TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg

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1 TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg PROTOKOLL Modul: Versuch: Physikalische Eigenschaften I. VERSUCHSZIEL Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit von metallischen Werkstoffen wird für verschiedene technische Anwendungen ausgenutzt. Einige Beispiele sind Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit als Kennwert, z.b. an Euromünzen in Automaten Ermittlung von Härte und Festigkeit von wärmebehandelten Aluminiumlegierungen. z.b. zum Erkennen von Hitzeschäden in tragenden Teilen von Flugzeugen Bestimmung der Reinheit von Metallen, z.b. Bestimmung des Phosphorgehaltes in Leitungskupfer Trennen von Metallschrott anhand der elektrischen Leitfähigkeit 1 Im Versuch soll die elektrische Leitfähigkeit verschiedener metallischer Werkstoffe mit einer speziellen Sonde gemessen werden. Anschließend sind diese Messwerte mit Tabellenwerten von reinen Metallen zu vergleichen. Ziel soll es sein, zu erkennen, woraus die vorliegenden Bauteile und Metallstücke bestehen und wodurch die Leitfähigkeit beeinflusst werden kann. II. HINTERGRUND Es Euch ist bekannt, dass Metalle gegenüber anderen festen Stoffen (z.b. Glas, Porzellan) den elektrischen Strom und die Wärme sehr gut leiten. Sie sind gute elektrische und Wärmeleiter. Zwei Löffel einer aus Aluminium, einer aus Edelstahl werden in heißes Wasser getaucht. Welcher Löffel ist schneller heiß? Das Material, das sich schneller erwärmt, hat die bessere Wärmeleitfähigkeit und damit auch die bessere elektrische Leitfähigkeit.

2 Ursache für die gute Leitfähigkeit in Metallen In metallischen Festkörpern sind die Atome regelmäßig angeordnet. Sie bilden ein Kristallgitter. Beispielsweise sind in Kupfer die Cu Atome so angeordnet, dass sie sowohl die Ecken eines Würfels als auch die Flächenmitten des Würfels besetzen. Viele Würfel zusammengestellt, ergeben den Festkörper. Damit ein Kristallgitter entsteht, müssen die Atome Außenelektronen abgeben, zurück bleiben positiv geladene Atomrümpfe. Die abgegebenen Elektronen gehören nun nicht mehr zu einem bestimmten Atom. Sie sind zwischen den Atomrümpfen frei beweglich und werden als Elektronengas bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung bewegen sich die Elektronen des Elektronengases entlang der elektrischen Feldlinien in Richtung Pluspol. Dabei wird elektrische Ladung transportieren, d.h. es fließt ein elektrischer Strom. Auf ihrem Weg durch den Festkörper werden die Elektronen behindert, damit verringert sich der Stromfluss. Das Material besitzt einen elektrischen Widerstand R. Als Materialkenngröße wird aber nicht der in der Elektrotechnik übliche OHM sche Widerstand R benutzt, sondern der spezifisch elektrische Widerstand ρ. 2 Es gilt: A = Querschnittsfläche des Leiters l = Länge des Leiters Der Kehrwert des spezifisch elektrischen Widerstands ist die elektrische Leitfähigkeit σ. Es gilt: Maßeinheiten: ρ in Ω m; σ in MS m 1 [1 S = 1Ω 1 ] Hindernisse für die schnellen Elektronen auf ihrem Weg durch das Kristallgitter sind: die Atomrümpfe, die Wärmeschwingungen ausführen, und Defekte im Kristallgitter. Die Höhe des elektrischen Widerstandes hängt deshalb ab von der Temperatur Mit steigender Temperatur nimmt die Wärmeschwingung der Atomrümpfe zu. Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen Atomen und Elektronen erhöht sich. von der Konzentration an Defekten im Kristallgitter Je mehr, vor allem kleine Defekte, wie z.b. falsche Atome, im Kristallgitter vorhanden sind, desto höher ist der elektrische Widerstand.

3 Dieser Zusammenhang wird in der Regel von MATTHIESEN zum Ausdruck gebracht: Festkörper, die keine freien Ladungsträger besitzen leiten keinen elektrischen Strom. Sie sind Isolatoren. Eine besondere Eigenschaft von Metallen ist, dass sie auf atomarer Ebene teilweise sehr gut miteinander mischbar sind. Es entsteht eine Legierung. Die älteste Legierung hat gleich einem ganzen Zeitalter einen Namen gegeben die Bronze. Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn. Die Atome beider Metalle besitzen aber unterschiedliche Atomradien: r (Cu) = 0,127 nm r (Sn) = 0,158 nm Werden jetzt einige dicke Zinnatome in das Kristallgitter von Kupfer eingebaut, kommt es zur Verzerrung des Gitters. Deshalb ist die Bronze härter als reines Kupfer oder Zinn. Außerdem erhöht sich der spezifisch elektrische Widerstand. Kupfer kann auch mit anderen Elementen legiert werden. Gibt man Zink zu Kupfer hinzu entsteht die Legierung Messing, die ebenfalls deutlich härter ist als reines Kupfer. Für viele technische Anwendung sind deshalb Legierungen wichtiger als reine Metalle. Beispielsweise werden moderne Motorblöcke aus einer Al Si Legierung hergestellt. Reines Aluminium ist nicht geeignet, da es ebenfalls zu weich ist. 3 Im Flugzeugbau werden sehr häufig Al Cu Legierungen eingesetzt. Auch hier ist die höhere Festigkeit der Legierung bei gleichzeitig geringem Gewicht der entscheidende Faktor für die Materialauswahl. Die Qualität der Aluminiumlegierungen wird sehr häufig durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit kontrolliert. III. DURCHFÜHRUNG 1. Machen Sie sich zunächst mit der Wirkungsweise des Messgerätes vertraut. Dazu liegt am Arbeitsplatz eine Beschreibung. 2. Lesen Sie dann die Bedienungsanleitung (liegt am Arbeitsplatz) und testen Sie das Gerät an einer Probe. 3. Führen Sie nach Anleitung vor Beginn der Messung eine Kalibrierung durch. 4. Messen Sie die elektrische Leitfähigkeit eines 5 und eines 10 Cent Stückes. Betrachten Sie vor der Messung die dazugehörigen Schliffbilder. Überlegen Sie, mit welcher Frequenz die 5 Cent Münze zu messen ist.

4 5. Beobachten Sie, was geschieht, wenn Sie beide Münzen mit allen Frequenzen messen. Tragen Sie die Messwerte in Tabelle 1 der Protokollvorlage ein. 6. Es stehen verschiedene kompakte Materialien zur Verfügung. Pro Teil (richtige Messfrequenz aussuchen!) sind 5 Messwerte zu bestimmen, aus denen der Mittelwert gebildet wird. Tragen Sie die Mittelwerte in Tabelle 2 ein. 7. Vergleichen Sie die gemessenen Mittelwerte der Leitfähigkeit von Tabelle 2 mit den Standardwerten von reinen Metallen. Dazu befinden sich am Arbeitsplatz Tabellen mit dem spezifisch elektrischen Widerstand und der Leitfähigkeit von reinen Metallen bei 20 C. Versuchen Sie, das Material zuzuordnen. 8. Werten Sie Ihre Messergebnisse aus und beantworten Sie die Fragen in der Protokollvorlage. IV. Auswertung Erklären Sie mit Hilfe des Metallaufbaus die gute elektrische Leitfähigkeit. Notieren Sie Gründe, warum nicht der OHM sche Widerstand als Materialkenngröße genutzt wird. 4 Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen elektrischer Leitfähigkeit und spezifisch elektrischem Widerstand! Geben Sie an, wie sich die elektrische Leitfähigkeit von reinen Metallen bei Erhöhung der Temperatur verändert? Erklären Sie diese Erscheinung. Wie verhält sich die elektrische Leitfähigkeit bei der Bildung von Legierungen im Vergleich zu reinen Metallen? Geben Sie Ursachen dafür an. Erläutern Sie, warum man nicht mit einer Messfrequenz alle Gegenstände messen kann.

5 Tabelle 1: Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Münzen: 10 ct Münze: Vollmaterial Nordic Gold (CuAlZn5Sn1) 5 ct Münze: Cu Schicht auf Fe Kern Diskutieren Sie die Ergebnisse von Tabelle 1! Tabelle 2: Messung der elektrischen Leitfähigkeit an Metallen: 5 Tabelle 3: Messung der elektrischen Leitfähigkeit an Legierungen: Warum verringert sich die elektrische Leitfähigkeit in Legierungen?