Lösungen Werkstoffe (Januar 2016)

Unser Stromweltsponsor dieser Ausgabe:

Aufgabe 1

Aufgabe 2

1 = Vierkantfederstahl
2 = Chrom – Vanadium Stahl
3 = Kunststoff (CAB; Cellulose Aceto Butyrat)
4 = Polyamid (Nylon)
5 = (goldfarben) eloxiertes Aluminium
6 = rostfreier Stahl
7 = Holz lackiert
8 = Elektrolyt – Kupfer galvanisch verzinnt

Aufgabe 3

Die verschiedenen Baumaterialien besitzen unterschiedliche Längenausdehnungen (siehe spez. Längenausdehnungskoeffizient α). Wenn nun die unterschiedlichen Materialien fest miteinander verbunden werden, kann dies u.a. zu Schäden führen. Besonders dann, wenn die Differenz der Längenausdehnungen sehr gross ist. In unserem Beispiel dienen die dargestellten Dehnungsstücke dazu, dass sich das Kupfermaterial  infolge niedriger Temperaturen nicht seitlich aus den Befestigungen reissen kann.

Aufgabe 4

Im hochreinen Zustand sind Halbleiter aus Germanium, Silizium, Gallium, Arsen, Selen etc. praktisch Isolatoren. Sie verfügen nur über eine sehr geringe Eigenleitfähigkeit. Die Elektronen auf der äussersten Schale sind stark an den Atomkern gebunden, lassen sich aber teilweise durch Energiezufuhr (z.B. Wärme, Strahlung) aus dem Verbund lösen.
Wird nun ein sehr reiner Halbleiter gezielt verunreinigt (dotiert), nimmt dadurch seine elektrische Leitfähigkeit zu. Ausschlaggebend, ob ein p- oder n – Halbleiter entsteht, ist die Wahl des Fremdatoms. Die nachfolgend vereinfachten Darstellungen sollen am Beispiel von Silizium als Grundmaterial eine solche Verunreinigung und Gewinnung von p- und n – Halbleiter aufzeigen.

Links: Silizium dotiert mit Phosphor (P): n-Halbleiter
Rechts: Silizium dotiert mit Brom (B): p-Halbleiter

Aufgabe 5

Der elektrische Widerstand eines Leiters ist vom Material, Reinheit, Gitterstruktur und Temperatur abhängig. Dabei hat die Temperatur, im Besonderen bei reinen Metallen, einen entscheidenden Einfluss auf die Grösse des elektrischen Widerstandes. Bei verschiedenen Metallen und Nichtmetallen ist es sogar so, dass sie ihren kompletten elektrischen Widerstand beim Kühlen auf eine bestimmte Temperatur (Sprungtemperatur) verlieren. Sie sind jetzt supraleitend. Supraleiter besitzen beim Abkühlen auf ihre spezifische Sprungtemperatur einen elektrischen Wider-
stand von 0Ω.

Aufgabe 6

  • Hohe spezifische Leitfähigkeit γ = 57.1 .m/Ωmm²
  • Gut bearbeitbar wie z.B. Schneiden, plastisch Verformen usw..
  • Hohe Schmelztemperatur von 1083°C → formstabil.
  • Obwohl Kupfer an der Luft oxidiert, behindert diese Oxidschicht die Kontaktqualität an z.B. Klemmen vernachlässigbar gering.
  • Die Lebensdauer des reinen Kupfermaterials kann als ewig betrachtet werden. Wird es irgendwann entsorgt, lässt sich das Kupfer ohne Qualitätsverluste und auch beliebig oft wieder aufbereiten.

Aufgabe 7

Sehr gute Gleiteigenschaften, schmiert sich selber, Oberfläche bleibt frei von Oxidschichten, widerstandsfähig gegen chemische Einflüsse, es gibt keinen flüssigen Zustand und der Verdampfungspunkt ist sehr hoch (bei ca. 4‘000°C), verschleissfest, keine Materialwanderung, hat eine geringe Dichte.

Aufgabe 8

a) rot = 2 / grün = 5 / blau = 6 / orange = 103 → 256kΩ ± 20%
b) braun = 1 / gelb = 4 / violett = 7 / rot = 102 / silber ±10% → 14.7kΩ ± 10%

Aufgabe 9

Glasfasern bestehen aus hochreinem Quarzglas (Silikatglas SiO2). Durch Dotieren mit z.B. Germanium lässt sich die Brechzahl im Glas verändern, wodurch sich die Strahlen im Glaskern führen lassen. Für eine totale Reflektierung des Lichtes ist neben der dichte des Mediums der Einfallswinkel entscheidend. Das nachfolgende Bild soll das Prinzip der Totalreflexion verdeutlichen.

Aufgabe 10

Die Opferanode enthält unedlere Metalle, in der Regel Magnesium. Zusammen mit dem zu schützenden Objekt (Innenkessel) und dem Leitungswasser bilden sie ein galvanisches Element. Die Opferanode als Minuspol baut sich ab, während das Schutzobjekt den Pluspol darstellt und, solange die Opferanode ihre Funktion wahrnehmen kann, vor einer elektrochemischen Korrosion geschützt bleibt.

Aufgabe 11

Halogene wie Chlor, Fluor, Jod und Brom sind sogenannte Salzbildner. Im Brandfall und in Verbindung mit Feuchtigkeit (z.B. Löschwasser) bilden sich korrosive Säuren. So wird beispielsweise aus Chlor Salzsäure und aus Fluor Flusssäure. Diese Brandgase sind giftig und verursachen Korrosion. Wie der Name es bereits sagt, wurde für die Herstellung von halogenfreien Materialien auf den Einsatz von Halogenen verzichtet.

Aufgabe 12

  • einen hohen spezifischen Widerstand
  • eine hohe Durchschlagsfestigkeit
  • einen grossen Oberflächenwiderstand mit grosser Kriechstromfestigkeit
  • einen geringen Verlustfaktor bei Anschluss an eine Wechselspannung
  • temperaturbeständig (wärme- und kältebeständig)
  • alterungsbeständig
  • witterungs-, strahluns- und beständig gegen chemisch aggressive Medien
  • mechanisch stabil
  • schwer entflammbar und im Falle eines Brandes nicht giftig

Aufgabe 13

Aufgabe 14

  • Luft
  • Holz
  • Glimmer
  • Papier, Pressspan
  • Porzellan
  • Steatit
  • Quarzglas
  • Gummi (gewonnen aus Rohkautschuk)

Aufgabe 15

0 ⇒ Die Elementarmagnete des ferromagnetischen Stoffes befinden sich in Unordnung. Der Eisenkörper hat nach aussen hin kein wirkendes Magnetfeld. Erst durch den Einfluss eines äusseren magnetischen Feldes beginnen sich die Blochwände und Weiss‘schen Bezirke zu verschieben.

1 ⇒ Magnetische Sättigung tritt ein. Alle Blochwände sind beseitigt und sämtliche Elementarmagnete ausgerichtet.

2 ⇒ Wird das äussere Einwirkfeld entfernt, fallen die Elementarmagnete wieder in ihre Unordnung zurück. Weil dies aber nicht allen gelingt, bleibt ein geringer Restmagnetismus zurück (Remanenz).

3 ⇒ Durch Ändern des äusseren Einwirkfeldes (Nord ↔ Südpol) wurde der Restmagnetismus beseitigt. Nun sind wieder alle Elementarmagnete in Unordnung.

4 ⇒ Erneute magnetische Sättigung mit umgekehrter Polung.

5 ⇒ Wie schon unter Punkt 2 beschrieben, bleibt auch in diesem Falle nach entfernen des äusseren  Magnetfeldes eine magnetische Wirkung zurück → Restmagnetismus.

6 ⇒ Zum Erreichen von Punkt 6, d.h. Beseitigen der Remanenz, muss erneut die magnetische Polung des Einwirkfeldes getauscht werden. Die dazu erforderliche Feldstärke wird Koerzitivfeldstärke genannt.

Aufgabe 16

In einer Gärtnerei müssen die besonderen Umgebungsbedingungen beachtet werden. Das Installationsmaterial ist einem hohen Feuchtigkeitsgehalt, stark chemisch angreifenden Dämpfen sowie Säuren oder Salzen ausgesetzt. Die Rohrwahl muss das Auftreten korrosiver Stoffe dauernd aushalten. Weil auch mit einer gewissen mechanischen Beanspruchung zu rechnen ist, empfiehlt sich das Kunststoff–Rohr hart (KRH).

Aufgabe 17

a) spannungsabhängiger Widerstand (VDR → Voltage Dependent Resistor)
b) magnetfeldabhängiger Widerstand (MDR → Magnetic Dependent Resistor)
c) lichtabhängiger Widerstand (LDR → Light Dependent Resistor)

Aufgabe 18

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt den Wärmetransport durch einen Körper aufgrund einer vorliegenden Temperaturdifferenz. Im erwähnten Beispiel bedeutet dies, dass bei einer Temperaturdifferenz von 1K ein Wärmestrom von 1.6W durch eine 1m2 grosse und 1m dicke Leichtbetonschicht geht.