Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler
Werkstoffe in der Elektrotechnik
Grundlagen - Struktur - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung - Technologie
Inhalt
10
Verwendete Formelzeichen (Fz) mit Einheiten (E) und Abku¨rzungen
14
1 Grundlagen
20
1.0 Überblick
20
1.1 Atombau und Bindungen
22
1.1.1 Elektronenverteilung im Einzelatom
22
1.1.2 Bindungszustände
25
1.1.2.1 Atombindung
25
1.1.2.2 Ionenbindung
30
1.1.2.3 Metallbindung
32
1.2 Bildung von Ordnungszuständen in festen metallischen und nichtmetallischen anorganischen Werkstoffen
35
1.2.1 Ideale Kristallstruktur
37
1.2.2 Gittertypen
38
1.2.3 MILLERsche Indizierung zur Angabe der Lage von Gitterebenen
43
1.2.4 Reale Kristallstruktur
44
1.3 Bildung von Ordnungszuständen in flu¨ssigkristallinen Werkstoffen
49
1.3.1 Nematische Phasen
50
1.3.2 Cholesterische Phasen
52
1.3.3 Smektische Phasen
53
1.3.4 Kolumnare Phasen
54
1.3.5 Ausblick
54
1.4 Bildung von Phasen, Phasengleichgewichtsdiagramme
56
1.4.1 Phasenu¨bergang flu¨ssig-fest und fest-flu¨ssig; Schmelzen und Erstarren
56
1.4.2 Zustandsdiagramme von metallischen Zweistoffsystemen
60
1.4.2.1 Legierungen mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten im flu¨ssigen Zustand und Unlöslichkeit im festen Zustand (V-Diagramm)
63
1.4.2.2 Legierung mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten im flu¨ssigen und völliger Löslichkeit im festen Zustand (Linsendiagramm)
65
1.4.2.3 Legierungen mit vollständiger Löslichkeit der Komponenten im flu¨ssigen und teilweiser Löslichkeit im festen Zustand (Mischungslu¨cke)
67
Selbstkontrolle zu Kapitel 1
70
2 Das mechanische Verhalten von Werkstoffen
72
2.0 Überblick
72
2.1 Ausgewählte mechanische und thermische Kenngrößen
73
2.1.1 Mechanische Werkstoffkenngrößen
73
2.1.1.1 Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 fu¨r Metalle
73
2.1.1.2 Zugversuch fu¨r Kunststoffe
76
2.1.1.3 Härtepru¨fung
78
2.1.1.4 Schlagfestigkeit
79
2.1.2 Thermische Werkstoffkenngrößen
80
2.2 Das Verformungsverhalten metallischer Werkstoffe
83
2.2.1 Elastische und plastische Verformung
83
2.2.2 Kristallerholung und Rekristallisation
86
2.3 Das Verformungsverhalten nichtmetallischer Werkstoffe
91
2.3.1 Das Verformungsverhalten polymerer organischer Werkstoffe
91
2.3.2 Das Verformungsverhalten nichtmetallischer anorganischer Werkstoffe
94
Selbstkontrolle zu Kapitel 2
98
3 Das elektrische Verhalten von Werkstoffen
100
3.0 Überblick
100
3.1 Ursachen der elektrischen Leitfähigkeit im Festkörper
100
3.2 Leitungsmechanismen
103
3.2.1 Leiter
103
3.2.2 Nichtleiter
106
3.2.3 Halbleiter
106
3.2.4 Supraleiter
108
Selbstkontrolle zu Kapitel 3
111
4 Elektrochemisches Verhalten metallischer Werkstoffe
112
4.0 Überblick
112
4.1 Redox-Reaktionen und das elektrochemische Potenzial
112
4.2 Galvanische Zellen
117
4.2.1 Zellen mit Metall-Anoden (Minuspol)
120
4.2.2 Zelle mit Li+-Ionen als Elektroden
122
4.3 Brennstoffzellen
126
4.4 Die Elektrolyse
129
4.5 Die elektrochemische Korrosion
131
Selbstkontrolle zu Kapitel 4
135
5 Leiterwerkstoffe
137
5.0 Überblick
137
5.1 Der spezifische elektrische Widerstand
137
5.2 Werkstoffe fu¨r kompakte Leiter
145
5.3 Werkstoffe fu¨r Leitschichten und Schichtkombinationen
156
Selbstkontrolle zu Kapitel 5
163
6 Widerstandswerkstoffe
164
6.0 Überblick
164
6.1 Werkstoffe fu¨r kompakte Widerstände
164
6.1.1 Präzisions- und Messwiderstände
165
6.1.2 Heizwiderstände (DIN 17470)
166
6.1.3 Werkstoffe fu¨r Dehnungsmessstreifen
167
6.2 Werkstoffe fu¨r Widerstandsschichten
169
Selbstkontrolle zu Kapitel 6
173
7 Kontaktwerkstoffe
175
7.0 Überblick
175
7.1 Der bewegte Kontakt
175
7.1.1 Physikalische und chemische Vorgänge am Kontakt
176
7.1.2 Werkstoffe fu¨r bewegte Kontakte
179
7.2 Der feste Kontakt
183
Selbstkontrolle zu Kapitel 7
190
8 Halbleiterwerkstoffe
191
8.0 Überblick
191
8.1 Werkstoffe fu¨r Sperrschicht gesteuerte Halbleiterbauelemente
192
8.1.1 Leitungsmechanismen, die n- und p-Leitung
194
8.1.2 Die spezifische elektrische Leitfähigkeit von Halbleiterwerkstoffen
197
8.1.3 Vorgänge am p-n-Übergang
199
8.1.4 Vorgänge in der p-n-p- bzw. n-p-n-Grenzschicht
207
8.1.5 Vorgänge im Feldeffekttransistor (FET)
209
8.2 Werkstoffe fu¨r Volumenhalbleiterbauelemente
211
8.2.1 Werkstoffe fu¨r Fotowiderstände
212
8.2.2 Werkstoffe fu¨r HALL-Sonden
213
8.2.3 Werkstoffe fu¨r Thermistoren und Varistoren
214
Selbstkontrolle zu Kapitel 8
217
9 Isolierstoffe und dielektrische Werkstoffe
219
9.0 Überblick
219
9.1 Elektrische Kenngrößen
221
9.1.1 Spezifischer Durchgangswiderstand (Innenwiderstand)
221
9.1.2 Oberflächenwiderstand
222
9.1.3 Kriechstromfestigkeit
223
9.1.4 Durchschlagfestigkeit
223
9.2 Dielektrisches Verhalten
226
9.2.1 Polarisation und Polarisationsmechanismen
226
9.2.2 Permittivitätszahl (Dielektrizitätszahl)
229
9.2.3 Dielektrischer Verlustfaktor
231
9.2.4 Temperatur- und Frequenzabhängigkeit
232
9.3 Isolierstoffe
234
9.3.1 Isolierstoffe fu¨r Kabel und Leitungen
235
9.3.2 Isolierstoffe fu¨r elektronische Baugruppen und Bauelemente
236
9.4 Dielektrika fu¨r Kondensatoren
245
9.5 Dielektrika fu¨r Sensoren und Aktuatoren
250
Selbstkontrolle zu Kapitel 9
256
10 Supraleitende Werkstoffe
258
10.0 Überblick
258
10.1 Werkstoffentwicklung und Anwendungsmöglichkeiten
258
Selbstkontrolle zu Kapitel 10
264
11 Magnetwerkstoffe
265
11.0 Überblick
265
11.1 Das magnetische Verhalten von Werkstoffen
265
11.1.1 Magnetische Größen
265
11.1.2 Ursachen des Magnetismus
267
11.2 Ferromagnetische Werkstoffe
273
11.2.1 Hartmagnetische Ferromagnetika
277
11.2.2 Weichmagnetische Ferromagnetika
282
11.3 Ferrimagnetische Werkstoffe
289
11.4 Magnetwerkstoffe fu¨r Speicher
293
Selbstkontrolle zu Kapitel 11
300
12 Lichtwellenleiter
302
12.0 Überblick
302
12.1 Physikalische Grundlagen
302
12.2 Werkstoffe und Technologie
307
Selbstkontrolle zu Kapitel 12
312
13 Fertigungsverfahren in der Elektrotechnik und Elektronik
313
13.0 Überblick
313
13.1 Verfahren der Si-Technologie
313
13.1.1 Einkristallines Silizium
313
13.1.2 Planartechnik
316
13.2 Metallisierung von Dielektrika
317
13.3 Leiterplattentechnik
322
13.3.1 Allgemeines
322
13.3.2 Technologische Varianten zur Leiterplattenherstellung
324
Selbstkontrolle zu Kapitel 13
332
Lösungsteil
333
Lösungen der Übungen
333
Lösungen zur Selbstkontrolle
363
Verwendete und weiterfu¨hrende Literatur
365
Bildnachweis
370
Sachwortverzeichnis
371
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