Lösungen Werkstoffe (Januar 2017)

Unser Aufgabenautor Pascal Canova liefert sein neues Praxishandbuch Starkstrominstallationen ab Mai 2017 aus. Gerne weisen wir an dieser Stelle darauf hin:

Aufgabe 1

A = Sauerstoff O, ca. 46 %
B = Silizium Si, ca. 28 %
C = Aluminium Al, ca. 8 %
D = Eisen Fe, ca. 5.5 %
E = Calcium Ca, ca. 4 %
F = Rest ca. 8.5 %, davon ca. 0.005 % Kupfer

Aufgabe 2

In gediegener Form: Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin
Gediegen bedeutet, die Metalle kommen in echter so zusagen reiner Form vor. Sie können ohne Schmelz- oder andere Verfahren direkt gebraucht werden.

Als Erze: Kupfererz, Aluminiumerz, Eisenerz
Die meisten Metalle kommen in Verbindung mit anderen chemischen Elementen, so genannte Erze vor. Die einzelnen Metalle müssen durch besondere Verfahren aus diesen Erzen gewonnen werden.

Aufgabe 3

a) Sprödigkeit
Darunter versteht man die Eigenschaft eines Stoffes, bei Biege-, Schlag- oder Stossbeanspruchungen sich nicht zu verformen, sondern gleich zu brechen. Diese Eigenschaft weisen z.B. Materialien wie Glas, Porzellan und Bakelit auf.

b) Elastizität
Eigenschaft eines Stoffes, sich zusammendrücken oder dehnen zu lassen und nach Wegnahme der Krafteinwirkung wieder in die ursprüngliche Form zurückzukehren. Diese Eigenschaft weisen z.B. Materialien wie Leiterisolation aus Kunststoff, Kabelschutzschläuche und Gummidichtungen auf.

c) Zähigkeit
Darunter versteht man die Fähigkeit eines Stoffes, bei Biege-, Schlag- oder Stossbeanspruchungen zwar nachzugeben, aber dabei nicht einzureissen oder zu brechen. Diese Eigenschaft weisen z.B. Materialien wie Leder, Gummi und Federstahl auf.

d) Plastizität
Ist die Eigenschaft eines Stoffes, sich bei Einwirkung einer Kraft verformen zu lassen und diese neue Form beizubehalten, auch nach Entfernen der Krafteinwirkung. Diese Eigenschaft weisen z.B. Materialien wie KIR, Metalle und Hartkunststoffe auf.

Aufgabe 4

Der Hochofen wird von oben mit Eisenerz, Koks und Zuschlägen beschickt. Eisenerz dient dabei als Metall- bzw. Eisenlieferant, Koks zur Wärmeerzeugung und als Reduktionsmittel. Die Zuschläge dienen zur Überführung der Asche in Schlacke. Im unteren Teil des Hochofens wird, zur Unterhaltung der Verbrennung, Heissluft eingeblasen.

Im Hochofen herrschen Temperaturen bis ca. 1‘600°C. Durch die Verbrennung entstehen Gichtgase, d.h. Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO). Zuunterst im Hochofen sammelt sich das Roheisen mit einer Verunreinigung von ca. 10% (Mangan, Silizium, Phosphor und Schwefel) und einem Kohlen-stoffgehalt von 3% … 5%. Unmittelbar über dem Roheisen schwimmt die Schlacke. Die Schlacke sowie das Roheisen kann jeweils separat abgelassen (Abstich) werden.

Aufgabe 5

Aufgabe 6

Kristalline Stoffe wie z.B. Kupfer:
Solche Stoffe besitzen feste Verbindungen mit einer geordneten, wiederholenden, regelmässigen Atom- bzw. Ionenstruktur.

Amorphe Stoffe wie z.B. Glas:
Glas ist zwar fest, besitzt aber keine festen Verbindungen mit einer geordneten, wiederholenden, regelmässigen Atom- oder Ionenstruktur.

Aufgabe 7

  1. Herstellung von hochreinem Quarzglas (Siliziumdioxid SiO2) als Ausgangsstoff.
  2. Sintern (Verdichten unterhalb der Schmelztemperatur) zu klarem Quarzglas
  3. Ziehen der Glasfasern

Aufgabe 8

Feuerraffiniertes Kupfer hat eine Reinheit von ca. 99%. In Plattenform wird dieses Kupfer in ein Kupfersulfat-Elektrolysebad gestellt und an den Pluspol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Der Minuspol derselben Gleichspannungsquelle wird an dünne Kupferbleche angeschlossen, die sich ebenfalls im selben Elektrolysebad befinden. Unter der Wirkung des elektrischen Stromes, d.h. durch die Verschiebung der Elektronen in den festen Leitern vom Plus- zum Minuspol, lösen sich die Ionen von den feuerraffinierten Kupferplatten und gehen in Lösung.

Die Katode entzieht aus dem Elektrolyten aufgrund des Elektronenüberschusses Kupferionen in reiner Form. Während die verunreinigten Kupferplatten, angeschlossen an der Anode kleiner werden, nehmen die reinen Kupferplatten, angeschlossen an der Katode zu.

Aufgabe 9

  • fest
  • flüssig
  • gasförmig

Aufgabe 10

F = A ⋅ Rm = 2.5 mm2 ⋅ 200 N/mm2 = 500 N

Aufgabe 11

Messing (CuZn) → Kupfer-Zink-Legierung
Besitzt verbesserte mechanische Eigenschaften bei ähnlich gutem Korrosionsverhalten wie unlegiertes Kupfer. Wird z.B. für Glühlampenfassungen und Steckerstiften verwendet.

Bronze (CuSn) → Kupfer-Zinn-Legierung
Besitzt gute Gleit- und Verschleissfestigkeit. Ist sehr korrosionsbeständig, dafür ist die elektrische Leitfähigkeit schlechter. Wird z.B. für Gleitlager, Führungen und Hängedraht in der Bahntechnik verwendet.

Neusilber(CuNiZn) → Kupfer-Nickel-Zink-Legierung
Silberähnliche Farbe, korrosions- und anlaufbeständig gegen Luft. Sie besitzt zudem eine hohe Zugfestigkeit, gute Festigkeits- und Federungseigenschaften, weshalb das Material für federnde Kontakte und Steckverbinder sehr gut geeignet ist.

Aufgabe 12

Die Opferanode enthält unedlere Metalle wie z.B. Magnesium oder Zink. Zusammen mit dem zu schützenden Objekt (Metalltank) und der Erdfeuchtigkeit 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.

Augabe 13

  • Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials
  • Art, Grösse und Anordnung der Poren / Zellen
  • Art der Gasfüllung und des Druckes der Poren / Zellen
  • Struktur der festen Bestandteile
  • Dichte
  • Feuchtigkeitsgehalt
  • Temperaturdifferenzen

Aufgabe 14

Die meisten Kunststoffe werden durch Ultraviolettstrahlungen, die einen Teil des Sonnenlichtes sind oder von künstlichen Lichtquellen stammen, verändert. Viele verwendete Weichmacher entweichen, wodurch das Material porös und brüchig wird. UV-beständige Materialien verändern ihre Eigenschaften durch die Ultraviolettstrahlungen nicht.

Aufgabe 15

  • erstarrt schnell
  • haftet gut
  • hat eine hohe Festigkeit
  • hat eine feuerhemmende Wirkung
  • verfügt über eine Schall- und Wärmedämmwirkung

ACHTUNG:

  • verliert Festigkeit und Form wenn es ständiger Feuchtigkeit ausgesetzt ist
  • bietet keinen Korrosionsschutz für Bewehrungsstähle

Aufgabe 16

Sie besitzen einen sehr hohen spezifischen Widerstand, wodurch die Wirbelströme und somit auch die Wirbelstromverluste bis im hohen Frequenzbereich sehr klein sind. Deshalb findet man magnetisch weiche Ferrite überwiegend in der Hochfrequenztechnik (Kommunikationstechnik).

Aufgabe 17

Im massiven Eisenkern (A) können sich die durch das magnetische Wechselfeld hervorgerufenen Ströme auf dem gesamten Querschnitt verteilen. Man nennt sie Wirbelströme, weil sie in nicht geordneten Bahnen fliessen. Durch die grosse «Leiterfläche» (Eisenkörperfläche) können auch verhältnismässig grosse Ströme fliessen, was zu grossen Wärmeverlusten führt → I2 ⋅ R ⋅t
Zudem schwächt das Magnetfeld der Wirbelströme das eigentliche Nutzfeld.

Durch lamellieren des Eisenkerns (Blechung mit gegenseitiger Isolierung) in Richtung des magnetischen Flusses werden die Wirbelströme deutlich reduziert und somit dessen Auswirkungen gemindert.

Aufgabe 18

Diamagnetismus = Ein auf den Stoff einwirkendes äusseres Magnetfeld wird durch das im Material entstehende und entgegengesetzt gerichtete Magnetfeld geschwächt (Permeabilität μr < 1). Mögliche Stoffe sind Kupfer, Silber, Gold, Wasser, Edelgase etc.

Paramagnetismus = Ein auf den Stoff einwirkendes äusseres Magnetfeld wird durch die im Innern des Materials stattfindende Ausrichtung leicht verstärkt (Permeabilität μr > 1). Mögliche Stoffe sind Aluminium, Chrom, Magnesium, Mangan, Platin, etc..

Ferromagnetismus = Ein auf den Stoff einwirkendes äusseres Magnetfeld wird durch die Ausrichtung der Elementarmagnete stark verstärkt (Permeabilität μr ≫ 1). Mögliche Stoffe sind Eisen, Nickel, Kobalt und deren Legierungen.

Aufgabe 19

Zwischen zwei Elektroden (typischerweise zwei Halbkugeln) befindet sich ein Isolierstoff. Am Regulier-transformator wird die Spannung langsam erhöht. Der Isolierstoff wird einer steigenden elektrischen Feldstärke ausgesetzt, bis es zu einem Durchschlag kommt.

Der Isolierstoff wird zerstört. Die zum Zeitpunkt des Durchschlages eingestellte und gemessene Spannung nennt man Durchschlagspannung UD. Bei der Durchschlagfestigkeit ED wird die erwähnte Durchschlagspannung lediglich noch auf die Isolierstoffdicke d bezogen (ED = UD / d).

Aufgabe 20

a) Thermoplast
Thermoplast-Kunststoffe werden beim Erwärmen weich und verfestigen sich beim Abkühlen wieder. Sie bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen (Moleküle aus > 1000 Atome).

b) Duroplast
Duroplast-Kunststoffe in ausgehärtetem Zustand lassen sich selbst bei starker Erwärmung nicht mehr erweichen, verformen und schmelzen. Sie sind hart und spröde.

c) Elastomere
Elastomere-Kunststoffe besitzen elastische Eigenschaften. Sie lassen sich leicht verformen. Sobald die mechanische Spannung aufgehoben wird, nehmen sie wieder ihre ursprüngliche Form ein.

Aufgabe 21

a) giftig
b) gesundheitsschädigend
c) ätzend
d) entzündlich
e) brandfördernd
f) explosiv
g) Gas unter Druck
h) wassergefährdend