KURZUS: Mérnöki anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

8. lecke: Elektromos-, mágneses-, optikai- akusztikai tulajdonságok

  • Fajlagos ellenállás
    • Vezető
    • Félvezető
    • Szigetelő anyagok
  • Mágneses permeabilitás
    • Diamágneses
    • Paramágneses
    • Ferromágneses viselkedés
  • Optikai tulajdonságok
    • Átlátszó
    • Áttetsző
    • Átlátszatlan
  • Akusztikai tulajdonságok

A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:

  • definiálni a fajlagos ellenállás, mágneses permeabilitás fogalmakat
  • definiálni a vezető-, félvezető-, szigetelő anyag fogalmakat
  • felsorolni a vezető-, félvezető-, szigetelő anyagok legfontosabb elektromos tulajdonságait
  • csoportosítani a legfontosabb anyagokat, elemeket elektromos tulajdonságaik alapján
  • definiálni a diamágneses, paramágneses, ferromágneses viselkedés fogalmakat
  • csoportosítani a ferromágneses anyagokat alkalmazási területeik alapján
  • értelmezni az optikai tulajdonság fogalmat
  • definiálni az optikailag átlátszó, az áttetsző és az átlátszatlan fogalmakat
  • felsorolni az optikai tulajdonságokat
  • definiálni az akusztikai tulajdonság fogalmat
  • csoportosítani a közegeket akusztikai tulajdonságok alapján
  • jellemezni az anyagokat a longitudinális és tranzverzális hullám terjedési sebessége alapján
Elektromos és mágneses tulajdonságok

Az anyagok elektromos töltésátvivő képességét a fajlagos ellenállás ( ρ ) [ Ω *m] illetve a reciproka a fajlagos elektromos vezető képesség ( σ ) jellemzi.

Az anyagok a fajlagos ellenállás alapján lehetnek:

  • A vezetők szabad töltéshordozókat tartalmaznak (pl. a fémek, a karbidkerámiák, grafit). A villamos ellenállásuk ρ 10 8 Ω m . A villamos ellenállás az ötvözés, a szennyezés illetve a hőmérséklet hatására nő.
  • A félvezetők elmozdulni képes elektron-lyuk párokat tartalmaznak (pl. Si, Ge, As, Se, Te, P, S). A villamos ellenállásuk ρ 10 1 10 6 Ω m . A tiszta szerkezeti félvezetők (intrinsic) ellenállása a hőmérséklet növekedésével csökken, míg a szennyezett, adalékolt (extrinsic) félvezetőké a hőmérséklettől gyakorlatilag független.
  • A szigetelők szabad töltéshordozókat nem, de elektromosan polarizált dipólusokat tartalmaznak pl. műanyagok, oxid és nitridkerámiák, gyémánt. A ρ 10 6 10 16 Ω m . Az oxidkerámiák fajlagos ellenállása a hőmérséklet növelésével csökken.
1. ábra. A szerkezeti anyagok villamos ellenállása

Figyelje meg az ábrán, hogy a fémek villamos ellenállása minden anyagcsoportnál kedvezőbb, tehát a fémek jó vezetők. Ez a már korábban ismertetett fémes kötéssel magyarázható.

Mágneses tulajdonságok

Mágneses erőtérben valamilyen kölcsönhatást minden anyag mutat. Az anyagban kialakuló mágneses indukció B az azt létrehozó H mágneses térerősségtől és az anyagi jellemzőktől függ. Az anyag fontos jellemzője a mágneses szuszceptitás ( χ a mágnesezhetőségre való érzékenység) és a μ mágneses permeabilitás, amely azt fejezi ki, hogy hányszor nagyobb B-t tud létrehozni H az anyagban a vákuumhoz képest, vagyis, hogy az anyag milyen mértékben képes erősíteni a mágneses mezőt.

A mágneses térben való viselkedés alapján az anyagok lehetnek:

  • diamágnesesek
    A diamágneses anyagok (pl. Au, Ag, Si, P, S, Cu, Zn, Ge, Hg, gyémánt, szerves vegyületek) χ = 10 7 ... 10 5 <ill. | χ | 1; μ r<1, azaz a mágnesezettség a külső térrel ellentétes, a mágneses tér hatását gyengítik.
  • paramágneses
    A paramágneses anyagok (pl. Al, Pt, Mg, Ti, Cr, Mn, Mo, W) esetében χ = 10 5 10 1 <ill. | χ |< 1; μ r<1. Ezek a külső térrel megegyező irányú, a mágnesező tér hatását csekély mértékben erősítő hatást fejtenek ki. Az ilyen anyagokban nagyobb az indukcióvonalak sűrűsége, mint rajtuk kívül.
  • ferromágneses
    pl. Fe, Co, Ni, amely χ = 10 ... 106=f(H)>>0 és μ r 10 3 . A mágnesezettség a külső térrel megegyező és azt jelentősen erősíti.
Ferromágneses anyagok

Fontos tulajdonság a mágneses hiszterézis, az, hogy a B a külső H-t az anyagban csak késéssel követi, és egy teljes átmágnesezési ciklust leíró hiszterézis hurkot eredményez, aminek területe arányos a hővé alakuló befektetett energiával, az átmágnesezési veszteséggel.

2. ábra. Mágneses hiszterézis

(Lásd fizika) A görbe azt mutatja, hogy a fel és lemágnesezés nem egy vonalon halad. A sraffozott terület az anyagban elnyelt hővel arányos. Ezt használják ki pl. a munkadarabok gyors hevítésére a hőkezelésénél, illetve kovácsolásnál.

Mágnesesen lágy anyagok

A lágymágneses anyagokat elektromágnesek és transzformátorok vasmagjaként, mágneses árnyékolóként alkalmazzák.

3. ábra. Mágnesesen lágy anyagok hiszterézisgörbéje

A lágymágnesek átmágnesezésekor kis veszteséggel kell számolni, mert a görbe területe nagyon kicsi.

Mágnesesen kemény anyagok

A kemény mágneses anyagokat állandó mágnesként (pl. villanymotorokhoz, hangszórókhoz stb.) alkalmazzák.

4. ábra. Mágnesesen kemény anyagok hiszterézis görbéje
Optikai tulajdonságok

Az anyagok optikai tulajdonságai alatt a fénnyel (fotonnyalábbal) való kölcsönhatást értjük.

  • Valamely anyag átlátszó, ha a belsejében gyakorlatilag nem jön létre fotonelnyelődés, a fényelnyelés (abszorpció) és a visszaverődés (reflexió) gyakorlatilag elhanyagolható. Ilyen pl. az amorf üveg. Ha az anyag a keverék fehér fény meghatározott hullámhosszú részét elnyeli (szelektív abszorpció) az anyag színesnek látszik.
  • Az optikailag áttetsző anyagokon a fény diffúz módon hatol át, vagy a belsejében erősen szóródik, ezeken átnézve a kép nem éles. pl. részben kristályos műanyagok.
  • Az optikailag átlátszatlan anyagon a fénysugár csak abszorbeálódik vagy reflektálódik. pl. fémek.

Az anyagok fontos mutatói

Az átlátszó anyag fényáteresztése nagy, míg az elnyelési és visszaverődési tényezőjük kicsi. A három tényező összege 1.
  • a fényáteresztési,
  • az elnyelési és
  • a visszaverődési tényező,

amelyek egymás rovására változnak és összegük 1.

Akusztikai tulajdonságok

Egy anyag akusztikai tulajdonságai alatt a mechanikai rezgésekkel való kölcsönhatását értjük.

Megjegyzés: A különböző hullámfajták terjedési sebessége eltérő!

A hang a szilárd anyagokban egyenes vonalban állandó sebességgel terjed, és sebessége az anyag rugalmas jellemzőin kívül a hőmérséklettől és a nedvességtartalomtól függ, a frekvenciától nem.

A hang terjedési sebessége:

v = λ f [ m / sec ]

ahol:
v a terjedési sebesség [m/s]
f a frekvencia [1/s]
λ a fény hullámhosszúsága [nm]

5. ábra. A longitudinális lés a tranzverzális hullám terjedési sebessége különböző anyagokban

A táblázatban látható, hogy a tranzverzális "nyíróhullám" csak a szilárd anyagokban terjed.
A hallható hang longitudinális.

Az olyan közeget, amelyben a hanghullámok terjedése nagyobb akusztikailag ritkább, amelyben kisebb akusztikailag sűrűbb anyagnak nevezzük.

Ellenőrző kérdések

Jelölje meg az egy helyes megoldást!

1. Mely anyagok elektromos tulajdonságára jellemző az alábbi állítás?
Szabad töltéshordozókat tartalmaznak. Ellenállásuk a hőmérséklet hatására nő.
Félvezetők
Szigetelők
Vezetők
Szupravezetők
2. Milyen elektromos tulajdonságok jellemzik a grafitot és a karbidkerámiákat?
Félvezetők
Vezetők
Szigetelők
Vezetőképességük a tisztaságuktól függ elsősorban
3. Mit jelent a diamágnesesség?
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes, a mágneses tér hatását gyengíti
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és jelentősen nagyobb, mint az anyagon kívül
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
4. Mit jelent a paramágnesesség?
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes, a mágneses tér hatását gyengíti
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és jelentősen nagyobb, mint az anyagon kívül
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
5. Mit jelent a ferromágnesesség?
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel ellentétes, a mágneses tér hatását gyengíti
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és jelentősen nagyobb, mint az anyagon kívül
A mágnesezettség az anyagban a külső térrel megegyező és csekély mértékben nagyobb, mint az anyagon kívül
6. Milyen anyagból készítene transzformátor vasmagot?
Mágnesesen lágy
Mágnesesen kemény
Diamágneses
Paramágneses
7. Mit jelent az, hogy egy anyag optikailag áttetsző?
Az anyag belsejében a fényelnyelés és a szóródás elhanyagolható
Az anyagon a fénysugár csak abszorbeálódik vagy reflektálódik
Az anyagon a fény diffúz módon hatol át, vagy a belsejében erősen szóródik
A keverék fény meghatározott hullámhosszú részét az anyag elnyeli
8. Hogyan terjed a tranzverzális hullám a csatolóközegként használt olajban vagy a vízben?
Egyenes vonalban állandó sebességgel
Állandó sebességgel, a határfelületekről visszaverődve
Az anyagon a fény diffúz módon hatol át, vagy a belsejében erősen szóródik
A terjedés sebessége a hőmérséklettől függ