Werkstoffe in der Elektrotechnik

Hans Fischer, Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler
Werkstoffe in der
Elektrotechnik
Grundlagen - Aufbau - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung Technologie
ISBN-10: 3-446-40707-3
ISBN-13: 978-3-446-40707-7
Inhaltsverzeichnis
Weitere Informationen oder Bestellungen unter
http://www.hanser.de/978-3-446-40707-7
sowie im Buchhandel
Inhalt
Verwendete Formelzeichen (Fz) und Abkürzungen mit Einheiten (E) . . . . . . . . . . . . . .
Grundlagen
1.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 Bildung von Bindungszuständen in Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Atombindung, Moleküle, van der Waals’sche Bindungen . . . . . . . . . . .
1.1.2 Ionenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 Metallbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Bildung von Ordnungszuständen in festen metallischen und nichtmetallischen
anorganischen Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Ideale Kristallstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Gittertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Analytische Beschreibung des Raumgitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4 Reale Kristallstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Bildung von Ordungszuständen in flüssigen Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Bildung von Phasen, Phasengleichgewichtsdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Phasenübergang flüssig-fest und fest-flüssig; Schmelzen und Erstarren . . . .
1.4.2 Zustandsdiagramme von metallischen Zweistoffsystemen . . . . . . . . . . .
1.4.2.1 Legierungen mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten im
flüssigen Zustand und Unlöslichkeit im festen Zustand (V-Diagramm)
1.4.2.2 Legierung mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten im
flüssigen Zustand und völliger Löslichkeit im festen Zustand
(Linsendiagramm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2.3 Legierungen mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten im flüssigen Zustand und teilweiser Löslichkeit im festen Zustand . . . . . . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1
2 Das mechanische Verhalten von Werkstoffen
2.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Ausgewählte Verfahren zur Bestimmung nichtelektrischer Werkstoffeigenschaften
2.1.1 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Härteprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2.1 Härteprüfverfahren für Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2.2 Härteprüfverfahren für Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Schlagfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Wärmedehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.5 Wärmeformbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.6 Wärmebeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Das Verformungsverhalten metallischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Kristallerholung und Rekristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Das Verformungsverhalten nichtmetallischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Das Verformungsverhalten organischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Das Verformungsverhalten nichtmetallischer anorganischer Werkstoffe . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 99
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. 103
. 106
3 Elektrochemisches Verhalten metallischer Werkstoffe
3.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
10
Inhalt
3.1 Redox-Reaktionen und das elektrochemische Potenzial
3.2 Galvanische Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Die Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Die elektrochemische Korrosion . . . . . . . . . . . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 3 . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Das elektrische Verhalten von Werkstoffen
4.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1 Ursachen der elektrischen Leitfähigkeit
4.2 Leitungsmechanismus . . . . . . . . .
4.2.1 Leiter . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Nichtleiter . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Halbleiter . . . . . . . . . . . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 4 . . . . . . . .
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5 Leiterwerkstoffe
5.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1 Der spezifische elektrische Widerstand . . . . . . . . .
5.2 Werkstoffe für kompakte Leiter . . . . . . . . . . . . .
5.3 Werkstoffe für Leitschichten und Schichtkombinationen
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 5 . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6 Widerstandswerkstoffe
6.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . .
6.1 Werkstoffe für kompakte Widerstände
6.2 Werkstoffe für Widerstandsschichten
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 6 . . . . . . .
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7 Kontaktwerkstoffe
7.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1 Einteilung der Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Der bewegte Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.1 Physikalische und chemische Vorgänge am Kontakt
7.2.2 Werkstoffe für bewegte Kontakte . . . . . . . . . .
7.3 Der feste Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 Halbleiterwerkstoffe
8.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1 Werkstoffe für Sperrschicht gesteuerte Halbleiterbauelemente . . . . . .
8.1.1 Leitungsmechanismen, die n- und p-Leitung . . . . . . . . . . .
8.1.2 Die spezifische elektrische Leitfähigkeit von Halbleiterwerkstoffen
8.1.3 Vorgänge am p-n-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.4 Vorgänge in der p-n-p- bzw. n-p-n-Grenzschicht . . . . . . . . . .
8.1.5 Vorgänge im Feldeffekttransistor (FET) . . . . . . . . . . . . . .
8.2 Werkstoffe für Volumenhalbleiterbauelemente . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1 Werkstoffe für Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2 Werkstoffe für Fotowiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.3 Werkstoffe für Hall-Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
Inhalt
9 Isolier- und dielektrische Werkstoffe
9.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1 Elektrische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.1 Spezifischer Durchgangswiderstand (Innenwiderstand) . .
9.1.2 Oberflächenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.3 Kriechstromfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.4 Durchschlagfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 Dielektrisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.1 Polarisation und Polarisationsmechanismen . . . . . . . .
9.2.2 Permittivitätszahl (Dielektrizitätszahl) . . . . . . . . . . .
9.2.3 Dielektrischer Verlustfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.4 Temperatur- und Frequenzabhängigkeit . . . . . . . . . .
9.3 Isolierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Isolierstoffe für Kabel und Leitungen . . . . . . . . . . . .
9.3.2 Isolierstoffe für elektronische Baugruppen und Bauelemente
9.4 Dielektrika für Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5 Dielektrika für Sensoren und Aktuatoren . . . . . . . . . . . . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10 Supraleitende Werkstoffe
10.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Charakteristik des supraleitenden Zustandes . . . . . . . . .
10.2 Werkstoffentwicklung und Anwendungsmöglichkeiten . . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11 Magnetwerkstoffe
11.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1 Das magnetische Verhalten von Werkstoffen
11.1.1 Magnetische Größen . . . . . . . . .
11.1.2 Ursachen des Magnetismus . . . . .
11.2 Ferromagnetische Werkstoffe . . . . . . . .
11.2.1 Hartmagnetische Ferromagnetika . .
11.2.2 Weichmagnetische Ferromagnetika .
11.3 Ferrimagnetische Werkstoffe . . . . . . . . .
11.4 Magnetische Speicherwerkstoffe . . . . . . .
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 11 . . . . . . . . . . .
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12 Lichtwellenleiter
12.0 Überblick . . . . . . . . . .
12.1 Physikalische Grundlagen .
12.2 Werkstoffe und Technologie
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 12 . .
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13 Fertigungsverfahren in der Elektrotechnik und Elektronik
13.0 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1 Verfahren der Si-Technologie . . . . . . . . . .
13.1.1 Einkristallines Silizium . . . . . . . . .
13.1.2 Planartechnik . . . . . . . . . . . . . .
13.2 Metallisierung von Dielektrika . . . . . . . . .
13.3 Leiterplattentechnik . . . . . . . . . . . . . . .
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12
Inhalt
13.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
13.3.2 Technologische Varianten zur Leiterplattenherstellung . . . . . . . . . . . 336
Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Lösungsteil
Lösungen der Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Lösungen zu Lernerfolgskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
Verwendete und weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379