Badanie przenikalności.

1. Omowić mechanizmy polaryzacji
-Elektronowa. Przyłożone pole elektryczne powoduje przesunięcie powłok elektronowych względem dodatnich jąder. „Środki ciężkości” ładunkow nie pokrywają się i powstaje indukowany moment dipolowy. Polaryzacja ta zachodzi w czasie 10–15 ¸ 10–13 s zależnie od rodzaju dielektryka. Nie pociąga za sobą strat energii i nazywana jest polaryzacją deformacyjną. Wywołany przez nią prąd elektryczny jest czysto pojemnościowy. Polaryzacja ta występuje w materiałach o cząsteczkach symetrycznych

-Atomowa(jonowa)- Ten rodzaj polaryzacji występuje w materiałach ktorych cząstki zbudowane są z niejednakowych atomow i chmury elektronowe jednych atomow są przesunięte w kierunku drugich silniej je wiążących. Atomy w takiej cząsteczce posiadają przewagę ładunkow – jedne dodatnich, drugie – ujemnych. Przesunięcie tych wypadkowych ładunkow względem siebie stanowi istotę tej polaryzacji. Niezależnie od tej polaryzacji skręcanie powstałych w ten sposob dipoli w kierunku pola jest źrodłem polaryzacji dipolowej. Polaryzacja atomowa, zwana teŜ jonową, jest rownieŜ polaryzacją deformacyjną odbywającą się bez strat. Polaryzacja ta zachodzi w czasie 10–14 ¸ 10–12 s. Przenikalności elektryczne względne dielektryków charakteryzujących się występowaniem tej polaryzacji wynoszą e’ = 4 ¸ 12. Przedstawiciele: szkło, mika, materiały ceramiczne, kwarc.

-dipolowa- Asymetryczny rozkład ładunkow pomiędzy niejednakowymi atomami jest źrodłem trwałych momentow dipoli istniejących także w nieobecności zewnętrznego pola elektrycznego. Ponieważ są one zorientowane w rożnych kierunkach ich moment wypadkowy jest na ogoł bliski zeru. Pod wpływem przyłożonego pola zewnętrznego na dipole działają momenty sił dążące do zgodnego z polem ich ustawienia. Polaryzacja dipolowa, zwana też polaryzacją orientacji, jest polaryzacją stratną – zachodzi w czasie 10–10 ¸ 10–2 s. Obroty dipoli związane są z pokonywaniem oporow ośrodka – występuje więc rozpraszanie energii. Przenikalność elektryczna wynosi: e’ = 3 ¸ 6. Przedstawiciele materiałow charakteryzujących się występowaniem tego mechanizmu polaryzacji to: guma wulkanizowana, bakelit, polichlorek winylu, polioctan winylu.

-ładunku przestrzennego- Polaryzacja ta wynika z ruchu nośnikow elektryczności. ktore mogą się przesuwać w dielektryku na pewnych odległościach. Ruch nośnikow jest hamowany powodując, że ładunki nie mogą być swobodnie zobojętniane na elektrodach. Powstaje ładunek przestrzenny powodujący zniekształcenie pola przejawiające się we wzroście pojemności materiału.

2. Pojęcie przenikalności elektrycznej materiałów
przenikalność dielektryczna względna pokazuje ile razy pojemność

układu z dielektrykiem jest większa od pojemności układu próżniowego. Pojemność natomiast przedstawia sobą swoistą chłonność ładunku elektrycznego przez układ przy danym napięciu między jego elektrodami C=Q/U, Q-ładunek na każdej z elektrod, U-przyłożone napięcie, C-pojemność ukł. próżniowego.

3. Podać definicję tg phi i omowić jego zależność od temperatury i częstotliwości
Straty energii w dielektryku charakteryzuje wspołczynnik strat dielektrycznych. Źrodła tych strat to:

- upływność materiału,

- polaryzacje stratne,

- wyładowania niezupełne (przy wysokim napięciu).

Po względem zachowania elektrycznego dielektryk odpowiada kondensatorowi połączonemu z rezystorem. Obok składowej prądu ładowania występuje prąd strat: Dla połączenia rownoległego R i C i napięcia sinusoidalnego możemy napisać Tg phi=1/wRC

4. Zespolona przenikalność dielektryczna
ε’= ε’rz - j ε’ur.
ε’rz - rzeczywista względna przenikalność elektryczna wyrażająca zdolność magazynowania energii

w dielektryku, ε’ur - urojona względna przenikalność elektryczna wyrażająca zdolność rozpraszania energii.

5. Obwody równoważne
Obwod rownoważny to taki obwod, ktorego odpowiedź na przyłożone napięcie w szerokim zakresie

częstotliwości jest taka sama jak dielektryka. Dla jednej wybranej częstotliwości istnieje dowolna liczba

interpretacji układowych zwanych schematami zastępczymi, z ktorych najprostsze to obwody: równoległy i szeregowy (rys. 3.10).

6. Metody pomiaru pojemności i wspołczynnika strat dielektrycznych
Wybór metody pomiarowej zależy od wymaganej częstotliwości pomiarowej. Norma PN-86/E-04403

wymienia następujące układy pomiarowe:

- mostek Scheringa zakres 15 Hz ¸ 1 kHz,

- mostek Giebego-Zicknera zakres 15 Hz ¸ 500 kHz,

- mostek transformatorowy zakres 15 Hz ¸ 50 MHz,

- metoda rezonansowa określenia rownoległej rezystancji zakres 100 kHz ¸ 50 MHz,

- metoda rezonansowa określania szerokości krzywej rezonansowej zakres 10 kHz ¸ 100 MHz,

- miernik dobroci zakres 10 kHz ¸ 300 MHz,

- mostek czteropojemnościowy zakres 100 kHz ¸ 300 MHz.

Przy pomiarach przenikalności dielektrycznej i wspołczynnika strat dielektrycznych zaleca się stosowanie

układu trojelektrodowego (rys. 3.12). Dokładność pomiaru zależy rownież od dokładności przylegania

elektrod do próbki. Wykorzystać można następujące elektrody:

- wykonane z powłok połprzewodzących,

- wykonane metodą metalizacji natryskowej,

- elektrody napylane,

- elektrody wypalane (np. w przypadku próbek ceramicznych),

- elektrody z ciekłych metali,

- elektrody grafitowe,

- elektrody z folii metalowej (naklejane).

Własności statyczne
1. Metody wyznaczania indukcji w próbce - Rozróżnia się trzy metody pomiaru indukcji próbki:

a) metoda balistyczna (metoda kolejnych przyrostów i komutacyjna),

b) metoda składowej normalnej,

c) metoda magnetometryczna.

Metodę balistyczną realizuje się z zastosowaniem przetwornika indukcyjnego. Sygnałem wejściowym

przetwornika (cewki nawiniętej na próbce) jest zmiana indukcji, a sygnałem wyjściowym całka z indukowanego

napięcia. Pole w próbce zmienia się skokowo, a za pomocą przetwornika wyznacza się zmiany

indukcji. Całkę z impulsu napięcia wyjściowego mierzy się galwanometrem balistycznym lub strumieniomierzem.

Metoda składowej normalnej pomiaru indukcji w próbce opiera się na ciągłości składowej indukcji

normalnej do powierzchni granicznej między ferromagnetykiem a powietrzem. W badanej próbce, prostopadle

do linii pola magnetycznego, jest wykonana wąska szczelina. Indukcja w próbce jest równa indukcji

szczeliny. Mierzy się ją za pomocą przetwornika pola w powietrzu, np. hallotronowego lub gaussotronowego.

Metoda magnetometryczna umożliwia wyznaczenie magnetyzacji próbek otwartych. Ze zmierzonego

pola oblicza się moment magnetyczny próbki, a następnie jej magnetyzację.

2. Metody wyznaczania natężenia pola magnetycznego - Natężenie pola magnetycznego w próbce wyznacza się:

a) metodą pośrednią z prądu magnesującego,

b) metodą pomiaru bezpośredniego.

Metoda pośrednia wyznaczenia pola polega na ustaleniu ilościowego związku między prądem magnesującym

a natężeniem pola w próbce, a następnie na pomiarze prądu magnesującego.

Metoda pomiaru bezpośredniego polega na wykorzystaniu ciągłości składowej natężenia pola stycznej

do powierzchni granicznej między ferromagnetykiem a powietrzem.

Natężenie pola w ferromagnetyku magnesowanym równolegle do powierzchni granicznej jest równe

natężeniu pola zewnętrznego tuż przy powierzchni granicznej. Natężenie tego pola można mierzyć za pomocą potencjometru magnetycznego, cewki nieruchomej, cewki wirującej, przetwornika transduktorowego lub hallotronowego.

3. Skalowanie galwanometru balistycznego Skalowania galwanometru można dokonać przy pomocy tzw. cewki normalnej. Cewkę taką można otrzymać nawijając jednowarstwowo na niemagnetycznym karkasie najpierw uzwojenie wtórne, a następnie pierwotne. Długość cewki normalnej powinna być taka, aby natężenie pola magnetycznego wytworzonego przez prąd płynący przez uzwojenie pierwotne było jednostajne w tej części rdzenia na której znajduje się uzwojenie wtórne. Praktycznie stosunek długości cewki do jej średnicy powinien być nie

mniejszy niż 10. Po wyskalowaniu galwanometru nie można zmieniać nastawień rezystorów R3 i R4 (rys. 9.1) mających wpływ na tłumienie i zakres pomiarowy galwanometru. Przy pomiarach przeprowadzanych na próbce notujemy wychylenie galwanometru (αmax) przy skokowej zmianie prądu magnesującego i obliczamy zmianę indukcji (ΔB) w próbce wykorzystując wyznaczoną stałą K
S - przekrój próbki, zp - liczba zwojów


4. Omówić metodę kolejnych przyrostów Wyznaczanie pierwotnej krzywej magnesowania metodą kolejnych przyrostów polega na zwiększaniu prądu magnesującego (od zera do stanu nasycenia) w sposób skokowy i pomiarze w czasie tych zmian prądu kolejnych przyrostów indukcji ΔB za pomocą galwanometru balistycznego. Współrzędne punktu leżącego na krzywej magnesowania określają: natężenie pola magnetycznego H3 obliczone z ustalonego prądu magnesującego, oraz indukcja obliczona poprzez dodanie kolejnego przyrostu do wartości indukcji określającej położenie poprzedniego punktu pomiarowego (B2 + ΔB3).

5. Metoda komutacyjna wyznaczania krzywej magnesowania i pętli histerezy. Pomiar rozpoczyna się z punktu a. Graniczną pętlę należy ustalić przez kilkakrotną zmianę biegunowości prądu. Współrzędne punktu 1 wyznacza się przy skokowym zmniejszeniu prądu magnesującego. Odczyt galwanometru balistycznego pozwala na obliczenie ΔB1, a wartość prądu magnesującego pozwala obliczyć H. Następną operacją jest powrót do granicznej pętli histerezy i ustalenie jej przez kilkakrotną komutację. Współrzędne punktu 2 wyznacza się realizując większe niż poprzednio skokowe zmniejszenie prądu magnesującego. Postępując w ten sam sposób po każdym pomiarze, dochodzimy do skokowego zmniejszenia prądu magnesującego do zera i wyznaczenia współrzędnych punktu oznaczonych na rysunku 9.4 przez „r”. Tym sposobem wyznaczony został odcinek pętli histerezy a – r. Następny etap to wyznaczenie odcinka pętli b – k – r. Należy połączyć zmianę biegunowości z włączeniem rezystora w obwód prądu magnesującego tak, aby próbka znalazła się w punkcie 1’, a nie w punkcie b. Odczytu galwanometru dokonuje się przy zwieraniu tego rezystora (przejście do punktu b), co odpowiada zmianie indukcji ΔB1’. Następna czynność to przejście do punktu a, kilkakrotna komutacja, a następnie przełączenie biegunowości w kierunku punktu b z jednoczesnym włączeniem rezystora o nieco większej rezystancji. Znajdziemy się wówczas w punkcie 2’. Czynności należy powtarzać aż do wyznaczenia całego odcinka b – k – r. Drugą część pętli histerezy (b – r’ oraz a – k’ – r’) uzyskujemy w ten sam sposób zaczynając pomiary przy przeciwnej biegunowości prądu magnesującego. Operując wyłącznikami należy zawsze pamiętać, aby zmiany prądu magnesującego powodowały przesuwanie punktu pracy z obiegiem pętli histerezy.

Badanie ogniw słonecznych

1. Zasada działania ogniw fotowoltaicznych Jeżeli na półprzewodnik (samoistny lub domieszkowany) pada promieniowania świetlne, to jego przewodnictwo elektryczne silnie wzrasta ponieważ w półprzewodniku powstają pary dziurowo-elektronowe. W przypadku złącza p-n zjawisko fotoelektryczne powoduje zmianę rozkładu nośników w złączu w porównaniu z rozkładem, gdy złącze jest nieoświetlone. Zmiana kontaktowej różnicy potencjałów jest równoważna powstaniu siły fotoelektrycznej. Następuje tu zatem bezpośrednia zamiana energii promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną.

2. Technologia wytwarzania ogniw słonecznych Produktem wyjściowym jest wysoko oczyszczony krzem występujący jako odpad przy produkcji układów scalonych. We wspomnianej metodzie (Heliotronic) zamiast hodowli jednorodnych kryształów dla układów scalonych, roztopiony krzem zostaje wlany w formę, gdzie poprzez specjalnie opracowany proces chłodzenia powstaje kolumnowa, multikrystaliczna struktura krzemu, bez rys i naprężeń. Dla płytek krzemu przeznaczonych do produkcji ogniw słonecznych powstał standard 10 cm × 10 cm. Blok zostaje

rozcięty na części o takiej powierzchni. Następnie proces technologiczny obejmuje operacje typowe przy wytwarzaniu półprzewodników o różnym mechanizmie przewodzenia (półprzewodniki typu n i typu p). Na zakończenie procesu technologicznego następuje łączenie ogniw w szereg i równolegle. Obok opisanej technologii wytwarzania ogniw słonecznych pojawiają się baterie na podłożach giętkich, które są wykonywane z tellurków i selenków cynkowców za pomocą technologii cienkowarstwowej (tzw. naparowywanie). Zaletą tej technologii jest łatwość uzyskiwania dużych powierzchni czynnych (do 300 cm2). Baterie cienkowarstwowe z tellurku kadmu (CdTe) osiągają sprawność 6..8%.

3. Zastosowanie ogniw słonecznych Przykłady zastosowania ogniw słonecznych:

− największa na świecie elektrownia Carissa Plain w Kalifornii ma moc 6,5 MW,

− największa w Europie elektrownia słoneczna o mocy 300 kW została zbudowana na wyspie Pellvorn na Morzu Północnym – zajmuje 1,6 ha,

− dachówki domów jako ogniwa słoneczne,

− oświetlenie tablic drogowych,

− instalacja słoneczna zasilająca pompy nawadniające (Afryka),

− zestaw ogniw służących do zasilania turystycznych chłodziarek,

− elektrownia (15 kW) z której są ładowane akumulatory pojazdów z napędem elektrycznym.

Produkowane przez wyspecjalizowane firmy panele (moduły) słoneczne składają się z połączonych zesobą pojedynczych krzemowych ogniw a wytwarzany przez nie prąd elektryczny służy na ogół do ładowania akumulatorów z których następnie zasilane jest urządzenie odbiorcze. W ten sposób możliwe jest wykorzystanie energii słonecznej również w nocy.