Vypracované otázky ke zkušce z materiálů BMTD - upravený formát, drobně přehlednější

lezo – konstantan
Fe – Ko
-200 až + 600 °C
krátkodobě do 900 °C
niklchrom - nikl
NiCr – Ni
od 0 °C do 900 °C
krátkodobě do 1 200 °C
chromel - alumel
Ch – A
platinarhodium - platina
PtRh - Pt
od 0 °C do 1 300 °C
krátkodobě do 1 600 °C
Kontrolní otázky:
1) Charakterizujte uhlík, uveďte jeho vlastnosti a použití.
Charakteristické vlastnosti
• dostatečná mechanická pevnost a pružnost
• nízký součinitel tření
• měkkost a mazivost
• dobrá elektrická a tepelná vodivost
• nízký tlak par
• nesvařitelnost
Použití elektrotechnického uhlíku
• kartáče elektrických točivých strojů
• doteky (smykové, kluzné)
• anody a řídicí mřížky Hg usměrňovačů
• ložiska pro otáčivé součástky ve vakuové technice
• součásti topných zařízení
• kelímky pro tavení ve vakuu
• smykové sběrače
• bateriové uhlíky
• elektrody pro obloukové svářečky, pro obloukové pece, pro osvětlovací účely a pro elektrochemický průmysl, hlavně pro elektrolýzu v tavenině
Kontrolní otázky:
1) Které materiálové veličiny charakterizují magnetické vlastnosti materiálů? Uveďte jejich jednotky.
Materiálové veličiny
• permeabilita (relativní) μ (-)
• koercitivní síla Hc (A m-1)
• remanentní indukce Br (T)
• indukce nasycení Bs (T)
• ztrátový činitel tgδ (-)
• ztrátové číslo Z (W kg-1)
• maximální energetický součin (BH)max (J m-3)
Kontrolní otázky:
1) Které jsou základní podmínky feromagnetického stavu tělesa?
Základní podmínky feromagnetického stavu látky
• nevykompenzovaný spinový moment atomů
• kladná (dostatečně velká) hodnota výměnná energie
2) Graficky znázorněte křivku prvotní magnetizace, hysterezní smyčku a komutační křivku. Grafy popište a vyznačte koercitivní sílu HC, remanentní indukci BR, počáteční μ0 a maximální permeabilitu μmax.
Zde máme koercitivní sílu HC, remanentní indukci BR.
Tady snad máme počáteční μ0 a maximální permeabilitu μmax.
3) Znázorněte typický průběh demagnetizační větve hysterezní smyčky pro magneticky měkký a magneticky tvrdý kompaktní materiál a uveďte požadavky na tyto materiály. Jak se určuje maximální energetický součin (BH)max?
Magneticky měkké materiály • malá koercitivní síla ( < 10-3 A m-1) • velká počáteční permeabilita • velká maximální permeabilita • velká remanentní indukce • nízké hysterezní ztráty • snadnost nasycení v poměrně slabých magnetických polích
Magneticky tvrdé materiály • velká koercitivní síla (> 10-3 A m-1) • malá počáteční permeabilita • malá maximální permeabilita • velká remanentní indukce • velký energetický součin (BH)max
Maximální energetický součin (BH)max
• kriterium magnetické tvrdosti materiálů určených pro trvalé magnety; je to maximální energie magnetického pole, které ve svém okolí vyvolá homogenně zmagnetovaný materiál jednotkového objemu
(BH)max.
4) Definujte pojmy relativní permeabilita a magnetická susceptibilita a uveďte vztah mezi nimi. Na čem závisí magnetická polarizace a magnetizace materiálu?
Permeabilita materiálu nebo prostředí je fyzikální veličina, udávající míru magnetizace v důsledku působícího magnetického pole.
Permeabilita vyjadřuje reakci určitého prostředí na silové účinky magnetického pole. Některá prostředí tyto účinky zesilují, jiná je zeslabují.
Jako relativní permeabilita se označuje permeability daného materiálu a permeability "Vakuum" vakua, tedy
 INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/math/f/7/3/f738b3483145ef5c113a553d8f1a1f59.png" \* MERGEFORMATINET
Její hodnota závisí na vlastnostech daného materiálu - jde tedy o  HYPERLINK "http://cs.wikipedia.org/wiki/Materi%C3%A1lov%C3%A1_konstanta" \o "Materiálová konstanta" materiálovou konstantu. Relativní permeabilita je  HYPERLINK "http://cs.wikipedia.org/wiki/Bezrozm%C4%9Brn%C3%A1_veli%C4%8Dina" \o "Bezrozměrná veličina" bezrozměrná veličina.
Magnetická susceptibilita je fyzikální veličina, která popisuje chování materiálu ve vnějším magnetickém poli.
Značka: χm, někdy také κ nebo K
Základní jednotka: - (je to bezrozměrná veličina)
B= μ0*(1+κ)*H
H je intenzita magnetického pole, B je magnetická indukce.
Základní veličiny
Vektor magnetické polarizace J (T), vektor magnetizace M (A m-1)
5) Graficky znázorněte teplotní závislost počáteční permeability μrpoč feritů. Co je technický Curieův bod feritů a jak se určí jeho hodnota?
Technický Curieův bod
������teplota, při níž počáteční permeabilita klesne na 50 % hodnoty zjištěné při 20 °C.
6) Které jsou hlavní složky ztrát ve feromagnetiku při střídavém magnetování a jak závisejí na kmitočtu?
Ztráty vznikají následkem přemagnetování. Jsou provázeny ohřevem feromagnetika a jsou příčinou vzájemného posunutí časových průběhů B a H při magnetování.
• Ztráty
������hysterezní
������vířivými proudy
������magnetickým zpožděním
S rostoucím kmitočtem rostou i ztráty ve feromagnetiku.

Kontrolní otázky:
1) Uveďte požadavky na magneticky měkké materiály, příklady materiálů a jejich použití.
Charakteristické vlastnosti
• malá koercitivní síla ( < 10-3 A m-1)
• velká počáteční permeabilita
• velká maximální permeabilita
• velká remanentní indukce
• nízké hysterezní ztráty
• snadnost nasycení v poměrně slabých magnetických polích
Použití
• elektrické točivé stroje, transformátory, tlumivky, relé, resonátory, jádra cívek, paměťové a spínací prvky
Základní klasifikace
• magneticky měkké kompaktní materiály
������železo
������oceli
������slitiny železa s niklem
������slitiny železa s hliníkem
������slitiny se zvláštními vlastnostmi
• magneticky měkké kompozity
• magneticky měkké ferity
Kontrolní otázky:
1) Uveďte požadavky na magneticky tvrdé materiály, příklady materiálů a jejich použití.
Charakteristické vlastnosti
• velká koercitivní síla (> 10-3 A m-1)
• malá počáteční permeabilita
• malá maximální permeabilita
• velká remanentní indukce
• velký energetický součin (BH)max
Použití
• permanentní magnety
Základní klasifikace
• magneticky tvrdá feromagnetika
• magneticky tvrdé oceli
2) Uveďte požadavky na magneticky měkké a magneticky tvrdé materiály. Viz výše. Porovnejte hysterezní smyčky obou typů materiálů.
3) Jaké jsou základní rozdíly mezi magneticky měkkými a magneticky tvrdými ferity?
3.3.3 Magneticky měkké ferity
• oxidová keramika s polovodivými vlastnostmi
• rezistivita: 10-5 – 108 Ω m
• obecné chemické složení jednoduchého magneticky měkkého feritu
MO . Fe2O3
M … symbol dvojmocného kovu
• krystalová struktura typu spinel: MgO . Al2O3 (mřížka krychlová)
������velikost kationtů menší než velikost kyslíkových aniontů
������označení – ferospinely
• většina sloučenin uvedeného typu vykazuje ferimagnetické vlastnosti (magnetit FeO . Fe2O3), výjimku tvoří ferit zinečnatý ZnO . Fe2O3 a ferit kademnatý CdO . Fe2O3)
������podmřížka A: tetraedrické uskupení iontů
������podmřížka B: oktaedrické uskupení iontů
• typy ferospinelů:
������normální
������inversní
������smíšený
• vyráběné typy feritů
ferit Mn-Zn, ferit Li-Zn, ferit Ni-Zn
m NiO . Fe2O3 + n ZnO . Fe2O3 + p FeO . Fe2O3
m, n, p … vyjadřují poměrné zastoupení jednoduchých feritů
• významný vliv na vlastnosti feritů má technologie výroby
������homogenizace směsi oxidů,
������lisování za použití plastifikátorů,
������výpal při 1 100 až 1 400 °C v zaručeně oxidační atmosféře (za smrštění až 20 %),
������chlazení
Magneticky tvrdé ferity
• obecné chemické složení jednoduchého magneticky tvrdého feritu
MO . nFe2O3,
M … symbol dvojmocného kovu (Ba, Sr, Pb, Ca)
• krystalová struktura typu magnetoplumbit: PbO.6Fe2O3 (mřížka šesterečná)
• velikost kationtů a kyslíkových aniontů srovnatelná
• označení – magnetoplumbity
Kontrolní otázky:
1) Které nejvýznamnější elementární polovodičové materiály znáte, jaký mají typ krystalové mříže?
Do této skupiny polovodičových materiálů patří 11 chemických prvků, z nichž dnes nejvýznamnější jsou křemík a germanium. Oba tyto prvky krystalizují v kubické, plošně centrované mřížce diamantového typu.
2) Který nejužívanější binární sloučeninový polovodič ze skupiny AIIIBV znáte, jaký je typ jeho krystalové mříže?
Nejužívanějším materiálem z této skupiny je arzenid galia (GaAs). Krystalizuje v mřížce kubické plošně centrované, sfaleritového typu.
3) Naznačte možné členění polovodičových materiálů na základě jejich složení.
4) Jak se dělí polovodičové materiály z hlediska jejich struktury?
5) Co přináší možnost využití tuhých roztoků binárních sloučeninových polovodičů, v které oblasti nacházejí zejména uplatnění?
4.1.3 Tuhé roztoky binárních sloučeninových polovodičů
V praxi nejužívanější jsou tuhé roztoky binárních sloučeninových polovodičů AIIIBV resp. AIIBVI. Řízením složení tuhých roztoků je možné nastavit požadovanou hodnotu vybraných fyzikálních parametrů, jak je patrné z obr.4.4 u ternárního tuhého roztoku GaxIn1-xSb dvou binárních sloučeninových polovodičů InSb a GaSb. V daném případě je část atomů In v jedné z podmřížek InSb řízeně nahrazována atomy Ga. Cílem záměny může být např. dosažení požadované hodnoty šířky zakázaného pásu polovodičového materiálu v mezích určených InSb (0,18 eV) a GaSb (0,72 eV). Řízenou změnou složení tuhého roztoku tak lze dosáhnout požadovaných vlastností polovodiče. U kvarternárních tuhých roztoků by záměna probíhala i v podmřížce tvořené atomy Sb, a to dalším prvkem z 5. skupiny periodické soustavy prvků. Využití tuhých roztoků je zejména v oblasti výroby optoelektronických součástek.
Kontrolní otázky:
1) Co vyjadřují pásové modely pevných krystalických látek?
Pásové modely znázorňují dovolené a zakázané hodnoty energií elektronů v pevné krystalické látce.
2) Jaký je rozdíl mezi pásovým modelem kovů, polovodičů a izolantů?
Z představy redukovaných pásových modelů vyplývá, že zatímco izolant a polovodič se liší jen vzdáleností mezi pásem valenčním, obsazeným valenčními elektrony, a nejbližším vyšším pásem dovolených energií (u polovodičů pásem vodivostním), kov je charakterizován tím, že má buď neúplně obsazený poslední nejvyšší energetický pás, jak je znázorněno na obr. 4.5., nebo se poslední plně zaplněný energetický pás překrývá s nejbližším vyšším pásem dovolených energií. Elektrony v kovu tak z hlediska představy redukovaného pásového modelu mohou přijmout libovolně malou energii již při nejnižších teplotách a přispívat k jeho vodivosti.
Vypadá to, že kov nemá zakázané pásmo.
3) Nakreslete pásový model vlastního polovodiče pro teplotu T → 0 K a pro T > 0 K s vyznačením mechanismu vzniku páru elektron díra.
Bacha!!!!!!!!!!!
4) Nakreslete pásový model příměsového polovodiče N typu pro teplotu T → 0 K a pro T > 0 K s vyznačením stavu ionizace příměsí na donorové hladině.
a) při teplotě T → 0 K (žádná vodivost)
b) při teplotě T > 0 K přestupují elektrony z donorových atomů do pásu vodivostního. Ionizované donory vytvářejí kladný nepohyblivý náboj, elektrony ve vodivostním pásu jsou volně pohyblivé. Na obrázku je znázorněn i vznik volného elektronu a díry mechanismem polovodiče vlastního.
5) Nakreslete pásový model příměsového polovodiče P typu pro teplotu T → 0 K a pro T > 0 K s vyznačením stavu ionizace příměsí na akceptorové hladině.
a) při teplotě T → 0 K (žádná vodivost)
b) při teplotě T > 0 K jsou zachyceny elektrony z pásu valenčního na akceptorech. Ionizované akceptory vytvářejí záporný nepohyblivý náboj, vzniklé díry v pásu valenčním jsou volně pohyblivé. Na obrázku je znázorněn i vznik volného elektronu a díry mechanismem polovodiče vlastního.
Kontrolní otázky:
1) Za jakých podmínek a mezi jakými ději se ustaví v polovodiči termodynamická rovnováha?
Termodynamická rovnováha je rovnováha mezi generací a rekombinací nosičů při konstantní teplotě.
2) Napište základní vztah termodynamické rovnováhy v polovodiči.
Koncentrace volných elektronů n, koncentraci volných děr p a pravděpodobnost rekombinace r, ni je koncentrace volných elektronů ve vlastním polovodiči.
Kontrolní otázky:
1) Co vyjadřuje Fermiho – Diracova rozdělovací funkce, nakreslete průběh této funkce pro T > 0 K?
Rozložení elektronů jako částic s polovičním spinem se řídí Fermiho – Diracovou rozdělovací funkcí fFD (W)n . Pravděpodobnost, že hladina o energii W je obsazena elektronem můžeme vyjádřit touto funkcí.
2) Jaká je pravděpodobnost obsazení Fermiho energetické hladiny elektronem; s jakou pravděpodobností jsou obsazeny elektronem energetické hladiny nad, resp. pod (???)Fermiho hladinou?
Pravděpodobnost, že hladina o energii W je obsazena elektronem můžeme vyjádřit funkcí
kde WF je Fermiho energie, k je Boltzmannova konstanta a T je absolutní teplota. Energetická hladina o energii WF je, jak vyplývá výpočtem z rozdělovací funkce, obsazena elektronem s pravděpodobností 50%.
3) Co vyjadřuje funkce hustoty stavů, nakreslete průběh této funkce pro tzv. parabolický vodivostní pás?
Funkce hustoty stavů
Kromě pravděpodobnosti obsazení energetických hladin v dovolených pásech elektrony, případně děrami, je důležité znát i hustotu stavů v těchto pásech, tj. koncentraci možných stavů, které elektrony a díry mohou obsazovat při dané energii ve vodivostním resp. valenčním pásu. Výpočet hustoty stavů pro tzv. parabolický vodivostní pás vede k výrazu
Kde h je Planckova konstanta.
4) Jak se mění koncentrace nosičů ve vlastním polovodiči s teplotou?
Koncentrace nosičů ve vlastním polovodiči s rostoucí teplotou také vzrůstá.
5) Graficky vyjádřete a srovnejte změnu koncentrace nosičů na teplotě ve vlastních polovodičích Ge, Si a GaAs.
Obr. 4.13 Závislost koncentrace nosičů na teplotě ve vlastním polovodiči Si, Ge a GaAs
6) Nakreslete jak se mění poloha Fermiho energetické hladiny s teplotou ve vlastním polovodiči.
Kontrolní otázky:
1) Vysvětlete pojem „stav plné ionizace příměsí“ a napište vztahy umožňující vypočíst koncentraci většinových a menšinových nosičů ve stavu plné ionizace ze znalosti koncentrace donorů a akceptorů.
Předpokládejme, že teplota je natolik vysoká, že všechny příměsi v polovodiči jsou již ionizovány. Tedy, je-li do materiálu vneseno při výrobě ND donorů a NA akceptorů, platí
U základních polovodičových materiálů Si, Ge a GaAs se předpokládá, že při pokojové teplotě je podmínka plné ionizace příměsí splněna.
Uvažujme polovodič N typu, který je dotován ND donory a NA akceptory (ND > NA) a ni je koncentrace volných elektronů ve vlastním polovodiči.
Dostáváme pro koncentraci většinových elektronů nn:
Koncentraci menšinových děr pn vypočítáme z rovnice
2) Graficky znázorněte jak se mění poloha Fermiho hladiny v příměsovém polovodiči (např. Si) v závislosti na rozdílu koncentrace donorů a akceptorů ve stavu plné ionizace příměsí.
Obr. 4.16 Závislost polohy Fermiho hladiny na koncentraci příměsí ve stavu plné ionizace příměsí. Polovodič Si, T = 300 K.
3) Vysvětlete pojmy kompenzovaný po