变压器物理教案

2024-10-15

变压器物理教案（精选6篇）

变压器物理教案篇1

物理教案变压器

教学目标

一、知识目标

1、知道变压器的构造．知道变压器是用来改变交流电压的装置．

2、理解互感现象，理解变压器的工作原理．

3、掌握理想变压器工作规律并能运用解决实际问题．

4、理解理想变压器的原、副线圈中电压、电流与匝数的关系，能应用它分析解决基本问题．

5、理解变压器的输入功率等于输出功率．能用变压器的功率关系解决简单的变压器的电流关系问题．

6、理解在远距离输电时，利用变压器可以大大降低传输线路的电能消耗的原因．

7、知道课本中介绍的几种常见的变压器．

二、能力目标

1、通过观察演示实验，培养学生物理观察能力和正确读数的习惯．

2、从变压器工作规律得出过程中培养学生处理实验数据及总结概括能力．

3、从理想变压器概念引入使学生了解物理模型建立的基础和建立的意义．

三、情感目标

1、通过原副线圈的匝数与绕线线径关系中体会物理学中的和谐、统一美．

2、让学生充分体会能量守恒定律的普遍性及辩证统一思想．

3、培养学生尊重事实，实事求是的科学精神和科学态度．

教学建议

教材分析及相应的教法建议

1、在学习本章之前，首先应明确的是，变压器是用来改变交变电流电压的．变压器不能改变恒定电流的电压．互感现象是变压器工作的基础．让学生在学习电磁感应的基础上理解互感现象．这里的关键是明白原线圈和副线圈有共同的铁芯，穿过它们的磁通量和磁通量的变化时刻都是相同的．因而，其中的感应电动势之比只与匝数有关．这样原、副线圈的匝数不同，就可以改变电压了．

2、在分析变压器的原理时，课本中提到了“次级线圈对于负载来讲，相当于一个交流电源”；一般情况下，忽略变压器的磁漏，认为穿过原线圈每一匝的磁通量与穿过副线圈的磁通量总是相等的．这两个条件，都是“理想”变压器的工作原理的内容．利用课本中的这些内容，教师在课堂上，首先可以帮助学生分析变压器原理，原线圈上加上交变流电后，铁心中产生交变磁通量；在副线圈中产生交变电动势，则副线圈相当于交流电源对外供电．在这个过程中，如果从能量角度分析，可以看成是电能（原线圈中的交变电流）转换成磁场能（铁心中的变化磁场），磁场能又转换成电能（副线圈对外输出电流）．所以，变压器是一个传递能量的装置．如果不计它的损失，则变压器在工作中只传递能量不消耗能量．

要使学生明白，理想变压器是忽略了变压器中的能量损耗，它的输出功率与输入功率相等，这样才得出原、副线圈的电压、电流与匝数的关系式．在解决有两个副线圈的变压器的问题时，这一点尤其重要．当然，在初学时，有两个副线圈的变压器的问题，不做统一要求，不必急于去分析这类问题．对于学有余力的学生，可引导他们进行分析讨论．

3、学生对变压器原理和变压器中原、副线圈的电压、电流的关系常有一些似是而非的模糊认识，引导学生认真讨论章后习题，对学生澄清认识会有所帮助．

4、变压器的电压公式是直接给出的．课本中利用原、副线圈的匝数关系，说明了什么是升压变压器和什么是降压变压器，这也是为了帮助学生能记住电压关系公式．利用变压器的输出功率和输人功率相等的关系，得到了．建议教师做好用输出负载调节输入功率的演示实验．引导学生注意观察，当负载端接入的灯泡逐渐增多时，原、副线圈上的电压基本上不发生变化，原线圈中的电流逐渐增大，副线圈中的电流也逐渐增大．

5、介绍几种常见的变压器，是让学生能见到真实的变压器的外型和了解变压器的实际构造．教师应当尽可能多地找一些变压器的给学生看一看．变压器在生产和生活中有十分广泛的应用．课本中介绍了一些，教学中可根据实际情况向学生进行介绍，或看挂图、照片、实物，或参观，以开阔学生眼界，增加实际知识

6、电能的输送，定性地说明了在远距离输送电能时，采用变压器进行高压输电可以大大减少输电线路上的电能损失．这里重点描述了输电线上的电流大小与造成的电热损失的关系，教师应帮助学生分析，理解采用高压输电的必要性．

教学重点、难点、疑点及解决办法

1、重点：变压器工作原理及工作规律．

2、难点：

（l）理解副线圈两端的电压为交变电压．

（2）推导变压器原副线圈电流与匝数关系．

（3）掌握公式中各物理量所表示对象的含义．

3、疑点：变压器铁心是否带电即如何将电能从原线圈传输出到副线圈．

4、解决办法：

（l）通过演示实验来研究变压器工作规律使学生能在实验基础上建立规律．

（2）通过理想化模型建立及理论推导得出通过原副线圈电流与匝数间的关系．

（3）通过运用变压器工作规律的公式来解题使学生从实践中理解公式各物理量的含义．

变压器物理教案篇2

电力变压器是电网的重要组成部分,其安全稳定运行十分重要。铁芯和绕组作为电力变压器的重要部件,影响着变压器的电磁性能和机械性能,其优劣是变压器能否健康运行的重要标准。统计数据显示,变压器运行中,铁芯和绕组引起的故障在总故障中排第三位,是变压器的主要故障源[1,2]。因此对变压器振动的严格限制已成为一种现实要求,同时变压器振动水平的高低,也成为衡量变压器生产厂家设计和制造水平的重要指标[3,4,5]。对此国家有关部门也出台了一系列的政策和标准,以此来最大限度地规范变压器的振动和噪声[6]。

电力变压器在运行时铁芯及绕组的振动和变压器容量、硅钢片的材质、铁芯结构、磁通密度等特性有关。振动的根源在于以下三个方面:硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动;硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力, 从而引起铁芯的振动;当绕组中有负载电流通过时, 负载电流产生的漏磁引起绕组的振动[7,8]。

目前国内外针对变压器振动的研究侧重于绕组在变压器短路等异常工作时其绕组的轴向力、辐向力和弯曲变形,并未对空(轻)载和负(超)载条件下进行绕组和铁芯振动的各自的纵向比较。同时诸多文献给出了磁致伸缩效应是铁芯振动的主要根源的结论,但并没有用具体数据指出磁致伸缩在变压器振动中如何起主导作用[9,10,11]。在理解变压器振动原理的基础上,采用COMSOL仿真软件,将一台S11系列35 kV、1 600 kVA的三相三柱式电力变压器作为研究对象,通过建立包括电磁场和结构力场两个模块的偏微分方程,在兼顾铁芯、绕组的材料属性影响的同时研究铁芯和绕组在不同负载条件下的磁通分布和应力应变,计算变压器不同负载条件时铁芯、绕组对变压器振动的贡献。

1 变压器多物理场研究

1.1 变压器振动分析

变压器的铁芯振动是由漏磁作用下的洛伦兹力和铁芯硅钢片的磁致伸缩引起的[12,13]。所谓磁致伸缩效应是指:铁心材料在施加外磁场时,其内部随机取向的磁畴发生旋转,使得各磁畴的磁化方向趋于一致,铁芯对外显示的宏观效应即沿磁场方向伸长或缩短。由于与极性无关,所以磁致伸缩引起的铁芯振动频率是基频的两倍。磁致伸缩有线磁致伸缩和体积磁致伸缩两种形式。在变压器铁芯中的磁致伸缩一般指的是线磁致伸缩,其大小跟硅钢片退火温度、机械应力、静压力等因素有关[14]。

当变压器绕组中流过负载电流时,绕组周围就会产生漏磁通,由于电流和漏磁场的作用,在绕组内产生洛伦兹力,洛伦兹力的大小正比于电流的平方。运行中的变压器绕组可以看成受外界激励的质量—刚度—阻尼的机械振动结构,因为受到洛伦兹力的影响,做着复杂的机械运动。空载时绕组中电流很小,洛伦兹力也很小,机械振动微弱,对变压器的振动贡献就小;负载较大时,机械运动更为强烈进而带动变压器整个物件振动,同时以声波形式向外扩散[15]。

1.2 电磁场模块

在变压器运行时,由铁芯构成的磁路中存在着交变的电磁场,变压器铁芯中的电磁场方程为

$\nabla \times \frac{1}{u} \nabla \times A = J - γ \frac{\partial A}{\partial t} + γ (u \nabla A) (1)$

式(1)中:u是磁导率,A是磁位移矢量,J是电流密度,γ是电导率。由于变压器铁芯相对较高的磁导率,铁芯表面的边界条件由式(2)给出

n×H=0- (2)

H是磁场强度,n是铁芯表面的单位法向量,此公式表示磁场旋度为零,无法向电流,在边界面上。

求解域中的铁芯的材料属性为:相对磁导率是700,导电率是110×105 S/m。绕组选用软件材料库里面默认的铜材料。

1.3 结构力场模块

结构力场模块是建立在电磁场研究的基础上,对于铁芯而言是将电磁场模块中计算得来的洛伦兹力和铁芯磁通的磁致伸缩变化的效应与结构力场进行耦合,建立结构力学方程,进行结构力场的分析[16]。

对绕组上受到的力可以用下述方程来表示

∇·σ+fv=ρa (3)

$\begin{array}{l} f_{v} = J \times B = \\ [- γ \frac{\partial A}{\partial t} - γ \nabla v + γ v \times (\nabla \times A)] \times (\nabla \times A) (4) \end{array}$

式(4)中σ为应力张量,fv是洛伦兹力,ρ是密度,v是振动速度,a是矢量加速度。应力张量由胡克定律给出

σij=cijklεkl (5)

这里σ为应力张量,εkl是应变张量,cijkl是弹性模量,d是位移矢量。应变可以通过式(6)的位移方程求得

$ε = \frac{1}{2} [\nabla d + (\nabla d)^{Τ}] (6)$

应变与位移的关系建立如下方程:

${\begin{cases} ε_{x} = \frac{\partial d_{x}}{\partial x}, ε_{y} = \frac{\partial d_{y}}{\partial y}, ε_{z} = \frac{\partial d_{z}}{\partial z} \\ ε_{x y} = \frac{1}{2} (\frac{\partial d_{x}}{\partial y} + \frac{\partial d_{y}}{\partial x}) \\ d_{z} = 0, ε_{x z} = ε_{y z} = 0 \end{cases} (7)$

在这里εx表示x方向的应变,同理类推εy等,εxz,εyz表示切应变。为简化计算建立的是二维模型,所以在z方向上没有切应变和位移变化。建模时铁芯的泊松比设置为0.3,杨氏模量为120×109 Pa,铜绕组的泊松比为0.32,杨氏模量为90×109 Pa。根据上述方程整理得到如下矩阵公式

-ST1[C]S2d=fv (8)

式(8)中C是材料的杨氏模量,S1、S2由式(9)给出

$S_{1} = (\begin{matrix} \frac{\partial}{\partial x} + \frac{1}{x} & 0 \\ 0 & \frac{\partial}{\partial y} \\ - \frac{1}{x} & 0 \\ \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial x} + \frac{1}{x} \end{matrix}), S_{2} = (\begin{matrix} \frac{\partial}{\partial x} & 0 \\ 0 & \frac{\partial}{\partial y} \\ \frac{1}{x} & 0 \\ \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial x} \end{matrix}) (9)$

2 计算结果分析

选用一台35 kV、1 600 kVA的三相三柱式电力变压器作为研究对象,运行条件分为空载和负载,分析类型选为瞬态分析,求解器步长设置为0.05ms,求解时间是10 ms,为五个周期,可以代表一般意义。网格剖分共含有7 466个三角单元,其中绕组部分特别细化,其余部分自由剖分,剖分结果如图1所示,其中外框上的纵横坐标单位是米(m),变压器器身二维结构尺寸为2.4×1.6(m)。为计算方便采用正负轴对称布置。

2.1 铁芯磁通分布

为模拟真实运行时不同负载的情况,在对绕组施加额定三相电压激励的同时对绕组施加不同负载电流,图2是在T=0.018 s时刻下的主磁通和漏磁分布图。为简化计算,铁芯结构布置没有刻意避免漏磁,所以从仿真结果看到,漏磁通既在绕组中存在,同时又在绕组周围存在。

2.2 铁芯的振动

由于铁芯各方向的振动与磁致伸缩各方向的力有关,而磁致伸缩各方向的力与各方向的主磁通有关,又由于负载和空载条件下,铁芯中主磁通的变化很小,因此假设忽略不同负载下铁芯受磁致伸缩作用振动的变化,这样磁致伸缩作用对铁心振动的影响只需研究空载条件即可。

空载条件下由于空载电流的存在,铁芯要受到洛伦兹力的影响。在结构力场模块中,同时对铁芯施加磁致伸缩力和洛伦兹力作为激励,并且为了对比效果明显,铁芯的边界在软件中设置为自由和约束两种状态,自由既对铁芯的任意边界都不进行约束,只要受力就会发生形变。约束是指为了比对自由的效果,刻意将铁芯下部设置为约束条件也即不发生形变。自由和约束状态下的等效应力(N/m2)分布情况如图3和图4所示。

当在结构力场模块中单独对铁芯施加磁致伸缩力和洛伦兹力的激励时,铁芯的等效应力(N/m2)分布情况分别如图5和图6所示。比较图5和图6 中铁芯的等效应力可以看出:磁致伸缩效应引起铁芯的形变是轴向和辅向,而洛伦兹力对铁芯的影响只在辅向方向,这完全符合物理结构受力分析;磁致伸缩效应对铁芯振动的影响远远大于洛伦兹力的作用,其数量级相差2倍,所以磁致伸缩效应引起的铁芯振动才是铁芯振动最主要的根源。

2.3 绕组的振动

绕组振动主要是绕组中流通的漏磁和电流相互作用的洛伦兹力引起,其大小与负载电流的大小有直接关系。图7和图8分别为空载和额定负载条件下绕组的等效应力(N/m2)分布情况。从图中数据明显看出负载情况下绕组的振动是空载条件下振动的十倍甚至几十倍,其原因在于洛伦兹力大小正比于绕组中电流的平方。

3 结语

因铁芯硅钢片的磁致伸缩效应和绕组洛伦兹力的存在,变压器运行过程中会振动,并产生噪声。使用COMSOL软件对三相电力变压器铁芯振动及线圈振动的2D对称模型进行仿真和分析。选用其瞬态求解器,通过相应设置完成了多场耦合计算。采用硅钢片预变控制,分析了磁致伸缩效应对变压器振动的影响;同时分析了绕组所受洛伦兹力作用对振动的贡献。给出的数据形象地验证了以下结论:空载或轻载条件下变压器的振动主要在于铁芯的振动,而铁芯的振动甚至完全可以看做是硅钢片的磁致伸缩造成的;在变压器负载较大的时候或者超负荷运行时,由于绕组所受洛伦兹力正比于电流的平方,此时不可忽略绕组振动对变压器振动的贡献,这为后续的如何降振、降噪的研究提供了借鉴。

摘要：根据变压器振动产生机理,在时变电磁场及结构力学方程的基础上,使用COMSOL建立物理模型,从多场耦合的角度,对一台三相三柱式电力变压器在空载和负载条件下其磁场分布、铁芯磁致伸缩应力、应变及绕组洛伦兹力分别进行计算。计算结果给出的图像形象验证了空载和轻载时磁致伸缩是铁芯振动的主要原因,满载和过载情况下绕组洛伦兹力对变压器振动的贡献不能忽视,为后续的如何降振、降噪的研究提供了借鉴。

有关高中物理变压器的问题篇3

关键词：变压器理想变压器远距離输电电流电压

一、变压器的构造及工作原理

（1）变压器是根据电磁感应的原理来改变交流电的电压或电流的装置。其基本构造是由绕在同一闭合铁芯上的输入线圈（原线圈）和输出线圈（副线圈）构成。

（2）基本关系式：电压关系：U11U2=n11n2

电流关系：n11n2=I21I1

功率关系：P出=P入

10-2-1二、理想变压器问题

中学阶段所学的变压器指的是“理想变压器”。如果在能量损失很小，能够忽略原、副线圈的电阻，以及各种电磁能量损失，这样的变压器我们称之为理想变压器。

变压器的工作原理类问题，常与电磁感应、欧姆定律等知识综合命题：理想变压器实质上是一个能量转化的装置。解这类问题要抓住能量守恒关系中的P入=P出，I1U1=I2U2。由于变压器的线圈都绕在同一铁芯上，对所有线圈ΔΦ21Δt2都相同。又由于E=nΔΦ21Δt2，因此各线圈的电动势（开路时的端电压）均与匝数成正比。这两个关系是解决所有变压器问题的理论根据。变压器的电压、电流与线圈匝数比的问题，是变压器问题考查的重要内容。此类问题，大致有两种情况：一是负载电阻不变，原、副线圈的电压U1、U2，电流I1、I2，输入和输出功率P1、P2随匝数比变化而变化的情况；另一类是匝数比不变，上述各量随负载电阻变化而变化的情况。不论哪种情况都要注意：（1）根据题意分清变量和不变量。（2）要弄清各物理量的制约关系。输入电压U1决定输出电压U2，这是因为不论负载电阻R变化与否，U2不会变化。输入电流I1决定输出电流I2，在输入电压U1一定的情况下，输出电压U2也确定了。当负载电阻R增大时I2减小，I1也相应减小，；反之，当负载电阻R减小时，I2就会增大，而I1也相应增大。在使用变压器时，不能使变压器次级短路。

三、远距离输电问题的分析

电能的输送问题是与生产生活密切相关的问题，是变压器在生活中的实际应用。怎样既“经济”又“保质”地将电能输送到用户？也就是既没有太大电能的损失，又保证各种用电设备正常工作，即低压发电——高压输电——低压用户。对于远距离高压输电问题，一般认为传输的电功率是一定的。因此对输配电系统，输入总功率=输电线上损失的功率+用电器得到的功率。由于输电线上损失电功率的变化影响到升压变压器原线圈两端的电压的变化。所以，先由输电线上的功率损失求出输出电线中的电流，即流过升压变压器副线圈和降压变压器原线圈的电流，再由n11n2=I11I2，求出升压变压器原线圈中的电流I1，然后根据P1=I1U1求出原线圈两端的电压U1。

解决较复杂的输电问题，需要画出输电线路示意图，再按照“发电——升压——输电线——降压——用电器”的顺序一步一步进行分析。在分析中应注意各段电压、电流、功率的关系：（1）输电过程中的能量损失Q=I2Rt。

（2）升压变压器副线圈中的电流、输电线上的电流、降压变压器原线圈中的电流三者相等。

（3）升压变压器副线圈两端电压等于输出电压，而输出电压等于线路上的损耗电压和降压变压器原线圈上的电压之和。

变压器的这部分知识，在高考中已经由原来的Ⅰ级要求变为Ⅱ级要求，可见高考已把此部分内容作为重点内容。希望通过此文的讲解，各位能有所收获。

参考文献：

变压器教案篇4

课题研究目标：

该节课的重点是理解变压器工作原理，探究变压器线圈两端的电压、电流与匝数的关系。创立情境，让学生探究、思考，总结处理实际的方法，培养其学习物理的兴趣。开发物理微型课程专题，提高课堂教学效率。

教学目标：

知识和技能：

1．了解变压器的构造及其工作原理；

2．掌握理想变压器的原、副线圈中电压、电流与匝数的关系，并能应用它分析解决基本问题。

过程与方法：

1．通过探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系实验，培养学生物理观察能力和正确读数的习惯，并学会处理数据并提高概括能力。

2．从理想变压器概念引入使学生了解物理模型建立的基础和建立的意义。

情感态度和价值观：

1．通过原副线圈的匝数与线圈电压关系中体会物理学中的和谐、统一美。

2．让学生充分体会能量守恒定律的普遍性及辩证统一思想。教学重点：

变压器的工作原理和规律教学难点：

理解副线圈两端电压是与原线圈频率相同的交变电流，推导变压器原、副线圈电流、电压与匝数的关系，学会处理实际问题教学方法：

定性分析、定量推导教学过程：

一、新课引入

在日常生活中，不同地方所需电压不一样。家用电器所需电压为220V，半导体收音机所需的电压不超过10V，电视机显像管却需要10000以上的高电压······而大型发电站发出的交流电压有几万伏，所以常常需要改变交流电压的电压值，以适应各种不同的需要。变压器就是改变交流电压的设备。

二、新课教学

（一）变压器的构造

由铁芯和线圈组成,如图1所示。

（二）工作原理：互感现象

在原、副线圈中由于交变电流而发生的互相感应现象。由于互感现象，绕制原、副线圈的导线虽然并不相连，电能却可以通过磁场从原线圈到达副线圈。变压器只改变交流电的电压，并不改变其周期和频率。

（二）理想变压器的基本规律

1、理想变压器：忽略能量损失的变压器（忽略原副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器）。

2、电压关系

推导过程：由法拉第电磁感应定律可知

E1n1 E2n2

tt故E1:E2n1:n2

又对理想变压器：E1U1 E2U

2所以U1:U2E1:E2n1:n2

当n1n2时，U1U2；升压变压器

n1n2时，U1U2；降压变压器。

3、功率关系：无能量损失，故P1P2

4、电流关系：由功率关系可得U1I1U2I2又知U1:U2n1:n2，则I1:I2n2:n1（只适用于只有一个副线圈的变压器）。

5、对于有多个副线圈的变压器

电压关系：U1:U2:U3:.....n1:n2:n3:......功率关系：p1p2p3......电流关系：U1I1U2I2U3I3......6、变压器各物理量之间的制约关系

（1）在理想变压器中，原线圈的端电压U1是不变的，其值由电源决定，与原副线圈的匝数n1、n2无关；副线圈的端电压U2由U1和匝数比n1/n2共同决定的，与负载电阻无关。

（2）在原副线圈的匝数比n1/n2和输入电压U1确定的情况下，原线圈的输入电流I1是由副线圈的输出电流I2决定的。

变压器油中溶解气体分析教案解读篇5

一、产气原理(一绝缘油的分解

大约油温在 150℃时,就能产生甲烷;150-500℃左右时产生乙烷;大约 500℃时产生乙烯,随着温度的逐渐升高,乙烯占总烃的比例越来越大;800-1200℃左右时产生乙炔。生成碳粒的温度约在 500-800℃左右。

变压器油主要是由碳氢化合物组成(烷烃 C n H 2n+2,环烷烃 C n H 2n 或 C n H 2n-2 ,芳香烃 C n H 2n-6。绝缘纸的成分主要是碳水化合物(C 6H 10O 6 n。由电和热故障的结果可以使某些 C-H 键和 C-C 键断裂,伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基,这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合,形成氢气和低分子烃类气体,如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等, 也能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物(X-石蜡。故障初期, 所形成的气体溶于油中;当故障能量较大时,也能聚集成游离气体。碳的固体颗粒及碳氢聚合物可沉积在设备内部。

低能放电,如局部放电,能过离子反应促使最弱的键 C-H 键断裂,主要重新化合成氢气。随着放电能量越来越高,如火花放电、电弧放电,能使 C-C 断裂,然后迅速以 C-C 键、C=C键、C ≡ C 键的形式重新化合成烃类气体。

(二绝缘纸的分解

纸、层压板或木块等固体绝缘材料分解时,主要产生 CO、CO2,当

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怀疑故障涉及固体绝缘时,一般 CO 2/C0〈 3。(三气体的其它来源

如分接开关油室向主油箱渗漏(C 2H 2高;设备油箱带油补焊(C 2H 2高;潜油泵出故障(是高速泵,轴和轴瓦产生磨擦, C 2H 2高,应改为低速泵;变压器油中含水(H 2高;本体受潮(H 2高等均可产生气体。(三变压器内部故障的类型

变压器内部故障分为热性故障和电性故障两种,热性故障按温度高低又分为低温过热、中温过热和高温过热三种故障,电性故障按放电的能量密度分为局部放电、火花放电和电弧放电三种故障,现分别叙述如下。

1、热性故障

热性故障是指变压器内部的局部过热温度升高,而不是变压器正常运行时由铜损和铁损转化而来的热量,使上层油温升高。

(l 热性故障的分类。当变压器内部发生局部过热时,人们可以按温度的升高范围分为四种情况:150℃以下属于轻微过热故障, 150~300℃属于低温过热 , 300~700℃属于中温过热 ,大于 700 ℃属于高温过热。(2 热性故障产生的气体。热性故障是因热效应造成绝缘物加速裂解, 所产生的特征气体主要是甲烷和乙烯 ,两者总量约占总烃的 80%,随着故障点温度的升高,乙烯在总烃中所占的比例增大,甲烷为次,乙烷和氢气更次。其中氢气的含量一般在 27%以下。通常热性故障是不

产生乙炔的, 但是,严重过热也会产生少量乙炔,其最大含量不超过总烃量的 6%,当过热涉及固体绝缘物时,除了产生上述气体外,也会产生大量的 CO 和 CO 2。

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(3 热性故障产生的原因, 可以分为下列三种情况:①接点接触不良, 如引线连接不良,分接开关接触不良,导体接头焊接不良等,这种故障约占过热性故障的一半。②磁路故障,由于铁心两点或多点接地造成循环电流发热,如穿心螺丝轭铁夹件或压环压钉碰铁心;油箱及下轭铁等处有铁磁杂物;铁心用部分硅钢片短路造成涡流发热如连片短接,硅钢片间绝缘损坏或老化,以及漏磁引起的外壳、铁心夹件、压环等局部发热等。③导体故障,部分绕组短路,或不同电压比并列运行引起的循环,电流发热, 绝缘导体因超负荷过流发热,绝缘膨胀,注油堵塞而引起的散热不良等。(4热性故障的危害。热性故障的危害同故障部位有关,如果热点出现在固体绝缘材料中,则将引起材料的热解和劣化,热点范围和温度也会逐渐升高,最终导致电弧性热点而造成设备的损坏。如果热点出现在探金属部分,则将发生烧坏铁心、螺栓、螺帽垫板等部件,最终也会使设备损坏。同时探金属过热往往涉及到固体绝缘,造成固体绝缘的劣化和热解, 进而损坏了固体绝缘材料的绝缘性能,最后造成更大的损坏后果。因此对热性故障决不可掉以轻心,必须防微杜渐,将故障在萌芽状态就予以消除。

2、电性故障

电性故障是在高电应力作用下所造成的绝缘劣化, 根据放电的能量密度不同 ,又把电性故障分为高能量放电、火花放电和局部放电三种类型。

1、局部放电

局部放电是一种低能量的放电 ,变压器内部出现这种放电时,情况比较复杂,按绝缘介质的不同可将局部放电分为气泡局部放电和油中局部

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放电,按绝缘部位来分,则有绝缘空穴、电极尖端、油角间隙、油一板中的油隙和油中沿固体绝缘表面等五处的局部放电。

(1局部放电的原因

①当油中存在空气泡或固体绝缘材料中存在空穴或空腔, 由于气体的介电常数和时压强度均低于油和纸绝缘材料,易引起放电。

②外界环境条件的影响如油处理不彻底, 带进杂物和水分, 或因外界气温下降,油析出气泡等,都会引起放电。

③由于制造质量不良如某些部位有尖角、毛刺、漆瘤等,它们承受的电场强度较高首先出现放电。

④金属部件或导电体之间的接触不良而引起的放电。

局部放电的能量密度虽不大, 但它的进一步发展将会形成放电的恶性循环,最后导致设备的击穿或损坏,而引起严重的事故。

(2局部放电产生气体的特征

局部放电产生的气体,主要依据放电能量不同而不同。放电能量密度在 10-9C 以下时,一般总烃不高,主要成分是氢气,其次是甲烷 ,氢气占氢烃总量的 80%~90%,当放电能量密度为 10-8~10-7C 时,则氢气相应降低,而出现乙炔,但乙炔在烃总中所占的比例也不到 2%,这是局部放电与其他放电现象区别的主要标志。

局部放电除了使油裂解产生气体外,还会产生一种 X 蜡沉渍物,同时,油分子结构也会发生改变,从液相色谱分析发现,经过局部放电后, 油中的芳香烃组分减少,环烷烃组分增大,因此,可以采用液相色谱仪检

武汉华能阳光电气有限公司测变压器的局部放电故障。

2、火花放电

当放电能量密度大于 10-6C 的数量级时,就出现火花放电。它常见如下情况:①套管引线断裂或套管储油柜对电位未固定的套管导电管放电;②引线对油箱距离太近或引线过长,或引线局部接触不良或铁心接地片损坏或接地不良引起的放电;③分接开关拨又电位悬浮而引起的放电;④结构设计和制造工艺的缺陷导致绝缘沿西放电,匝间或层间局部短路或受外部因素的影响,如雷击。⑤操作过电压、过负荷、外部多次短路等引起的匝层间放电。

火花放电的特征气体是以乙炔和氢气为主,其他烃类气体为次,乙炔在烃总量所占的比例可达 25%~90%,氢气如占氢烃总量的 30%以上。

3、电弧放电

电弧放电是高能量放电 ,常以绕组匝层间绝缘击穿为多见,其次为引线断裂或对地闪络和分接开关飞孤等故障。这种故障由于放电能量密度大,产气急剧常以电子扇形式冲压电介质,使绝缘纸穿孔、烧焦或炭化, 使金属材料变形或熔融烧毁,严重会造成设备烧损或爆炸故障,这种故障一般事先难以预测,也无预兆,是以突发的形式暴露出来。出现这种故障后,气体继电器中的 H 2和 C 2H 2等组分高达几千微升/升,变压器油亦炭化而变黑,油中特征气体的主要成分是乙炔和 H 2,其次是乙烯和甲烷。当放电故障涉及到固体绝缘时,除了上述气体外,还会产生 CO 和 CO 2。

4、三种放电形式的比较

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这三种放电的形式既有区别又有一定的联系, 讲它们的区别是指放电能级和产气组分的区别,而联系是指局部放电是其他两种放电的前奏, 而后者又是前者的必然结果。二是要了解变压器内出现的故障并不是单一某种类型的故障,往往是一种类型伴随着另一种类型,或几种类型同时出现,因此油中故障气体组分有时显得复杂多变,需要我们认真分析,具体对待。

变压器等设备内部进水受潮也是一种内部潜伏性故障, 除非早期发现,及时处理,否则最终也会发展成放电性故障,甚至造成设备损坏,系统停电事故。

当设备内部进水受潮时,油中水分和含混杂质易形成“小桥” ,或者绝缘中含有气隙均能引起局部放电,从而产生氢气。除此之外水分在电场作用下的电解作用和水与铁的化学反应,也均可产生大量的氢气。(四不同故障类型产生的特征气体

表 1 不同故障类型产生的特征气体

二、故障的识别

判断设备是否存在潜伏性故障及其故障的的严重程度不同时,要根据设备的历史状况和设备的结构特点及外部环境等因素进行综合判断。

1.出厂和新投运的设备

表 2 对出厂和新投运的设备气体含量的要求 μL/L 2.运行中设备油中溶解气体的注意值

表 3 变压器、电抗器和套管油中溶解气体含量的注意值 μL/L

表 4 电流互感器和电压互感器油中溶解气体含量的注意值 μL/L

在识别设备是示波器存在故障时,不仅需考虑油中溶解气体含量的绝对值,还应注意:(1注意值不是划分设备有无故障的唯一标准。当气体浓度达到注意值时,应进行跟踪分析,查明原因。

(2对 330KV 及以上的电抗器, 当出现痕量(小于 1μL/L 乙炔时也应引起注意。(3互感器的运行温度低,产气量也少,一旦出现 C2H2超过注意值时, 一定是设备出故障,应立即退出运行。

(4套管的运行情况和变压器相似,但结构不同,对电容式套管,末屏易受潮,进而向内侵蚀,所以故障一般是局部放电。(5注意区别非故障情况下的气体来源,进行综合分析。

3、设备中气体增长率注意值

(1 绝对产气速率;即每运行日产生某种气体的平均值,按下式计算: γa= ρ

m t C C i i ⋅∆-1, 2, 式中:γa ——绝对产气速率, mL/d;C i,2——第二次取样测得油中某种气体浓度, μL/L;C i,1——第一次取样测得油中某种气体浓度, μL/L;

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Δt ——二次取样时间间隔中的实际运行时间, d;m ——设备总油重, t;ρ——油的密度, t/m3 表 5 绝对产气速率的注意值 mL/d

(2 相对产气速率:即每运行月某种气体含量增加原有值的百分数的平均值,按下式计算: γr=

%1001 1 , 1 , 2, ⨯∆⨯-t C C C i i i 式中;γr ——相对产气速率, %/月;C i,2——第二次取样测得油中某种气体浓度, μL/L;C i,1——第二次取样测得油中某种气体浓度, μL/L;Δt ——二次取样时间间隔中的实际运行时间,月;总烃的相对产气速率注意值为 10%/月,岩石时,应引起注意。对总烃含量低的设备,不宜采用此判据。

产气速率在很大程度不同上依赖于设备类型、负荷情况故障类型、所用绝缘材料及其老化程度,应结合这些情况进行综合分析。判断设备状况时,还应考虑到呼吸系统对气体的逸事散作用。

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三、故障类型的判断(一特征气体法

根据表 1所列的不同故障类型所产生的气体可推断设备的故障类型。(二三比值法

三比值法的原理是:根据充油电气设备内油、绝缘在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系,从五种特征气体中选用二种溶解度和扩散系数相近的气体组分组成三结比值,以不同的编码表示;根据表 6的编码规则和表 7故障类型判断方法作为诊断故障性质的依据。这种方法消除了油的体积效应影响,是判断充油电气设备故障类型的主要方法。

表 6 编码规则

表 7 故障类型判断方法

表 8 溶解气体分析解释表

注:1•在互感器中 CH 4/H2<0.2时为局部放电。在套管中 CH 4/H2<0.7为局部放电。

(三其它辅助方法

1.在对三比值法的判断结果有疑问时或者三比值的编码组合表中没有时,可采用气体比值的立体图示法和大卫三角形法。

2.热点功率和热点温度的估算。T=322 Log(C2H 4/C2H 6+525(四充油电气设备的典型故障

武汉华能阳光电气有限公司表 9 电力变压器的典型故障

表 11 套管的典型故障

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川 #1主变内部过热故障的分析、诊断与检修处理摘要本文介绍了河南周口供电局 220千伏川汇变电站川 #1主变存在故障的分析、判断过程,通过对油中气体的色谱分析,发现变压器存在故障的理论依据,根据 DL/T722-2000《导则》判断,考查产气速率,判断变压器存在的故障性质:高温过热故障,制定了变压器检修方案,查出了变压器存在的问题。本文详细阐述了从缺陷发现,分析到解决的过程,为处理类似缺陷提供宝贵的实践经验。

关键词 :色谱分析跟踪检查故障诊断

一、概述

变压器是变电站的重要设备,变压器的运行状况直接影响电能的正常输送。因此,各发电及供电单位都非常注重变压器的绝缘监督、运行维护及消缺工作,色谱分析是通过对油中溶解气体的分析检测充油电气设备存在潜伏性故障的一个重要方法,是监督、保障设备安全运行的一个重要手段,通过对特征气体的分析及三比值法,能及时掌握变压器运行情况,及早发现设备故障、故障性质及故障发展变化的情况,查出问题,消除缺陷, 保证变压器安全稳定运行。本文介绍了川 1#主变自 2004年 7月投运后, 色谱分析发现主变存在的故障过程,故障性质诊断方法,查出的问题及处理结果。

二、主变技术数据

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周口 220千伏川汇变电站川 #1主变主要参数为: 型号:SFPSZ9-150000/220 连接组别:YN,yn0,d11 电压:230±8╳ 1.25%/121/10.5 kV 空载损耗:97.2kW 空载电流:0.174% 生产厂家:山东电力设备厂出厂日期:2004年 3月 16日

三、故障分析及处理(一故障初期分析

川 #1主变自 2004年 6月 26日投运以来, 进行了例行的高压试验和油化验,高压试验数据符合投运要求,而油色谱分析却出现乙炔及总烃升高情况,故对其加强了跟踪分析。

表 1 色谱分析数据

象,故进行了相关的色谱分析:(正常运行监督:至少三个月一次;新投运的变压器及电抗器:至少在投运后的 1天、4天、10天、30天监测

1、故障产气速率分析

(a 相对产气速率

γr={[(Ci2-C i1/ Ci1]/Δt }×100% ={[(56.32-1.45/ 1.45]/(4/30 }×100% =28381%/月≥ 10%/月

武汉华能阳光电气有限公司(b 绝对产气速率 γa= [(Ci2-C i1/ Δt]×(m/ρ =[(56.32-1.45/ 4]×(46/0.89 =709mL/d(国标规定相对产气速率注意值不大于 10%/月,绝对产气速率不大于 12mL /d 可见, 气体上升速度很快, 且远大于 10%/月和 12mL /d , 可认为设备有异常 , 必须跟踪分析。

2.用判断故障性质的三比值法来分析

C 2H 2/C2H4=2.12/32.92≈ 0.06 CH4/H2=17.76/21.95≈ 0.81 C 2H 4/C2H 6=32.92/3.52≈ 9.35 上述比值范围编码组合为(0、0、2 ,由此推断,故障性质为“高于 700℃高温范围的过热故障” ,再用经验公式计算

T=322 Log(C2H 4/C2H 6+525 T=322 Log(32.92/3.52+525=837.64℃ 其估算温度也与上述结论相符。

可见满足判据条件,可判断是变压器高温过热故障。

经进一步运行跟踪检查,发现主变有铁芯接地电流。综上所述,完全有理由认为设备有异常 , 需停电检修。

(二故障的确切定位及处理

2004年 7月 9日对变压器进行停电检查,检测铁芯对地绝缘电阻仅为 58欧姆,分析判断为变压器铁芯多点接地。为了消除铁芯多点接地,采用了“电容电流放电法、大电流冲击法”等方法,但铁芯多点接地故障并未消除,故暂时采用在铁心外接地引线串接可调电阻,将接地电流限制在 0.1mA 以下 , 变压器继续投运。

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经多次色谱跟踪分析 , 气体组分含量基本稳定 , 但一直居高不下 , 没有增长趋势。这说明了故障没有继续发展 , 但是故障隐患一直存在 , 问题不容忽视。

表 2 色谱跟踪分析数据

长时间运行会影响变压器铁芯绝缘 , 给变压器安全运行带来隐患。经与变压器厂方共同研究, 决定对变压器进行吊罩消缺。

2004年 11月 25日,在川汇变电站川 #1主变现场,准备开始吊罩工作。首先对变压器油箱内的绝缘油向外排放, 然后准备对主变上部及侧部观察孔密封盖进行拆

除(环境温度 16℃,空气相对湿度 20%,风力微弱。主变本体内变压器油全部放尽,观察孔上、下密封盖全部拆除。用兆欧表再次测量主变铁芯绝缘电阻指示为零。随即由专业人员进入主变本体内进行检查,首先用橡朔外壳的防爆手电筒照明目测和红外探测仪进行全面排查后,变压器器身外

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侧人员用摇表对 0.4微法、2500伏电容器充电,对主变铁芯外接地引线进行放电,本体内人员多次观察和静听内部放电声音,经过多次放电和反复的视听,不断缩小观察范围。下午 1点钟,当电容器第十次放电时,检查人员终于发现主变内部的“放电”位置在 10千伏低压侧 B、C 两相之间下部的铁芯夹件与铁心之间。用手无法直接取出,之后检查人员用一块高强磁铁(用铁丝和布带绑扎严密送入放电位置,取出引起多点接地的金属异物。经分析判断,引起川 #1主变铁芯多点接地的金属异物是一个“M20镀锌螺丝帽”(如右图示 ,该螺丝帽两边沿有磨损,其中六个侧面的一个面有明显放电痕迹;当该螺丝帽取出后,测量主变铁芯绝缘电阻为 5000兆欧。经现场专业技术人员分析确认, 220千伏川汇变电站川 #1主变铁芯多点接地故障已经消除。

随后,对变压器油进行彻底的滤油脱气,并进行色谱、油化、绝缘等试验,所有试验项目合格后,将变压器投入运行。

四、现场检查方案流程图(此检查方案仅作参考,具体问题具体分析为了更直观地进行检查和分析,将实际检查方案绘制成流程图,便于比对和参考。

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五、总结

通过这次变压器故障情况的排除,使我们更进一步认识到加强绝缘监督的重要性,变压器油色谱跟踪分析对于发现变压器早期故障是非常有效的方法。同时也为今后类似的大型电力变压器缺陷的解决积累了非常宝贵的经验:

(1大型电力变压器铁芯过热原因是多方面的,处理时应认真分析判断,遵从先易后难的原则,首先要解决明显的缺陷,再进一步分析、判断、分解、检查处理。

半导体物理物理教案(03级) 篇6

学院、部：材料与能源学院

系、所；微电子工程系

授课教师：魏爱香，张海燕

课程名称；半导体物理

课程学时：64

实验学时：8

教材名称：半导体物理学

2005年9-12 月

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第一章半导体的电子状态

1.1半导体中的晶格结构和结合性质

1.2半导体中的电子状态和能带

本授课单元教学目标或要求：

了解半导体材料的三种典型的晶格结构和结合性质；理解半导体中的电子态, 定性分析说明能带形成的物理原因，掌握导体、半导体、绝缘体的能带结构的特点

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．半导体的晶格结构：金刚石型结构；闪锌矿型结构；纤锌矿型结构

2．原子的能级和晶体的能带

3．半导体中电子的状态和能带（重点，难点）

4．导体、半导体和绝缘体的能带（重点）

研究晶体中电子状态的理论称为能带论，在前一学期的《固体物理》课程中已经比较完整地介绍了，本节把重要的内容和思想做简要的回顾。

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：44页1题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第一章半导体的电子状态

1.3半导体中的电子运动——有效质量

1.4本征半导体的导电机构——空穴

本授课单元教学目标或要求：

理解有效质量和空穴的物理意义，已知e（k）表达式，能求电子和空穴的有效质量，速度和加速度

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．半导体中e（k）与k的关系（重点，难点）

2．半导体中电子的平均速度

3．半导体中电子的加速度

4．有效质量的物理意义（重点，难点）

5．本征半导体的导电机构— 空穴（重点）

补充2各课外讨论题和例题

1.2.出版社2005

3.2002

4.本授课单元教学手段与方法：采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授本授课单元思考题、讨论题、作业：作业题：44页2题，补充课外作业题1个本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第一章半导体的电子状态

1.5 回旋共振（了解）

1.6 硅和锗的能带结构（了解）

1.7 ⅲ-ⅴ族化合物半导体的能带结构（了解）

1.8 ⅱ-ⅵ族化合物半导体的能带结构（了解）

1.9 si1-xgex合金的能带结构（了解）

1.10宽带隙半导体材料（了解）

本授课单元教学目标或要求：

对于给定的能带图能确定导带底，价带顶的位置及能隙的大小，能辨别能带的简并度了解各种半导体材料的能带结构特点。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1． k空间的等能面

2．介绍硅、锗、ⅲ-ⅴ族化合物、ⅲ-ⅴ族化合物、si1-xgex合金和宽带隙半导体材料的能带图本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：44页3，4题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第二章半导体中的杂质和缺陷能级（4学时）

2.1硅、锗晶体的杂质能级（掌握）

本授课单元教学目标或要求：

掌握硅、锗晶体中的施主杂质和施主能级，受主杂质和受主能级和深能级杂质

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．替位式杂质间隙式杂质

2．施主杂质、施主能级（重点）

3．受主杂质、受主能级（重点）

4．浅能级杂质电离能的简单计算

1.2.出版社2005 ．杂质的补偿作用（重点）．深能级杂质本授课单元教学手段与方法：采用ppt课件讲授本授课单元思考题、讨论题、作业：思考题：习题6 讨论题：习题1 作业题：习题2，3，7 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第二章半导体中的杂质和缺陷能级（4学时）

2.2 iii—v族化合物的杂质能级（了解）

2.3缺陷、位错能级（了解）

本授课单元教学目标或要求：

了解以gaas为代表的iii—v族化合物半导体中杂质能级的情况。

了解半导体中的缺陷和位错的能级

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：概括叙述各类杂质（ⅰ族元素，ⅱ族元素，ⅲ族元素，ⅳ族元素，ⅴ族元素，ⅵ族元素和过渡元素）在iii—v族化合物gaas和gap中的杂质能级。

介绍半导体中的点缺陷和位错。

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：62页7题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.1状态密度

3.2费米能级和载流子的统计分布

本授课单元教学目标或要求：

理解k空间和状态密度的意义，掌握在k空间中电子态密度的计算方法

理解半导体中费米能级的物理意义，掌握费米分布函数和玻耳滋蔓分布函数的意义及其应用本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1． k空间中量子态的分布

2．状态密度（重点）

3．费米分布函数的表达式、意义及应用（重点，难点）

4．费米能级的物理意义（重点，难点）

5．玻耳滋蔓分布函数的意义及其应用（重点，难点）

这一次课的重点是让学生理解和掌握这些基本的物理概念，为后续章节的学习打好基础，所以课堂上主要通过5个课外实例的分析和解答加深对这些概念的理解和应用。

例题：5个，见讲稿。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：习题2题和3题作业题：习题1题和4题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.2费米能级和载流子的统计分布

3.3本征半导体的载流子浓度

本授课单元教学目标或要求：

掌握导带中电子浓度和价带中的空穴浓度的计算方法，能熟练应用电子浓度和空穴浓度的公式分析问题、解决问题。理解和掌握本征半导体中的载流子浓度和费米能级的计算方法

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．导带中电子浓度的公式推导、结果分析和应用（重点，难点）

2．价带中空穴浓度的公式推导、结果分析和应用（重点，难点）

3． nc和nv的物理意义

4．本征半导体的费米能级和载流子浓度（重点，难点）

结合上次课的物理概念，推导导带电子和价带空穴的浓度的计算公式，这是半导体中最重要的公式之一。交代清楚每一步的物理意义就容易理解推导的过程和结果。重点要求学生掌握结果的分析和应用。举3个实例让学生掌握公式的应用方法。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：补充作业题：习题6题和7题

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.4杂质半导体的载流子浓度

本授课单元教学目标或要求：

理解和掌握杂质半导体中的载流子浓度和费米能级在不同温度和不同掺杂浓度下的计算和分析方法，并能用图示的方法画出不同温度下杂质的电离和载流子分布的示意图，能画出费米能级和载流子浓度随温度和掺杂浓度的变化图

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．杂质能级上的电子和空穴

2．n型半导体的载流子浓度：分五个温区分析，分别是低温弱电离区，中间电离区，强电离区，过渡区和高温本征激发区（重点和难点）

3.上述分析方法和结果可类比于p型半导体

4．少数载流子的浓度

课堂上尽可能把抽象的结果用直观图示的方法表达出来，结合2个实例教学生分析问题的方法。本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：补充题作业题：习题9，13

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.4杂质半导体的载流子浓度

3.5一般情况下的载流子统计分布

本授课单元教学目标或要求：

一节课用于复习总结上次课的重点，再讲2个例题，加深学生对问题的理解和掌握。

理解在同时含有失主和受主杂质的半导体中，利用电中性条件，求解不同温度下载流子浓度和费米能级位置的方法

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．总结和分析3.4节的主要结果，讲解例题

2．分析在同时含有失主和受主杂质的一般情况下，求解不同温度下载流子浓度和费米能级位置的方法（难点）

着重分析物理方法和思想，不需记忆很烦琐的数学公式。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

讨论题：习题15 作业题：习题14，18

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第三章半导体中的载流子的统计分布

3.6简并半导体

本授课单元教学目标或要求：

理解简并半导体的定义和简并化的条件；掌握简并半导体载流子浓度的计算方法。了解低温载流子冻析效应和禁带变窄效应。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．简并半导体的载流子浓度

2．简并化条件（重点）

3．低温载流子冻析效应

4．禁带变窄效应

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

作业题：习题20，21

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

习题课

本授课单元教学目标或要求：

总结第一到第三章的主要概念、理论和公式

讲解习题中存在的主要问题，讲解课外例题

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：总结第一到第三章的主要概念、理论和公式

讲解习题中存在的主要问题，讲解课外例题

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

1.2.出版社2005

3.2002

4.5 本授课单元思考题、讨论题、作业：作业题：复习1-3章。本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第四章半导体的导电性

4.1载流子的漂移运动和迁移率

4.2载流子的散射

本授课单元教学目标或要求：

理解半导体中的漂移运动和描述漂移运动的物理量-迁移率，掌握半导体的电导率与迁移率的关系式。理解半导体中载流子散射的概念，了解半导体中主要的散射机构。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．欧姆定律的微分形式

2．半导体中的漂移运动-漂移速度和迁移率（重点）

3．半导体的电导率和迁移率的关系（重点）

4．载流子散射的概念

5．半导体中主要的散射机构

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：习题1 讨论题：作业题：习题2，4，7

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第四章半导体的导电性

4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系

4.4电阻率及其与杂质浓度和温度关系

本授课单元教学目标或要求：

掌握半导体的迁移率与杂质浓度和温度的关系

掌握半导体的电阻率与杂质浓度和温度关系

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．平均自由时间和散射概率的关系

2．迁移率与平均自由时间的关系

3．迁移率与杂质和温度的关系（重点）

4．电阻率与杂质浓度的关系（重点）

5．电阻率随温度的变化（重点）

例题：144页9，16，17

本授课单元教学手段与方法：

采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：习题12 讨论题：作业题：习题13，15，18

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第五章非平衡载流子

5.1非平衡载流子的注入与复合 5.2非平衡载流子的寿命

5.3准费米能级

本授课单元教学目标或要求：

理解非平衡载流子的概念，非平衡载流子的产生、复合和寿命；理解小注入和大注入的概念和条件，理解准费米能级的概念和非平衡状态下载流子浓度的表达式

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．非平衡载流子的概念

2．举例说明非平衡载流子的产生和复合过程（重点）

3．小注入和大注入的概念和条件

4．非平衡载流子的寿命（重点）

5．准费米能级（难点）

6．非平衡状态下载流子浓度的表达式（重点）

上述这些概念是半导体物理中最重要的基本概念，这次课的重点是让学生理解和掌握这些概念及其物理意义。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题：习题1 讨论题：习题6 作业题：习题2，4，7

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第五章非平衡载流子

5．4 复合理论

本授课单元教学目标或要求：

理解半导体中的直接复合、间接复合、表面复合和俄歇复合的基本概念。

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．直接复合 2．间接复合 3．表面复合 4．俄歇复合本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

思考题： 1 讨论题：习题8 作业题：习题9，10，12

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

5.5.6

际问题授课类型：理论课授课时间：2节授课题目（教学章节或主题）：第五章非平衡载流子陷阱效应载流子的扩散运动本授课单元教学目标或要求：了解半导体的陷阱效应理解和掌握非平衡少数载流子的稳定扩散方程，能用扩散方程求解实

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．陷阱效应

2．非平衡少数载流子的扩散定律

3．非平衡少数载流子的稳态扩散方程（重点）

4．稳态扩散方程的应用（重点，难点）

举例讲解稳态方程的应用，基本方法：根据具体问题写出稳态方程的具体表达式和边界条件写出方程的通解，代入边界条件求具体的解。

本授课单元教学手段与方法：

采用黑板板书的方法讲授

本授课单元思考题、讨论题、作业：

讨论题：15 作业题：习题13，14，16

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005

2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业出版社2005

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第五章非平衡载流子

5.7载流子的漂移运动、爱因斯坦关系式

5.8连续性方程式

本授课单元教学目标或要求：

理解载流子的漂移运动和漂移电流表达式

掌握爱因斯坦关系式

掌握连续性方程及其应用

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．载流子的漂移运动

2．爱因斯坦关系式（重点）

3．连续性方程式（重点，难点）

1.2.出版社2005 ．连续性方程应用举例（难点）通过例题分析让学生学习连续性方程及其应用本授课单元教学手段与方法：采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授本授课单元思考题、讨论题、作业：思考题：习题15 讨论题：作业题：补充2个课外作业题本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005 田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导与典型题解》电子工业

3.施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，苏州大学出版社，2002

4.方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社

5．曾谨言，《量子力学》科学出版社

授课类型：理论课授课时间：2节

授课题目（教学章节或主题）：

第四、五章习题课

本授课单元教学目标或要求：

对第四、第五章的基本概念、理论和公式进行总结

讲解第四、五章的习题课

本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．对第四、第五章的基本概念、理论和公式进行总结

2．讲解第四、五章的习题课