Funktionswerkstoffe
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Herzlich willkommen zur Vorlesung „Funktionswerkstoffe“ Dr.-Ing. Bruno Kaiser (IfW/ TUD) mit freundlicher Unterstützung des IWE, Uni Karlsruhe Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 1 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Einteilung der Werkstoffe nach anwendungstechnischen Gesichtspunkten Konstruktionswerkstoffe: für „Konstruktionen“, d. h. für Bauteile mit hauptsächlich mechanischer Beanspruchung, wichtige Eigenschaften: Festigkeit, Stabilität, (Dauer-) „Haltbarkeit“, Bruchsicherheit usw. Funktionswerkstoffe: a) zur Gewinnung, Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Informationen (Elektronik, Nachrichtentechnik, Informatik, Gerätetechnik, physikalische Technik) b) zur Erzeugung, Übertragung und Speicherung von elektrischer Energie (energieorientierte Elektrotechnik) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 2 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Beispiele für den Einsatz von Konstruktionswerkstoffen Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 3 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Einteilung der Funktionswerkstoffe (üblicherweise nach Verwendung) Widerstandswerkstoffe Leiterwerkstoffe (auch Supraleiter) Halbleiterwerkstoffe Magnetwerkstoffe Kontaktwerkstoffe Isolierstoffe (Dielektrika) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 4 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Allgemeine Vorbemerkungen Elektrische und magnetische Eigenschaften von Werkstoffen sind in der Elektrotechnik oft wichtiger als die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen ► Gute Leitfähigkeit: niedrige Energieverluste bei der Energieübertragung ► Gute Isolation: elektrische Durchschläge und Lichtbogenbildungen zwischen spannungsführenden Teilen verhindern durch Polymer- oder Keramikisolatoren ► Verbesserung des Wirkungsgrades von Halbleitern: wichtig für die Umwandlung von Solarstrahlung in elektrischen Strom in Solarzellen Die Anwendung von Stoffen in der Elektrotechnik und Elektronik setzt voraus, dass elektrische, magnetische und andere Eigenschaften wie z.B. elektrische Leitfähigkeit gezielt an die Einsatzbedingungen angepasst werden können. Vielfach muss aber auch auf die mechanischen Eigenschaften Rücksicht genommen werden. Beispiel: Leitfähigkeit und Festigkeit bzw. Verschleißwiderstand (Schaltkontakt) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 5 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Anwendung von Leiterwerkstoffen Dehnmessstreifen (DMS) Kaltleiter (PTCs) Varistoren Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 6 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Anwendung von Leiterwerkstoffen Lambdasonden und resistive Abgassensoren Supraleiter für magnetische Anwendungen Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 7 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Übersicht der Einsatzgebiete von Metallen in der Elektrotechnik 0.108 0.313 Li Be 0.53 179 1.848 1277 0.139 0.226 Leitfähigkeit in 106 1/Ωcm Kontakte Widerstände Leiter Stromquellen Magnetische Werkstoffe 0.0489 Schmelztemperatur in °C Na Mg V Dichte in g/cm3 5.8 1900 0.377 Al 0.971 98 1.738 650 2.702 660 0.139 0.298 0.0177 0.0234 0.0489 0.0774 0.0070 0.0993 0.172 K Ca Sc Ti V 0.862 64 1.55 838 3.0 1539 4.50 1668 5.8 1900 0.143 0.596 0.166 0.0678 Cr Mn Fe Co Ni 7.19 1875 7.43 1243 7.86 1536 8.90 1495 8.90 1453 8.96 1083 7.14 419 5.907 30 0.0779 0.0762 0.0166 0.0236 0.0693 0.187 0.067 0.137 0.211 0.0950 0.630 0.138 0.116 0.0917 Rb Sr Y Zr 1.53 39 2.6 768 4.47 1509 6.4 1852 Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn 8.57 2415 12.2 2500 7.31 157 7.30 232 10.2 2620 11.5 2200 0.0489 0.030 0.0126 0.0312 0.0761 0.189 0.0542 0.109 Cs Ba La Hf Ta W 1.873 29 6.7 920 13.2 2222 16.6 2996 19.3 3410 8.51 714 Cu Zn Ga Re Os 21.0 3180 22.40 2700 12.4 1966 12.02 1552 10.5 961 8.65 321 0.197 0.0966 0.452 0.0104 0.0617 0.0481 Ir Pt 22.42 2454 21.45 1773 Au Hg Tl 19.32 13.546 11.85 1063 -38 303 Pb 11.34 327 [Münch 1987] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 8 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Metallische Leiter, Kontakte, Widerstände und Sensoren Leiter und Kontakte sollen den elektrischen Strom möglichst widerstandsfrei weiterleiten Widerstände regeln und messen den Strom und verwandeln ihn in thermische Energie In Metallen, Halbleitern und vielen Isolatoren sind die Ladungsträger Elektronen, in Ionenverbindungen sind die Ladungsträger im wesentlichen Ionen Die Beweglichkeit der Ladungsträger ist abhängig von atomaren Bindungsverhältnissen, Gitterstörungen, Temperatur und Gefügestruktur und in Ionenverbindungen von der Diffusionsgeschwindigkeit. Auf der Vielfalt dieser Einflussgrößen beruht die große Variationsbreite der elektrischen . Leitfähigkeit verschiedener Stoffklassen. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 9 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Leiter Halbleiter Isolatoren Übersicht: Spezifischer Widerstand und Leitfähigkeit spezifischer Widerstand [Ωm] elektrische Leitfähigkeit [S/m] 10+18 10+16 10+14 10+12 10+10 10+8 10+6 10+4 10+2 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-18 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 10+2 10+4 10+6 10+8 organische Polymere SiO2, Al2O3 keramische Isolatoren ferromagnetische und ferroelektrische Keramik anorganische Gläser GaAs Si (intrinsisch) Si (extrinsisch) Graphit Metalle und Legierungen ↓ Supraleiter NiCr Al Ag, Cu [Schaumburg 1990] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 10 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Elektrische Leitfähigkeit, Leiterwerkstoffe Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 11 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Vorstellung der elektronischen Leitfähigkeit nach Drude Atomrümpfe – Elektron – E-Feld Die Elektronen werden durch das angelegte elektrische Feld beschleunigt. Beim Transport durch das Atomgitter werden die Elektronen an den Atomrümpfen gestreut. Die mittlere Zeit zwischen zwei Stößen ist die Stoßzeit. Zwischen den Stößen bewegen sich die Elektronen gemäß den klassischen mechanischen Bewegungsgleichungen auf parabolischen Bahnen. Die mittlere freie Weglänge ist in der Größenordnung des Gitterabstands. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 12 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Regel nach Matthiessen für die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit Matthiessensche Regel spezifischer Widerstand ρ = ρ T (T ) + ρ r „andere“ Parameter Wärmebewegung des Gitters ρ T Temperaturanteil „andere“ temperaturunabhängige Parameter ρ r konstanter Anteil • Fremdatome • Versetzungen 0 Temperatur • andere Defekte im Gitter (Korngrenzen, Zweitphasen, ...) Erwärmung von Kupfer um 125°C : Widerstand R (und auch ρ) nimmt auf das 1,5 – fache zu, der Wolframdraht einer Glühbirne hat bei 2500°C den 19-fachen Widerstand des kalten Fadens. [Schaumburg 1990, Tipler 1994] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 13 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Einflüsse von Bearbeitung und Härtung Mischkristallverfestigung verringert die elektrische Leitfähigkeit, freie Weglänge wird herabgesetzt. Dagegen: relativ schwacher Einfluss einer Kaltverformung Einfluss von Mischkristallbildung und Kaltverformung Einfluss verschiedener Elemente auf die Leitfähigkeit von Kupfer Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 14 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Leitfähigkeit von metallischen Werkstoffen bei tiefen Temperaturen ρ r temperaturunabhängiger Anteil ρT Temperaturanteil [Call 1994] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 15 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Supraleitung unterhalb der „Sprungtemperatur“ Supraleitung: Widerstandsloser Ladungstransport, komplexes physikalisches Phänomen, nur ansatzweise anschaulich darstellbar, Ursache: Cooper-Paare: sind Elektronenpaare, die sich in großen Kollektiven von Leitungselektronen zwischen ständig wechselnden Partnern bilden, sie sind so gekoppelt, dass sie bei einem normalen Stoß zwischen Einzelelektron und Gitter nicht aufbrechen. Viele Metalle und intermetallische Verbindungen gehen unterhalb etwa 20K in den supraleitenden Zustand über, Abkühlung durch flüssiges Helium (siedet bei ca. 4K) Begrenzung des supraleitenden Zustands durch Temperatur, Magnetfeld und Stromdichte Technisch interessant: Supraleiter mit hohen kritischen Parametern Heute: keramische Stoffe mit Tkrit > 77 K (flüss. N) bzw. > 100 K (TlBa2Ca3Cu4O11) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 16 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Leiterwerkstoffe Beste Leitfähigkeit: unlegierte Reinmetalle ohne eingebaute Fremdatome Für die Anwendung von Leiterwerkstoffen ist auch der Preis mit entscheidend! Für Leiter in Form von Draht, Blech, Band, Profil und anderen werden vor allem folgende reine und niedrig legierte Metalle benutzt: ► Reinkupfer (E-Cu) und niedrig legiertes Cu (z. T. ausscheidungshärtbar) ► Leitaluminium (E-Al) und niedrig legiertes Al, z. B. AlMgSi (Aldrey) ► Gold (Elektronik) ► Silber (Nachrichtentechnik) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 17 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Räumliche Leiteranordnungen Ebene Leiteranordnungen Leiterwerkstoffe Anwendungen metallischer Leiterwerkstoffe Wicklungen Kabel Nachrichtentechnik Energietechnik Cu Cu σ / σAg 1,0 Al, Cu, (Na) Freileitungen Al/St, Cu, Al 0,8 Hohlleiter Ag 0,6 0,4 Integrierte Schaltungen Al, Al/Cu, Au Dünnschichtschaltungen Al, Au, Ag, Cu 0,2 Dickschichtschaltungen Au, Ag, Pd, Pt 0,0 Leiterplatten Ag Cu Au Al Na Mg Zn Fe Cu, Sn [Münch 1987] Auswahlkriterien: spezifische Leitfähigkeit σ, Gewicht, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Kosten Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 18 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Leitfähigkeit unterschiedlicher Stoffe a) leicht bewegliche Valenzelektronen in Metallen b) Bewegung von Elektronen in reinen Halbleitern und Isolatoren erfordert das Aufbrechen kovalenter Bindungen Ladungsträger in unterschiedlichen Stoffen c) in ionisch gebundenen Stoffen erfolgt der Ladungstransport durch Diffusion von Ionen Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 19 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Bändermodell und –strukturen verschiedener Werkstoffe Das Bändermodell veranschaulicht, ob es in einem Werkstoff freie, d.h. über eine von außen angelegte elektrische Feldstärke leicht bewegliche Elektronen gibt. Elektronen besetzen im Feld eines Atomkerns bestimmte unterschiedliche Energiewerte (Energieniveaus). Werden mehrere Atome dicht aneinander gebracht, dann fächern sich die einzelnen diskreten Energiezustände immer weiter auf in eng beieinander liegende Gruppen von Zuständen, diese können in Energiebänder zusammengefasst werden ( = Energieintervalle, in denen erlaubte Elektronenzustände liegen). Für elektrische Eigenschaften eines Werkstoffes maßgebend sind ► die am schwächsten an den Atomrumpf gebundenen Elektronen, d.h. die Elektronen mit den am weitesten oben liegenden Energien. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 20 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Bändermodell Leitfähigkeit zur schematischen Betrachtung reichen die beiden Bänder, die in der Energieskala am höchsten liegen: Valenzband und Leitungsband. Die Besetzung der Energiebänder mit Elektronen hängt eng mit der Elektronenbesetzung der Atome zusammen. Entstehung von Energiebändern aus diskreten Energieniveaus beim Zusammenführen vieler Atome Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 21 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Bändermodell und –strukturen verschiedener Werkstoffe Entscheidend für elektrische und auch für thermische Leitfähigkeit: ► ob Elektronen im Leitungsband sind, da diese relativ leicht beweglich sind. Diese Bedingung ist gut erfüllt in dem Teilbild c), nicht aber im Teilbild b) und nur eingeschränkt im Teilbild a). b) Isolator a) Halbleiter Leitungsband WL Wv ~ 1,1 eV Valenzband WL Wg ~ 9 eV Wv Silizium Leitungsband Valenzband SiO2 c) Leiter Wf Leitungsband Metalle Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 22 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Halbleiter und Halbleiter-Werkstoffe Bedeutung der Halbleiter: Leitfähigkeit und Leitungstyp (p- und n-Leitung) relativ einfach und genau räumlich selektiv einstellbar, ► ermöglicht die Erzeugung interner Leitfähigkeitsstrukturen, mit denen sich nahezu alle elektronischen Funktionen realisieren lassen Beispiele: Gleichrichtung, Verstärkung, Signalwandlung, Signalspeicherung usw. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 23 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Halbleitereffekt am Beispiel von Silizium bei T = 0 K Si Si Si Si Einfaches Bändermodell Si Leitungsband Si Si Si Si WL Si WG = 1,17 eV (Si) Si Si Si Si Si WV Valenzband Si Si Si Si Si4+ (Ge4+): 4 Valenzelektronen (sp3-Hybridisierung) Si *T=0K keine Elektronen im Leitungsband* Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 24 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Halbleitereffekt am Beispiel von Silizium bei T > 0 K (Eigenleitung, „intrinsische Leitung“) Si Si Si Si Einfaches Bändermodell Si Leitungsband Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si WL WV Valenzband Si Si Si Si Si • Leitungselektronen im Leitungsband • Defektelektronen im Valenzband Bei Energiezufuhr (T > 0 K) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 25 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Gegenüberstellung von intrinsischer und Störstellenleitung Srörstellenleitung durch Dotierung mit 3- oder 5-wertigen Atomen i-Leitung (Eigenhalbleiter) n-Leitung (donatordotiert) p-Leitung (akzeptordotiert) Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ As5+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Si4+ Ga3+ Si4+ Leitungsband - WG=1,11eV + Valenzband WL WFi WV Leitungsband - - - WL + + + WF Donatorniveaus + Valenzband Leitungsband - WL Akzeptorniveaus WF - - WV + + + + Valenzband WV Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 26 [Hahn 1983] IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Temperaturabhängigkeit beim Störstellenhalbleiter Ladungsträgerkonzentration Beweglichkeit T Leitfähigkeit T T n = p = ni intrinsisch log(σ) μ log(ni, n, p) n oder p ni I E Tmax R extrinsisch I Tmin E Tmax Tmin T-1 T-1 I: intrinsischer Bereich, E: Störstellenerschöpfung, R: Störstellenreserve R T-1 Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 27 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Elektrische Kontakte Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 28 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Kontaktarten und ihre Beanspruchung bewegliche Kontakte Schleif-, Wälz-, Druck-, Abhebe- oder Flüssigkeitskontakte (Hg) Die Beanspruchungsarten von Kontakten können sein ► mechanisch (statisch, Zug, Druck, Biegung) ► mechanisch (schwingend oder stoßartig, Schwingungen, Lastwechsel, Erschütterungen) ► Verschleiß, Werkstoff übertragend oder Werkstoff umsetzend (thermisch, mechanisch, durch Lichtbogeneinfluss: Verschweißen, Verbrennen, Verspritzen) ► chemisch (Korrosion, Legierungsbildung) Geöffneter Kontakt: möglichst ideale elektrische Isolation Geschlossener Kontakt: möglichst ideale elektrische Leitung Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 29 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Metalle als Kontaktwerkstoffe Kontaktwerkstoffe Meß- und Nachrichtentechnik Au, Ag, Ag/Ni, Rh, Pt Federkontakte Cu/Sn Cu/Zn Cu/Be Auswahlkriterien: Besonders niedriger Übergangswiderstand Legierungen mit hohem Elastizitätsmodul Starkstromtechnik niedrige Leistung hohe Leistung Cu/Ag, Ag/Cu Ag/Ni, Ag/C, Ag/CdO Mo, W Mo/Cu, W/Cu Mo/Ag, W/Ag Legierungen / Verbundwerkstoffe mit hoher Abbrandfestigkeit und geringer Materialwanderung [Münch 1987] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 30 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Metalle als Kontaktwerkstoffe gegen Feinwanderung beständige Kontakte Leistungslos schaltende Kontakte Cu Ag Au Kontakte für mittlere Leistungen Kontakte mit höchster Abbrandfestigkeit Cu/Ag Ag/Cd Pd Pt Cu/Ag Ag/Ni Rh Pd/Cu Pt/Ir /Cd Ag/Pd Mo W Feder- und Schleifkontakte W/Ag W/Cu Cu/Be Cu/Sn Cu/Zn [Münch 1993] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 31 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Kontakte, Werkstoffauswahl Bei der Werkstoffauswahl für Kontakte muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen der elektrischen Leitfähigkeit (bei Reinmetall am höchsten) und dem Verhalten gegenüber Verschleiß-, Korrosions- und thermischer Beanspruchung (Legierungen). Kontaktwerkstoffe ► Reinmetalle und Legierungen ► Sinterwerkstoffe ► Werkstoffe mit Überzügen (Schichtwerkstoffe) Reinmetalle und Legierungen für alle Schaltvorgänge, für große Abmessungen: E-Cu und niedrig legiertes E-Cu, für kleine Abmessungen: Edelmetalle Feinsilber Ag 99,95, Hartsilber mit Cu, Ni, Mg legiert, Feingold Au 99,95 bis 99,999, Nachrichtentechnik (Relais) und in der Elektronik Hartgold mit Ag, AgCu, AgNi, AgPt u.a. Platin oder Palladium (sehr teuer) nur für abs. chem. Beständigkeit bei gleichzeitig hoher Abbrandfestigkeit Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 32 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Widerstände Dehnmessstreifen (DMS) Kaltleiter (PTCs) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 33 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Widerstände Die metallischen Widerstände sind PTC-Widerstände mit linearer Abhängigkeit von Strom und Spannung. Nach ihren Aufgabengebieten lassen sie sich in drei Gruppen einteilen: 1. 2. 3. schwach belastbare Präzisionsmesswiderstände veränderliche, mäßig belastbare Steuer-, Regel- und Messwiderstände hoch belastbare Brems- und Heizwiderstände. Nach der Bauform unterscheidet man Widerstände aus Draht, aus glattem oder gewelltem Blech, Profilen und Schichten, die aufgewalzt, aufgedampft oder galvanisiert werden. Reine Metalle: überwiegend niedrige spezifische Widerstandswerte, aber nicht zu vernachlässigende Temperaturabhängigkeiten des spezifischen Widerstandes. Durch die Verwendung von Metalllegierungen erhebliche Verbesserungen erzielbar. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 34 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Widerstände Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes folgt näherungsweise der Gleichung ρT = ρr (1 + a ΔT) ρT ρr ΔT a ist der allein durch thermische Wechselwirkungen bedingte Widerstand ist der Widerstand bei Raumtemperatur (25°C), ist die Differenz zwischen tatsächlicher Temperatur und 25°C, ist der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes Der spezifische elektrische Widerstand hängt in einem weiten Bereich linear von der Temperatur ab. Metall Be Mg Ca Al Cr Fe Co Ni ρr [10-6 Ωcm] 4,0 4,45 3,91 2,65 12,9 9,71 6,24 6,84 a [10-3 Ωcm/°C] 25 16,5 4,2 4,3 3,0 6,5 6,0 6,9 Cu Ag Au 1,67 1,59 2,35 6,8 4,1 4,0 Spezifischer elektrischer Widerstand und Temperaturkoeffizient einiger Metalle Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 35 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Widerstände Widerstand R eines Metalls aus Strukturwiderstand RS und dem Temperaturwiderstand RT: R = RS + RT Strukturwiderstand RS aus Zusammensetzung und Aufbau des Metalls (Reinheit, Gitterfehler bzw. -verzerrungen; konst. bei gleich bleibender Struktur, ändert sich bei elastischer oder plastischer Deformation. Temperaturwiderstand RT aus der mit zunehmender Temperatur stärkeren Schwingbewegung der Ionen. Aus Messwerten wurde folgende Beziehung ermittelt : Das Produkt aus dem spezifischen elektrischen Widerstand ρ und dem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes α bleibt für Reinmetalle und Mischkristalle des gleichen Metalls konstant. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 36 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Werkstoffe für temperaturstabile Präzisionswiderstände (1) 1,00 CuMnSn CuMn12AlFe 0,98 0,96 -200 15 AuCr2 CuMn12Ni2 0 200 Temperatur / °C → 400 TKρ / 10-5 K-1 → ρ (T) / ρ (0 °C) → ρ und TKρ von Widerstandslegierungen (Präzisionswiderstände) 10 CuMn12Ni2 AuCr2 CuMnSn 5 CuMn12AlFe 0 -5 -200 0 200 Temperatur / °C → 400 Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes ρ(T) und des Temperaturkoeffizienten TKρ von einigen Legierungen [Münch 1993] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 37 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Metallische Leiter, Kontakte, Widerstände und Sensoren Werkstoffe für Präzisionswiderstände Werkstoffe spez. el. Widerstand in 10-8 Ωm Temperaturkoeffizient in 10-5 K-1 Ni 6,9 680 Cr 13,2 214 Al 2,67 450 Cu 1,69 430 Widerstandslegierung Konstantan Cu55Ni45 52 2 Thermopaarlegierung Chromel Ni90Cr10 70,6 32 Ni80Cr20 108 5 Präzisionswiderstandslegierung Evanohm Ni75Cr20Al2,5Cu2,5 134 1 Grenztemp. 300°C Spezifischer elektrischer Widerstand sowie Temperaturkoeffizienten reiner Metalle und Spezial-Legierungen Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 38 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Werkstoffe für temperaturstabile Präzisionswiderstände (2) Werkstoff Legierungselemente Grenz- in Gewichts% temperatur ρ TKρ Thermospannung gegen Kupfer * in μV/K Mn Ni Al in °C in μΩcm CuMn12Ni2 12 2 - 140 43 ± 1·10-5 - 0,4 CuNi20Mn10 10 20 - 300 49 ± 2·10-5 - 10 CuNi44 1 44 - 600 49 + 4·10-4 - 40 in K-1 - 8·10-4 CuMn2Al 2 - 0,8 200 12 4·10-4 + 0,1 CuNi30Mn 3 30 - 500 40 1·10-4 - 25 CuMn12NiAl 12 5 1,2 500 40 ~ 10-5 -2 alle Werte gelten bei T = 20 °C * Seebeck-Koeffizient [Münch 1987] Auswahlkriterien: Hoher spez. Widerstand ρ, Langzeitstabilität, definiert einstellbarer und sehr Legierungen niedriger Temperaturkoeffizient TKρ , geringe Thermospannung gegen Kupfer [Münch 1987] Prof. Dr.-Ing. C. Berger Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 39 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Dielektrika: nicht leitende Werkstoffe Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 40 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Dielektrischen Werkstoffen und ihre Anwendung Folienkondensatoren Elektrolytkondensatoren auf Basis von Aluminium, Tantal und Niob Nb2O5 Nb Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 41 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Dielektrika: nicht leitende Werkstoffe Dielektrika: ► Werkstoffe mit hohem spezifischen Widerstand ► „Nichtleiter“, keine freien Elektronen, kein Stromfluss ► Isolierstoffe, Isolatoren sind vor allem keramische Materialien und Polymere, breite Energielücke Man unterscheidet folgende dielektrische Aufgabengebiete: ► Isolation (passive Dielektrika) ► Speicherung elektrischer Ladungen in Kondensatoren (aktive Dielektrika) Gefordert : Hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, hohe Kriechstromfestigkeit ! Wichtig ! Sachgerechte Auswahl geeigneter Isolierstoffe, Kenntnisse der Mechanismen über Entstehung lokaler Ladungsanhäufungen und Ladungstransport in diesen Stoffen. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 42 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Polarisationsmechanismen Plattenkondensator bei konstantem elektrischen Feld Verschiebungsdichte im Vakuum + + + E U - - + + σF = D0 - - E [Ivers-Tiffée 2007] elektrische Feldkonstante ε0 = 8,85 ⋅ 10-12 As/Vm P D + + + + + - - - - - - - - - - Vakuum D0 : Vakuumverschiebungsdichte σF : freie, flächenbezogene Ladung auf den Kondensatorplatten r r D0 = ε 0 ⋅ E ++++++++++ - - - - U D0 - Verschiebungsdichte im Dielektrikum σF = D σP = P Dielektrikum P : Polarisation σP : gebundene, flächenbezogene Polarisationsladung auf der Außenseite des Dielektrikums r r r D = ε0 ⋅ E + P P = fkt (E, T, σM , ...) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 43 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Dielektrisches Verhalten von Werkstoffen Feldstärke und Verschiebungsdichte Dielektrizitätszahl Die Verschiebungsdichte D ist die Ladung pro Fläche, die nach Anlegen eines elektrischen Felds E auf die Platten verschoben wird. In linearer, isotroper Materie ist die angelegte Feldstärke E proportional zur elektrischen Verschiebungsdichte D. ++++++++++ - - - - U E D + + + + + - - - - - - - - - - Dielektrikum r r D = ε0 ⋅ εr ⋅ E εr : relative Dielektrizitätszahl des Werkstoffs ε0 : elektrische Feldkonstante Die physikalische Deutung dieser Beziehung, die Behandlung nichtlinearer Materie sowie die Querempfindlichkeit der Dielektrizitätszahl zu anderen physikalischen Größen (z.B. Temperatur, Frequenz) und die Anwendung in Bauelementen ist Gegenstand des folgenden Kapitels. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 44 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Polarisationsmechanismen im Überblick Grundtypen der Polarisation Spezielle Dielektrika Elektronenpolarisation Auslenkung von Atomhülle gegen Atomkern Piezoelektrizität Polarisation wird durch mechanische Dehnung induziert und umgekehrt. Ionenpolarisation Auslenkung von Kationen gegen Anionen im Kristallgitter Orientierungspolarisation Ausrichtung permanent vorhandener Dipole Raumladungspolarisation Ladungsverschiebung in polykristallinen und Kompositwerkstoffen Pyroelektrizität Spontane Polarisation unabhängig vom elektrischen Feld Ferroelektrizität Spontane Polarisation durch elektrisches Feld beeinflussbar Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 45 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Grundtypen der dielektrischen Polarisation Grundtypen Elektronenpolarisation Auslenkung von Atomkern und -hülle (induzierte Dipole) Ionenpolarisation Auslenkung von Kationen und Anionen (induzierte Dipole) - E=0 E>0 - - + - - + - - + - + - + + - + - + - + - + - + - + - + - + + - + - + - + - + - + Orientierungspolarisation Ausrichtung permanent vorhandener Dipole - + -+ - + - + - + - ++ - - + + -+ + + - + - + - Raumladungspolarisation Ansammlung freier Ladungsträgern an isolierenden Korngrenzen [Schaumburg 1994] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 46 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de 3.3 Verhalten von Dielektrika im Wechselfeld Vollständiges Dispersions- und Verlustspektrum ε r′ Raumladungspolarisation ′ χRL Relaxation Raumladungspolarisation Orientierungspolarisation Orientierungspolarisation Ionenpolarisation ′ χOr ′ χ ion χel′ 1 0 Dispersionsspektrum Resonanz Elektronenpolarisation 10-4...10-2 Ionenpolarisation Elektronenpolarisation < 1010 1011...1013 1014...1015 f / Hz ε r′′ Verlustspektrum Mikrowellen RRL Ri ROr CRL COr Infrarot Ultraviolett Rion Cion Lion Rel Cel Lel f / Hz Ersatzschaltbild [Schaumburg 1994] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 47 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Verhalten von Dielektrika im Wechselfeld Dielektrizitätszahlen und dielektrische Verlustfaktoren Dielektrizitätszahl εr Verlustfaktor tan δ ⋅ 103 Kunstharze 4...10 200...500 Unpolare Kunststoffe 2...2,5 < 0,5 Polare Kunststoffe 2,5...6 1...20 Technische Gläser 3,5...12 0,5...10 Silikatkeramik 4...6,5 1...20 NDK-Kondensatorkeramik 6...200 < 0,6 HDK-Kondensatorkeramik 200...104 2...20 Kunststoffe organische Werkstoffe Keramik / Glas anorganische Werkstoffe [Münch 1993] NDK: Niedrige Dielektrizitätskonstante / HDK: Hohe Dielektrizitätskonstante Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 48 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Dielektrische Eigenschaften von Kondensatoren Kondensatoren dienen in elektrischen Schaltungen zu unterschiedlichen Zwecken: ► Glättung von Strömen ► Ladungsspeicherung ► frequenzabhängige Kopplungsglieder zwischen Wechsel- und Gleichstromkreisen Entsprechend unterschiedlich sind auch ihre Dimensionierung und die verwendeten dielektrischen Materialien. Die Speicherfähigkeit (Kapazität) eines Kondensators hängt ab von seiner Geometrie und von der Art des Dielektrikums, möglichst ► große Permittivität wegen leichter Polarisierbarkeit ► hoher elektrischer Widerstand zur Verhinderung von Ladungsaustausch ► hohe Durchschlagfestigkeit, damit dünne Schichten hohen Spannungen standhalten ► kleiner Verlustfaktor, um Erwärmung gering zu halten. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 49 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Kondensatorfamilien im Überblick Kapazität C = εr ⋅ ε0 ⋅ A d Keramik-Kondensator hohe Kapazität durch große Dielektrizitätszahl εr Folien-Kondensator (Kunststoff/ Papier) hohe Kapazität durch große Plattenfläche A Elektrolyt-Kondensator hohe Kapazität durch geringen Plattenabstand d Reale Kapazitäten (je nach Stoffklasse und Bauform) mit C = 1 pF...1 F Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 50 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Folienkondensatoren im Überblick Folienkondensatoren MP metallisiertes Papier K Kunststoffund Metallfolie MK metallisierte Kunststofffolie typisches Aussehen Metallfolie Dielektrikum (Papier, Kunststoff) [Hering et al 1994] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 51 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Anwendung von dielektrischen Werkstoffen in Bauelementen (1) Folienkondensatoren Elektrolytkondensatoren auf Basis von Aluminium, Tantal und Niob Nb2O5 Nb Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 52 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Anwendung von dielektrischen Werkstoffen in Bauelementen (2) Keramische Einschicht- und Vielschichtkondensatoren Quarzoszillatoren und Oberflächenwellenfilter Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 53 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Piezoelektrische Werkstoffe Zur Ursache des piezoelektrischen Effekts Kristallgitter ohne Symmetriezentrum Ö piezoelektrisch Kristallgitter mit Symmetriezentrum Ö nicht piezoelektrisch + - + + - + - + - + unbelastet F=0 + - - - + + + - F F + - + - + - + - + belastet F≠0 + + r P - - + r P + - F F Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 54 + [Münch 1993] IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de 3.4 Piezoelektrische Werkstoffe Piezoeffekt am Beispiel des Quarzkristalls (SiO2) y O2- unbelastet F=0 y Si4+ x x - belastet F≠0 F - F + + + y + [Kleber] y - + x - - Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 55 - x Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger + IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de 3.4 Piezoelektrische Werkstoffe Direkter und indirekter piezoelektrischer Effekt Direkter Piezoeffekt Mechanische Verformung Mechanische Anregung Ladung/ elektr. Spannung piezoelektrischer Werkstoff elektrische Ladung bzw. Spannung Indirekter Piezoeffekt Elektrische Anregung Elektrode Dehnung/ mechan. Spannung Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 56 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de 3.4 Piezoelektrische Werkstoffe Anwendungen des piezoelektrischen Effekts Direkter piezoelektrischer Effekt Erzeugung von Hochspannungsimpulsen (Funkenerzeugung) Indirekter piezoelektrischer Effekt Kraft-, Druck-, Beschleunigungsaufnehmer Frequenzstabilisierung Zeitmessung Schallerzeugung Frequenzfilter Piezoelektrische Antriebe (Translatoren) Verzögerungsleitungen [Münch 1987] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 57 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Anwendung von dielektrischen Werkstoffen in Bauelementen (3) Piezoelektrische Aktoren Pyroelektrische Infrarotsensoren und -kameras Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 58 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Zusammenfassende Betrachtung zur elektrischen Leitfähigkeit ► Die Werte der Leitfähigkeit von Metallen, keramischen Stoffen und Polymeren unterscheiden sich um 25 Größenordnungen. Entscheidend für das Leitvermögen der Stoffe ist ihre Elektronenstruktur, von der Anzahl und Beweglichkeit der Ladungsträger abhängen. Das unterschiedliche Verhalten von Leitern, Halbleitern und Isolatoren kann aus der Energiebandstruktur erklärt werden. ► Das gute Leitvermögen von Metallen beruht auf der großen Anzahl freibeweglicher Elektronen. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur und zunehmender Konzentration an Gitterfehlern ab. Dabei wirken in fester Lösung befindliche Fremdatome und kohärente Ausscheidungen wesentlich stärker als inkohärente Ausscheidungen, Korngrenzen oder Versetzungen. ► In heteropolar gebundenen Stoffen sind die Ladungsträger Ionen. Mit steigender Temperatur nehmen Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen und elektrische Leitfähigkeit zu. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 59 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Zusammenfassende Betrachtung zur elektrischen Leitfähigkeit ► Die im allgemeinen sehr schlechte elektrische Leitfähigkeit von Polymeren kann durch Füll- oder Faserstoffe verbessert werden. Einige Polymere sind aufgrund ihrer besonderen Molekülstruktur von Hause aus gute elektrische Leiter. ► Unterhalb ihrer kritischen Temperaturen können in Supraleitern (bestimmte Metalle, intermetallische Verbindungen und keramische Substanzen) Ströme verlustfrei fließen. Die meisten dieser Stoffe müssen mit flüssigem Helium unter die kritische Temperatur abgekühlt werden. Bei einigen Keramikmaterialien mit höheren kritischen Temperaturen genügt hierfür bereits flüssiger Stickstoff (Siedetemperatur 77 K) ► Eine sehr breite Energielücke bedingt die extrem geringe elektrische Leitfähigkeit der meisten Keramikstoffe und Polymere. Vertreter dieser Stoffklassen mit hoher Durchschlagfestigkeit und kleiner Permittivität eignen sich als elektrische Isoliermaterialien. Für den Einsatz als Dielektrikum in Kondensatoren sind dagegen große Permittivitäten erwünscht. Eine Besonderheit stellt die Eigenschaft piezoelektrischer Substanzen dar, unter der Wirkung eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen zu ändern. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 60 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Zusammenfassende Betrachtung zur elektrischen Leitfähigkeit ► Die relativ breite Energielücke zwischen Valenzband und Leitungsband in Halbleitern lässt nur kleine, stark temperaturabhängige Werte der elektrischen Leitfähigkeit zu. Durch Dotieren mit anderen Elementen entstehen Störstellenhalbleiter mit kleiner Anregungsenergie und relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit, die in einem bestimmten Bereich nahezu temperaturunabhängig ist. Störstellenhalbleiter dienen zur Herstellung von Bauelementen wie Dioden, Transistoren und integrierten Schaltkreisen. Im Gegensatz zu Metallen bewirken steigende Temperatur oder höhere Störstellenkonzentration bei Halbleitern eine Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit. Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 61 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de Elektrische Leitfähigkeit / (S/m) Leitfähigkeit und Temperaturabhängigkeit verschiedener Werkstofffamilien Temperatur / K [Chiang 1997] [http://www.testo.de] Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. C. Berger Vorlesung Nat 2 am 08.04.08“ Funktionswerkstoffe“ S/Ka Folie 62 IWE Prof. Dr.-Ing. E. Ivers-Tiffée, www.iwe.uni-karlsruhe.de
