Ellen Ivers-Tiffée, Waldemar von Münch. Werkstoffe der Elektrotechnik

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1 Ellen Ivers-Tiffée, Waldemar von Münch Werkstoffe der Elektrotechnik

2 Ellen Ivers-Tiffée, Waldemar von Münch Werkstoffe der Elektrotechnik 10., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 245 Abbildungen und 40 Tabellen

3 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée leitet das Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik der Universität Karlsruhe (TH). Sie lehrt und forscht in den Bereichen funktionskeramische Werkstoffe und passive Bauelemente. Prof. Dr. phil. nat. Waldemar von Münch war bis zu seiner Emeritierung Direktor des Instituts für Halbleitertechnik der Universität Stuttgart. 1. Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Januar 2007 Alle Rechte vorbehalten B.G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Der B.G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. 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. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Vorwort zur 10. Auflage Werkstoffe spielen eine zentrale Rolle für den technischen und wirtschaftlichen Fortschritt. Ihre Verfügbarkeit ist mitbestimmend für die Innovation in den Schlüsseltechnologien Informations-, Energie-, Medizin- und Umwelttechnik. Mehr als die Hälfte aller forschenden Unternehmen in Deutschland ist auf dem Gebiet neuer Werkstoffe tätig, dabei entsteht eine große Vielfalt neuartiger Bauelemente. Die Umsetzung der Forschungsergebnisse in intelligente elektronische Systeme liegt in der Hand von Elektroingenieurinnen und -ingenieuren, die in der Lage sind, im Spannungsfeld zwischen physikalischer Grundlagenforschung, Werkstoffwissenschaft und Ingenieurskunst kreativ zu arbeiten. Das vorliegende Skriptum behandelt eingangs Aufbau und Eigenschaften der Materie. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Kristallstruktur in Festkörpern. Damit wird die Basis für das Verständnis der folgenden fünf Themenschwerpunkte gelegt. Wie wird die Torsion einer Welle gemessen, wie das Magnetfeld eines Kernspintomographen erzeugt nur zwei Anwendungsgebiete moderner metallischer Werkstoffe. Zum Messen kleinster Magnetfelder können Halbleiter, deren Eigenschaften gezielt geändert wurden, verwendet werden. Die Einflussgrößen und die resultierenden Eigenschaften des Werkstoffs werden hier besprochen. Mit modernen Dielektrika können Aktoren mit Positioniergenauigkeiten im Nanometerbereich (Piezoeffekt) und sehr kleine, hochkapazitive Kondensatoren zum Einsatz in Mobilfunktelefonen aufgebaut werden. Der Themenkomplex der dielektrischen Bauelemente wird in Theorie und Praxis dargestellt. Nichtlineare Widerstände auf der Basis polykristalliner Keramik kommen als Heißleiter, Kaltleiter oder Varistoren (Variable Resistoren) zum Einsatz. In diesem Kapitel wird der Zusammenhang zwischen Werkstoffzusammensetzung, Mikrogefüge und elektrischer Funktion ausführlich vorgestellt. Abschließend behandelt das Skriptum die drei Haupttypen des Magnetismus und die Anwendung magnetischer Werkstoffe in Elektrotechnik und Informationstechnik. Dank der zahlreichen Hinweise und Anregungen von Kollegen und Studenten wurde die Gelegenheit wahrgenommen, in der vorliegenden Auflage einige Verbesserungen vorzunehmen sowie den Anhang um zwei Abschnitte zu erweitern: Sowohl eine Formelsammlung mit den wichtigsten Gleichungen aus dem behandelten Stoffgebiet als auch eine Auswahl von Übungsaufgaben mit Lösungen sollen dem Studenten insbesondere bei der Prüfungsvorbereitung von Nutzen sein. Karlsruhe, Juni 2006 E. Ivers-Tiffée

5 Inhaltsverzeichnis Vorwort... V Inhaltsverzeichnis...VI 1 Aufbau und Eigenschaften der Materie Aufbau der Atome und Periodensystem der Elemente Bohrsches Atommodell und Wasserstoffatom Quantenmechanik und Konfiguration der Elektronenhülle Das Periodensystem der Elemente Chemische Bindungen Ionenbindung Kovalente Bindung Übergang zwischen ionischer und kovalenter Bindung Metallische Bindung Van der Waalssche Kräfte, Wasserstoffbrücken-Bindung Die Aggregatzustände der Materie Gase und Flüssigkeiten Kristallstrukturen (ideale Kristalle) Kristallbaufehler, reale Kristalle Amorphe Festkörper Werkstoffeigenschaften Phänomenologische Beschreibung Thermische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Zusammenfassung Metallische Werkstoffe Elektrische Eigenschaften Feldgleichungen Elektrische Eigenschaften von Legierungen Zustandsdiagramme Metallische Leiter und Widerstandswerkstoffe Leiterwerkstoffe Kontaktwerkstoffe Widerstandswerkstoffe Heizleiterwerkstoffe Hart- und Weichlote Metalle in der Messtechnik Supraleitung Quantentheoretische Deutung Meißner-Ochsenfeld-Effekt...94

6 VII Technische Anwendungen Zusammenfassung Halbleiter Eigenschaften und Arten von Halbleitern Eigenhalbleiter Eigenleitungskonzentration Leitungsmechanismus in Eigenhalbleitern Störstellenhalbleiter Dotierung Ladungsträgerkonzentration Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit Diffusions- und Feldstrom Galvanomagnetische und thermoelektrische Effekte Zusammenfassung Dielektrische Werkstoffe Feld- und Materialgleichungen Polarisationsmechanismen Grundtypen von Polarisationsmechanismen Temperaturabhängigkeit Dielektrische Verluste Frequenzabhängigkeit der Polarisation Ferroelektrizität Piezoelektrizität Pyroelektrische Werkstoffe Anwendungen dielektrischer Werkstoffe Isolatoren Technische Kondensatoren Piezoelektrische Werkstoffe Mikrowellen-Dielektrika Zusammenfassung Nichtlineare Widerstände NTC-Widerstände PTC-Widerstände Varistoren Zusammenfassung Magnetische Werkstoffe Feld- und Materialgleichungen Magnetische Polarisationsmechanismen Diamagnetismus Paramagnetismus Ferro-, Ferri- und Antiferromagnetismus Einsatz magnetischer Werkstoffe Ideale und verlustbehaftete Spulen Materialsysteme Zusammenfassung

7 VIII Inhaltsverzeichnis 7 Anhang Literaturverzeichnis Formelzeichen, Symbole und Konstanten Formelsammlung Aufgabensammlung Stichwortverzeichnis...261