Werkstoffkunde Für Elektroingenieure: Für Studenten Der Elektrotechnik AB 1. Semester

ISBN-13: 9783528335083 / Niemiecki / Miękka / 1978 / 240 str.

Paul Guillery

Opis

Aufgabenbereich und Stoffgebiet einer elektrotechnischen Werkstoffkunde. Die chemischen Elemente Die Elektrotechnik beschaftigt sich bekanntlich mit elektrischen und magnetischen Feldern, Stromen und Flussen, ihrer Erzeugung aus mechanischer, thermischer oder chemischer Energie, ihrer Ausbreitung und gegenseitigen Wechselwirkung sowie schliesslich mit ihrem Verbrauch, d. h. ihrem Ubergang bzw. Ruckweg in die genann ten anderen Energieformen. Am Anfang einer Werkstoffkunde 1) fur Elektrotechnik steht demnach die Frage, wie sich die Anwesenheit von Materie mannigfacher Art auf diese Zusammenhange und Vorgange auswirkt, wie sie also das Entstehen und Vergehen, die Gestaltung und gegenseitige Verknupfung der Felder und Strome be einflusst. Nicht minder interessieren zugleich die vorubergehenden oder bleibenden Veranderungen, die die beteiligte Materie selbst dabei erleidet, in Anbetracht der in ihr auftretenden elektrischen, mechanischen und thermischen Beanspruchung oder elektrochemischen Prozesse. Der unmittelbare Einfluss der Materie findet bei der mathematischen Formulierung physikalischer, insbesondere elektrotechnischer Zusammenhange bekanntlich dadurch seinen Ausdruck, dass in den Gleichungen irgendwelche Parameter erscheinen, die die Eigenschaften der beteiligten Stoffe in die Betrachtung einbeziehen. Solche, die Materialeigenschaften kennzeichnenden Grossen sind z. B. die Dielektrizitatskonstante (Permittivitat), die elektrische Leitfahigkeit u. a. m., wie sie etwa bei der Berechnung der Verluste in einem Kondensator oder im Eisenkern einer stromdurchflossenen Spule, der Dampfung elektromagnetischer Schwingungen in irgend einem Medium, der Strom verteilung in einem Leitersystem und bei zahllosen anderen Beispielen auftreten."

Spis treści

I. Grundlagen. Ausgewählte Kapitel aus der allgemeinen Werkstoffkunde.- 1 Aufbau kristalliner Werkstoffe.- 1.1 Amorphe und kristalline Werkstoffe.- 1.2 Kristallstrukturen.- 1.3 Gitterbaufehler.- 1.3.1 Punktdefekte.- 1.3.2 Versetzungen.- 1.3.3 Korngrenzen.- 1.4 Phasen, Legierungen, Zustandsdiagramme.- 1.4.1 Verbundstoffe.- 1.4.2 Systeme mit lückenloser Mischkristallreihe.- 1.4.3 Systeme mit Eutektikum.- 1.4.4 Systeme mit Mischungslücke.- 1.4.5 Intermetallische Verbindungen.- 1.4.6 Phasengrenzen.- 2 Diffusion und Umwandlung.- 2.1 Diffusion.- 2.1.1 Die Fickschen Diffusionsgesetze.- 2.1.2 Diffusionsmechanismen.- 2.2 Sintern.- 2.3 Ausscheidungsvorgänge.- 2.3.1 Ausscheidung aus übersättigter Lösung.- 2.3.2 Keimbildung und Wachstum.- 2.3.3 ZTU-Schaubilder.- 3 Mechanische Eigenschaften.- 3.1 Festigkeit und Verformbarkeit.- 3.1.1 Statische, einachsige Verformung.- 3.1.1.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramme.- 3.1.1.2 Kriechversuch, Zeitstandversuch.- 3.1.2 Härte.- 3.1.3 Schlagbeanspruchung.- 3.1.4 Dynamische Beanspruchung, Ermüdung.- 3.1.5 Beeinflussung der mechanischen Kennwerte durch mechanische und thermische Vorbehandlung, Zusammensetzung sowie Temperatur.- 3.2 Kristallplastizität.- 3.2.1 Geometrie und Kristallografie der plastischen Verformung.- 3.2.2 Der Mechanismus der plastischen Verformung.- 3.2.2.1 Die theoretische Schubfestigkeit.- 3.2.2.2 Versetzungen als Träger der plastischen Verformung.- 3.2.3 Verfestigung und Härtung im Versetzungsbild.- 3.3 Erholung und Rekristallisation.- 4 Eisenwerkstoffe.- 4.1 Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.- 4.2 Stähle.- 4.2.1 Härten, Vergüten.- 4.2.2 Legierte Stähle.- 5 Nichteisenmetalle.- 5.1 Kupfer und seine Legierungen.- 5.1.1 Gewinnung und Eigenschaften des reinen Kupfers (Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Verformbarkeit).- 5.1.2 Kupferlegierungen.- 5.1.2.1 Hochleitfähige Kupferlegierungen.- 5.1.2.2 Kupferlegierungen als Konstruktionswerkstoffe.- 5.1.2.2.1 Kupferlegierungen mit kleinen Zusätzen von Arsen, Mangan, Silicium, Aluminium.- 5.1.2.2.2 Kupferlegierungen mit Zusätzen von Zinn, Zink, Nickel (Zinnbronzen, Rotmetall, Messing, Neusilber) und Blei..- 5.1.2.3 Legierungen für elektrische Widerstände und Kontaktwerkstoffe auf der Basis von Kupfer.- 5.2 Leichtmetalle.- 5.2.1 Magnesium, Titan, Beryllium.- 5.2.2 Reines Aluminium.- 5.2.3 Aluminiumlegierungen.- 5.3 Zusammenfassender Überblick über Werkstoffeigen schaften und Zusammensetzung von Kupfer- und Aluminiumlegierungen.- 6 Nichtmetallische Werkstoffe.- 6.1 Anorganische Werkstoffe.- 6.2 Organische Werkstoffe.- 7 Korrosion und Korrosionsschutz.- 7.1 Normale Witterungseinflüsse.- 7.2 Korrosion durch wäßrige Lösung, elektrochemische Prozesse.- 7.3 Sonstige Korrosionserscheinungen (Industrie-Atmosphäre und Meerwasser).- 7.4 Korrosionsschutz.- 8 Verbindungstechnik metallischer Werkstoffe.- 8.1 Löten.- 8.2 Schweißen.- 9 Untersuchungsmethoden und Prüfverfahren.- II. Die meist verwendeten Werkstoffgruppen der Elektrotechnik nach ihren Haupteigenschaften geordnet.- 10 Einleitende Übersicht über Zusammenhänge zwischen der Art der interatomaren Bindungen, den mechanischen Eigenschaften und der Elektrizitätsleitung bei festen Körpern.- 10.1 Positive und negative Ladungen als Bestandteile der Materie.- 10.2 Metallische Bindung und metallische Leitung.- 10.3 Die „Valenzkristalle“ des Kohlenstoffs und der halbleitenden Elemente Silicium und Germanium. Die kovalente Bindung.- 10.4 Chemische Verbindungen mit elektronischer Halbleitung und mit Ionenleitung. Die Ionenbindung.- 10.5 Zusammenfassung von Abschnitt 10.2 bis 10.4.- 10.6 Aufbau der Atome aus Kern und Elektronenhülle.- 10.7 Das Bändermodell.- 10.8 Metall, Halbleiter und Isolator im Bändermodell.- 11 Der Halleffekt und seine Bedeutung zum Studium der Leitungsvorgänge in Metallen, Halbleitern und festen Ionenleitern.- 12 Metallische Leiter- und Widerstandswerkstoffe.- 12.1 Reine Metalle.- 12.1.1 Einige Zahlenwerte für die Leitfähigkeit.- 12.1.2 Konzentration und Beweglichkeit der Leitungselektronen in reinen Metallen.- 12.1.3 Einfluß von Verunreinigungen und anderen Gitterdefekten im Kristallgefüge auf das Leitvermögen von Metallen.- 12.1.4 Einfluß der Temperatur auf die metallische Leitfähigkeit, Widerstandsthermometer.- 12.1.5 Einfluß gerichteter mechanischer Spannungen, Dehnungsmeßstreifen.- 12.2 Legierungen als Werkstoffe für elektrische Widerstände.- 12.2.1 Die Leitfähigkeit von Legierungen.- 12.2.2 Werkstoffe für Präzisions-, Regel- und Heizwiderstände.- 12.3 Metallische Thermoelemente.- 12.4 Zusammenfassung von Abschnitt 12.1 bis 12.3.- 13 Supraleiter.- 14 Kontaktwerkstoffe.- 15 Elektronische Halbleiter.- 15.1 Eigenleitung.- 15.1.1 Valenzelektronen, Leitungselektronen, Leitungsmechanismus, Defektelektronen.- 15.1.2 Leitfähigkeit von Eigenhalbleitern — Konzentration und Beweglichkeit der Ladungsträger.- 15.1.3 Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit und einige Anwendungen.- 15.2 Störstellenleitung.- 15.2.1 Leitungsmechanismus — n-Leitung, p-Leitung, Donatoren, Akzeptoren.- 15.2.2 Leitfähigkeit von dotierten Halbleitern.- 15.2.3 Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit von dotierten Halbleitern.- 15.3 Verbindungshalbleiter.- 15.4 Das Fermi-Niveau und seine Lage im Bänderschema der Halbleiter.- 15.5 Der pn-Übergang.- 15.5.1 Der pn-Übergang im Gleichgewicht, das Kontaktpotential.- 15.5.2 Der pn-Übergang in Sperr- und Flußrichtung.- 15.6 Einige Anwendungen des pn-Überganges.- 15.6.1 Gleichrichterdioden.- 15.6.2 Zenerdioden und spannungsabhängige Kondensatoren.- 15.6.3 Der bipolare Transistor.- 15.6.4 Der Thyristor.- 15.6.5 Der MOS-Feldeffekt-Transistor.- 15.6.6 Fotodioden, Fototransistoren, Fotoelemente.- 15.6.7 Lumineszenz- und Laser-Dioden.- 15.6.8 Piezo-Widerstände.- 15.7 Zusammenfassung von Abschnitt 15.1 bis 15.6.- 15.8 Halbleitertechnologie.- 15.8.1 Höchstreinigung von Halbleiterwerkstoffen, das Zonen schmelzverfahren.- 15.8.2 Herstellung von Einkristallen — Tiegelziehen, Zonenziehen, Epitaxie.- 15.8.3 Herstellung von pn-Übergängen, die Planartechnologie.- 16 Der Kohlenstoff und seine Verbindungen als Werkstoffe der Elektrotechnik.- 16.1 Graphit und „amorpher“ Kohlenstoff.- 16.2 Carbide.- 17 Isolierstoffe.- 17.1 Überblick über die spezifischen Widerstände aller elektrotechnischen Werkstoffe.- 17.2 Die Luft als Isolierstoff.- 17.3 Die Durchschlagfestigkeit von Gasen.- 17.4 Die Qualitätsmerkmale fester und flüssiger Isolierstoffe.- 17.4.1 Die Durchschlagfestigkeit.- 17.4.2 Die elektrische Polarisation und die Dielektrizitätszahl.- 17.4.2.1 Stoffe aus unpolaren Molekülen.- 17.4.2.2 Stoffe aus polaren Molekülen (Dipolen).- 17.4.2.3 Ferro elektrische Stoffe, auch in ihrer Anwendung als Kaltleiter.- 17.4.2.4 Elektrostriktion und Piezoelektrizität.- 17.4.3 Entstehung und Definition der dielektrischen Verluste, der Verlustfaktor tan ?.- 17.4.4 Die Messung des Verlustfaktors und der Dielektrizitätszahl.- 17.4.5 Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl ?r und des Verlustfaktors tan ? von Frequenz und Temperatur.- 17.4.6 Die Spannungsabhängigkeit des Verlustfaktors.- 17.4.7 Die komplexe Dielektrizitätszahl.- 17.4.8 Oberflächenwiderstand, Kriechstromfestigkeit.- 17.5 Zusammenfassender Auszug aus Abschnitt 17.1 bis 17.4 — Sonstige Forderungen an Isolierstoffe.- 17.6 Gebräuchliche Isolierstoffe / ihre wichtigsten Eigenschaften, Isolierverfahren.- 17.7 Die Wärmebeständigkeit technischer Isolierstoffe. Die Einteilung in Wärmeklassen.- 18 Flüssigkristalle.- 18.1 Struktur und Eigenschaften.- 18.2 Einige Anwendungen der Flüssigkristalle.- 18.2.1 Thermooptische Effekte.- 18.2.2 Elektrooptische Effekte.- 19 Die Wärmeleitfähigkeit gebräuchlicher Werkstoffe.- 20 Magnetische Werkstoffe.- 20.1 Begriffe und Definitionen.- 20.2 Diamagnetismus und Paramagnetismus.- 20.3 Der Ferromagnetismus und Ferrimagnetismus.- 20.3.1 Grundsätzliches über Aufbau und Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe.- 20.3.1.1 Weiss’sche Bezirke und Blochwände.- 20.3.1.2 Die Vorgänge bei der Auf- und Abmagnetisierung (Wandverschiebungen, Drehprozesse, Magnetostriktion).- 20.3.2 Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus.- 20.4 Definition und meßtechnische Erfassung der Eigenschaften magnetischer Werkstoffe.- 20.4.1 Die Magnetisierungskurve.- 20.4.2 Die Hystereseschleife und die Hystereseverluste.- 20.4.3 Die Wirbelstromverluste.- 20.4.4 Die Nachwirkungsverluste.- 20.4.5 Die Ummagnetisierungsverluste in ihrer Gesamtheit.- 20.4.6 Abhängigkeit der Gesamtverluste und der Permeabilitätszahl von der Frequenz.- 20.4.7 Die komplexe Permeabilitätszahl.- 20.5 Eigenschaften gebräuchlicher Magnetwerkstoffe.- 20.5.1 Allgemeiner Überblick.- 20.5.1.1 Sättigungspolarisationen und Curie-Temperaturen.- 20.5.1.2 Hystereseschleifen von isotropen Werkstoffen.- 20.5.1.3 Hystereseschleifen von anisotropen Werkstoffen.- 20.5.2 Hartmagnetische Werkstoffe.- 20.5.3 Weichmagnetische Werkstoffe.- 20.6 Zusammenfassung von Abschnitt 20.2 bis 20.5.- Anhang: Normung.- Bildnachweis.- Literatur.- Sachwortverzeichnis.