8. Physikalische Eigenschaften
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- Jörg Frank
- vor 7 Jahren
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1 8. Physikalische Eigenschaften 8.1. Einleitung Elektronische Eigenschaften Elektrische Leitung: isolierend, halbleitend, metallisch, supraleitend
2 8. Physikalische Eigenschaften 8.1. Einleitung Elektronische Eigenschaften Optische Eigenschaften: Absorption, Emission, Verstärkung, Modifikation und Modulation von Licht laser mirror prism window glass fibre
3 8. Physikalische Eigenschaften 8.1. Einleitung Elektronische Eigenschaften Magnetische Eigenschaften: Paramagnetismus, Ferromagnetismus,, Antiferromagnetismus, Ferrimagnetismus, Diamagnetismus IBM
4 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Atom Proton P+ Neutron Elektron e- Atomkern Elektronenhülle Radius ca m aber: 99,9 % der gesamten Atommasse! Radius ca m Nur Valenzelektronen sind für Eigenschaften wichtig Elektronen in diskrete Umlaufbahnen (Orbitale)! L-Schale K-Schale
5 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Valenz e- in Metallen Halbleiter und Isolatoren Materialien mit ionischer Bindung
6 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Bauprinzipien der Elektronenhülle Pauli-Prinzip: Innerhalb eines Atoms dürfen nie zwei oder mehr Elektronen in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen Aufbau-Prinzip: Orbitale werden in der Folge steigender Energie besetzt Hund sche-regel: Orbitale mit gleicher Elektronenenergie werden zunächst mit nur einem Elektron besetzt! Periodensystem der Elemente
7 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Bandstruktur
8 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Bandstruktur Bsp.: Cu Mg Leiter Isolator Halbleiter
9 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Perfekter Kristall Kristall bei höherer Temperatur Movement of e- in crystals Kristall mit Gitterfehler
10 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Mathiessen-Regel: ρ=ρ(t) + ρ Defects
11 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit
12 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Elektronenanregung im Halbleiter
13 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit intrinsische Halbleiter
14 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit intrinsische Halbleiter
15 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Extrinsische Halbleiter: Donatoren
16 8. Physikalische Eigenschaften 8.2. Elektrische Leitfähigkeit Extrinsische Halbleiter: Akzeptoren
17 8. Physikalische Eigenschaften 8.3. Thermische Eigenschaften Thermische Ausdehnung α = 1 l dl dt
18 8. Physikalische Eigenschaften 8.3. Thermische Eigenschaften Morse-Potential (exponential approximation) Φ = D ( [ 2α ( r r ) ] [ ( ) ]) 0 α r r0 e 2e Lennard-Jones-Potential (potential law approximation Φ = A 12 r r b 6
19 Superconductors
20 Historical Overview 1986: IBM Research Lab Zürich, Müller & Bednorz 1911: Heike Kamerlingh-Onnes Entdeckung der Supraleitung an Quecksilber. Entdeckung Hochtemperatursupraleiter an (LaBa) 2 CuO : Nobelpreis
21 Superconductors - Introduction This graph shows the different theories about the dependency of the electrical resistivity vs. temperature for metals!
22 Transition Temperatures Spektrum der Wissenschaft
23 Superconductivity in Mercury
24 Comparing Metal, Semi- and Superconductors
25 Electrical Resistivity vs. Purity increasing Purity
26 The Meissner-Ochsenfeld Effect
27 BCS Theory I
28 BCS Theory II
29 A glimpse at the Periodic Table
30 High Temperature Superconductors I The complex crystal structure of Bi- 2212, a typical cuprate ceramic high temperature superconductor, showing two distinct alternating layers: the copper oxide layer (purple is copper, brown is oxygen) and the bismuth oxide layer (green is bismuth), interspersed with atoms of calcium (pink) and strontium (orange). (Graphic by Gey- Hong Gweon/LBNL)
31 High Temperature Superconductors II
32 Magnetic Coils I
33 Magnetic Coils II Magnetspulen Die bizarren Formen der gezeigten Magnetspulen sind das Ergebnis ausgefeilter Optimierungsrechnungen (Abb.): Sie sollen einen besonders stabilen und wärmeisolierenden magnetischen Käfig für das Plasma erzeugen. Wegen der angestrebten langen Pulszeiten von 30 Minuten werden - anders als bei bisherigen Anlagen - zum Bau der Magnete supraleitende Stromleiter benutzt. Auf tiefe Temperaturen abgekühlt, verbrauchen sie nach dem Einschalten kaum Energie. Speziell für WENDELSTEIN 7-X entwickelte man einen biegsamen Leiter, ein supraleitendes Kabel aus Niob-Titan mit einer Aluminiumhülle. Der Leiter kann im Ausgangszustand in Formen gepresst und dann durch Erwärmen ausgehärtet werden. Im Betrieb wird der Leiter mit flüssigem Helium, das im Leiterinneren fließt, auf Supraleitungstemperatur von etwa 4 Kelvin, d.h. nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt. Mehr als dreiviertel der bestellten 60 Kilometer Kabellänge hat der Hersteller, das Konsortium European Advanced Superconductors/Europa Metalli Superconductors S.p.A., mittlerweile produziert.
34 Critical Parameters
35 Type I - Superconductors
36 Type II - Superconductors
37 Flux Vortices I (Abrikosov Lattice)
38 Flux Vortices II
39 Some Examples
40 Repetitorium Magnetismus Magnetische Grundgrößen magnetische Induktion B: r r B = µ H rµ 0 Materialbeitrag: magnetische Polarisation J Vakuumbeitrag r B r r µ H + J = 0 Magnetisierung M ist die auf µ 0 bezogene Polarisation M = J/ µ 0 Also: r r r B = µ 0( H + M ) Materialbeitrag Für die Polarisation folgt somit: r J r r r r = B µ H = ( µ 1 µ H = χ µ H 0 r ) 0 m 0 µ r ist die relative magnetische Suszeptibilität χ m. Falls H, B gleiche Richtung haben, dann sind beide Größen Skalare
41 Repetitorium Magnetismus Magnetische Parameter und ihre Einheiten
42 Repetitorium Magnetismus Erscheinungsformen des Magnetismus Ferromagnetismus Beispiele: Fe, Ni und Co Antiferromagnetismus Beispiele: LaCrO 3 Ferrimagnetismus Beispiele: Fe 3 O 4
43 Repetitorium Magnetismus Diamagnetismus
44 Repetitorium Magnetismus Diamagnetische Materialien
45 Repetitorium Magnetismus Paramagnetismus
46 Repetitorium Magnetismus Paramagnetische Materialien
47 Repetitorium Magnetismus Beispiel eines Ferrimagneten Inverse Spinellstruktur von Magnetit Fe 3 O 4
48 Repetitorium Magnetismus Beispiel eines Ferrimagneten 2 verschiedene Gitterplätze: tetraedrisch koordinierter A-Platz (umgeben von 4 Sauerstoffionen) oktaedrisch koordinierter Platz (umgeben von 8 Sauerstoffionen) Alle Fe3+-Ionen auf B-Plätze und M 2+ - Ionen auf A-Plätze, dann normaler Spinell. Inverser Spinell: Fe 3+ -Ionen besetzen nur Hälfte der B-Plätze aber alle A- Plätze. M 2+ -Ionen besetzen andere Hälfte! Fe 3+ -Ionen löschen sich gegenseitig aus, Magnetisierung kommt nur von den M 2+ -Ionen. Inverse Spinellstruktur von Magnetit Fe 3 O 4
49 Repetitorium Magnetismus Paramagnetismus-Ferromagnetismus
50 Repetitorium Magnetismus Magnetisches Verhalten
51 Spin-Bahn-Kopplung: Elektronen bewegen sich um Atomkern. Damit verknüpft ist ein Bahnmoment µ Bahn. Durch die Eigendrehung des Elektrons um sich selbst entsteht zusätzlich ein Spinmoment µ S. Es gilt: Bahnmoment: µ Bahn = (eh/2πm e ) n Repetitorium Magnetismus Ursache des Magnetismus Spinmoment: µs = 2(eh/2πm e ) S eh/2πm e = Am 2 heißt Bohr sches Magneton (kleinstes nicht weiter teilbares magnetisches Moment) Kernmoment kann wegen größerer Masse der Protonen vernachlässigt werden! (m proton ~ 1836 m e!!) n: Hauptquantenzahl, S: Spinquantenzahl, h: Planck sches Wirkungsquantum
52 Ursache Ferromagnetismus: Repetitorium Magnetismus Austauschwechselwirkung Direkte Austauschwechselwirkung zwischen nächsten Nachbarn: Elektrostatische Wechselwirkung! Betrag + Vorzeichen des Austauschintegrals J ij beschreiben Stärke der Spinkopplung. Beschreibung durch Hamiltonoperator: S i,j beschreiben Spinwellenfunktionen der beteiligten Partner. Ferromagnetisch, wenn Austauschintegral > 0!! (bei a/r > 3/2) und a/r < 6.2 Zutreffend bei: Fe, Ni, Co, Gd etc. (Seltene Erden) Nicht zutreffend bei Mn, Cr Idee: Vergrößern der Gitterabstände durch Legieren z.b. mit Al oder Cu!
53 Repetitorium Magnetismus Einige magnetische Kenndaten
54 Repetitorium Magnetismus Die Hysterese [Quelle: Leinenbach et al. 2002]
55 Repetitorium Magnetismus Hart- und weichmagnetische Werkstoffe
56 Weichmagnetische Werkstoffe
57 Hartmagnetische Werkstoffe
58 Repetitorium Magnetismus Domänen und ihre Ursachen [Quelle: Kleibert et al. 2001]
59 Repetitorium Magnetismus Anisotropieeffekte
60 Repetitorium Magnetismus Bereichswände
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