 5.4 Oblicz stałe indukcyjności rdzeni. Na ich podstawie można obliczyć, że do uzyskania odpowiedniej indukcyjności, zaokrąglając w górę liczbę zwojów, na rdzeniach od 1 do 4 trzeba nawinąć odpowiednio 18, 12, 10 i 9 zwojów. Mając te dane można obliczyć wartość indukcji magnetycznej w rdzeniach w chwili, gdy płynie przez nie dany prąd. 10