НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Электроэнергетический факультет
Кафедра Полупроводниковых приборов и микроэлектроники
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан ЗФ ИДО
________________
“___ ”______________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины
«Электроматериаловедение»
квалификация - инженер
140211(100400) – Электроснабжение
Факультет: заочный
Курс 3, семестр: 5
Лекции: 8 час.
Лабораторные работы: 8 час.
Контрольная работа: 5 семестр
Самостоятельная работа: 182 час.
Зачет: 5 семестр
Всего: 200 час.
Новосибирск
2011
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 650900 – Электроэнергетика
Регистрационный номер 686 , от 01.01.2001 г.
ОПД. Ф.02.
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ППиМЭ, протокол № 4 от 24.05. 2011 года.
Программу разработал
доцент каф. ППиМЭ, к. т.н.
Заведующий кафедрой
профессор, д. т.н.
1. Внешние требования
Общие требования к образованности:
ОПД. Ф.02 Материаловедение. Технология конструкционных материалов.
Основы материаловедения; типы твердых тел, их свойства; атомно-кристаллическое строение, фазово-структурный состав сплавов; типовые диаграммы состояния; деформация, термическая обработка, наклеп, рекристаллизация; металлические материалы; новые металлические и неметаллические материалы; электроматериаловедение; классификация электротехнических материалов; диэлектрики, их электропроводность, пробой газов, жидких и твердых диэлектриков; теплопроводность; радиационная стойкость материалов; жидкие диэлектрики; полимеры; неорганические электроизоляционные материалы; проводниковые и сверхпроводниковые материалы.
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 | Инженеры по специальности 080502 |
Главная цель | Формирование знаний по классификации, назначению и применению материалов электромеханики, физической сущности процессов, определяющих свойства материалов, технологии получения и методов контроля их свойств |
Ядро курса | Классификация материалов по составу, свойствам и техническому назначению, особенности внутреннего строения вещества. 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. Физические процессы в магнитных материалах и их свойства. Магнитомягкие материалы, магнитные материалы специального назначения, магнитотвердые материалы. 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. |
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 дискретных полупроводниковых приборов |
Объём курса в часах | Курс состоит из 17 часа лекций и 17 часов лабораторных занятий. Полный объем курса составляет 119 часов. |
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, защита расчетно-графического задания); 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 электротехники в развитии науки, техники и технологии; - о классификации материалов по свойствам и техническому назначению; - о новейших методах получения, экспериментального исследования и характеризации материалов электротехники; - 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 устройств электромеханики; - методы оценки основных свойств материалов электротехники; - физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципа действия приборов и устройств электромеханики; - основные физические явления, используемые для создания устройств электромеханики. |
уметь | |
3 | - использовать основы теории твердого тела для постановки и решения задач описания процессов, происходящих в различных материалах; - делать обоснованный выбор методов исследования свойств материалов электротехнических устройств; - 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, радиационных воздействий; - определять надежность, стабильность и воспроизводимость характеристик материалов и элементов при наличии внешних воздействий; - математическое моделирование физических процессов, протекающих в устройствах электромеханики, с целью оптимизации параметров. |
иметь опыт | |
4 | - исследования основных характеристик материалов электромеханики; - применения справочного аппарата по выбору требуемых материалов и компонентов электромеханики 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 электромеханики. Роль и значение материалов в производстве приборов электротехники, 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 | 2 | 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 | 4 | 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 | 2 | 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 | 2 | 1, 2, 4 |
Материалы высокой проводимости. Сверхпроводимость и возможности ее использования. Контактные материалы. Сплавы высокого сопротивления. Припои и флюсы | 2 | 2 |
Физические процессы в полупроводниках и их свойства. Собственные и примесные полупроводники. Температурная зависимость концентрации носителей заряда. Механизмы рассеяния и подвижность носителей заряда в полупроводниках. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводников. Токи в полупроводнике. | 2 | 2, 3, 4 |
Полупроводниковые материалы. Классификация полупроводниковых материалов. Германий и кремний. Карбид кремния. Полупроводниковые соединения A3B5, A2B6, A4B4. | 1 | 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 | 1 | 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 | 1 | 2, 3 |
Перечень лабораторных работ.
3 семестр
1. Исследование электропроводности твердых диэлектриков.
2. Исследование сегнетоэлектриков.
3. Определение e и tgd различных диэлектриков в зависимости от температуры и частоты приложенного поля.
4. Зависимость tgd диэлектрика от напряжения в сильных электрических полях.
5. Учебная деятельность
В процессе изучения курса студенту предстоит:
· прослушать лекции;
· изучить с помощью учебно-методической литературы некоторые темы и разделы курса;
· выполнить 4 лабораторных работы – 3 семестр;
· выполнить расчетно-графическое задание – 3 семестр
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 электротехнике. Отчет по работе выполняется один на бригаду, а защищается каждым студентом персонально.
Расчетно-графическое задание выдается в начале семестра и выполняется индивидуально (см. список литературы п. 4). В конце семестра оформленное РГЗ сдается преподавателю и защищается.
Зачет проводится по контрольным вопросам с условием выполнения всех лабораторных работ и расчетно-графического задания в 3 семестре.
6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине
Оценка знаний и умений студентов по курсу проводится с помощью промежуточного зачета по освоению экспериментальной техники измерения параметров различных групп материалов и защите расчетно-графического задания, а также итогового зачета ”Материаловедение”, который включает в себя 57 вопросов по основным проблемам курса. Итоговый зачет проводится письменно. Задание включает в себя 2 теоретических вопроса.
7. Список литературы
Основной список
, , Тареев материалы. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. Тареев диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982. и др. технология конструкционных материалов. – М.: Машиностроение. 1985. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. , , . М.; Л.: Энергия, 1986. – 1986. – Т.1; –1986. – Т. П, 1987. – Т. Ш.Дополнительный список
Справочник по электротехническим материалам. В 3-х томах. Под ред. . - М. Энергоатомиздат, 1986 (1 экз.) Тареев диэлектрических материалов. - М. Энергоиздат., 1982 (139 экз.)8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине
Контрольные вопросы
1. Классификация материалов (по агрегатному состоянию и строению).
2. Классификация материалов (по применению и магнитным свойствам).
3. Общие сведения о строении вещества. Атом водорода.
4. Понятие атомных орбиталей.
5. Понятие электронных оболочек.
6. Магнитный момент атома. Ионизация атома.
7. Виды химической связи. Ковалентная связь. Обменное взаимодействие.
8. Свойства ковалентной связи (насыщения и направленности).
9. Ионная связь. Образование и свойства.
10. Металлическая и межмолекулярная связи.
11. Особенности строения твердых тел. Кристаллы.
12. Дефекты в строении кристаллических тел. Полиморфизм. Аморфные тела.
13. Элементы зонной теории твердого тела. Образование и свойства энергетических зон. Распределение электронов в зонах.
14. Выводы зонной теории. Проводники, полупроводники и диэлектрики.
15. Поляризация диэлектриков (основные понятия). Механизмы поляризации.
16. Электронная и ионная поляризации.
17. Дипольно-релаксационная и ионно-релаксационная поляризации.
18. Электронно-релаксационная, миграционная, резонансная и спонтанная поляризации.
19. Классификация диэлектриков по механизмам поляризации.
20. Влияние агрегатного состояния на диэлектрическую проницаемость. Диэлектрическая проницаемость газов.
21. Диэлектрическая проницаемость жидкостей, твердых и сложных диэлектриков.
22. Электропроводность диэлектриков. Механизм электропроводности.
23. Параметры, описывающие электропроводность диэлектриков.
24. Электропроводность газов и жидкостей.
25. Электропроводность твердых диэлектриков. Поверхностная электропроводность.
26. Диэлектрические потери (основные понятия).
27. Виды диэлектрических потерь.
28. Потери в веществе. Потери в газах и жидкостях.
29. Потери в твердом диэлектрике.
30. Пробой диэлектриков. Основные понятия.
31. Механизмы пробоя диэлектриков.
32. Пробой газов в однородном и неоднородном электрических полях.
33. Пробой жидкостей и твердых диэлектриков.
34. Влажностные и тепловые свойства диэлектриков.
35. Классификация диэлектриков. Нефтяные электроизоляционные масла.
36. Общие сведения о свойствах полимеров. Неполярные и полярные полимеры.
37. Понятие и классификация смол. Синтетические смолы (полиамидные, полиимидные, фенол-формальдегидные и полиэфирные).
38. Эпоксидные и кремнийорганические смолы. Природные и искусственные смолы.
39. Лаки и компаунды.
40. Порошковые пластмассы. Эластомеры.
41. Газообразные неорганические диэлектрики. Стекла.
42. Керамические материалы.
43. Классификация активных диэлектриков. Свойства сегнетоэлектриков.
44. Сегнетоэлектрические материалы.
45. Классификация и свойства проводниковых материалов.
46. Металлы высокой проводимости и высокого сопротивления.
47. Сверхпроводники и криопроводники. Сплавы для термопар. Контактные материалы. Припои и флюсы.
48. Основные свойства и классификация магнитных материалов.
49. Свойства ферромагнетиков.
50. Классификация сильномагнитных материалов. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
51. Классификация полупроводниковых материалов. Собственные полупроводники.
52. Примесные полупроводники. Основные и неосновные носители заряда.
53. Равновесная концентрация носителей заряда в собственном и примесном полупроводниках. Понятие вырожденного и невырожденного электронного газа. Температурная зависимость концентрации носителей заряда.
54. Сплавы меди. Наименования, основной химсостав, свойства и назначение отдельных марок.
55. Сплавы алюминия. Наименования, основной химсостав, свойства и назначение отдельных марок.
56. Природные полупроводники и полупроводниковые хим. соединения (AIIIBV, AIIBVI, SiC). Их основные свойства.
57. Молибден, вольфрам, ниобий, тантал, хром. Изготовление изделий из них, свойства и применение
9. Приложение
Пример экзаменационных билетов
Государственный комитет Российской федерации ----------------- НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ | Форма У-16 Экзаменационный билет № 1 Дисциплина: Материаловедение Факультет ЭЭФ Курс 3 |
1. Поляризация диэлектриков, основные виды поляризации.
2. Линейные полимеры.
Составил:
Утверждаю: Зав. кафедрой _______________________ проф.
