KURZUS: Anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

8. lecke: Elektromos-, mágneses-, optikai- akusztikai tulajdonságok

|  | Fajlagos ellenállás Vezető Félvezető Szigetelő anyagok Mágneses permeabilitás Diamágneses Paramágneses Ferromágneses viselkedés Optikai tulajdonságok Átlátszó Áttetsző Átlátszatlan Akusztikai tulajdonságok
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | definiálni a fajlagos ellenállás, mágneses permeabilitás fogalmakat definiálni a vezető-, félvezető-, szigetelő anyag fogalmakat felsorolni a vezető-, félvezető-, szigetelő anyagok legfontosabb elektromos tulajdonságait csoportosítani a legfontosabb anyagokat, elemeket elektromos tulajdonságaik alapján definiálni a diamágneses, paramágneses, ferromágneses viselkedés fogalmakat csoportosítani a ferromágneses anyagokat alkalmazási területeik alapján értelmezni az optikai tulajdonság fogalmat definiálni az optikailag átlátszó, az áttetsző és az átlátszatlan fogalmakat felsorolni az optikai tulajdonságokat definiálni az akusztikai tulajdonság fogalmat csoportosítani a közegeket akusztikai tulajdonságok alapján jellemezni az anyagokat a longitudinális és tranzverzális hullám terjedési sebessége alapján
|  | Elektromos és mágneses tulajdonságok
|  | Az anyagok elektromos töltésátvivő képességét a fajlagos ellenállás ( ρ ) [ Ω *m] illetve a reciproka a fajlagos elektromos vezető képesség ( σ ) jellemzi.
|  | Az anyagok a fajlagos ellenállás alapján lehetnek:
|  | A vezetők szabad töltéshordozókat tartalmaznak (pl. a fémek, a karbidkerámiák, grafit). A villamos ellenállásuk ρ ≈ 10 − 8 Ω ∗ m . A villamos ellenállás az ötvözés, a szennyezés illetve a hőmérséklet hatására nő. A félvezetők elmozdulni képes elektron-lyuk párokat tartalmaznak (pl. Si, Ge, As, Se, Te, P, S). A villamos ellenállásuk ρ ≈ 10 − 1 − 10 6 Ω ∗ m . A tiszta szerkezeti félvezetők (intrinsic) ellenállása a hőmérséklet növekedésével csökken, míg a szennyezett, adalékolt (extrinsic) félvezetőké a hőmérséklettől gyakorlatilag független. A szigetelők szabad töltéshordozókat nem, de elektromosan polarizált dipólusokat tartalmaznak pl. műanyagok, oxid és nitridkerámiák, gyémánt. A ρ ≈ 10 6 − 10 16 Ω ∗ m . Az oxidkerámiák fajlagos ellenállása a hőmérséklet növelésével csökken.
1. ábra. A szerkezeti anyagok villamos ellenállása
|  | Figyelje meg az ábrán, hogy a fémek villamos ellenállása minden anyagcsoportnál kedvezőbb, tehát a fémek jó vezetők. Ez a már korábban ismertetett fémes kötéssel magyarázható.

|  | Mágneses tulajdonságok
|  | Mágneses erőtérben valamilyen kölcsönhatást minden anyag mutat. Az anyagban kialakuló mágneses indukció B az azt létrehozó H mágneses térerősségtől és az anyagi jellemzőktől függ. Az anyag fontos jellemzője a mágneses szuszceptitás ( χ a mágnesezhetőségre való érzékenység) és a μ mágneses permeabilitás, amely azt fejezi ki, hogy hányszor nagyobb B-t tud létrehozni H az anyagban a vákuumhoz képest, vagyis, hogy az anyag milyen mértékben képes erősíteni a mágneses mezőt.
|  | A mágneses térben való viselkedés alapján az anyagok lehetnek:
|  | diamágnesesek A diamágneses anyagok (pl. Au, Ag, Si, P, S, Cu, Zn, Ge, Hg, gyémánt, szerves vegyületek) χ = − 10 − 7 ... − 10 − 5 <ill. | χ | 1; μ r<1, azaz a mágnesezettség a külső térrel ellentétes, a mágneses tér hatását gyengítik. paramágneses A paramágneses anyagok (pl. Al, Pt, Mg, Ti, Cr, Mn, Mo, W) esetében χ = 10 − 5 − 10 − 1 <ill. | χ |< 1; μ r<1. Ezek a külső térrel megegyező irányú, a mágnesező tér hatását csekély mértékben erősítő hatást fejtenek ki. Az ilyen anyagokban nagyobb az indukcióvonalak sűrűsége, mint rajtuk kívül. ferromágneses pl. Fe, Co, Ni, amely χ = 10 ... 106=f(H)>>0 és μ r ≥ 10 3 . A mágnesezettség a külső térrel megegyező és azt jelentősen erősíti.
|  | Ferromágneses anyagok
|  | Fontos tulajdonság a mágneses hiszterézis, az, hogy a B a külső H-t az anyagban csak késéssel követi, és egy teljes átmágnesezési ciklust leíró hiszterézis hurkot eredményez, aminek területe arányos a hővé alakuló befektetett energiával, az átmágnesezési veszteséggel.
2. ábra. Mágneses hiszterézis
|  | (Lásd fizika) A görbe azt mutatja, hogy a fel és lemágnesezés nem egy vonalon halad. A sraffozott terület az anyagban elnyelt hővel arányos. Ezt használják ki pl. a munkadarabok gyors hevítésére a hőkezelésénél, illetve kovácsolásnál.
|  | Mágnesesen lágy anyagok
|  | A lágymágneses anyagokat elektromágnesek és transzformátorok vasmagjaként, mágneses árnyékolóként alkalmazzák.
3. ábra. Mágnesesen lágy anyagok hiszterézisgörbéje
|  | A lágymágnesek átmágnesezésekor kis veszteséggel kell számolni, mert a görbe területe nagyon kicsi.
|  | Mágnesesen kemény anyagok
|  | A kemény mágneses anyagokat állandó mágnesként (pl. villanymotorokhoz, hangszórókhoz stb.) alkalmazzák.
4. ábra. Mágnesesen kemény anyagok hiszterézis görbéje

|  | Optikai tulajdonságok
|  | Az anyagok optikai tulajdonságai alatt a fénnyel (fotonnyalábbal) való kölcsönhatást értjük.
|  | Valamely anyag átlátszó, ha a belsejében gyakorlatilag nem jön létre fotonelnyelődés, a fényelnyelés (abszorpció) és a visszaverődés (reflexió) gyakorlatilag elhanyagolható. Ilyen pl. az amorf üveg. Ha az anyag a keverék fehér fény meghatározott hullámhosszú részét elnyeli (szelektív abszorpció) az anyag színesnek látszik. Az optikailag áttetsző anyagokon a fény diffúz módon hatol át, vagy a belsejében erősen szóródik, ezeken átnézve a kép nem éles. pl. részben kristályos műanyagok. Az optikailag átlátszatlan anyagon a fénysugár csak abszorbeálódik vagy reflektálódik. pl. fémek.
|  | Az anyagok fontos mutatói
Az átlátszó anyag fényáteresztése nagy, míg az elnyelési és visszaverődési tényezőjük kicsi. A három tényező összege 1. |  | a fényáteresztési, az elnyelési és a visszaverődési tényező,
|  | amelyek egymás rovására változnak és összegük 1.
|  | Akusztikai tulajdonságok
|  | Egy anyag akusztikai tulajdonságai alatt a mechanikai rezgésekkel való kölcsönhatását értjük.
Megjegyzés: A különböző hullámfajták terjedési sebessége eltérő! |  | A hang a szilárd anyagokban egyenes vonalban állandó sebességgel terjed, és sebessége az anyag rugalmas jellemzőin kívül a hőmérséklettől és a nedvességtartalomtól függ, a frekvenciától nem.
|  | A hang terjedési sebessége:
v = λ ∗ f [ m / sec ]
|  | ahol: v a terjedési sebesség [m/s] f a frekvencia [1/s] λ a fény hullámhosszúsága [nm]
5. ábra. A longitudinális lés a tranzverzális hullám terjedési sebessége különböző anyagokban
|  | A táblázatban látható, hogy a tranzverzális "nyíróhullám" csak a szilárd anyagokban terjed. A hallható hang longitudinális.
|  | Az olyan közeget, amelyben a hanghullámok terjedése nagyobb akusztikailag ritkább, amelyben kisebb akusztikailag sűrűbb anyagnak nevezzük.

|  | Ellenőrző kérdések
| Jelölje meg az egy helyes megoldást!
| 1. Mely anyagok elektromos tulajdonságára jellemző az alábbi állítás? Szabad töltéshordozókat tartalmaznak. Ellenállásuk a hőmérséklet hatására nő.
| Félvezetők
| Szigetelők
| Vezetők
| Szupravezetők
| 2. Milyen elektromos tulajdonságok jellemzik a grafitot és a karbidkerámiákat?
| Félvezetők
| Vezetők
| Szigetelők
| Vezetőképességük a tisztaságuktól függ elsősorban
| 3. Mit jelent a diamágnesesség?
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes, a mágneses tér hatását gyengíti
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és jelentősen nagyobb, mint az anyagon kívül
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
| 4. Mit jelent a paramágnesesség?
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes, a mágneses tér hatását gyengíti
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és jelentősen nagyobb, mint az anyagon kívül
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
| 5. Mit jelent a ferromágnesesség?
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes, a mágneses tér hatását gyengíti
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és jelentősen nagyobb, mint az anyagon kívül
| A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
| 6. Milyen anyagból készítene transzformátor vasmagot?
| Mágnesesen lágy
| Mágnesesen kemény
| Diamágneses
| Paramágneses
| 7. Mit jelent az, hogy egy anyag optikailag áttetsző?
| Az anyag belsejében a fényelnyelés és a szóródás elhanyagolható
| Az anyagon a fénysugár csak abszorbeálódik vagy reflektálódik
| Az anyagon a fény diffúz módon hatol át, vagy a belsejében erősen szóródik
| A keverék fény meghatározott hullámhosszú részét az anyag elnyeli
| 8. Hogyan terjed a tranzverzális hullám a csatolóközegként használt olajban vagy a vízben?
| Egyenes vonalban állandó sebességgel
| Állandó sebességgel, a határfelületekről visszaverődve
| Az anyagon a fény diffúz módon hatol át, vagy a belsejében erősen szóródik
| A terjedés sebessége a hőmérséklettől függ