Рабочая программа учебной дисциплины материалы и элементы электронной техники ооп 210100 «Электроника и микроэлектроника», бакалавриат

Вид материала

Рабочая программа

Содержание Заведующий кафедрой профессор, д.т.н. Гридчин В.А. 1. Внешние требования 2. Особенности (принципы) построения дисциплины 3. Цели учебной дисциплины 4. Содержание и структура учебной дисциплины 5. Учебная деятельность 6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине 7. Список литературы 8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине Контрольные задачи

Подобный материал:

• Программа вступительных испытаний в магистратуру кафедры «Материаловедение и физическая, 170.2kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины ф эфф 1-21/01 Государственное образовательное, 130.14kb.
• Программа вступительных испытаний в магистратуру по направлению 210100 68 «Электроника, 119.24kb.
• Рабочая программа практики для направления/специальности 210100 68 Электроника и микроэлектроника, 130.33kb.
• Программа вступительных испытаний в магистратуру кафедры «Проектирование и конструирование, 138.26kb.
• Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению 210100. 68 Электроника, 78.21kb.
• Рабочая учебная программа по дисциплине: электротехника и электроника (Теоретические, 407.78kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины ф тпу 1- 21/01 федеральное агентство по образованию, 202.38kb.
• Рабочая учебная программа факультет №1 Неорганической химии и технологии Кафедра неорганической, 94.02kb.
• Учебное пособие по курсу " Электроника и микроэлектроника" для студентов, обучающихся, 437.7kb.

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


Факультет Радиотехники, электроники и физики


Кафедра Полупроводниковых приборов и микроэлектроники

“УТВЕРЖДАЮ”

Декан РЭФ

Гридчин В.А.

“___ ”______________2006 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины

МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ


ООП 210100 «Электроника и микроэлектроника», бакалавриат

Факультет Радиотехники, электроники и физики

Курс 2, семестр 3,4

Лекции 85 час.

Практические работы 0 час.

Лабораторные работы 54 час.

Контрольная работа 3, 4 семестр

Самостоятельная работа 64 час.

Зачет 3 семестр

Экзамен 4 семестр

Всего 200 час.


Новосибирск

2006


Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника».

Регистрационный номер 22 тех/бак, дата утверждения 10.03.2000 г

ОПД.Ф.02.01

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ППиМЭ, протокол № от 2006 года.


Программу разработал

профессор каф. ППиМЭ, д.т.н. Фирсов Н.И.

Заведующий кафедрой

профессор, д.т.н. Гридчин В.А.

Ответственный за основную

образовательную программу


ст. преподаватель каф. ППиМЭ Дикарева Р.П.

1. Внешние требования

Общие требования к образованности:

Требования государственного образовательного стандарта (ГОС) по направлению 210100 ”Электроника и микроэлектроника” (для бакалавра техники и технологии, утвержденный 10.03.2000 г.) Квалификационные требования: для компетентного и ответственного решения профессиональных задач студенты должны иметь представление: о месте и роли новых материалов электронной техники в развитии науки, техники и технологии; о классификации материалов по свойствам и техническому назначению; об основных эксплуатационных характеристиках материалов при использовании их в современной электронной аппаратуре; знать и уметь использовать: физическую сущность процессов, протекающих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах в различных условиях эксплуатации; методы оценки основных свойств материалов электронной техники; справочный материал по выбору требуемых материалов для конкретных устройств; технические характеристики и экономические показатели отечественных и зарубежных разработок в области электронной техники; элементную базу электронной техники, основные виды используемых материалов, компонентов и приборов, их функциональные возможности и особенности эксплуатации; иметь навыки: исследования основных характеристик материалов и элементов электронной техники; применения справочного аппарата по выбору требуемых материалов и компонентов электронной техники для конкретных применений.

2. Особенности (принципы) построения дисциплины

Особенности (принципы) построения дисциплины описываются в табл. 2.

Таблица 2

Особенности (принципы) построения дисциплины

Особенность (принцип)	Содержание
Основание для введения курса	Курс входит в число общепрофессиональных дисциплин, включенных в программу подготовки бакалавра
Адресат курса	Бакалавры по направлению 210100
Главная цель	Формирование знаний по классификации, назначению и применению материалов электронной техники, физической сущности процессов, определяющих свойства материалов, технологии получения и методов контроля их свойств
Ядро курса	Основные физические процессы в диэлектриках (физическая природа электропроводности диэлектриков, поляризация, пробой, диэлектрические потери) и способы их описания. Активные и пассивные диэлектрические материалы и элементы на их основе. Физическая природа электропроводности металлов, удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления, тепловые и механические свойства металлов и сплавов. Материалы высокой проводимости, сплавы высокого сопротивления, сверхпроводники, контактные материалы, материалы для термопар и т.д. Физико-химические, электрические и оптические свойства элементарных полупроводников, полупроводниковых соединений и твердых растворов на их основе. Германий, кремний - физико-химические и электрические свойства, применение; полупроводниковые соединения А3В5, А2В6, А4В4 ; получение, особенности свойств. Физические процессы в магнитных материалах и их свойства. Магнитомягкие материалы, магнитные материалы специального назначения, магнитотвердые материалы.
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения Вашего курса	Необходимо знать высшую математику, общую химию, общую физику, включающую электродинамику и статистическую физику.
Уровень требований по сравнению с ГОС	В курсе прививается умение: анализировать результаты эксперимента; создавать адекватные физические и математические модели; проводить вычисления и анализировать результаты расчетов при анализе работы элементов электронной техники
Объём курса в часах	Курс состоит из 85 часов лекций, 64 часов самостоятельной работы и 54 часов лабораторных занятий. Полный объем курса составляет 200 час.
Описание основных "точек"	Контроль знаний проводится в две стадии: 1. промежуточный контроль (проведение устных защит лабораторных работ по теоретическим вопросам и задачам, приведенным в методическом пособии); 2. итоговый контроль (зачет по контрольным вопросам, охватывающим весь материал курса. Форма проведения - письменная

3. Цели учебной дисциплины

Цели учебной дисциплины описываются в табл. 3.

Таблица 3

После изучения дисциплины студент будет

Номер цели	Содержание цели
иметь представление
1	- о месте и роли новых материалов электронной техники в развитии науки, техники и технологии; - о классификации материалов по свойствам и техническому назначению; - о новейших методах получения, экспериментального исследования и характеризации материалов электронной техники; - об основных эксплуатационных характеристиках материалов при использовании их в современной электронной аппаратуре.
знать
2	- понятийный аппарат (терминологию) дисциплины; - физическую сущность процессов, протекающих в проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалах в различных условиях эксплуатации; - свойства различных групп материалов: диэлектриков, полупроводников, проводников, магнитных материалов; - основные характеристики материалов: электрические, оптические, тепловые, механические и т.д.; - методы расчета основных параметров элементов электронной техники; - методы оценки основных свойств материалов электронной техники; - физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципа действия приборов и устройств электроники и микроэлектроники; - основные физические явления, используемые для создания элементов электронной техники.
уметь
3	- использовать основы теории твердого тела для постановки и решения задач описания процессов, происходящих в различных материалах; - выдвигать и проверять гипотезы, делать обоснованный выбор методов исследования свойств материалов электронной техники; - использовать справочный материал по выбору требуемых материалов для конкретных устройств; - выбирать и использовать для расчета параметров исследуемого материала конкретные методы, сравнивать результаты расчета, полученные различными методами; - прогнозировать изменение свойств материалов при изменении внешних условий или воздействий: давления, температуры, электрических и магнитных полей, освещения, радиационных воздействий; - определять надежность, стабильность и воспроизводимость характеристик материалов и элементов при наличии внешних воздействий; - математическое моделирование физических процессов, протекающих в приборах электронной техники, с целью оптимизации параметров.
иметь опыт
4	- исследования основных характеристик материалов и элементов электронной техники; - применения справочного аппарата по выбору требуемых материалов и компонентов электронной техники для конкретных применений.

4. Содержание и структура учебной дисциплины

Описание лекционных занятий размещается в табл. 4 с указанием семестра, в котором организуется обучение по данной дисциплине.

Таблица 4

Темы лекционных занятий	Часы	Ссылки на цели
Семестр №3
Содержание, цель и значение дисциплины в подготовке инженера электронной техники. Роль и значение материалов в производстве приборов электронной техники, основные требования, предъявляемые к ним. . Общая классификация материалов по составу, свойствам и применению. Особенности внутреннего строения вещества. Атом водорода. Понятие атомных орбиталей. Понятие электронных оболочек. Магнитный момент атома. Ионизация атома. Виды химической связи. Особенности строения твердых тел. Кристаллы. Дефекты в строении кристаллических тел. Полиморфизм. Аморфные тела. Элементы зонной теории твердого тела. Образование и свойства энергетических зон. Распределение электронов в зонах. Выводы зонной теории. Проводники, полупроводники и диэлектрики	8	1, 2
Физические процессы в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Основные виды поляризации. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, частоты приложенного поля для различных типов диэлектриков. Физическая природа электропроводности диэлектриков. Зависимость сопротивления диэлектриков от температуры, влажности, напряжения, времени выдержки под напряжением. Диэлектрические потери. Угол диэлектрических потерь. Физическая сущность различного вида диэлектрических потерь. Пробой диэлектриков. Важнейшие физические процессы в диэлектриках при тепловом, чисто электрическом и электрохимическом механизмах пробоя. Важнейшие механические и тепловые и общие физико-химические свойства диэлектриков	12	1, 2, 4
Классификация диэлектриков. Состав, свойства, методы обработки полимеров. Слоистые пластики. Электроизоляционные лаки, клеи, герметики, компаунды. Неорганические стекла, ситаллы. Керамика. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрики. Жидкие кристаллы	12	2, 3
Общие сведения о проводниках. Физическая природы электропроводности металлов. влияние температуры, примесей и других структурных дефектов на удельное сопротивление металлов. Электрические свойства сплавов. Зависимость удельного сопротивления сплава и ТКρ сплава от состава	12	1, 2, 4
Материалы высокой проводимости. Сверхпроводимость и возможности ее использования. Контактные материалы. Сплавы высокого сопротивления. Припои и флюсы	7	2
Семестр №4
Физические процессы в полупроводниках и их свойства. Собственные и примесные полупроводники. Основные и неосновные носители заряда. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводников. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках	12	2, 3, 4
Классификация полупроводниковых материалов. Германий, кремний. Физико-химические и электрические свойства. Очистка и выращивание монокристаллов. Карбид кремния. Полупроводниковые соединения A3B5, A2B6 и A4B4	6	3
Физические процессы в магнитных материалах. Магнитная проницаемость. Классификация веществ по магнитным свойствам. Влияние температуры и частоты на магнитные свойства ферромагнетиков. Потери энергии в магнитных материалах	10	2, 3, 4
Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных полей. Магнитомягкие высокочастотные материалы. Ферриты. Магнитодиэлектрики. Получение, свойства, применение. Магнитные материалы специального назначения. Ферриты для устройств СВЧ. Магнитотвердые материалы. Литые высококоэрцитивные сплавы. Магниты из порошков. Магнитотвердые ферриты. Материалы для магнитной записи	6	2, 3

Описание лабораторных работ размещается в табл. 6 с указанием семестра, в котором организуется обучение по дисциплине.

Таблица 6

Темы практических занятий	Учебная деятельность	Часы	Ссылки на цели
Семестр №3
Исследование электропроводности твердых диэлектриков	Изучение электропроводности твердых диэлектриков: 1. Определение удельного поверхностного сопротивления и удельного объемного сопротивления твердых диэлектриков в зависимости от температуры. 2. Определение энергии активации носителей заряда в диэлектрике.	4	2, 3, 4
Исследование сегнетоэлектриков	Изучение основных электрических свойств сегнетоэлектриков и их зависимости от напряженности электрического поля.	4	2, 3, 4
Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь различных диэлектриков в зависимости от температуры и частоты приложенного поля	Определение зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь различных диэлектриков от частоты и температуры	4	2, 3, 4
Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика от напряжения в сильных электрических полях	1. Экспериментальное определение зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от U для диэлектрика с газовыми включениями. 2. Определение напряжения, при котором наступает ионизация газа в порах. 3. Установление влияния напряжения на емкость и диэлектрическую проницаемость диэлектрика.	4	2, 3, 4
Семестр №4
Исследование электрической прочности газообразных, жидких и твердых диэлектриков	Изучение электрической прочности газообразных и жидких диэлектриков: 1. Исследовать зависимость пробивного напряжения и электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном и неоднородном электрических полях. 2. Определить электрическую прочность трансф. масла и дать заключение об его пригодности.	4	2, 3, 4
Определение температурного коэффициента емкости различного типа конденсаторов	Определение зависимости емкости конденсаторов с различными диэлектриками от температуры и вычисление температурного коэффициента емкости ТКС.	4	2, 3, 4
Исследование резистивных свойств проводниковых материалов в зависимости от температуры	Определить сопротивление и его зависимость от температуры для некоторых металлов и сплавов. Выполнить расчет температурного коэффициента сопротивления.	4	2, 3, 4
Исследование частотной и температурной зависимости магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь магнитных материалов	Установить зависимости: 1) магнитной проницаемости и величины тангенса угла магнитных потерь ферритового кольца от частоты переменного электромагнитного поля; 2) магнитной проницаемости от температуры (определить точку Кюри). Оценить индуктивность кольца.	4	2, 3, 4
Исследование эффекта Холла и проводимости в полупроводниках в зависимости от температуры	Установить зависимости: 1)ЭДС Холла от температуры; 2) удельного сопротивления от температуры. Оценить концентрацию носителей и холловскую подвижность в зависимости от температуры.	4	2, 3, 4
Исследование МДП характеристик	Установить зависимость емкости МДП структуры от температуры. Оценить уровень легирования подложки и диэлектрическую проницаемость диэлектрика.	4	2, 3, 4
Исследование фотоэлектрических свойств полупроводников	Исследовать релаксацию фотопроводимости и оценить время жизни носителей заряда.	4	2, 3, 4
Исследование барьерной емкости p-n-переходов	Установить зависимость барьерной емкости от напряжения. Оценить параметры подложки.	4	2, 3, 4

5. Учебная деятельность

В процессе изучения курса студенту предстоит:

• прослушать лекции;
  
• изучить с помощью учебно-методической литературы некоторые темы и разделы курса;
  
• выполнить 12 лабораторных работ;
  

Лекции читаются по основополагающим, наиболее сложным разделам и темам. Часть разделов выносится на самостоятельное изучение. Посещение лекций свободное.

На лабораторных занятиях исследуются характеристики различных материалов микроэлектроники, а также изучается применение этих материалов в элементной базе электроники. Отчет по работе выполняется один на бригаду, а защищается каждым студентом персонально.

Кафедральный зачет проводится по контрольным вопросам с условием выполнения всех лабораторных работ.

Экзамен по дисциплине “Материалы и элементы электронной техники” проводится по всему курсу на основании контрольных вопросов. Итоговая оценка выставляется по результатам ответа.

6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине

Оценка знаний и умений студентов по первой части курса проводится в III семестре с помощью зачета по освоению экспериментальной техники измерения параметров различных групп материалов и зачета ”Материалы и элементы электронной техники”, который включает в себя 30 задач по диэлектрическим и проводниковым материалам. Зачет проводится письменно. Задание включает в себя 2 задачи.

Оценка знаний и умений студентов по второй части курса проводится в IV семестре в виде зачета по освоению экспериментальной техники измерения параметров различных групп материалов и решению задач по всем разделам курса. Всего каждому студенту предлагается решить 11 задач. Итоговая оценка знаний по всем разделам курса проводится в виде экзамена. Экзамен проводится в письменной форме с использованием учебной литературы и вычислительной техники. Всего предлагается решить 4 задачи (по одной из каждого основного раздела курса).

7. Список литературы

Основной список

1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. // М. Высшая школа. 1986 (118 экз.)
   
2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы и элементы электронной техники и электроники. // Л. Энергоатомиздат.1985 (420 экз.)
   
3. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие. - СПб: Питер, 2003 (210 экз.)
   
4. Методическое пособие к лабораторным работам по курсу «Электрорадиоматериалы», Новосибирск 2004 (102 экз.)
   
5. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М., Высшая школа, 1987. С. 435
   

Дополнительный список

1. Справочник по электротехническим материалам. В 3-х томах. Под ред. Корицкого. // М. Энергоатомиздат. 1986 (1 экз.)
   
2. Тареев Б.М. физика диэлектрических материалов. // М. Энергоиздат. 1982 (139 экз.)
   
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков. Полупроводниковые приборы. М., Высшая школа. 1981., 431.
   
4. Дулин В.Н. Электронные приборы. М., Энергия. 1977. С 390
   
5. Полупроводниковые приборы. Методическое руководство к лабораторным работам. (№ 1-5; № 6-9). Новосибирск, НГТУ, 1991.
   

8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине

Контрольные задачи

3 семестр

1. Керамический конденсатор с = 8 был заряжен до напряжения 1500 В, после чего источник напряжения отключили. Через время 15 мин напряжение на конденсаторе оказалось равным 300 В. Определить удельное объемное сопротивление диэлектрика конденсатора.
   
2. Определить поверхностное сопротивление диэлектрика плоского конденсатора толщиной 5 мм, если при постоянном напряжении на нем 1200 В, ток через диэлектрик равен 5 нА. Площадь электродов конденсатора 100 мм², а удельное объемное сопротивление 2*10¹¹ Ом*м.
   
3. Диэлектриком плоского конденсатора является гетинакс размером 100х100 мм² и толщиной 1 мм. Определить потери мощности в диэлектрике при постоянном напряжении 1000 В, если удельное объемное сопротивление 10¹⁰ Ом*м.
   
4. Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлектрик с ε₁=2 и толщиной 0.5 см и с ε₂=6 и толщиной 1 см . Определить величину напряженности электрического поля в каждом слое при переменном напряжении 10 кВ.
   
5. Определить значение переменного напряжения на конденсаторе, если при частоте сигнала 2 кГц, рассеиваемая мощность равна 6 мкВт. Площадь обкладок 10x10 см², толщина диэлектрика 5 мм, диэлектрическая проницаемость 4, тангенс угла потерь tg= 0.001. Поверхностной утечкой пренебречь.
   
6. Двухслойный диэлектрик включен под переменное напряжение. Напряжение на первом слое составляет 4 кВ , а на втором слое – 8 кВ. Толщина слоев 2 мм и 6 мм соответственно. Определить диэлектрическую проницаемость второго слоя, если диэлектрическая проницаемость первого слоя равна 7.
   
7. Какое следует взять соотношение частей по объему компонентов пластмассы, связующим которой является фторлон-4 с ₂ = 2.1, а наполнителем тиконд Т-80 с ₁ = 80, если диэлектрическая проницаемость этой пластмассы была бы равна 20?
   
8. Определить плотность вспененного полистирола (пенополистирола), имеющего диэлектрическую проницаемость _ВСП = 1.5. Какую долю объема этого материала занимает воздух? Вспениванию подвергался полистирол с параметрами = 2.6, = 1050 кг/м³.
   
9. Определить сопротивление изоляции кабеля длиной 2 км, если радиус жилы кабеля 1 мм, внутренний радиус металлической оболочки 5мм , а удельное объемное сопротивление изоляции 10⁹ Ом*м.
   
10. Определить содержание водяных паров в помещении длиной 4 м, шириной 3 м и высотой – 3 м, если относительная влажность воздуха 60 %. Плотность насыщенных паров m_нас = 17.3 г/м³.
    
11. Определить толщину пластины полистирола размером 10Х10 см² такой, чтобы за время 1 сек и при разности давлений водяных паров 10 кПа через нее прошло m = 6.2*10^-10 кг воды. Влагопроницаемость полистирола П=6.2*10^-15 сек.
    
12. Найти температуру воды в фарфоровом сосуде прямоугольной формы высотой 10 см, шириной 10 см, толщиной стенок – 1 см, если мощность теплового потока через стенку сосуда составляет 64 Вт. Температура окружающей среды – 20 ^оС. Теплопроводность фарфора 1.6 Вт/(м*К).
    
13. Определить изменение линейных размеров изделия из силикатного стекла длиной 20 м, если температура изделия 820 ⁰С. Температурный коэффициент линейного расширения силикатного стекла 9.2*10^-6 К^-1.
    
14. Определить температуру изделия из силикатного стекла, если относительное изменение его линейных размеров равно 9.2*10^-3. Температурный коэффициент линейного расширения силикатного стекла 9.2*10^-6 К^-1.
    
15. При напряжении 2 кВ плоский конденсатор, изготовленный из высокочастотного диэлектрика, имеет заряд 3.5*10^-8 Кл. При этом же напряжении и при повышении температуры на 100 К заряд возрастает на 1%. Определить диэлектрическую проницаемость материала и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, если толщина диэлектрика между пластинами конденсатора h= 2 мм, а площадь обкладок S= 5 см². Изменением линейных размеров пренебречь.
    
16. Определить температуру изделия из силикатного стекла длиной 20 м, если изменение его линейных размеров составляет 0.15 м. Температурный коэффициент линейного расширения силикатного стекла 9.2*10^-6 К^-1.
    
17. Определить относительную влажность воздуха в помещении длиной 4 м, шириной 3 м и высотой – 3 м, если содержание водяных паров в нем 374 г. Плотность насыщенных паров m_нас = 17.3 г/м³.
    
18. Определить диэлектрическую проницаемость пластмассы, связующим которой является фторлон-4 с ₂ = 2.1 и объемным содержанием 0.62, а наполнителем - тиконд Т-80 с ₁ = 80 и объемным содержанием 0.38.
    
19. Двухслойный диэлектрик включен под переменное напряжение. Напряжение на первом слое составляет 4 кВ , а на втором слое – 8 кВ. Толщина слоев 2 мм и 6 мм соответственно. Определить диэлектрическую проницаемость первого слоя, если диэлектрическая проницаемость второго слоя равна 10.5.
    
20. Диэлектриком плоского конденсатора является гетинакс размером 100х100 мм² и толщиной 1 мм. Определить его удельное объемное сопротивление, если потери мощности в диэлектрике при постоянном напряжении 1000 В равны 1 мВт.
    
21. Определить максимальную частоту тепловых колебаний атомов в кристаллах алюминия, для которого температура Дебая θ_Д= 428 К. Какую длину волны будет иметь фотон с эквивалентной энергией?
    
22. Вычислить длину свободного пробега электронов в меди при Т= 300 К, если ее удельное сопротивление при этой температуре равно 017 мкОм*м, а концентрация свободных электронов 8.45*10²⁸ м^-3. При расчете использовать выводы квантовой теории.
    
23. Определить время, в течение которого электрон пройдет расстояние 1 км по медному проводу, если удельное сопротивление меди 0.017 мкОм*м, концентрация свободных электронов 8.45*10²⁸ м^-3 , а разность потенциалов на концах проводника U= 220 В.
    
24. К медной проволоке длиной 6 м и диаметром 0.56 мм приложено напряжение 0.1 В. Сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника за 10 с, если удельное сопротивление меди равно 0.017 мкОм*м?
    
25. Определите на сколько увеличатся потери мощности при замене медного провода длиной 50 м и сечением 16 мм² на алюминиевый. Удельное сопротивление меди 0.017 мкОм*м, удельное сопротивление алюминия – 0.028 мкОм*м. Величина тока – 50 А.
    
26. Определите мощность, потребляемую нагревательным элементом из нихромовой проволоки при напряжении сети 220 В, если длина проволоки – 3 м, диаметр – 0.15 мм. Рабочая температура – 900 ⁰С. Удельное сопротивление нихрома – 1.2 мкОм*м, ТК (20 ^оС)= 2*10^-4 К^-1.
    
27. Вычислить удельную теплопроводность меди при комнатной температуре, если ее удельное сопротивление равно 0.017 мкОм*м.
    
28. Определить изменение теплопроводности алюминия при изменении температуры от 20 ⁰С до 80 ⁰С. Удельное сопротивление алюминия – 0.028 мкОм*м, ТК (20 ^оС)= 4.2*10^-3 К^-1.
    
29. Температура сверхпроводящего перехода Т_с для олова в отсутствие магнитного поля равна 3.7 К, а критическая напряженность магнитного поля Н_с при температуре абсолютного нуля составляет 2.4*10⁴ А/м. Рассчитать максимально допустимое значение тока I_c при температуре Т= 2 К для провода диаметром d= 1 мм, изготовленного из сверхпроводящего олова.
    
30. Один спай термопары помещен в печь с температурой 200 ⁰С, другой находится при температуре 20 ⁰С. Вольтметр показывает при этом термоЭДС 1.8 мВ. Чему равна термоЭДС, если второй (холодный) спай термопары поместить в сосуд: а) с тающим льдом; б) с кипящей водой? Относительную удельную термоЭДС во всем температурном диапазоне 0- 200 ⁰С считать постоянной.
    

Контрольные задачи

4 семестр


Диэлектрические материалы.

1. Керамический конденсатор с = 8 был заряжен до напряжения 1500 В, после чего источник напряжения отключили. Через время 15 мин напряжение на конденсаторе оказалось равным 300 В. Определить удельное объемное сопротивление диэлектрика конденсатора.
   
2. Определить поверхностное сопротивление диэлектрика плоского конденсатора толщиной 5 мм, если при постоянном напряжении на нем 1200 В, ток через диэлектрик равен 5 нА. Площадь электродов конденсатора 100 мм², а удельное объемное сопротивление 2*10¹¹ Ом*м.
   
3. Диэлектриком плоского конденсатора является гетинакс размером 100х100 мм² и толщиной 1 мм. Определить потери мощности в диэлектрике при постоянном напряжении 1000 В, если удельное объемное сопротивление 10¹⁰ Ом*м.
   
4. Между плоскими электродами помещен двухслойный диэлектрик с 2 и толщиной 0.5 см и 6 с толщиной 1 см . Определить величину напряженности электрического поля в каждом слое при переменном напряжении 10 кВ.
   
5. Определить значение переменного напряжения на конденсаторе, если при частоте сигнала 2 кГц, рассеиваемая мощность равна 6 мкВт. Площадь обкладок 10x10 см², толщина диэлектрика 5 мм, диэлектрическая проницаемость 4, тангенс угла потерь tg = 0.001. Поверхностной утечкой пренебречь.
   
6. Двухслойный диэлектрик включен под переменное напряжение. Напряжение на первом слое составляет 4 кВ , а на втором слое – 8 кВ. Толщина слоев 2 мм и 6 мм соответственно. Определить диэлектрическую проницаемость второго слоя, если диэлектрическая проницаемость первого слоя равна 7.
   
7. Какое следует взять соотношение частей по объему компонентов пластмассы, связующим которой является фторлон-4 с ₂ = 2.1, а наполнителем тиконд Т-80 с ₁ = 80, если диэлектрическая проницаемость этой пластмассы была бы равна 20?
   
8. Определить плотность вспененного полистирола (пенополистирола), имеющего диэлектрическую проницаемость _ВСП = 1.5. Какую долю объема этого материала занимает воздух? Вспениванию подвергался полистирол с параметрами = 2.6, = 1050 кг/м³.
   
9. Определить сопротивление изоляции кабеля длиной 2 км, если радиус жилы кабеля 1 мм, внутренний радиус металлической оболочки 5мм , а удельное объемное сопротивление изоляции 10⁹ Ом*м.
   

10. Определить содержание водяных паров в помещении длиной 4 м, шириной 3 м и высотой – 3 м, если относительная влажность воздуха 60 %. Плотность насыщенных паров m_нас = 17.3 г/м³.
    
11. Определить толщину пластины полистирола размером 10Х10 см² такой, чтобы за время 1 сек и при разности давлений водяных паров 10 кПа через нее прошло m = 6.2*10^-10 кг воды. Влагопроницаемость полистирола П=6.2*10^-15 сек.
    
12. Найти температуру воды в фарфоровом сосуде прямоугольной формы высотой 10 см, шириной 10 см, толщиной стенок – 1 см, если мощность теплового потока через стенку сосуда составляет 64 Вт. Температура окружающей среды – 20 ^оС. Теплопроводность фарфора 1.6 Вт/(м*К).
    
13. Определить изменение линейных размеров изделия из силикатного стекла длиной 20 м, если температура изделия 820 ⁰С. Температурный коэффициент линейного расширения силикатного стекла 9.2*10^-6 К^-1.
    
14. Определить температуру изделия из силикатного стекла, если относительное изменение его линейных размеров равно 9.2*10^-3. Температурный коэффициент линейного расширения силикатного стекла 9.2*10^-6 К^-1.
    
15. При напряжении 2 кВ плоский конденсатор, изготовленный из высокочастотного диэлектрика, имеет заряд 3.5*10^-8 Кл. При этом же напряжении и при повышении температуры на 100 К заряд возрастает на 1%. Определить диэлектрическую проницаемость материала и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, если толщина диэлектрика между пластинами конденсатора h= 2 мм, а площадь обкладок S= 5 см². Изменением линейных размеров пренебречь.
    

Проводниковые материалы.

1. Определить максимальную частоту тепловых колебаний атомов в кристаллах алюминия, для которого температура Дебая θ_Д= 428 К. Какую длину волны будет иметь фотон с эквивалентной энергией?
   
2. Вычислить длину свободного пробега электронов в меди при Т= 300 К, если ее удельное сопротивление при этой температуре равно 0.017 мкОм*м, а концентрация свободных электронов 8.45*10²⁸ м^-3. При расчете использовать выводы квантовой теории.
   

3. Определить время, в течение которого электрон пройдет расстояние 1 км по медному проводу, если удельное сопротивление меди 0.017 мкОм*м, концентрация свободных электронов 8.45*10²⁸ м^-3 , а разность потенциалов на концах проводника U= 220 В.
   
4. К медной проволоке длиной 6 м и диаметром 0.56 мм приложено напряжение 0.1 В. Сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника за 10 с, если удельное сопротивление меди равно 0.017 мкОм*м?
   
5. Определите на сколько увеличатся потери мощности при замене медного провода длиной 50 м и сечением 16 мм² на алюминиевый. Удельное сопротивление меди 0.017 мкОм*м, удельное сопротивление алюминия – 0.028 мкОм*м. Величина тока – 50 А.
   
6. Определите мощность, потребляемую нагревательным элементом из нихромовой проволоки при напряжении сети 220 В, если длина проволоки – 3 м, диаметр – 0.15 мм. Рабочая температура – 900 ⁰С. Удельное сопротивление нихрома – 1.2 мкОм*м, ТК (20 ^оС)= 2*10^-4 К^-1.
   
7. Определить концентрацию свободных электронов в меди. Плотность меди 8.9 Мг/м³, атомная масса – 64 а.е.м.
   
8. Вычислить удельную теплопроводность меди при комнатной температуре, если ее удельное сопротивление равно 0.017 мкОм*м.
   
9. Определить изменение теплопроводности алюминия при изменении температуры от 20 ⁰С до 80 ⁰С. Удельное сопротивление алюминия – 0.028 мкОм*м, ТК (20 ^оС)= 4.2*10^-3 К^-1.
   
10. Определить возможность образования оксидной изоляции в виде сплошного слоя на железе, если плотность железа – 7.9 Мг/м³, а оксида – 5.3 Мг/м³. Атомная масса железа – 56 а.е.м., кислорода – 16 а.е.м.
    
11. Удельное сопротивление медного проводника, содержащего 0.5 ат. % индия, равно 0.0234 мкОм*м. Определить концентрацию атомов индия в медном сплаве с удельным сопротивлением 0.0298 мкОм*м, полагая, что все остаточное сопротивление обусловлено рассеянием на примесных атомах индия. Концентрацию атомов меди принять равной 8.5*10²⁸ м^-3.
    
12. Температура сверхпроводящего перехода Т_с для олова в отсутствие магнитного поля равна 3.7 К, а критическая напряженность магнитного поля Н_с при температуре абсолютного нуля составляет 2.4*10⁴ А/м. Рассчитать максимально допустимое значение тока I_c при температуре Т= 2 К для провода диаметром d= 1 мм, изготовленного из сверхпроводящего олова.
    
13. Один спай термопары помещен в печь с температурой 200 ⁰С, другой находится при температуре 20 ⁰С. Вольтметр показывает при этом термоЭДС 1.8 мВ. Чему равна термоЭДС, если второй (холодный) спай термопары поместить в сосуд: а) с тающим льдом; б) с кипящей водой? Относительную удельную термоЭДС во всем температурном диапазоне 0- 200 ⁰С считать постоянной.
    
14. При измерении температуры в печи с помощью термопары Pt-(90% Pt-10% Rh) вольтметр показал 7.82 мВ. Температура холодного спая термопары была стабилизирована на уровне 100 ⁰С. Пользуясь градуировочной таблицей для данной термопары, определить температуру в печи.
    

    Т, 0С	0	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
    ТермоЭДС, мВ	0,0	0,11	0,65	1,44	2,33	3,25	4,23	5,24	6,27	7,34	8,47	9,61

15. Сопротивление вольфрамовой нити электрической лампочки при 20 ⁰С равно 35 Ом. Определить температуру нити лампочки, если известно, что при ее включении в сеть напряжением 220 В в установившемся режиме по нити проходит ток 0.6 А. Температурный коэффициент сопротивления вольфрама при 20 ⁰С можно принять равным 5*10^-3 К^-1.
    

Магнитные материалы.

1. Магнитная индукция в медном проводе при воздействии на него однородного магнитного поля напряженностью 1000 А/м равна 1.26 мТл. Определить диамагнитную восприимчивость меди и намагниченность.
   
2. Магнитный момент атома никеля равен 0.6 магнетона Бора. Определить магнитную индукцию насыщения металлического никеля, если его плотность 8960 кг/м³.
   
3. Магнитная восприимчивость висмута равна – 1.886*10^-4. Определить магнитную индукцию в висмуте при напряженности поля Н = 10⁴ А/м.
   
4. В однородное магнитное поле индукцией В₀ перпендикулярно магнитному потоку помещена плоскопараллельная пластина из однородного изотропного ферромагнетика с магнитной проницаемостью . Определить магнитную индукцию В₁ и напряженность магнитного поля Н₁ внутри ферромагнетика.
   
5. В сердечнике трансформатора на частоте 50 Гц потери на гистерезис при индукции магнитного поля 0.1 и 0.5 Тл составляют 0.15 и 1.97 Вт/кг соответственно. Определить потери на гистерезис на частоте 400 Гц при индукции магнитного поля 0.8 Тл.
   
6. В сердечнике трансформатора суммарные удельные магнитные потери при частоте 2 кГц равны 4 Вт/кг. Предполагая равенство магнитных потерь на гистерезис и на вихревые токи, определить удельные магнитные потери в сердечнике на вихревые токи на частоте 200 Гц, если максимальная магнитная индукция в нем та же, что и на частоте 2 кГц.
   
7. На частоте 50 Гц удельные потери на вихревые токи в сердечнике из электротехнической стали при индукции магнитного поля В= 1.2 Тл составляют 6.5 Вт/кг. Определить частоту поля, при которой полные потери на вихревые токи в сердечнике равны 36.1 Вт при магнитной индукции 0.5 Тл и массе сердечника m= 0.5 кг.
   
8. В сердечнике трансформатора суммарные удельные магнитные потери на гистерезис и на вихревые токи при частотах 1 и 2 кГц составляют соответственно 2 и 6 Вт/кг (при неизменной максимальной индукции в сердечнике). Рассчитать магнитные потери на гистерезис в сердечнике при частоте 4 кГц.
   
9. Кольцевой ферритовый сердечник размерами Rxrxh= 16х8х8 мм, изготовленный из феррита марки 20000 НМ, на частоте 0.01 МГц имеет tg_M= 0.5 и эквивалентное сопротивление потерь 201 Ом. На сердечник намотана обмотка из 20 витков. Найти магнитную проницаемость сердечника.
   
10. Кольцевой сердечник размерами 16х8х8 мм и магнитной проницаемостью = 1000 имеет обмотку, содержащую 100 витков. Измерениями установлено, что на частоте 0.1 МГц при токе 100 мА в катушке выделяется активная мощность 0.313 Вт, а в отсутствие магнитного сердечника при том же токе в обмотке выделяется лишь 0.1 Вт. Определить тангенс угла магнитных потерь сердечника.
    
11. Определить силу тока, которую необходимо пропустить через обмотку, содержащую 100 витков, для размагничивания кольцевого ферромагнитного сердечника, если его коэрцитивная сила равна 100 А/м. Средний диаметр кольца 20 мм.
    
12. Определить магнитную проницаемость сердечника катушки, изготовленного из высоконикелевого пермаллоя, если ее индуктивность равна 1.6 Гн. Катушка представляет собой кольцевой магнитный сердечник размерами Rxrxh= 30х20х10 мм с обмоткой, состоящей из 200 витков.
    
13. Катушка с ферритовым тороидальным сердечником диаметром 10 мм имеет индуктивность 0.12 Гн и содержит 1000 витков. Определить магнитную индукцию в сердечнике, если ток в катушке равен 65.4 мА.
    
14. Найти индуктивность соленоида, имеющего 200 витков, намотанных на диэлектрическое основание, длиной l= 50 мм. Площадь поперечного сечения основания S = 50 мм². Далее, в соленоид введен цилиндрический ферритовый сердечник с магнитной проницаемостью = 400. Определить радиус основания соленоида, чтобы при сохранении его длины индуктивность катушки осталась той же.
    
15. Определить, сколько витков необходимо намотать на магнитный сердечник длиной 100 мм и диаметром 8 мм, чтобы получить индуктивность катушки L= 20 мГн. Магнитную проницаемость сердечника считать равной 500.
    

Полупроводниковые материалы.

1. Определить положение энергетического уровня в энергиях кТ от энергии Ферми, вероятность заполнения которого электронами равна 6.74*10^-3.
   
2. Вычислить ширину запрещенной зоны кремния, если собственная концентрация носителей заряда в кремнии при Т= 300 К равна 7*10¹⁵ м^-3, а эффективные массы плотности состояний m_C= 1.05 m₀, m_V= 0.56 m₀ (m₀ – масса электрона).
   
3. Концентрация дырок в полупроводнике равна 10¹⁴ м^-3. Определить концентрацию электронов в этом полупроводнике, если известно, что собственная концентрация носителей заряда при этой же температуре равна 10¹⁶ м^-3.
   
4. Найти полную концентрацию ионизированных примесей N_И в полупроводнике n- типа, если концентрация компенсирующих акцепторов N_А, а концентрация основных носителей заряда n.
   
5. Вычислить ширину запрещенной зоны арсенида галлия, если собственная концентрация носителей заряда в арсениде галлия при температуре 300 К равна 1.72*10¹² м^-3, а эффективные массы плотности состояний m_C= 0.067 m₀, m_V= 0.48 m₀ (m₀ – масса электрона).
   
6. Определить концентрацию носителей заряда полупроводника n- типа, если его удельное сопротивление равно 1.25*10^-3 Ом*м, а подвижность носителей _n= 0.5 м²/(Вс).
   
7. Вычислить отношение полного тока через полупроводник к току, обусловленному дырочной составляющей: а) в собственном германии; б) в германии n-типа с удельным сопротивлением 0.1 Омм. Принять собственную концентрацию носителей заряда при комнатной температуре n_i= 2.110¹⁹ м^-3, подвижность электронов _n= 0.39 м²/(Вс), подвижность дырок _р= 0.19 м²/(Вс).
   
8. К стержню из арсенида галлия длиной 50 мм приложено напряжение 50 В. Определить подвижность электронов, если время прохождения электроном всего образца равно 55.5 мкс.
   
9. Эпитаксиальный слой арсенида галлия, легированный серой, имеет при комнатной температуре удельное сопротивление 510^-3 Омм. Определить подвижность электронов, если концентрация доноров в слое 1.56*10²¹ м^-3.
   
10. Через пластину кремния с удельным сопротивлением 0.01 Омм проходит электрический ток плотностью 10 мА/мм². Найти подвижности электронов и дырок, если их средние скорости дрейфа равны 14 м/с и 5 м/с соответственно.
    
11. По истечении времени t₁= 10^-4 с после прекращения генерации электронно-дырочных пар, равномерной по объему полупроводника, избыточная концентрация носителей заряда оказалась равной n. Определить время, по истечении которого избыточная концентрация носителей заряда станет равной 0.1n. Время жизни неравновесных носителей заряда равно 0.39 мс.
    
12. Вычислить коэффициент диффузии дырок в германии n- типа, если диффузионная длина дырок равна 0.693 мм, а время жизни неосновных носителей заряда _р= 10^-4 с.
    
13. Вычислите энергию фотонов для излучения с = 600 нм. Укажите, какие полупроводники прозрачны для этого излучения, а какие поглощают его.
    
14. Прямоугольный образец полупроводника n- типа с удельной проводимостью 4762 См/м и размерами а= 500 мм, b= 5 мм и h=1мм помещен в магнитное поле с индукцией В= 0.5 Тл. Вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости образца. Под действием напряжения U= 0.42 В, приложенного вдоль образца, по нему протекает некоторый ток. Измерения показывают ЭДС Холла U_H= 6.25 мВ. Найти величину тока, подвижность и концентрацию носителей заряда для этого полупроводника, полагая, что электропроводность обусловлена носителями только одного знака.
    
15. Определить удельное сопротивление и концентрацию электронов в кремнии n- типа, если подвижность электронов равна 0.117 м²/(Вс), а коэффициент Холла R_H= 2.110^-3 м³/Кл.
    

9. Приложение