Material föreläsning 6. HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson

Transkript

1 Material föreläsning 6 HT2 7,5 p halvfart Janne Carlsson

2 Tisdag 6:e December 10:15 16:00 PPU105 Material Förmiddagens agenda Termiska egenskaper ch Paus Elektriska, magnetiska och optiska egenskaper ch 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

3 Material och värme kapitel 12

4 Termiska Egenskaper Två temperaturer som är direkt kopplade till styrkan hos ett material Smältpunkten T m Glastemperaturen T g 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

5 Drifttemperatur Material har en maximal och minimal drifttemperatur T max Högsta temperatur vid vilken materialet kan användas kontinuerligt utan att oxidera, förändras kemiskt eller formändras kraftigt T min Temperatur under vilken materialet blir sprött eller på annat sätt farligt att använda

6 Värmekapacitet C p 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

7 Termisk Diffusivitet Värmeledningsförmågan är ett mått på värmeflödet vid stationära förlopp Transient värmeflöde styrs av den termiska diffusiviteten (m 2 /s)

8 Termiska Egenskaper Figure 12.4

9 Figure 12.5 Konturer visar specifik värme per volymsenhet Detta värde är nästan konstant för alla solider (3 X 10 6 J/m 3 K)

10 Värme är atomer i rörelse Värmekapacitet 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

11 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

12 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

13 Användning av material vid höga temperaturer kapitel 13

14 Temperaturberoende Många materialegenskaper har ett linjärt temperaturberoende Figure 13.1

15 Krypprovning Provstavar belastas med konstant last i en ugn med konstant temperatur Figure 13.3

16 Spänning krypbrottskurvor Krypdata presenteras med spänning krypbrott kurvor Tillåten spänningsnivå kan då väljas utifrån driftstemperaturen Figure 13.5

17 Figure 13.6 Ett material börjar krypa över en viss temperatur som beror på smältpunkten Polymerer kan krypa vid rumstemperatur Metaller 0.35T m Keramer 0.45T m

18 Dags för en paus? 18

19 Elektriska egenskaper kapitel 14

20 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 Figure 14.2

21 Figure 14.7 Resistiviteten varierar mer än någon annan materialegenskap

22 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 T c Under T c kan en supraledare leda ström utan motstånd Figure 14.3

23 Isolation Polymerer är utmärkta isolatorer och används för kablar och kontakter Figure 14.25

24 Isolation med värmeledning Kretskort behöver god kylning men också elektrisk isolering Figure Metaller har högst värmeledningsförmåga men leder även ström Keramer som aluminiumoxid och kiselkarbid ger bästa kombinationen av värmeledningsförmåga och resistivitet

25 Magnetiska egenskaper kapitel 15

26 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/m 2 ) 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

27 Figure 15.5 Magnetiska egenskaper mäts mha. en B H kurva

28 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

29 Magnetiska material skiljer sig åt stort vad gäller hysteresen Figure 15.7 Hårdmagnetiska material, permanentmagneter, har bred hystereskurva Mjukmagnetiska material har smal hystereskurva

30 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

31 Ett yttre fält får domänerna att orientera om sig Figure Vid full mättnad sammanfaller alla domäner Orienteringen sker lätt i mjukmagnetiska material men förhindras i permanentmagneter

32 Elektromagnetiska produkter Elektromagneter och transformatorer måste kunna magnetiseras enkelt av ett pålagt fält och förlora sin magnetism när fältet försvinner Figure 15.15

33 Mjukmagnetiska material Hög magnetisk susceptibilitet c = µ r -1 Hög mättnadsgrad Figure 15.16

34 Hårdmagnetiska produkter Hög remanens Hög koerciv fältstyrka Ex. hörlurar Figure 15.17

35 Optiska egenskaper kapitel 16

36 Material och Strålning När strålning träffar ett material så reflekteras en del, absorberas en del och en del transmitteras Figure st term: reflektans 2 nd term: absorbans 3 rd term: transmittans

37 Spegling och Diffus Reflektion Spegelytor är plana och reflekterar ljuset så att θ 1 = θ 2 Diffusa ytor är ojämna och sprider ljuset Figure 16.2

38 Ljusbrytning, Refraktion Brytningsindex c o ljushastigheten i vacuum ( km/s, 7,5 varv/s) Figure 16.3

39 Figure 16.8

40

41 Design: Brytningsindex Figure 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