Контрольная работа по электронике на тему «Материалы и компоненты электронной техники», СГУТиИ (sibsutis.ru)

3.1 Проводниковые материалы Задача № 3.1.1 Пленочный резистор состоит из трех участков, имеющих различные сопротивления квадрата пленки R₁=10 Ом; R₂=20 Ом; R₃=30 Ом. Определить сопротивление резистора. Задача № 3.1.2 Вычислить падение напряжения на полностью включенном реостате, изготовленном из константановой проволоки длиной 10 м, при плотности тока 5 А/мм². Удельное сопротивление константана принять равным 0,5 мкОм·м. Задача № 3.1.3 Сопротивление вольфрамовой нити электрической лампочки при 20°С составляет 35 Ом. Определить температуру нити лампочки, если известно, что при ее включении в сеть напряжением 220  в установившемся режиме по нити проходит ток 0.6 А. температурный коэффициент удельного сопротивления вольфрама при 20°С можно принять равным 0,005 К^-1 Задача № 3.1.4 Определить дину нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм, используемой для изготовления нагревательного устройства с сопротивлением 20 Ом при температуре 1000 °С, полагая, что при 20°С параметры нихрома: удельное сопротивление 1 мкОм∙м, температурный коэффициент удельного сопротивления 0,00015 К^-1, температурный коэффициент линейного расширения 0,000015 К^-1. Задача № 3.1.5 Медный и алюминиевый провода равной дины имеют одинаковые сопротивления. Определить отношение диаметров этих проводов. Вычислить, во сколько раз масса алюминиевого провода меньше массы медного провода. Задача № 3.1.6 Определить температуру, до которой нагреется алюминиевый провод сечением 15 мм², длиной 1000 м, если по нему течет ток 40А и падает напряжение 225 В. Задача № 3.1.7 Определить падение напряжения в медной линии электропередач длиной 50 км при 50°С , сечением 10 мм²и по нему течет ток 60 А. Задача № 3.1.8 Определить длину проволоки из нихрома марки Х20Н80 для намотки проволочного резистора с номиналом 1 кОм , и допустимой мощностью рассеяния 10Вт. Принять параметры материала при 20°С : плотность тока 0,8 А/мм², удельное сопротивление 1,05 мкОм∙м

3.2 Полупроводниковые материалы

Задача № 3.2.1 Вычиcлить собственную концентрацию носителей заряда в кремнии при Т=300 К, если ширина его запрещенной зоны ΔW=1,12 эВ, а эффективные массы плотности соcтояний m_c=1,05m₀, m_v=0,56m₀. Задача №3.2.2 В собственном германии ширина запрещенной зоны при температуре 300 К равна 0,665 эВ. На сколько надо повысить температуру, чтобы число электронов в зоне проводимости увеличилось в два раза? Температурным изменением эффективной плотности состояний для электронов и дырок при расчете пренебречь. Задача 3.2.3 Почему для изготовления большинства полупроводниковых приборов требуются монокристаллические материалы и не могут быть использованы поликристаллические образцы?  Задача № 3.2.4 Определить (качественно), как будет изменяться время жизни дырок в кремнии n-типа при повышении температуры от комнатной до температуры, при которой наступает собственная электропроводность. Задача № 3.2.5 Чем можно объяснить, что многие полупроводниковые соединения группы А^IIВ^VI проявляют электропроводность лишь одного типа, независимо от характера легирования?  Задача № 3.2.6 При легировании полупроводника донорными примесями время жизни неосновных носителей заряда уменьшилось в пять раз, а их подвижность снизилась на 30%. Определить, на сколько изменилась диффузионная длина дырок при легировании полупроводника по сравнению с нелегированным материалом.  Задача № 3.2.7 С какой целью производят выращивание эпитаксиальных слоев кремния на монокристаллических подложках при изготовлении интегральных схем? Задача № 3.2.8 Определить, как изменится концентрация электронов в арсениде галлия, легированном цинком до концентрации N_Zn=10²²м^-3, при повышении температуры от 300 К до 500 К. Полагать, что при 300 К все атомы цинка полностью ионизированы. Задача № 3.2.9 Каким типом электропроводности обладают полупроводники типа А^IIIВ^V, легированные атомами элементов IV группы Периодической таблицы элементов? Задача № 3.2.10 По истечении времени t₁=10^-4 c после прекращения генерации электронно-дырочных пар, равномерной по объему полупроводника, избыточная концентрация носителей заряда оказалась в 10 раз больше, чем в момент t₂=10^-3 с. Определить время жизни неравновесных носителей заряда, считая его постоянным, не зависимым от интенсивности возбуждения. Задача № 3.2.11 Рассчитайте массу легирующей добавки мышьяка, которую необходимо ввести в пластину кремния объемом 100 мм³, чтобы при равномерном распределении примеси удельное сопротивление кристалла была равно 0,01 Ом·м. Подвижность электронов принять равной 0,12 м²/(В·с). Задача № 3.2.12 Объясните, почему при одинаковом содержании легирующих примесей поликристаллический кремний обладает гораздо более высоким удельным сопротивлением, чем монокристаллический материал.

3 Диэлектрические материалы

Задача № 3.3.1 В чем различие между ионной и ионно-релаксационной поляризацией? Что характеризует время релаксации и от каких факторов оно зависит? Задача № 3.3.2 Капельки воды находятся во взвешенном состоянии в трансформаторном масле. Что с ними произойдет, если масло поместить в постоянное электрическое поле? Задача № 3.3.3 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 каждой пластины S= 5 см². Какой вывод можно сделать о наиболее вероятном механизме поляризации данного диэлектрика? Задача № 3.3.4 Что делают с обкладками высоковольтного конденсатора после выключения приложенного к нему напряжения во избежание опасности для человека? Объясните, какие процессы в диэлектрике создают эту опасность? Задача № 3.3.5 В каких единицах выражают удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления диэлектриков? Дайте определения этих физических величин. Почему их экспериментальное определение рекомендуют проводить при постоянном, и не при переменном напряжении, а также через 1мин после подачи напряжения на диэлектрик? Задача № 3.3.6 При каких условиях для электроизоляционных материалов соблюдается закон Ома? Задача № 3.3.7 Для определения природы носителей заряда в ионном диэлектрике был использован метод Тубандта. При этом были изготовлены три таблетки исследуемого диэлектрика, на две из которых с одной стороны были нанесены электроды. Каждая таблетка была тщательно взвешена, затем все таблетки были сложены, и через них в течение длительного времени пропускали постоянный ток. При полярности приложенного напряжения, указанной на рис.2, масса второй таблетки осталась неизменной, масса первой таблетки увеличилась, а масса третьей уменьшилась. Определить вид электропроводности данного диэлектрика и знак носителей заряда. Задача № 3.3.8 В каком случае массы всех трех таблеток в опыте Тубандта (см.предыдущую задачу) останутся неизменными? Задача № 3.3.9 Почему диэлектрические свойства газа не характеризуют значением удельного электрического сопротивления? Задача № 3.3.10 Чему равна активная мощность рассеяния в кабеле с сопротивлением изоляции 20 Мом при постоянном напряжении 20 В? Задача № 3.3.11 Как влияет температура на положение частотного максимума тангенса угла релаксационных потерь? Задача № 3.3.12 Почему электрическая прочность твердых диэлектриков больше, чем жидких, а жидких — больше, чем газообразных? Задача № 3.3.13 Электрическая проницаемость непропитанной конденсаторной бумаги и конденсаторного масла соответственно равна 35 и 20 кВ/мм. После пропитки бумаги конденсаторным маслом ее электрическая прочность возросла до 50 кВ/мм. Почему электрическая прочность пропитанной бумаги больше, чем электрические прочности непропитанной бумаги и пропитывающего диэлектрика? Задача № 3.3.14 Одинаково ли будет изменяться пробивное напряжение воздуха, если производить его нагревание: а) при постоянном давлении; б) при постоянном объеме. Задача № 3.3.15 Чем отличается пробой газа в однородном и неоднородном электрических полях? Каким образом в газе можно создать однородное поле? Почему при увеличении расстояния между электродами пробивное напряжение газа в однородном поле возрастает?  Задача № 3.3.16 Почему более толстые слои диэлектриков, как правило, имеют меньшую электрическую прочность? Задача № 3.3.17 Для трех диэлектрических материалов при испытаниях в однородном электрическом поле получены приведенные на рисунке 3  зависимости пробивного напряжения от толщины. Построить (качественно) в одной системе координат зависимости электрической прочности этих материалов от толщины. Задача № 3.3.18 Известно, что при тепловом пробое диэлектрик толщиной 4 мм пробивается при напряжении 15 кВ на частоте 100 Гц. При каком напряжении промышленной частоты пробьется такой же диэлектрик толщиной 2 мм? Задача № 3.3.19 Для керамического опорного изолятора расчетным путем получены значения пробивного напряжения в функции от температуры окружающей среды отдельно для теплового пробоя (кривая 1 на рисунке 4) и для электрического пробоя (прямая 2). Чему равно пробивное напряжение этого изолятора и какой вид пробоя будет наблюдаться при температуре: а) T₁; б) T₂?  Задача № 3.3.20 Как и почему изменится пробивное напряжение воздуха при нормальном атмосферном давлении, если температуру повысить от 20 до 100^°С? Задача № 3.3.21 Что является количественной мерой диэлектрической анизотропии нематических жидких кристаллов? В каких веществах она положительна, а в каких отрицательна?  Задача № 3.3.22 Изобразите и поясните зависимость светопропускания жидкокристаллической электрооптической ячейки, обладающей «твист»- эффектом, от напряжения для случая, когда она заключена между двумя скрещенными поляроидами. Задача № 3.3.23 В каких материалах и в каких условиях проявляются нелинейные оптические эффекты? Приведите примеры практического использования нелинейности оптических свойств кристаллических диэлектриков. Задача № 3.3.24 Почему ситаллы и силикатные стекла одинакового химического состава обладают разными электрическими, механическими и теплофизическими свойствами? Задача № 3.3.25 Почему для изоляции обмоточных проводов трансформаторов и электродвигателей используют термореактивные, а не термопластичные лаки? Задача № 3.3.26 Что понимают под линейными и нелинейными, полярными и неполярными диэлектриками? Какие из перечисленных видов диэлектриков могут быть использованы на высоких? Задача № 3.3.27 На каких принципах основано создание  термостабильной конденсаторной керамики? Задача № 3.3.28 Керамический конденсатор емкостью 1,5 нФ при комнатной температуре имеет температурный коэффициент емкости ɑ_с= -750·10^-6К^-1. Изобразите (качественно) температурные зависимости емкости и ɑ_с  этого конденсатора. Чему будет равна его емкость при температуре  T= -40^°С?

3.4 Магнитные материалы

Задача № 3.4.1 Почему диамагнетики намагничиваются противоположно направлению вектора напряженности внешнего магнитного поля? Как влияет температура на диамагнитную восприимчивость? Задача 3.4.2. К какому классу веществ по магнитным свойствам относятся полупроводники кремний и германий, химические соединения А^IIIВ^V? Задача 3.4.3. Назовите основные механизмы намагничивания ферромагнетика, приводящие к нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Задача 3.4.4. Могут ли обладать ферримагнитными свойствами сплавы, состоящие из неферромагнитных элементов? Задача № 3.4.5 Чем отличается спиновое обменное взаимодействие в ферро- и антиферромагнетиках? Задача № 3.4.6 Укажите, следствием какого универсального закона являются диамагнитные свойства вещества. Почему парамагнетизм, в отличие от диамагнетизма, не универсален? Как зависит диамагнитная восприимчивость химического элемента от его места в Периодической системе элементов? Задача № 3.4.7 Какими причинами обусловлен различный характер температурных зависимостей магнитной проницаемости магнитомягкого материала, измеряемой в слабом и сильном магнитных полях? Задача № 3.4.8 Найти индуктивность соленоида, имеющего 200 витков, намотанных на диэлектрическое основание, длиной l=50 мм. Площадь поперечного сечения основания S= 50 мм². Как изменится индуктивность катушки, если в нее введен цилиндрический ферритовый сердечник, имеющий магнитную проницаемость μ=400, определенную с учетом размагничивающего действия воздушного зазора? Задача № 3.4.9 Определить магнитную индукцию ферримагнитного сердечника, помещенного внутрь соленоида длиной l=20 см с числом витков n=800, если по обмотке проходит ток 0,2 А, а эффективная магнитная проницаемость сердечника μ=200. Задача № 3.4.10 Определить, сколько витков необходимо намотать на магнитный сердечник длиной 100 мм и диаметром 8 мм, чтобы получить индуктивность катушки L=10 мГн. Магнитную проницаемость сердечника считать равной 500.

3.5 Радиокомпоненты

Задача № 3.5.1 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резистор: G412M – конденсатор: 21m5Q; – катушки индуктивности: 164K; Задача № 3.5.2 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы:3T24M; – конденсатор: 18mQ; – катушки индуктивности: N12D; Задача № 3.5.3 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 523RB; – конденсатор: 3m32G; – катушки индуктивности: R10I; Задача №  3.5.4 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: T909F; – конденсатор: 1p96C; – катушки индуктивности: 332I; Задача № 3.5.5 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: R227G; – конденсатор: 487nB; – катушки индуктивности: 560M; Задача № 3.5.6 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 10K5D; – конденсатор: F47Y; – катушки индуктивности: 391K; Задача №  3.5.7 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 741KN; – конденсатор: p20F; – катушки индуктивности: 243I; Задача № 3.5.8 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 681MK; – конденсатор: 3m9K; – катушки индуктивности: 150I; Задача № 3.5.9 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 931MC; – конденсатор: F759N; – катушки индуктивности: 302M; Задача № 3.5.10 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 8M56I; 6n2K; – катушки индуктивности: 910M Задача № 3.5.11 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 1T8G; – конденсатор: 82mS; – катушки индуктивности: 620I; Задача № 3.5.12 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 16GK; p75B; – катушки индуктивности: 513M Задача № 3.5.13 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: 5G1D; – конденсатор: m816T; – катушки индуктивности: 1N3D; Задача № 3.5.14 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: K36G; – конденсатор: 665nM; – катушки индуктивности: 113I; Задача № 3.5.15 По приведённым кодовым и цветовым маркировкам определить номиналы и допуски радиокомпонентов: – резисторы: M91I: 5n6N; – катушки индуктивности: 4R3K;