Thermische Eigenschaften

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Hedwig Kranz
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Physikaische Grundagen der zahnärztichen Materiakunde 9.

Thermische igenschaften Temperatur rwärmung/abkühung Q

spezifische Wärmekapazität (c): c m Schmezpunkt/Schmezwärme

Wärmekapazitätswerte: Stoff Bindungsenergie!

Porzean 00 Gas 800 PMMA 460 Zinkphosphat 500 Wärmeeitung durch

Fourier-Gesetz inige Wärmeeitzahen: Stoff (W/(m K) ) Zahnschmez

Wärmeeitfähigkeit Akryat 0, (Wärmeeitzah) J/(s m K/m) PMMA

Temperatureitfähigkeit (Temperatureitzah, Wärmediffusivität) (m

1 Physikaische Grundagen der zahnärztichen Materiakunde 9. Thermische, eektrische, chemische und optische igenschaften Thermische igenschaften Temperatur rwärmung/abkühung Q Wärmekapazität (C): C T C moare Wärmekapazität (c ): c C spezifische Wärmekapazität (c): c m Schmezpunkt/Schmezwärme Siedepunkt/Verdampfungswärme inige spezifische Wärmekapazitätswerte: Stoff Bindungsenergie! c (J/(kg K)) Zahnschmez 750 Dentin 60 Wasser 490 Amagam 0 God 6 Porzean 00 Gas 800 PMMA 460 Zinkphosphat 500 Wärmeeitung durch Gitterschwingungen durch freie ektronen T > T Q x Q T A t x A Fourier-Gesetz inige Wärmeeitzahen: Stoff (W/(m K) ) Zahnschmez 0,9 Dentin 0,6 Wasser 0,44 Amagam 3 God 300 Porzean Gas 0,6-,4 Wärmeeitfähigkeit Akryat 0, (Wärmeeitzah) J/(s m K/m) PMMA 0,-0,3 = W/(m K) Zinkphosphat, ist ein guter Parameter für stationäre Bedingungen! x 3 Bei nicht-stationären Bedingungen: T t D c D Temperatureitfähigkeit (Temperatureitzah, Wärmediffusivität) (m /s) T t inige Temperatureitzahen: Stoff (W/(mK)) D (0 6 m /s) Zahnschmez 0,9 0,5 Dentin 0,6 0, Wasser 0,44 0,4 Amagam 3 9,6 God Porzean 0,4 Gas 0,6-,4 0,3-0,7 Akryat 0, 0, PMMA 0,-0,3 0, Zinkphosphat, 0,3 4

Wärmeausdehnung Hintergrund der Wärmeausdehnung: Länge: T

(Längenausdehnungskoeffizient) (/K) Voumen: V V T

(Voumenausdehnungskoeffizient) (/K) 3 5 6 inige

Zahnschmez,4 Dentin 8,3 God 4, Godegierungen -6 Amagam 5

2 Wärmeausdehnung Hintergrund der Wärmeausdehnung: Länge: T inearer Wärmeausdehnungskoeffizient (Längenausdehnungskoeffizient) (/K) Voumen: V V T räumicher Wärmeausdehnungskoeffizient (Voumenausdehnungskoeffizient) (/K) inige Längenausdehnungskoeffizienten: Stoff (0 6 /K) Zahnschmez,4 Dentin 8,3 God 4, Godegierungen -6 Amagam 5 Porzean 4-6 Akryat 90 Gas 8 PMMA Siikon Gips 5-0 Wachs nterschiediche Wärmeausdehnung innere Spannungen! 7 8

Rekapituation der ektrizitätsehre ektrische Ladung Ladung: ist an Materie

Makroskopische Objekte sind im agemeinen eektrisch neutra.

ementarteichen. Das Proton hat die entgegengesetzte Ladung (positiv).

(e ) ist die ementaradung (e). inheit der Ladung: C (Couomb) = A.

x 6x0 3 /mo= 96 500 C/mo 0 Ladungstrennung Die eektrischen Ladungen können

ektrische Wechsewirkung s gibt eine Wechsewirkung zwischen den Ladungen:

ektronenmange ektronenüberschuss Anziehungskraft F F + Q Q F F F

3 Rekapituation der ektrizitätsehre ektrische Ladung Ladung: ist an Materie gebunden, eine wesentiche igenschaft der Materie (wie die Masse). Makroskopische Objekte sind im agemeinen eektrisch neutra. ektron (griechisch, heko) heißt Bernstein ektronen sind negativ geadene ementarteichen. Das Proton hat die entgegengesetzte Ladung (positiv). Die eektrische Ladung ist uantisiert und der Betrag der Ladung des ektrons (e ) ist die ementaradung (e). inheit der Ladung: C (Couomb) = A. s e e 9,6 x0 C 9 Faraday-Konstante (Gesamtadung von mo Proton): F =,6x0 9 C x 6x0 3 /mo= C/mo 0 Ladungstrennung Die eektrischen Ladungen können durch Reibung getrennt werden (statische ektrizität = Reibungseektrizität). ektrische Wechsewirkung s gibt eine Wechsewirkung zwischen den Ladungen: ungeichnamige Ladungen ziehen sich an geichnamige Ladungen stoßen sich ab ektronenmange ektronenüberschuss Anziehungskraft F F + Q Q F F F Abstoßkraft F F Q Q r Couomb-Gesetz: Q Q F k r F + + Abstoß r r Nach der Ladungstrennung kommt die ntadung. k = Nm /C Anziehung + 3

ektrisches Fed und Fedinien Wenn sich der physikaische Zustand eines Objekts im Raum ändert, ohne das ein direkter Kontakt mit einem anderen Objekt besteht, spricht man von einem Fed.

Veranschauichung des Fedes: mit Hife der Fedinien Richtung der Fedinien: Richtung des Fedstärkevektors Dichte der Fedinien (Anzah der Fedinien pro Fäche): Betrag des Fedstärkevektors Fedinien einer

4 ektrisches Fed und Fedinien Wenn sich der physikaische Zustand eines Objekts im Raum ändert, ohne das ein direkter Kontakt mit einem anderen Objekt besteht, spricht man von einem Fed. Das Fed wird durch die Fedstärke definiert. Veranschauichung des Fedes: mit Hife der Fedinien Richtung der Fedinien: Richtung des Fedstärkevektors Dichte der Fedinien (Anzah der Fedinien pro Fäche): Betrag des Fedstärkevektors Fedinien einer Punktadung: Radiafed Fedinien eines Dipos und zwei geicher Ladungen: inhomogenes Fed eektrische Fedstärke, : F N C + + F homogenes Fed: inhomogenes Fed 3 4 Arbeit im eektrischen Fed: s Bewegung einer Ladung parae zu den Fedinien: W F a s F e s s s s F a F e + W F Bewegung einer Ladung schräg zu den Fedinien: a s cos s cos = s F a F e s W Bewegung einer Ladung senkrecht zu den Fedinien: F a s cos 0 F a F e s W ist unabhängig von dem aktueen Weg zwischen den zwei Punkten! F a F e s 5 6 4

Spannung (= Potenziadifferenz) Man braucht W nergie um eine Probeadung aus Punkt nach Punkt zu bringen, W / ist unabhängig von der Probeadung und vom Weg.

5 Spannung (= Potenziadifferenz) Man braucht W nergie um eine Probeadung aus Punkt nach Punkt zu bringen, W / ist unabhängig von der Probeadung und vom Weg. ektrische Spannung zwischen zwei Punkten und (Spannung des Punktes gegenüber ): Bemerkungen: W inheit: Vot [V] Wenn > 0 Punkt ist positiver as Punkt = Im homogenen Fed: = W / = s / = s Bei der Röntgenröhre: W = e = ½ mv = j j J V C 7 ektrisches Potenzia Man braucht W 0 i nergie um eine Probeadung aus einem Bezugspunkt 0 nach Punkt i zu bringen. W 0i ist unabhängig von der Probeadung und vom Weg! ektrisches Potenzia: j W 0 i i inheit: Vot (V) Das eektrische Potenzia (j i ) gibt an, weche potenziee nergie eine Probeadung von C in einem Punkt (i) hat, nachdem sie in einem vorgegebenen eektrischen Fed vom Punkt (0) zu dem Punkt (i) gebracht wurde. As Bezugspunkt 0 wird oft ein Punkt im nendichen gewäht, in diesem Fa gibt das eektrische Potenzia (j i ) an, weche potenziee nergie eine Probeadung von C in einem Punkt (i) hat, nachdem sie in einem vorgegebenen eektrischen Fed vom nendichen zu dem Punkt (i) gebracht wurde: W j i i 8 Potenziafed, Äuipotenziafächen Äuipotenzia = dasgeiche Potenzia Äuipotenziainien(-fächen) (gestrichete Linien) und Fedinien (durchgezogene Linien) stehen senkrecht zueinander Medizinische Anwendung: KG Äuipotenziafächen Äuipotenziafächen Fedinien Bewegung an einer Äuipotenziafäche: keine Arbeit! 9 s.. Semester 0 5

6 ektrischer Strom gerichteter Transport oder koektive Wanderung von eektrischen Ladungen eektrische Ladungsträgern = frei bewegiche eektrisch geadene Teichen: in Metaen: ektronen in ektroytösungen und Gasen: Ionen Ohmsches Gesetz Der Spannungsabfa über bestimmte metaische Leiter ist proportiona zu der hindurchfießenden eektrischen Stromstärke I. I ektrische Stromstärke (I): Q I t Q: durch einen Leiteruerschnitt während der Zeitdauer t durchgefossene Ladungsmenge inheit: Ampere (A), A = C/s Technische (konventionee) Stromrichtung: Bewegungsrichtung der positiven Ladungen. ~ I = RI G = I R: eektrischer Widerstand G: eektrischer Leitwert V R inheit: Ohm ( ), I A G inheit: Siemens(S), S R Widerstand eines Leiters A I ektrische Leitfähigkeit (): SI-inheit: S/m I ~ v ~ = / I ~ Q ~ A A I ~ R R ~ I A A R spezifischer Widerstand SI-inheit: m Sonstige igenschaften eektrisch ektrische Ladungsträger: ektronen, Ionen. Spezifischer Widerstand (): R A (m) ektrische Leitfähigkeit (): ((m) = S/m) G nennt man eektrischen Leitwert. R Stoff (S/m) Siber 6,80 7 God 4,30 7 Patin 0,940 7 Germanium, Siizium 40 4 Zirkon 0 0 Porzean 0 Gas 0 3 PMMA 0 P 0 6 Leiter Habeiter Isoator 3 4 6

ektronenstruktur - nergiebänder igenhabeiter (intrinsic

(negative Ladungsträger) eektrische Leitfähigkeit konst.

b. Si (e =, ev) Ge (e = 0,7 ev) 5 Defekteektronen,

Habeiter Grundkrista z.b. Si Dotierte Habeiter Grundkrista z.

B. + P p-habeiter 5P: s s p 6 3s 3p 3 z. B.

7 ektronenstruktur - nergiebänder igenhabeiter (intrinsic Habeiter) Bei T = 0 K : Bei T = 73 K : ektronen (negative Ladungsträger) eektrische Leitfähigkeit konst. e e kt Breite der Bandücke (verbotenen Zone): z.b. NaI (e = 5 ev) z.b. Si (e =, ev) Ge (e = 0,7 ev) 5 Defekteektronen, Löcher (virtuee positive Ladungsträger) 6 Dotierte Habeiter Grundkrista z.b. Si Dotierte Habeiter Grundkrista z.b. Si n-habeiter 4Si: s s p 6 3s 3p 4Si: s s p 6 3s 3p z. B. + P p-habeiter 5P: s s p 6 3s 3p 3 z. B. + B 5B: s s p ektroneneitung (n-leitung) Löchereitung (p-leitung) 7 8 7

Anwendungen der dotierten Habeiter Sperrichtung + Durchaßrichtung o

Sperrichtung n Photostrom/Photoeitung (I ~ Lichtstärke) angeregtes

ebenes positives Loch Habeiterkrista (z.b. Si) chemisch Oxidation,

Au Ti Ag Cu Ni Sn Pb A Zn inert aktiv Gavanische Korrosion: Pt M M In

H O 4e 4 OH Meta (M) Medium Meta (M) Medium Meta (M) Medium

Lichtdetektor Zn (s gibt auch ichtemittierende Dioden Leuchtdioden,

Poymere H O Zunahme des Risses ( statische rmüdung ) Wasseraufnahme

8 Anwendungen der dotierten Habeiter Sperrichtung + Durchaßrichtung o Habeiterdiode o Photodiode + Licht enteerte Zone (Sperrschicht) p + Sperrichtung n Photostrom/Photoeitung (I ~ Lichtstärke) angeregtes negatives ektron zurückgebiebenes positives Loch Habeiterkrista (z.b. Si) chemisch Oxidation, Korrosion von Metaen Gavanische Reihe der emente (im Meereswasser): Pt Au Ti Ag Cu Ni Sn Pb A Zn inert aktiv Gavanische Korrosion: Pt M M In sauren mgebung: n ne O 4H 4e HO In neutraer oder basischer mgebung: O H O 4e 4 OH Meta (M) Medium Meta (M) Medium Meta (M) Medium Spatkorrosion: Wäßriges Medium Korrosion von Amagam siehe Lichtdetektor Zn (s gibt auch ichtemittierende Dioden Leuchtdioden, LD) 9 Meta (M) 30 Korrosion der Keramiken Lösung Degradation der Poymere H O Zunahme des Risses ( statische rmüdung ) Wasseraufnahme Schweung, Lösung Schwächung der intermoekuaren Kräfte (Akoho) Änderungen der mech., opt., usw. igenschaften Kapite des Lehrbuches: 9 Hausaufgaben: 5. Abschnitt:,, 5, 6, 8, 9, 0, 3, 35 V-Bestrahung Ionisation Aufspatung, bwz. ntstehung von Bindungen Änderungen der mech., opt., usw. igenschaften 3 3 8

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