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Werkstofftechnik Fragen 2. Semester Systemtechnik
Werkstofftechnik Fragen 2. Semester Systemtechnik
Beschreiben Sie die Funktionsweise einer Solarzelle.
Durch Sonnenenergie gehen die Valenzelektronen zurück in das Leiterband
Wie funktioniert eine LED?
Die Energie die während des Überganges freigesetzt wird (Delta E), muss genau so gross ein, wie die eines Photons damit es als Licht und nicht als Wärme austritt.
Erklären Sie die Abläufe auf atomarer Ebene bei einem n-p-n-Transistor.
Wie wird der Stromdurchfluss bei einem unipolaren Transistor reguliert?
durch p-Dotierung wird die n-Dotierund kleiner --> mittels Raumladungszone Durchfluss steuern.
Warum können Stoffe wie Al2O3oder SiO2keinen Strom leiten? Erklären Sie das am Bändermodell.
Sind Isolatoren d.h. > 3eV! Barrierebreite zwischen VB und LB zu gross. --> VB voll und LB leer!! VB Kann nichts mehr leiten--> Stau! Nur möglich durch sehr hohe Feldstärke und sehr hoh Temp.
Weshalb lenkt ein am Pullover geriebener Ballon einen Wasserstrahl ab?
Der Ballon lädt sich mit Elektronen. Das Wasser ist ein Dipol, die positive Ladung des Wasser richtet sich zu den Elektronen des Ballons -> Ablenkung des Wasserstrahls.
Erklären Sie die drei Arten der Polarisationin einem Dielektrikum.
Elektrische Polarisation: Verschiebung der Elektronenhülle
Ionische Polarisation: Wenn Ionengitter vorhanden
Orientierung Polarisation (Diese macht eine Hystereskurve)
Beschreiben Sie die Polarisation bei Ferrolektrika anhand der Hysteresekurve
Erklären Sie die Kondensatoranordnung:
Platte +/-, dazwischen abstand mit elektrikum
Was beschreibt die Dielektrizitätszahl \(\varepsilon \)r?
Was versteht man unter einem dielektrischen Verlustfaktor?
Ausrichtung der Dipole beim Wechseln, braucht Energie
Wie ist ein Wickelkondensator aufgebaut?
Metallband im Dielektrikum -> Möglichst viel Fläche
Beschreiben Sie die Vorgänge bei einer piezoelektrischen Keramik.
Ladungen werden beim Zusammenziehen verschoben, dies gibt eine Spannung
Was versteht man unter dem direkten und inversen piezoelektrischen Effekt?
Direkt: Erzeugt Spannung beim Zusammendrücken
Indirekt: dehnt sich beim Anlegen einer Spannung aus
Weshalb muss Piezokeramik polarisiert werden?
Da die Pole sonst nicht ausgerichtet sind
Nennen Sie einige Anwendungsbeispiele von Piezo-keramiken und weshalb diese Kristalle hier Anwendung finden.
Strasenschuhe die Leuchten beim drauftreten, Feuerzeug
PHASENDIAGRAMM
Was kann man rauslesen?
Man kann folgendes herauslesen:
- Aus welchen Kristallarten und Mengenanteil Legierung bei Gebrauchstemperatur
- Ob bei erhöhter/erniedrigter T die Anzahl Phasen und die Zusammensetzung der Massenanteile sich verändert
- Wo der Schmelzpunkt ist
- Ob es ein Schmelzpunkt gibt und wo
- Oder hat es ein Schmelz-/Erstattungsintervall
Aufstellen von Zustandsdiagrammen
A und B sind die beiden Materialien. L sind Legierungen.
Liquiduslinie: Phasengrenzlinie zwischen homogener Schmelze (S) und Zweiphasenfeld Schmelze & Mischkristall
Soliduslinie: Phasengrenzlinie zwischen Zweiphasenfeld und festen Mischkristall (α)
Hebelgesetz
Zum Berechnen der Phasenzusammensetzung.
Mikroskop
Wie sind Atome aufgebaut und welche Ladungen haben die Teilchen?
Durch Elektronen (-), Protonen (+), Neutronen
\({1\over 1839} = {Elektron \over Proton}\)
Eisen hat das chemische Symbol \({56\over 26}\) Fe. Interpretieren Sie die Symbolik.
26 Protonen/Elektronen
30 Neutronen
Identifizieren Sie die folgenden Elemente anhand der nachstehenden Aussagen über ihre neutralen Atome:
- Atom A: enthält 4 Protonen
- Atom B: hat die Ordnungszahl 12
- Atom C: enthält 11 Elektronen
- Atom A: enthält 4 Protonen Berillyum
- Atom B: hat die Ordnungszahl 12 Magnesium
- Atom C: enthält 11 Elektronen Natrium
Viele der in der Elektrotechnik verwendeten Metalle wie z.B. Cu, Ag, Ni, Ti, Fe, sind Nebengruppenelemente. Begründen Sie mithilfe der Elektronenkonfiguration der Atome die Ähnlichkeit der Eigenschaften dieser Metalle.
Sie haben alle ihre Valenzelektronen in der P – Orbital.
Erklären Sie in eigenen Worten, wie das Periodensystem aufgebaut ist.
Gruppe = Valenzelektronen (Horizontal), Schalen (Vertikal)
Beschreiben Sie die drei stärksten Bindungsarten.
Kovalente Bindung (nicht Metall – nicht Metall), Ionenbindung (nicht Metall – Metall), Metallbindung (Metall – Metall)
Weshalb streben Atome eine Bindung an?
Weil sie eine volle äussere Schale anstreben (Edelgaskonfiguration -> energetisch tiefstes Niveau)
Wie verhalten sich die Elektronen im Metallverband?
Valenzelektronen werden abgegeben und es wird ein Ionen-Gas gebildet.
Worauf beruht die hohe elektrische Leitfähigkeit der Metalle gegenüber den Nichtmetallen?
Das positiv geladene Ionen - Gas leitend ist
Was versteht man unter amorpher Atomanordnung?
Anordnung ohne Struktur
Was ist eine Elementarzelle?
Kleines Einheit eines Kristallgitters
Welches sind die vier wichtigsten Gittertypen der Metalle?
Kubischflächenzentriert, kubischraumzentriert, hexagonaldichtest, tetragonalinnenzentriert
Welches sind die Packungsdichten von krz und kfz und welchen Einfluss haben sie auf die Eigenschaften der Metalle?
Krz = 68%, kfz = 74%. Kfz gleitet schneller ab als krz, einfacher zu verformen.
Nennen sie je 2 Metalle, die in krz und kfz auskristallisieren.
krz = Eisen, Chrom; kfz = Aluminium, Kupfer, Silber
Was verstehen wir unter Polymorphie? Geben Sie ein Beispiel.
Wenn sich die Gitterstruktur ändert (Eisen von krz zu kfz)
Begründen Sie, weshalb man das Element Kohlenstoff einerseits zur Herstellung von Bleistiftminen und andererseits in Form eines Hartstoffes für die Metallverarbeitung verwenden kann? Und wann ist es ein Leiter?
Da es verschiedene Strukturen annehmen kann. Bleistiftminen -> Graphit, Polymorphie, als Graphit leitend
Künstlicher Diamant lässt sich bei hohen Temperaturen (ca. 2000 ℃) aus Graphit herstellen. Warum braucht es dazu einen hohen Druck (über 50 kbar)?
Gitterstruktur wird umgeformt. Ebenen ineinander gedrückt. Die Gitterstruktur muss verschoben werden, von 3 – 4 Bindungen.
Fullerene besitzen wie Graphit ein delokalisiertes Elektronensystem. Erklären Sie, weshalb Fulleren- Pulver den elektrischen Strom trotzdem nicht leitet.
Elektronen sind nur innerhalb der Struktur.
Was verstehen Sie unter dem Begriff Isotrop?
Wenn in allen Richtungen gleiche physikalische/chemische Eigenschaften/Strukturen sind.
Wie verhält sich ein Kristall (isotrop oder anisotrop) und weshalb?
Im Innere des Korns ist er anisotrop, aber über das Ganze Metalle ist er isotrop.
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Lernkarten
Was ist ein Mischkristall?
Als Mischkristall wird ein Kristall oder Kristallit bezeichnet, der aus mindestens zwei verschiedenen chemischen Elementen besteht.
Entwickeln Sie über das Einphasensystem Wasser das Zweiphasensystem Wasser Kochsalz und erklären Sie Ihr Diagramm aufgrund von alltäglichen Beobachtungen.
Pernod ist eine transparente gelbe Flüssigkeit, die aus Wasser, Alkohol und einer Kräuter-mischung besteht. Die Kräutermischung löst sich in starken Wasser-Alkohol- Lösungen auf, schlägt sich jedoch als winzige weissliche Tröpfchen nieder, wenn die Lösung mit mehr Wasser verdünnt wird. Es wird beobachtet, dass Pernod bei 60 Gew.-% Wasser bei 0 ºC wolkig wird, bei 70 Gew.-% Wasser bei 20 ºC, und bei 85 Gew.-% Wasser bei 40 ºC. Zeichnen Sie ein ungefähres Zustands-diagramm für das Pernod-Wasser-System mit den Achsen T und Wasserkonzentration in Gew.-%. Markieren Sie die Einphasen- und Zweiphasen-Felder.
Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm.
Zeichnen Sie eine Abkühlkurve von reinem Wasser.
Zeichnen Sie die Diagramme für
- Vollkommen unlöslich
- Völlige Mischbarkeit
Was verstehen wir unter einer eutektischen Erstarrung.
Direkter Übergang Schmelz & Mischkristall. Kein schöner Übergang von fest zu flüssig.
Zeichnen Sie ein entsprechendes Zustandsdiagramm.
Welche typischen Eigenschaften haben eutektische Legierungen?
Feines Gefüge, niedrige Schmelztemperatur
Um welchen Betrag dehnt sich ein Stab von 1m Länge aus, wenn er von Raumtemperatur um 100K erwärmt wird?
a) aus unlegiertem Eisen
b) aus Aluminium
c) aus Quarzglas (α = 0.5 . 10-6 K-1)
Um wieviel Prozent dehnt sich ein Wolframdraht aus, wenn er von Raumtemperatur auf 2500 ºC erwärmt wird? (α = 3.5 . 10-6 K-1)
Ein Stab weist bei 20℃eine Länge von 820mm auf. Bei Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur T hat er eine Länge von 821.37mm. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Stabwerkstoffes beträgt α = 2.3 . 10-5 K-1. Wie gross ist die Temperatur T?
Eine Autobahnbrücke mit einer Länge von 240 m muss alle Umgebungstemperaturen aushalten. Um welchen Betrag dehnt sie sich von -20 auf +40℃? Ausdehnungsk. α= 12 . 10-6 K-1. Wie löst man dieses Problem?
Ein Rundstab aus Kupfer soll die Verlustwärme eines elektronischen Bauteils entlang seiner Achse ableiten. Die Länge des Stabes beträgt 140 mm, der Durchmesser 15 mm, die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer im betreffenden Temperaturbereich beträgt 390 W/mK, die Temperaturdifferenz 50 K. Wie gross ist der Wärmestrom durch den Stab hindurch? PS: radiale Wärmeverluste seien nicht betrachtet.
Welcher der beiden Stähle hat im Temperaturbereich RT bis ca. 200℃die geringere Wärmeleitfähigkeit?
a) Unlegierter S235 JR
b) Hochlegierter X5CrNi18-10
c) Beschreiben Sie die Werkstoffe für
eine ideale Bratpfanne.
a) Unlegierter S235 JR Richtig
b) Hochlegierter X5CrNi18-10 Falsch
c) Beschreiben Sie die Werkstoffe für gute Wärmeleitfähigkeit, stabil
eine ideale Bratpfanne.
1 cm3 Kupfer enthält wie viele Leitungselektronen? (Annahme 1 Cu-Atom gibt 1 Elektron in Leitungsband ab, 1 Mol eines Stoffes sind ca. 6 x 1023Teilchen, 1 Mol Kupfer entspricht 64g und Dichte Cu = 9 g / cm3)
Sie betreiben einen elektromagnetischen Hubmagnet mit Gleichstrom. Innen hat er eine Wicklung aus Kupferdraht mit dem Durchmesser d = 0.7 mm und der Länge L =850 m. Welcher Strom fliesst bei einer Spannung von 120 V an den Drahtenden durch den Kupferdraht (κ = 58m/Ωmm2)?
Der Draht einer Hochspannungsleitung mit einer Länge von 20.7 km soll aus Reinaluminium mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 35 m/Ωmm2 ausgeführt werden. Welche Querschnittsfläche des Aluminiumdrahtes ist mindestens notwendig, damit der Widerstand höchstens 1.85 Ω beträgt?
319.7 mm2
Welcher der beiden Stähle hat im Temperaturbereich von RT bis ca. 200 ℃die bessere elektrische Leitfähigkeit?
a) Unlegierter S235 JR
b) Hochlegierter X5CrNi18-10
a) Unlegierter S235 JR
Beschreiben Sie den Unterschied in der Energieverteilung der Elektronen des Einzelatoms im Vergleich zum Festkörper.
Festkörper in Bändern, sonst in Schalen keine 2 Elektronen gleiches Energieniveau
Welche Bänder sind für Leitungsvorgänge im Festkörper von Bedeutung?
Leiterbänder
Begründen Sie am Bändermodell, weshalb Silizium und Germanium Eigenhalbleiter sind.
Elektronen gehen von Leistungsband zu Valenzband, weil sich in VB Löcher entstanden sind, die sie füllen möchten --> Sperrschicht entsteht.
Warum verwendet man Halbleitersilizium hochrein und einkristallin?
Damit es eine perfekte Gitterstruktur besitzt.
Steigt oder fällt die Leitfähigkeit eines Elementhalbleiters durch Dotierung? Welche Dotanten erzeugen Elektronen bzw. Defektelektronen?
Steigt immer
Erklären Sie die atomaren Vorgänge in einem n- bzw. p-dotierten Halbleiter.
p: ein e zu wenig, näher an VB. n: ein e zu viel, ist auf einer Bahn die näher an LB
Was verstehen Sie unter Generation bzw. Rekombination?
Generation: springen -> generieren neue Leiterelektronen, Rekombination: springen zurück
Aus welchen Anteilen setzt sich die Leitfähigkeit der Halbleiter rechnerisch zusammen?
Anzahl Fehlatome/ Löcher
Begründen Sie, weshalb Si-Bauelemente thermisch höher belastbar sind als solche mit Ge.
Braucht mehr Energie damit es leitend wird
Wie muss ein Si-Kristall hergestellt werden und weshalb?
Silicium wird geschmolzen, danach wird ein Keim (Fremdatom) in die geschmolzene Masse eingetaucht. Das Das ganze System dreht sich und das Siliziumkristall beginnt zu wachsen (um den Keim herum).
Erklären Sie den Einfluss der Temperatur auf die Leitfähigkeit von Halbleitern mit Skizze.
Weshalb gibt es an einem p-n-Übergangeine Durchlass- und eine Sperrrichtung?
Polung spielt eine Rolle. Elektronen von n-dotierten seite fliessen in die p-dotierte Seite (Übergang). Somit gibt es an der p-dotierten seite einen Elektronenüberschuss und an der p-Seite und ein Elektronenmangel an n-Seite.
Weshalb erwärmt sich eine Diode?
Wenn spannung darüber abfällt, fällt auch Leistung darüber ab => Wärme
Weshalb verhält sich ein p-n-Übergangin Sperrrichtung wie ein Kondensator?
Sperrschicht = elektrisches Feld. Aufbringen und trennen von Ladung.
Welche Vorgänge finden am unbelasteten p-n- Übergang statt?
Elektronen springen vom Leiterband ins Valenzband, im VB entstehen Löcher wollen gefüllt werden, gibt Sperrschicht.
Beschreiben Sie die Funktionsweise einer Solarzelle.
Durch Sonnenenergie gehen die Valenzelektronen zurück in das Leiterband
Wie funktioniert eine LED?
Die Energie die während des Überganges freigesetzt wird (Delta E), muss genau so gross ein, wie die eines Photons damit es als Licht und nicht als Wärme austritt.
Erklären Sie die Abläufe auf atomarer Ebene bei einem n-p-n-Transistor.
Wie wird der Stromdurchfluss bei einem unipolaren Transistor reguliert?
durch p-Dotierung wird die n-Dotierund kleiner --> mittels Raumladungszone Durchfluss steuern.
Warum können Stoffe wie Al2O3oder SiO2keinen Strom leiten? Erklären Sie das am Bändermodell.
Sind Isolatoren d.h. > 3eV! Barrierebreite zwischen VB und LB zu gross. --> VB voll und LB leer!! VB Kann nichts mehr leiten--> Stau! Nur möglich durch sehr hohe Feldstärke und sehr hoh Temp.
Weshalb lenkt ein am Pullover geriebener Ballon einen Wasserstrahl ab?
Der Ballon lädt sich mit Elektronen. Das Wasser ist ein Dipol, die positive Ladung des Wasser richtet sich zu den Elektronen des Ballons -> Ablenkung des Wasserstrahls.
