Skripta MTD Laboratorní cvičení

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ



Materiály a technická dokumentace
Laboratorní cvičení

Garant předmětu:
Doc. Ing. Josef Jirák, CSc.


Autoři textu:
Ing. Zdenka Rozsívalová
Ing. Petr Křivák, Ph.D.
Ing. Jiří Vaněk, Ph.D.





2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Obsah
1 ÚVOD........................................................................................................................... 7
1.1 ZÁSADY PRÁCE STUDENTŮ V LABORATOŘI .................................................................... 7
1.2 ZPŮSOB ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT ............................................................... 7
1.3 VSTUPNÍ ZNALOSTI A VĚDOMOSTI STUDENTŮ ................................................................ 8
1.4 VYBRANÉ KONSTANTY .................................................................................................. 8
2 LABORATORNÍ CVIČENÍ – NÁVODY DO CVIČENÍ ....................................... 9
2.1 MĚŘENÍ ODPORU VODIČŮ A ODPOROVÝCH MATERIÁLŮ ................................................. 9
2.2 MĚŘENÍ VA CHARAKTERISTIKY ŽÁROVKY, VARIÁTORU A VARISTORU........................ 12
2.3 MĚŘENÍ RELATIVNÍ PERMITIVITY A ZTRÁTOVÉHO ČINITELE IZOLANTŮ REZONANČNÍ
METODOU NA Q - METRU.............................................................................................. 20
2.4 MĚŘENÍ VNITŘNÍHO A POVRCHOVÉHO ODPORU IZOLANTŮ........................................... 29
2.5 MĚŘENÍ MĚRNÝCH ZTRÁT FEROMAGNETICKÝCH MATERIÁLŮ OSCILOSKOPICKOU
METODOU..................................................................................................................... 38
2.6 MĚŘENÍ A VYHODNOCENÍ TEPLOTNÍ ZÁVISLOSTI ODPORU TERMISTORŮ ...................... 44
2.7 MĚŘENÍ TERMOELEKTRICKÉHO NAPĚTÍ KOVŮ POMOCÍ MĚŘICÍ ÚSTŘEDNY HP 34970A47
2.8 MĚŘENÍ RELATIVNÍ PERMITIVITY A ZTRÁTOVÉHO ČINITELE IZOLANTŮ NA PŘESNÉM
RLCG-METRU ............................................................................................................. 52
2.9 MĚŘENÍ RE1ATIVNÍ PERMITIVITY A ZTRÁTOVÉHO ČINITELE IZOLANTŮ NA SCHERINGOVĚ
MOSTĚ.......................................................................................................................... 54
2.10 MĚŘENÍ TEPLOTNÍ ZÁVISLOSTI POČÁTEČNÍ PERMEABILITY FERITŮ.............................. 58
2.11 MĚŘENÍ VNITŘNÍHO A POVRCHOVÉHO ODPORU IZOLANTŮ POMOCÍ MEGAOHMMETRU HP
4339B.......................................................................................................................... 64
2.12 MĚŘENÍ ŠÍŘKY ZAKÁZANÉHO PÁSU POLOVODIČOVÝCH MATERIÁLŮ............................ 68
2.13 A) MĚŘENÍ MĚRNÝCH ZTRÁT FEROMAGNETICKÝCH MATERIÁLŮ KALORIMETRICKOU
METODOU..................................................................................................................... 74
.................................... 76B) PRÁCE S DATABÁZEMI ELEKTROTECHNICKÝCH MATERIÁLŮ
2.14 ELEKTRODOVÉ SYSTÉMY PRO MĚŘENÍ DIELEKTRICKÝCH VLASTNOSTÍ TUHÝCH A
KAPALNÝCH IZOLANTŮ ................................................................................................ 78
3 LITERATURA.......................................................................................................... 83




Materiály a technická dokumentace – laboratorní cvičení 3
Seznam obrázků
OBR. 2.1 VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA VARIÁTORU ................................................. 13
OBR. 2.2 ZAPOJENÍ ELEKTRICKÉHO OBVODU PŘI MĚŘENÍ NA VARIÁTORU............................ 13
OBR. 2.3 VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA VARISTORU.................................................. 14
OBR. 2.4 ZAPOJENÍ ELEKTRICKÉHO OBVODU PRO MĚŘENÍ CHARAKTERISTIK VARISTORU .... 15
OBR. 2.5 ZÁVISLOST LOG U = F(LOG I) PRO VÝPOČET KONSTANT NÁHRADNÍ MATEMATICKÉ
FUNKCE ................................................................................................................. 15
OBR. 2.6 PRINCIPIELNÍ SCHÉMA ZAPOJENÍ MĚŘICÍHO OBVODU............................................. 16
OBR. 2.7 ÚPRAVA MĚŘICÍHO OBVODU PRO POUŽITÍ MĚŘICÍ KARTY...................................... 16
OBR. 3.1 K VÝKLADU POLARIZACE VE STŘÍDAVÉM ELEKTRICKÉM POLI............................... 21
OBR. 3.2 KMITOČTOVÉ ZÁVISLOSTI SLOŽEK KOMPLEXNÍ PERMITIVITY A ZTRÁTOVÉHO
ČINITELE IZOLANTŮ............................................................................................... 22
OBR. 3.3 ZJEDNODUŠENÉ NÁHRADNÍ SCHÉMA KONDENZÁTORU S TECHNICKÝM
DIELEKTRIKEM ...................................................................................................... 22
OBR. 3.4 SÉRIOVÉ NÁHRADNÍ SCHÉMA A JEHO FÁZOROVÝ DIAGRAM................................... 23
OBR. 3.5 PARALELNÍ NÁHRADNÍ SCHÉMA A JEHO FÁZOROVÝ DIAGRAM............................... 23
OBR. 3.6 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA Q-METRU........................................................................... 25
OBR. 3.7 NÁHRADNÍ ZAPOJENÍ MĚŘICÍHO OBVODU Q-METRU.............................................. 25
OBR. 3.8 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA Q-METRU TESLA BM 311 S MĚŘICÍM PŘÍPRAVKEM TESLA
BP 3110 ................................................................................................................ 26
OBR. 3.9 NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO VÝPOČET tg δ NA Q-METRU BM 311 PŘI POUŽITÍ
PŘÍPRAVKU BP 3110 ........................................................................................... 27
OBR. 4.1 ZÁVISLOST REZISTIVITY IZOLANTŮ NA TEPLOTĚ ................................................... 30
OBR. 4.2 ČASOVÁ ZÁVISLOST NABÍJECÍHO PROUDU IZO1ANTU ............................................ 31
OBR. 4.3 ČASOVÁ ZÁVISLOST VYBÍJECÍHO PROUDU IZO1ANTU ............................................ 31
OBR. 4.4 ČASOVÁ ZÁVISLOST VNITŘNÍHO ODPORU IZOLANTU ............................................. 32
OBR. 4.5 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA METODY NAPĚŤOVÉHO DĚLIČE ......................................... 33
OBR. 4.6 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ VNITŘNÍHO ODPORU............................................. 33
OBR. 4.7 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ POVRCHOVÉHO ODPORU ...................................... 33
OBR. 4.8 NÁHRADNÍ ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ VNITŘNÍHO ODPORU MEGAOHMMETREM IM 5E34
OBR. 4.9 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ NABÍJECÍCH A VYBÍJECÍCH PROUDŮ ..................... 35
OBR. 5.1 SÉRIOVÉ NÁHRADNÍ SCHÉMA CÍVKY S FERO- ČI FERIMAGNETICKÝM JÁDREM A JEHO
FÁZOROVÝ DIAGRAM .......................................................................................... 40
OBR. 5.2 ZAPOJENÍ OBVODU PRO ZOBRAZENÍ HYSTEREZNÍ SMYČKY FEROMAGNETIKA NA
OSCILOSKOPU ........................................................................................................ 41
OBR. 5.3 URČENÍ ZTRÁTOVÉHO ČINITELE FEROMAGNETIK Z PLOCHY DYNAMICKÉ
HYSTEREZNÍ SMYČKY ............................................................................................ 41
OBR 6.1 TEPLOTNÍ ZÁVISLOST ODPORU TERMISTORU ......................................................... 45
OBR. 7.1 TERMOČLÁNEK ..................................................................................................... 48
OBR. 7.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ TERMOELEKTRICKÉHO NAPĚTÍ............................. 49
OBR. 7.3 SCHÉMA ZAPOJENÍ IZOTERMICKÉHO BLOKU V MULTIPLEXU .................................. 50
OBR. 9.1 PRINCIPIÁLNÍ ZAPOJENÍ SCHERINGOVA MOSTU ..................................................... 55
OBR. 10.1 KŘIVKA B = F(H) A ZÁVISLOST Μ
R
= F(H) FEROMAGNETIKA ................................ 59
OBR. 10.2 TEPLOTNÍ ZÁVISLOST RELATIVNÍ PERMEABILITY (H null KONST.). ........................... 61
OBR. 10.3 ŘEZ ZKUŠEBNÍM VZORKEM TVARU TOROIDU......................................................... 62
OBR. 11.1 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ VNITŘNÍHO ODPORU............................................. 65
OBR. 11.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ POVRCHOVÉHO ODPORU ...................................... 65
OBR. 12.1 PÁSMOVÝ MODEL VODIVOSTI POLOVODIČE........................................................... 68
OBR. 12.2 TEPLOTNÍ ZÁVISLOST KONCENTRACE NOSIČŮ ELEKTRICKÉHO NÁBOJE
V POLOVODIČI ....................................................................................................... 69
4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
OBR. 12.3 TEPLOTNÍ ZÁVISLOST KONDUKTIVITY (MĚRNÉ ELEKTRICKÉ VODIVOSTI)
POLOVODIČE.......................................................................................................... 69
OBR. 12.4 LINEÁRNÍ USPOŘÁDÁNÍ HROTOVÝCH DOTEKŮ PŘI MĚŘENÍ KONDUKTIVITY
ČTYŘBODOVOU METODOU................................................................................... 71
OBR. 12.5 ZAPOJENÍ ELEKTRICKÉHO OBVODU PŘI MĚŘENÍ KONDUKTIVITY POLOVODIČŮ
ČTYŘBODOVOU METODOU................................................................................... 72
OBR. 13.1 ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ ZTRÁT FERO- A FERIMAGNETIK KALORIMETRICKOU
METODOU .............................................................................................................. 74
OBR. 14.1 TŘÍELEKTRODOVÝ ROVINNÝ SYSTÉM .................................................................... 78
OBR. 14.2 TŘÍELEKTRODOVÝ VÁLCOVÝ SYSTÉM ................................................................... 79
OBR. 14.3 SCHÉMATICKÉ USPOŘÁDÁNÍ TŘÍELEKTRODOVÉHO SYSTÉMU PRO KAPALNÉ
IZOLANTY.............................................................................................................. 80
OBR. 14.4 DVOUELEKTRODOVÉ SYSTÉMY ............................................................................. 80



Seznam tabulek
TABULKA 5.1 ÚDAJE O MĚŘENÝCH VZORCÍCH..................................................................... 38
TABULKA 12.1 FUNKCE POTŘEBNÉ PRO VÝPOČET KONDUKTIVITY POLOVODIČOVÉHO
MATERIÁLU ................................................................................................... 71
TABULKA 12.2 FUNKCE POTŘEBNÉ PRO VÝPOČET KONDUKTIVITY POLOVODIČOVÉHO
MATERIÁLU ................................................................................................... 71
TABULKA 12.3 FUNKCE POTŘEBNÉ PRO VÝPOČET KONDUKTIVITY POLOVODIČOVÉHO
MATERIÁLU ................................................................................................... 72

Materiály a technická dokumentace – laboratorní cvičení 5
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Studijní program: Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika
Studium: Bakalářské
Studijní obor: Mikroelektronika a technologie
Název předmětu: Materiály a technická dokumentace
Garantující ústav: Elektrotechnologie
Garant: Doc. Ing. Josef Jirák, CSc.

Rozsah předmětu: 2/3 (65 hod), z toho: přednášky 26 hod
Kredity: 6 cvičení 39 hod
P N L C O hod kredit garant
26 9 15 0 12 5 6 UETE

Anotace:
Materiály a technická dokumentace (BMTD)
1B1 – P – 5/6 – zk - UETE
Materiály pro elektrotechniku a elektroniku, klasifikace. Elektricky vodivé a odporové materiály.
Supravodivost. Feromagnetické a ferimagnetické materiály. Dielektrické a izolační materiály. Polovodičové
materiály. Materiály pro optoelektroniku. Kompozitní materiály. Normalizace dokumentů (ISO, EN, IEC, ETS,
ČSN). Výkresy součástí a sestavení. Schémata v elektrotechnice. Dokumentace pro desky plošných spojů (DPS).
Diagramy. Textové dokumenty. Informační databáze. Počítačové podpory pro tvorbu dokumentace.
Osnova:
1) Účel, význam, třídění, druhy a normalizace technických dokumentů (ISO, EN, IEC, ETS, ČSN). Způsoby
a metody zpracování. Význam grafické informace.
2) Prostředky počítačové podpory (MS Word, MS Excel, OrCAD/SDT, AutoCAD).
3) Metody zobrazování na výkresové dokumentaci, metoda E a A, názorné zobrazení. Náležitosti výkresů
součástí. Výkresy sestavení, výkresy s elektrickou montáží.
4) Elektrotechnická schémata (ČSN IEC 617). Zobrazování spojů a vazeb. Označování přípojných míst,
spojů a vazeb. Způsoby a metody znázornění na schématech.
5) Základní dokumentace pro plošné spoje. Terminologie, třídy přesnosti, provedení, náležitosti základních
dokumentů. Druhy základních grafických dokumentů.
6) Textové dokumenty (ČSN ISO 5966), požadavky na uspořádání, zpracování a úpravu. Diagramy a jejich
tvorba. Informační databáze - základy, rešerše.
7) Materiály pro elektrotechniku a elektroniku. Složení, struktura a řízení vlastností materiálů. Látky
krystalické, amorfní a reálně nekrystalické. Pásový model vodivosti.
8) Vodivé materiály. Materiály elektrovodné a odporové. Pájky, materiály na doteky, termočlánky, pojistky.
Materiály pro zátavy a soubory vývodů. Supravodiče.
9) Polovodičové materiály. Elementární a sloučeninové polovodiče. Polovodiče vlastní
a příměsové. Organické polovodiče. Termodynamická rovnováha v polovodičích
10) Organické a anorganické izolační materiály. Dielektrické materiály. Piezoelektrika, elektrety. Laky,
lepidla, tmely.
11) Materiály magneticky měkké a magneticky tvrdé. Fero- a ferimagnetické materiály, práškové magnetické
materiály. Materiály pro záznamová média. Kovová skla.
12) Materiály pro optoelektroniku. Optická vlákna, tekuté krystaly. Displeje a zobrazovače.
13) Kompozity a plátované materiály. Materiály pro výrobu plošných spojů. Materiály
a ekologie z pohledu ISO 14000.

6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Osnova cvičení:
Cvičení z předmětu „Materiály a technická dokumentace“ se dělí na
9 cvičení laboratorní 6x v semestru
9 cvičení počítačová 4x v semestru
9 cvičení konstrukční a numerická 3x v semestru

Seznam laboratorních úloh

1) Měření teplotní závislosti rezistivity vodivých a odporových materiálů
2) Měření VA charakteristiky žárovky, variátoru a varistoru
3) Měření relativní permitivity a ztrátového činitele izolantů rezonanční metodou na
Q - metru
4) Měření vnitřního a povrchového odporu izolantů
a) metodou napěťového děliče (Megaohmmetrem IM5e)
b) metodou voltampérovou
5) Měření měrných ztrát feromagnetických materiálů osciloskopickou metodou
6) Měření a vyhodnocení teplotní závislosti odporu termistorů
7) Měření termoelektrického napětí kovů pomocí měřicí ústředny HP 34970A
8) Měření relativní permitivity a ztrátového činitele izolantů na přesném RLCG-metru
9) Měření relativní permitivity a ztrátového činitele izolantů na Scheringově mostě
10) Měření teplotní závislosti počáteční permeability feritů
11) Měření vnitřního a povrchového odporu izolantů pomocí megaohmmetru HP 4339B
12) Měření šířky zakázaného pásu polovodičových materiálů
13) a) Měření měrných ztrát feromagnetických materiálů kalorimetrickou metodou
b) Práce s databázemi elektrotechnických materiálů
















Materiály a technická dokumentace – laboratorní cvičení 7
1 Úvod
Elektronické učební texty „Materiály a technická dokumentace“ – laboratorní cvičení jsou
určeny především studentům 1. ročníku všech oborů bakalářského studijního programu
„Elektrotechnika, elektronika a komunikační technika“ (EEKR) Fakulty elektrotechniky
a komunikačních technologií (FEKT) VUT v Brně. Jsou zpracovány jako návody pro
laboratorní cvičení části „Materiály v elektrotechnice“ předmětu „Materiály a technická
dokumentace“.
Laboratorní cvičení nabízejí studentům možnost ověřit si na vybraných materiálech některé
používané metodické postupy měření a výpočtů vlastností materiálů používaných
v elektrotechnice a elektronice. Úlohy jsou voleny tak, aby doplnily a rozšířily znalosti
studentů získané, jednak na přednáškách, jednak studiem elektronických učebních textů.
Vzhledem k tomu, že každý student měří v průběhu semestru pouze čtyři úlohy, je seznam
úloh sestaven tak, aby student absolvoval úlohy řešící problematiku různých skupin materiálů.
U každé úlohy je uveden cíl, zadání, teoretický úvod, měřicí metoda, postup měření a shrnutí.
1.1 Zásady práce studentů v laboratoři
a) Měření úlohy je možné začít až po kontrole zapojení učitelem.
b) Závadu na měřicím přístroji nebo měřeném vzorku je třeba ihned ohlásit učiteli.
Poškození přístrojů a zařízení laboratoře vzniklé nedbalostí studenta bude opraveno na
jeho náklady.
c) Každý student si vede samostatné záznamy o průběhu jednotlivých laboratorních
cvičení, do nichž zapisují veškeré údaje o cvičení (číslo a název úlohy, datum měření,
atmosférické podmínky, naměřené a vypočtené hodnoty, použité měřicí přístroje
a zařízení, …). Záznamy vedou studenti na dvojlist formátu A4; další listy, grafy apod.
vloží do základního dvojlistu. Na závěr laboratorního cvičení uklidí studenti pracoviště,
předloží učiteli ke kontrole a podpisu naměřené a vypočtené hodnoty a vrátí zadání úlohy
a návod pro měření. Studenti musí být na každé cvičení připraveni. Přípravu provádí
písemně – nesmí chybět název a číslo měřené úlohy, datum měření, definice měřené
veličiny, stručný popis měřicí metody, použité vztahy včetně legendy a jednotek, schéma
zapojení. Připravenost studentů na cvičení učitel namátkově kontroluje. Zjištění zásadních
neznalostí v problematice měřené úlohy může být důvodem k vyloučení ze cvičení.
Studenti si na všechna cvičení nosí dvojlist kancelářského papíru formátu A4 s přípravou,
další volné listy papíru formátu A4, kapesní kalkulátor, psací a rýsovací potřeby
a milimetrový papír.
1.2 Způsob zpracování naměřených hodnot
Naměřené a vypočtené hodnoty studenti zpracují formou laboratorní zprávy v rámci
cvičení tak, aby splnili všechny body zadání a laboratorní zprávu předloží ke kontrole
učiteli. V případě, že student nezvládne zpracovat laboratorní zprávu ve cvičení, dokončí
ji doma a odevzdá nejpozději v následujícím laboratorním cvičení. Hotové, zkontrolované
a opravené laboratorní zprávy studenti ukládají do složky, s jejímž vzorem jsou seznámeni
na úvodním cvičení.

8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Povinné údaje v laboratorní zprávě:
a) číslo a celý platný název úlohy dle seznamu úloh
b) zadání úlohy včetně údajů o měřených vzorcích (platná zadání jsou ta, která mají studenti
na stole u úlohy nebo ta, která najdou na www stránce UETE, resp. v elektronických
textech)
c) atmosférické podmínky (teplota okolí, atmosférický tlak, relativní vlhkost)
d) body a) až c) je možno zapisovat do doporučené úvodní strany k laboratornímu cvičení
e) stručný teoretický úvod zahrnující definice měřených veličin, princip měřicí metody
a použité vztahy doplněné legendou a jednotkami
f) schéma zapojení
g) použité měřicí přístroje a zařízení (uvést všechny přístroje, přípravky a zařízení, která se
při měření používají); u každého přístroje se uvádí název, typ, výrobce a evidenční nebo
výrobní číslo, u ručkových přístrojů navíc systém přístroje, rozsah a třída přesnosti
h) tabulka naměřených a vypočtených hodnot a kompletní příklad výpočtu pro vybraný řádek
tabulky
i) grafy zpracované na milimetrovém papíře, příp. vytvořené pomocí výpočetní techniky
j) zhodnocení měření (porovnání naměřených hodnot, srovnání naměřených, resp.
vypočtených hodnot s údaji získanými z tabulek, …)
k) součástí laboratorní zprávy musí být učitelem podepsané poznámky ze cvičení.
Zpracovaná laboratorní cvičení jsou bodována. Za každou dokončenou laboratorní zprávu
se udělují maximálně 3,5 body.
1.3 Vstupní znalosti a vědomosti studentů
9 Schopnost samostatného studia učebního textu
9 Základy matematického a grafického zpracování výsledků měření.
1.4 Vybrané konstanty
značka hodnota vlastnost
c 2,998 .10
8

m.s
-1
rychlost světla
h 6,626 .10
-34