Material föreläsning 6
HT2 7,5 p halvfart
Janne Carlsson
Tisdag 6:e December 10:15 – 16:00
PPU105 Material
• Förmiddagens agenda
• Termiska egenskaper ch 12 - 13
• Paus
• Elektriska, magnetiska och optiska egenskaper ch 14 – 16
• Eftermiddagens agenda
• Redovisning av gruppuppgift
• 13:15 – 14:00: 1, 2, 3
• 14:15 – 15:00: 4, 5, 6
• 15:15 – 16:00: 7, 8, 9
2
Material och värme kapitel 12
Termiska Egenskaper
• Två temperaturer som är direkt kopplade till styrkan hos ett
material
• Smältpunkten Tm
• Glastemperaturen Tg
• Kristallina material har en definierad smältpunkt
• Icke-kristallina fasta material har en glastemperatur vid
vilken de övergår från ett fast material till en mycket viskös
vätska
Drifttemperatur
Material har en maximal och minimal
drifttemperatur
• Tmax
• Högsta temperatur vid vilken materialet kan
användas kontinuerligt utan att oxidera, förändras
kemiskt eller formändras kraftigt
• Tmin
• Temperatur under vilken materialet blir sprött eller
på annat sätt farligt att använda
• Värmekapacitet Cp
• Energi som krävs för att värma 1 kg
av materialet 1 K
Figure 12.1
Värmeutvidgningskoefficient α
Termisk töjning då temperaturen
höjs 1 K
Figure 12.2
Värmeledningsförmåga λ
Värmeflöde per areaenhet vid
stationärt förlopp
Figure 12.3
Termisk Diffusivitet
• Värmeledningsförmågan är ett mått på värmeflödet vid
stationära förlopp
• Transient värmeflöde styrs av den termiska diffusiviteten
(m2/s)
Termiska Egenskaper
Figure 12.4
Figure 12.5
• Konturer visar specifik värme per volymsenhet
• Detta värde är nästan konstant för alla solider
(3 X 106 J/m3K)
Värmekapacitet
• Värme är atomer i rörelse
• Atomer i solider vibrerar med en amplitud som ökar med
temperaturen
• Atomerna kan inte vibrera oberoende pga. atombindningarna
• Det gör att vibrationerna blir som stående vågor
Figure 12.7
Värmeutvidgning
En solid utvidgar sig när den värms då medelavståndet
mellan atomerna ökar
• Material med hög E-modul (styv
fjäder) har låg värmeutvidgning
• Alla kristallina solider utvidgar sig
cirka 2% från absoluta nollpunkten
till sin smältpunkt
Figure 12.9
Värmeledningsförmåga
• När en solid upphettas kommer
värmen som elastiska vågpaket,
fononer
• Fononerna färdas med
ljudhastigheten men färdas
korta sträckor innan de sprids
• Sträckan en fonon kan färdas är
typiskt mindre än 0.01 μm
Figure 12.10
Användning av material vid höga
temperaturer kapitel 13
Temperaturberoende
• Många materialegenskaper har ett linjärt temperaturberoende
Figure 13.1
Krypprovning
Provstavar belastas med konstant last i en ugn med
konstant temperatur
Figure 13.3
Spänning – krypbrottskurvor
• Krypdata presenteras med spänning – krypbrott kurvor
• Tillåten spänningsnivå kan då väljas utifrån driftstemperaturen
Figure 13.5
Figure 13.6
• Ett material börjar krypa över en viss temperatur som beror på
smältpunkten
• Polymerer kan krypa vid rumstemperatur
• Metaller – 0.35Tm
• Keramer – 0.45Tm
Dags för en paus?
18
Elektriska egenskaper kapitel 14
Resistivitet och ledningsförmåga
• Elektrisk resistivitet är ett mått på ett materials motstånd mot
ström – ledningsförmåga är dess invers
• Resistiviteten för material har en enorm spridning – 1 - 1024
Figure 14.2
Figure 14.7
Resistiviteten varierar mer än
någon annan materialegenskap
Supraledare
• När metaller kyls ned sjunker resistiviteten
• De flesta behåller en resistivitet ned till absoluta nollpunkten, men
vissa uppvisar en förvånande förändring, de tappar helt sin
resistivitet vid en kritisk temperatur Tc
• Under Tc kan en supraledare leda ström utan motstånd
Figure 14.3
Isolation
• Polymerer är utmärkta isolatorer
och används för kablar och
kontakter
Figure 14.25
Isolation med värmeledning
• Kretskort behöver god kylning men också elektrisk isolering
Figure 14.26
• Metaller har högst värmeledningsförmåga men leder även
ström
• Keramer som aluminiumoxid och kiselkarbid ger bästa
kombinationen av värmeledningsförmåga och resistivitet
Magnetiska egenskaper kapitel 15
Magnetisering
• Ferritiska och ferro-magnetiska material blir magnetiska när
de placeras i ett magnetiskt fält
•B = µH
• B är den magnetiska flödestätheten, T Tesla (Vs/m2)
• µ är permeabiliteten, H/m Henry per meter
• H är magnetiska fältstyrkan, A/m Ampere per meter
• Mjukmagnetiska material, elektromagneter, tappar sin
magnetisering när fältet tas bort
• Hårdmagnetiska material, permanentmagneter, behåller sin
magnetisering
Figure 15.5
Magnetiska egenskaper mäts mha. en
B – H kurva
Mätning av hystereskurvan
• En växelström genom
primärspolen skapar ett fält
H som inducerar en
magnetisering av materialet i
ringen
• Sekundärspolen mäter
magnetiska flödestätheten B
Figure 15.6
Magnetiska material skiljer sig åt stort vad gäller
hysteresen
Figure 15.7
• Hårdmagnetiska material, permanentmagneter,
har bred hystereskurva
• Mjukmagnetiska material har smal hystereskurva
Domäner
Även om material är magnetiska behöver de inte vara magneter
– strukturen kan ändras så att det externa fältet försvinner
Ett material delar upp sig i olika
domäner med likriktad magnetisering
Materialet bibehåller sin magnetisering
utan ett yttre fält
Figure 15.13
Ett yttre fält får domänerna att orientera om sig
Figure 15.14
• Vid full mättnad sammanfaller alla domäner
• Orienteringen sker lätt i mjukmagnetiska material
men förhindras i permanentmagneter
Elektromagnetiska produkter
• Elektromagneter och transformatorer måste kunna
magnetiseras enkelt av ett pålagt fält och förlora sin
magnetism när fältet försvinner
Figure 15.15
Mjukmagnetiska material
• Hög magnetisk susceptibilitet
• c = µr-1
• Hög mättnadsgrad
Figure 15.16
Hårdmagnetiska produkter
• Hög remanens
• Hög koerciv fältstyrka
• Ex. hörlurar
Figure 15.17
Optiska egenskaper kapitel 16
Material och Strålning
När strålning träffar ett material så
reflekteras en del, absorberas en del och
en del transmitteras
• 1st term: reflektans
• 2nd term: absorbans
• 3rd term: transmittans
Figure 16.1
Spegling och Diffus Reflektion
• Spegelytor är plana och reflekterar ljuset så att θ1 = θ2
• Diffusa ytor är ojämna och sprider ljuset
Figure 16.2
Ljusbrytning, Refraktion
• Brytningsindex
• co – ljushastigheten i vacuum
(300 000 km/s, 7,5 varv/s)
Figure 16.3
Figure 16.8
Design: Brytningsindex
Figure 16.14
• Optiska pulser från en lysdiod färdas genom en optisk
fiber
• Mantelhöljet till fibern har lägre brytningsindex vilket
gör att ljuset fångas i kärnan även då fibern böjs
