STOPY O SZCZEGÓLNYCH WŁASNOŚCIACH FIZYCZNYCH

wyróżniamy 2 rodzaje: -magnetycznie miękkie, -magnetycznie twarde (Stosuje się do produkcji magnesów twardych).

stopy i materiały magnetycznie twarde mają szeroką pętlę histerezy

- są to stale stopowe które zawierają około 1% węgla, Cr, Co, Mo, i wolfran. -stopy żelaza z 7-12% Al, 14-25% Ni, 12-34% Co.

Małe pole korozji (HC) i duża przenikalność magnetyczna. Pętla ma małą powierzchnię co oznacza że wystarczy mało energii aby magnes rozmagnesować. Są to stale niskowęglowe <0,1%C , stale krzemowe 1-5%Si.

Stale magnetyczne miękkie stosuje się do produkcji rdzeni transformatorowych, mierników maszyn elektrycznych.

Własności mechaniczne materiałów.

charakteryzujemy je przez: zachowanie się materiałów wywołane 1.siłami zewn 2.zmianami temp 3.zmianamy objętości spowodowanymi przemianami fazowymi.

Pod wpływem zewn obciążenia (narpężenia) mechanicznego zachodzi: a)odkształcenie sprężyste-po ustaniu działania siły zanika. Nie ma tu ani zmiany struktury ani własności materiału b) odkszt. plastyczne- zachodzi trwałe odkształcenie, ale nie zachodzi naruszenie wewn spójności materiału.(cecha dla polimerów) c)umocnienie- pod działaniem naprężenia zewn, ale bez aktywacji cieplnej w materiałach mogą zajść zjawiska strukturalne przeciwdziałające odkształceniom d)pękanie-prowadzi do utraty spójności, czyli jest wynikiem przekroczenia wytrzymałości mechanicznej materiału.

Omówione etapy odkształcania są typowe dla metali i tworzyw sztucznych. Inne materiały np. ceramiczne i niektóre polimery zaraz po odkształcaniu sprężystym przechodzą w proces pękania.

Własności mechaniczne materiałów zależą od składu chemicznego materiału, struktury, warunków obciążenia, temperatury i od wielkości naprężeń. Szkło- materiały ceramiczne są kruche. Metal ma duży zakres odkształcenia plastyczne, kauczuk ma mniejszą wytrzymałość ale największe wydłużenie. Odkształcenie sprężysto-plastyczne. Uplastycznienie- przejście materiału w stan plastyczny. O uplastycznieniu decyduje zarówno rodzaj materiału jak i sposób obciążenia.

Stan naprężenia:

na każdej ściance elementarnej komórki które są wzajemnie do siebie prostopadłe występują składowe naprężeń normalnych. σ_x, σ_y, σ_z, oraz duże składowe styczne p_k, i-współrzędne kierunku prostopadłego do płaszczyzny j-współrzędne kierunku działania naprężenia.

REGUŁY(MODUŁY) SPRĘŻYSTOŚCI MATERIAŁÓW

W przypadku odkształceń sprężystych istnieje ścisła zależność między naprężeniem a odkształceniem. A współczynnik proporcjonalności łączący odkształcenie i naprężenie nazywa się modułem sprężystości. σ=E*ε, σ-naprężenie E - moduł Younga, ε - odkształcenie względne. σ=F/S [N/m²] 1.moduł Younga- sprężystości podłużnej 2.Moduł sprężystości poprzecznej łączy odkształcenie postaci σ z naprężeniem stycznym σ=Gγ σ- naprężenie styczne G-moduł sprężystości poprzecznej γ-odkształcenie postaci. 3.Moduł ściśliwości (sprężystości objętościowej) p=KΔv/v p- ciśnienie hydrostatyczne K- moduł ściśliwości, Δv względna zmiana objętości. Odkształcenie materiału zależy od składu chemicznego (wiązania, defekty i własności fizyczne faz). Następnie zależy od struktury temperatury, od rodzaju sieci krystalicznych i od defektu sieci. Rozróżniamy 2 rodzaje odkształceń: a)monokryształy -podstawowym odkształceniem jest poślizg, który polega na przesunięciu się jednej części kryształu względem drugiej bez zmiany objętości i bez zmiany krystalograficznej. b)polikryształy - składają się z dużej liczby różnie zorientowanych ziaren, które są ze sobą połączone. Odkształcenie występuje jednocześnie w wielu ziarnach, wzajemnie do siebie prostopadłych.

WŁASNOŚCI FIZYCZNE MATERIAŁÓW

Transport energii cieplnej w ciałach stałych jest to przewodnictwo cieplne dQt/dt = -λA(dt/dx), dQ/dt- energia cieplna przepływająca w czasie dt, λ- współczynnik przewodnictwa cieplnego, A - pole powierzchni przekroju, przez który przepływa strumień ciepła dt/dx -gradient temperatury. Przewodnictwo cieplne zależy od składu chemicznego, od wiązań atomowych i struktury. Przewodnictwo metali jest o kilka rzędów wyższe niż ceramiki czy polimerów. Duże przewodnictwo metali jest wynikiem obecności w metalach elektronów swobodnych. Również ciała stałe o wiązaniu jonowym i kowalencyjnym mają duże przewodnictwo cieplne. W przewodnictwie biorą dział nie tylko swobodne elektrony, ale także drgania elektronów sieci wokół położenia równowagi: λ=λ_E+λ_S, λ_E - przewodnictwo elektronów, λ_S - przewodnictwo związane z drganiami elektronów wokół położenia równowagi w sieci krystalicznej. Drgania sieci są źródłem tzw. fononów.

PÓŁPRZEWODNIKI - do półprzewodników zalicza się materiały których rezystancja przyjmuje wartości pośrednie między materiałami dobrze przewodzącymi prąd a izolatorami nieprzewodzącymi prądu elektrycznego.

Schemat sieci krystalicznej półprzewodnika

model pasmowy

Żeby płynął prąd elektrony muszą przejść przez pasmo wzbronione do pasma przewodnictwa. W takim przypadku musimy im dostarczyć energii do pokonania pasma wzbronionego. W przypadku półprzewodnika samoistnego dostarczenie energii wystarczającej na pokonanie przerwy energetycznej (pasma wzbronionego) elektrony walencyjne z pasma podstawowego pod wpływem energii dostarczonej z zewn. (temp, pole elektryczne, elektromagnetyczne) mogą uzyskać en. kinetyczną wystarczającą do tego przejścia do pasma przewodnictwa.

ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA materiałów polega na zmianie objętości ciała stałego spowodowanej zmianą temperatury. Rozszerzalność cieplną charakteryzuje tzw objętościowy współczynnik rozszerzalności β=(1/V₀)*(dv/dt)_p, V₀- obj. ciała podana w średniej temp. obszaru pomiaru dv/dt, ale w technice objętość V₀ określa się w temp 273K, p-tzn przy stałym ciśnieniu. Ze względów praktycznych rozszerzalność cieplną określamy za pomocą liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej: α=(1/l₀)*dl/dt. l₀-Dlugość początkowa określona w tych samych warunkach co V₀, dl- zmiana długości spowodowana zmianą temperatury dt. W ciałach stałych α zależy od warunku krystalograficznego. Dla ciał stałych o sieci regularnej α=(1/3)β.

TEMPERATURA CHARAKTERYSTYCZNA

w wysokich temperaturach energia cieplna w metalach jest przekazywana jako energia kinetyczna ruchu elektronów z obszarów o temp wyższej do obszarów o temp niższej. Powyżej temp charakterystycznej stosunek przewodnictwa cieplnego (λ) do współczynnika przewodnictwa elektrycznego (χ) jest dla wszystkich metali stały i zależy tylko od temp bezwgl. stosunek ten jest określony przez prawo Debye'a:

Wzór Wiedemann'a Frantza.

Stała Lorentz'a: L=π²k/3e = 2,2*10^-8 - 2,6 * 10^-8 v²/k², k-stała Boltzmann'a , e- ładunek elektryczny, T-temperatura.

Temperatura tego Debye'a dla większości ciał stałych wynosi 500-1000K. Wyjątki: Ag-220, Pb-86, Cu-310, K-99, Au-185.

Defekty nici ciała stałego takie jak wakanse, atomy domieszek, dyslokacje obiżają obie składowe przewodnictwa tj. przewodnictwo elektronowe i fononowe. Tym tłumaczymy że roztwory mają znacznie mniejsze przewodnictwo cieplne, niż czyste metale. Pierwiastki tworzące stopy z metalami wpływają silnie na przewodnictwo cieplne żelaza, np. żelazo λ=75, stop Cr+Ni λ=16.

Współczynnik λ stali stopowych zmienia się z temperaturą. Po przekroczeniu 800°C przyjmuje wartość zbliżoną do czystego technicznie żelaza. W materiałach o wiązaniu jonowym lub kowalencyjnym transport en. cieplnej odbywa się drogą fononowa. Przewodnictwo cieplne w tych materiałach wyrażamy wzorem Debey'a: λ_s=1/3 * c * v_F * l_F, l_F - średnia droga swobodna fononu, c- ciepło właściwe jednostki objętości materiału, v_F - prędkość fononów. W szerokim zakresie temperatur przewodnictwo sieciowe jest odwrotnie proporcjonalne do temperatury w skali kelvina λ_s~ 1/T. Jak temperatura rośnie to maleje średnia droga swobodna.

Przewodnictwo cieplne wysokowytrzymałych polimerów zależy od zawartości w nich fazy krystalicznej czyli fazy uporządkowanej. Ze wzrostem uporządkowania polimeru zwiększa się przewodnictwo cieplne.

Materiały spiekane i ceramiczne o dużej porowatości wykazują efektywne przewodnictwo elektryczne, znacznie różniące się od przewodnictwa matryc, ponieważ przewodnictwo cieplne zawartego w porach gazu jest dużo mniejsze od przewodnictwa fazy stałej. Rodzaje przekazywania ciepła: konwencja, przewodnictwo cieplne, promieniowanie.

WSPÓŁCZYNNIK ROZSZERALNOŚCI CIEPLNEJ

β=(1/V₀)*(dv/dt)_p, ΔV=V-V₀, Δt=t-t₀ współczynnik rozszerzalności liniowej α=(1/l₀)*dl/dt, Δl=l-l₀, Δt=t-t₀, V₀ i l₀ w temp 0°C (początkowe), Δl/l₀ względna zmiana długości, Δl- bezwzgl. zmiana długości.

Izotropowe - we wszystkich kierunkach własności są takie same. Anizotropowe - wyróżnione pewne kierunki, własności są różne w różnych kierunkach.

Współczynniki zależą od kierunku krystalograficznego . W przypadku ciał krystalicznych liniowy współczynnik rozszerzalności α zależy od kierunku krystalograficznego, np dla sieci regularnej α=β/3.

Im większy współczynnik rozszerzalności tym mniejsza temperatura topnienia. Przyrost objętości w zakresie temp od 0°K do temp topnienia wynosi około 6-7%, a przyrost wzgl. długości odpowiadający temu zakresowi temp. około 2%. Dla metali o wysokiej temp topnienia współczynnik rozszerzalności cieplnej jest mniejsze niż dla metali niskotopliwych.

PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE

prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch elektronów lub jonów wywołany zewnętrznymi polami elektrycznymi. Rozróżniamy prąd jonowy i elektronowy. prąd jonowy w ogniwach. Prawo ohm'a wyrażone przy pomocy gęstości prądu: j=σE, j-gęstość prądu, σ-przewodność właściwa(sekundy/m) E=natężenie pola elektrycznego(v/m). GĘSTOŚĆ PRĄDU jest to liczba swobodnych elektronów przepływających przez jednostkę powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika w jednostce czasu w kierunku działania sił przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego. j=nqv_e, n-liczba elektronów przewodnictwa w jednostce objętości; q-ładunek elektryczny elektronu 1,6*10^-19, v_e-średnia prędkość elektronu. nqv_e=σE, σ=nqv_e/E, v_e/E- ruchliwość elektronów.

Odwrotność przewodnictwa elektrycznego jest to oporność właściwa materiału ρ=1/σ[Ωm]. Na opór przewodnika składają się następujące rodzaje rozpraszania elektronów: ρ=ρ_T+ρ_d+ρ_w, ρ_T- rozproszenie fononowe zależy od temp, ρ_d- rozproszenie przez atomy domieszek, ρ_w- rozproszenie spowodowane wadami struktury.

Wprowadzenie składników stopowych do podstawowego materiału zwiększa oporność

ze wzrostem temp oporność metali i stopów rośnie. Wprowadzenie domieszki np Ni do Miedzi zwiększa oporność właściwą proporcjonalnie do ilości domieszki. Dla stopów metali oporność właściwą stopu możemy zapisać za pomocą następującego wzoru ρ_stopu=ρ_metalu+A*c(1-c), A- stała charakteryzująca efektywność rozpraszania elektronów przez atomy składnika stopowego, c- stężenie składnika w stopie.

NADPRZEWODNICTWO- występuje wyłącznie powyżej pewnej temp krytycznej (T_c) oraz poniżej pewnej krytycznej wartości natężenia pola magnetycznego.

PRZEWODNICTWO SAMOISTNE

w paśmie walencyjnym elektrony przesuwają się ku górze, dziury przesuwają się ku dołowi. W przypadku półprzewodników mamy do czynienia w obecności pola elektrycznego z ruchem elektronów i dziur. występują tu dwa rodzaje przewodnictwa a) elektronowe- ruch elektronów swobodnych w sieci krystalicznej b)dziurowe- ruch dziury a w gruncie rzeczy elektronów w kierunku przeciwnym od wiązania do wiązania, bo w obecności pola zewn, elektrycznego dziura jest zobojętniona przez sąsiedni elektron, który pozostawia nową dziurę, która znowu z kolei zostaje zobojętniona przez kolejny elektron.

Przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego do przewodnictwa i utworzenie dziur w paśmie walencyjnym może występować na skutek samoistnego wzbudzania (temperatura-pole) lub po wprowadzeniu do materiału odpowiednich domieszek. W związku z tym oprócz przewodników samoistnych wyróżnia się półprzewodniki niesamoistne (niedomieszkowe) dwóch typów.

W półprzewodniku samoistnym całkowita gęstość prądu = sumie gęstości prądu elektronowego i dziurowego: j=j_e+j_d, j=σ*E, σ-przewodność właściwa zależy od ładunku koncentracji elektronu i ruchliwości. σ=Neμ, N- liczba ładunków w jednostkach sześciennych, e-ład. elektryczny, μ-ruchliwość.

σ=n_e*e*μ_e+n_d|e|μd, n_e=n_d. Przewodnictwo właściwe σ=ne'(μ_e+μ_d), j=σE=ne'E(μe+μd), e=-1,6*10^-19 [C]. Jeżeli do półprzewodnika z IV grupy doprowadzimy domieszkę z V grupy to 4 elektrony atomu domieszki będą wykorzystane na utworzenie 4 wiązań, a pozostały 5 elektron walencyjny domieszki jest wolny i staje się po dostarczeniu niewielkiej energii elektronem swobodnym i przewodzi to pasmo przewodnictwa. Domieszka=donor. Półprzewodnik z tą domieszką=półprzewodnik typu n.

Schemat struktury pasmowej półprzewodnika pasmowego typu n.

Na 10⁸ (bazy) atomów sieci półprzewodnika np. krzem wystarcza 1 atom (domieszki).

Półprzewodnik typu n charakteryzuje się wyłącznie przewodnictwem elektronowym, a powstałe poziomy dodatkowe energetycznie zmniejszają szerokość przerwy energetycznej i nazywają się poziomami donorowymi. Wprowadzona domieszka jest źródłem elektronów przewodnictwa, a poziom donorowy leży blisko dolnej granicy pasma przewodnictwa.

Półprzewodnik pasmowy typu p powstaje przez domieszkowanie półprzewodnika samoistnego pierwiastkiem gr.III tj. posiadającym 3 elektrony walencyjne (np. Indu). Atom domieszki pozostawia jedno wiązanie kowalencyjne pierwiastka tworzącego sieć krystaliczną nienasycone (dziurę). brakujący elektron może być uzupełniony przez atom sieci, np (german, krzem). W związku z tym powstaje dziura w paśmie podstawowym, a szerokość pasma wzbronionego zostaje zmniejszona

W odpowiednik warunkach elektrony sąsiednich wiązań mogą wypełniać miejsce poprzedniego elektronu i zachodzi wtedy ruch dziury. Szerokość pasma wzbronionego zostaje wtedy zmniejszona przez poziom akceptorowy, leżący blisko poziomu podstawowego. Domieszkę nazywamy akceptorem a półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem typu p który charakteryzuje się przewodnictwem dziurowym.

Oprócz półprzewodników do których zaliczamy pierwiastki grupy IV własności półprzewodników posiadają również niektóre związki chemiczne i fazy międzymetaliczne. Do najważniejszych należą tu półprzewodniki powstałe z grupy III i grupy VB. Należy do nich arsenek galu. Często stosowany w wielu urządzeniach elektronicznych jak lasery czy tranzystory. Wpływ temperatury na przewodność elektryczną półprzewodników. temperatura wywiera wpływ na przewodność elektryczną półprzewodników ponieważ prawdopodobieństwo zajścia jakiegoś procesu cząsteczkowego związanego ze zmianą energii układu o ΔE w temp T opisuje wzór. p=p₀e^-ΔE/KT p-prawdopodobieństwo zajścia procesu. ΔE -zmiana energii(en. aktywacji) K-stała Boltzmana, T-temp, K=R/N₀, R-stała gazowa, N₀ - liczba Avogadro.

W półprzewodnikach samoistnych w temp 0⁰K pasmo przewodzenia jest puste i brak jest swobodnych elektronów. Ze wzrostem temp półprzewodnika, część elektronów z pasma walencyjnego uzyskuje wystarczającą energię do pokonania szerokości pasma wzbronionego o energii E_g. σ=σ₀e^-ΔEg/2KT, σ-przewodnictwo właściwe półprzewodnika samoistnego w temp. T. σ₀-w temp 0 stopni, jest stałe równe około 10⁵ dla większości półprzewodników.

W przypadku półprzewodnika domieszkowego należy do powyższego dodać człon uwzględniający dostarczanie nośników prądu uwzględniając szerokości poziomów energetycznych domieszek. Oznaczamy przez E_a energię aktywacji poziomu donorowego lub akceptorowego. wówczas dla półprzewodnika domieszkowego całkowitą przewodność właściwą w temp T zapiszemy następująco: σ=σ_ee^-ΔEg/2KT+σ₁e^-ΔEa/2KT.

Dla półprzewodników typu p en. aktywacji E_a=E₂ natomiast dla typu n E_a=E_g­-E₁. Są to szerokości energetyczne domieszek. W niskich temperaturach przewodność samoistna jest b. mała i E_a jest mniejsza od en. pasma wzbronionego czyli E_a<E_g. Przeważa za tym przewodnictwo domieszkowe. Dopiero w wyższych temperaturach rośnie przewodnictwo elektronowo-dziurowe.

W niskich temp (odcinek I krzywej) obserwujemy ruch elektronów z poziomów donorowych do pasma przewodnictwa oraz ruch elektronów z pasma podstawowego do poziomów akceptorowych. ruch ten trwa tak długo, aż wszystkie donory i akceptory, ulegną jonizacji. W pewnej temp otrzymujemy nasycenie (II). Dalszy wzrost temp półprzewodnika powoduje wystąpienie przewodnictwa samoistnego (donorowo-dziurowego III).

Przewodnictwo właściwe półprzewodników rośnie wraz z temp, czyli maleje jego oporność właściwa, a tym samym opór Ω-owy. Ta własność półprzewodnika wykorzystywana jest w urządzeniu zwanym termistorem.

---