Egon Döring. Werkstoffkunde der Elektrotechnik

Transkript

1 Egon Döring Werkstoffkunde der Elektrotechnik

2 Literatur rur das ,. Grundstudium Mathematik für Ingenieure, Band von L. Papula Übungsbuch zur Mathematik für Ingenieure von L. Papula Mathematische Formelsammlung von L. Papula Physik für Ingenieure von H. Lindner Physikalische Aufgaben von H. Lindner Elektroaufgaben von H. Lindner, 3 Bände Grundlagen und Rechenverfahren der Elektrotechnik von G. Schnell, K. Hoyer und M. Vömel Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer Elektrische Meßtechnik von K. Bergmann Werkstoftkunde für Elektrotechnik von E. Döhring Mechanik und Festigkeitslehre vona. Böge Lehr- und Übungsbuch der Technischen Mechanik von H. H. Gloistehn, 3 Bände

3 Egon Döring Werkstoffkunde der Elektrotechnik Mit 206 Bildern, 48 Tabellen, 56 Beispielen und über 100 Aufgaben und Wiederholungsfragen mit Lösungen 2., verbesserte Auflage Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

4 1. Auflage , verbesserte Auflage 1988 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1988 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Wiesbaden ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 Vorwort Im Maschinenbau hatte die Werkstoffkunde stets eine fundamentale Bedeutung, da es dem Ingenieur auf diesem Arbeitsgebiet unmöglich war, ein einwandfreies Produkt ohne genaue Materialkenntnisse zu entwickeln. Solange sich die Elektrotechnik bei der konstruktiven Gestaltung weitgehend auf den Maschinenbau abstützen konnte, genügten dem Elektroingenieur die Werkstoffgrundkenntnisse aus dem Maschinenbau. Um dieses Grundwissen kommt er allerdings auch heute noch nicht herum. Die Entwicklung der modernen Mikroelektronik und ihre Folgen sind aber so eng mit den spezifisch elektrischen Problemen verknüpft, daß die Werkstoffkunde der Elektrotechnik zu einem immer eigenständigeren Gebiet herangewachsen ist. Waren es zunächst die magnetischen Werkstoffe, die ein umfangreiches Sonderwissen verlangten, so haben schließlich die Halbleiter mit ihren in den Festkörper verlegten Funktionsmechanismen auf allen Gebieten zu einer viel intensiveren Beschäftigung mit der Materie geführt. Als Konsequenz daraus sind altbekannte Werkstoffeigenschaften in ungeahntem Maße weiterentwickelt worden. Es sei hier nur an neue Dauermagnetwerkstoffe oder amorphe Metalle erinnert. Um die in der Zukunft anstehenden Probleme der Elektrotechnik einwandfrei lösen zu können, bedarf der Ingenieur eines immer umfangreicheren Wissens nicht nur auf seinem Spezialgebiet, sondern auch vom einzusetzenden Werkstoff und dessen Möglichkeiten. Dieses Grundlagenwissen muß während des Studiums notwendigerweise bereits zu einem frühen Zeitpunkt vermittelt werden. Das vorliegende Buch wendet sich daher besonders an Studenten der Anfangssemester Elektrotechnik. Dementsprechend wurde der mathematische Aufwand möglichst niedrig gehalten und von der höheren Mathematik nur sparsam Gebrauch gemacht. So sind z.b. vektorielle Darstellungen auf ein Minimum beschränkt worden. Unbedingt vorausgesetzt werden allerdings solide Kenntnisse in der Chemie, sowie des magnetischen und elektrischen Feldes. Mit der Struktur der Materie beginnend wird der Leser über die Legierungsbildung zu den speziellen elektrotechnischen Eigenschaften von elektrischen, magnetischen und dielektrischen Werkstoffen geführt. Bei den Halbleiterwerkstoffen ist auch noch den für die Technologie wichtigen Zusammenhängen breiter Raum gewidmet worden. Sowohl die Erläuterungen der Grundzusammenhänge, als auch die Beschreibungen der technisch ausgeführten Werkstoffe werden immer wieder durch ausführlich gerechnete Beispiele ergänzt. Dazu kommen dann noch Aufgaben zur Bearbeitung durch den Leser. Ein besonderer Dank gilt an dieser Stelle meiner Frau für die Reinschrift und allgemeine Durchsicht des Manuskriptes. Der Autor wünscht sich, daß dieses Buch mit dazu beitragen möge, dem Ingenieur durch die Wahl des richtigen Werkstoffes zu funktionstüchtigen und zuverlässigen Geräten zu verhelfen. Garbsen, im Februar 1981 E.Döring

6 VI Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau der festen Körper Werkstoffe Metalle Kristalle Elementarzelle Millersche Indizes Gitterfehler....' Fehlordnungen bei reinen Stoffen Fehlordnungen bei zusammengesetzten Stoffen Wiederholungsfragen Legierungen Entstehung von Zustandsdiagrammen Arten von Zustandsdiagrammen Flüssig und fest beliebig löslich Flüssig beliebig, fest gar nicht löslich Flüssig beliebig, fest begrenzt löslich mit Mischungslücke (allgemeiner Fall) Intermetallische Verbindungen Beständige intermetallische Verbindungen Unbeständige intermetallische Verbindungen Reale Zustandsdiagramme Blei-Zinn-Diagramm Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Werkstoffkennzeichnung Werkstoffkurzzeichen Werkstoffnummern Mikrostruktur Röntgenuntersuchung Schliffbilder Schleifen und Polieren Ätzen Wiederholungsfragen

7 Inhaltsverzeichnis VII 3 Elektrische Leitfähigkeit Stromleitung Supraleitung BCS-Theorie Stabilisierung Halleffekt Hallgenerator Feldplatte Wiederholungsfragen Elektrische Leiter Normalleiter Supraleiter Wiederholungsfragen Magnetische Leitfähigkeit Modellvorstellung zum Magnetismus Verhalten von Materie im Magnetfeld Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Antiferromagnetismus Ferrimagnetismus Magnetisierung Magnetisierungskurve Verluste Hystereseschleifen Normale Hystereseschleife Rechteckschleife Perminvarschleife Isopermschleife Arbeitsbereiche der Hystereseschleife Permeabilität Anfangspermeabilität Wechselfeldpermeabilität Effektive Permeabilität Reversible Permeabilität Impulspermeabilität Komplexe Permeabilität

8 VIII Inhaltsverzeichnis Verzerrungen durch die Hystereseschleife Rayleighschleife Stromverzerrungen Larmorfrequenz Wiederholungsfragen Magnetika Metalloxide (Ferrite) Weichmagnetika Metalle Legierungen Amorphe Metalle Magnetische Abschirmung Kernbleche Weichmagnetische Ferrite Arten weichmagnetischer Ferrite Kernformen... : Hartmagnetika (Dauermagnete) Entmagnetisierungskennlinie Hartmangetische Legierungen Hartmagnetische Metalloxide (Ferrite) Dauermagnetberechnung Impulsbetrieb Impulsübertrager Impulsspeicherung Wiederholungsfragen Halbleiter Halbleiter-Mechanismus Leiterdefinition Dotierung Umdotierung Einkristalle Reinheitsanforderungen Reindarstellung von Halbleitermaterialien Zonenschmelzen Kristallziehen Verarbeitung der Einkristalle p-n-obergang Legierungstechnologie Planartechnologie

9 Inhaltsverzeichnis IX Epitaxie Ionenimplantation Stoffe mit Halbleitereigenschaften Elementhalbleiter Verbindungshalbleiter Leitungstyp Halleffekt bei Dotierung Halleffekt bei gemischter Dotierung Thermokraft Wiederholungsfragen Dielektrische Eigenschaften Modellvorstellung zur dielektrischen Polarisation Elektronenpolarisation Ionenpolarisation Ordnungspolarisation Grenzflächenpolarisation Dielektrische Materialeinteilung Ferroelektrika Piezoelektrika Pyroelektrika Elektrische Materialeinteilung Isolatoren Kondensatoren Wiederholungsfragen Dielektrika Natürliche anorganische Dielektrika Glimmer Quarz Gase Natürliche organische Dielektrika Papiere Textilstoffe öle Künstliche anorganische Dielektrika Porzellan Steatit Titanate

10 X Inhaltsverzeichnis 9.4 Künstliche organische Dielektrika Zellulosekunststoffe Polykondensationsprodukte Polymerisationsprodukte Silikone Lösungen zu den Aufgaben Antworten zu den Wiederholungsfragen Literaturhinweise Sachwortverzeichnis