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2014 | Buch

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Funktionswerkstoffe

Physikalische Grundlagen und Prinzipien

verfasst von: Martin Bäker

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Als Funktionswerkstoffe werden alle Materialien bezeichnet, die nicht als Konstruktionswerkstoffe auf Grund ihres mechanischen Verhaltens, sondern wegen anderer Eigenschaften eingesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise elektrische Leiter, Halbleiter und Supraleiter, aber auch als Aktoren oder Sensoren eingesetzte Werkstoffe wie Formgedächtnislegierungen oder piezoelektrische Materialien. Der Schwerpunkt dieses Lehrbuchs liegt auf den Grundlagen und Funktionsprinzipien und nicht auf der Beschreibung bestimmer Funktionswerkstoffe oder Bauteile. Jedes Kapitel behandelt eine Werkstoffgruppe und vermittelt die zum Verständnis notwendigen physikalischen Kenntnisse. Mehr als 40 Aufgaben mit vollständiger Lösung fördern das Verständnis.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Flüssigkristalle

Zusammenfassung

Flüssigkristalle vereinen die mechanischen Eigenschaften von Flüssigkeiten mit den optischen Eigenschaften von Festkörpern. Die Moleküle eines Flüssigkristalls sind zwar – wie in einer Flüssigkeit – frei beweglich, besitzen jedoch eine Vorzugsorientierung. Die orientierten Moleküle können mit Lichtwellen in Wechselwirkung treten, so dass sich die Lichtdurchlässigkeit eines Flüssigkristalls steuern lässt. Dadurch eignen sich Flüssigkristalle zum Einsatz von Anzeigegeräten.

Martin Bäker

2. Formgedächtnislegierungen

Zusammenfassung

Formgedächtnislegierungen gehören zur Klasse der so genannten smart materials. Darunter versteht man Werkstoffe, die auf ein Signal hin eine aktive Reaktion zeigen. Formgedächtnislegierungen verformen sich bei Temperaturerhöhung, weil sich die Kristallstruktur des Materials ändert. Dabei können große Verformungen erreicht werden, die diese Werkstoffe für viele Anwendungen attraktiv machen.

Martin Bäker

3. Piezoelektrika

Zusammenfassung

Ähnlich wie Formgedächtnislegierungen zählen auch die Piezoelektrika zu den smart materials. Sie ändern ihre Form allerdings nicht bei einer Temperaturänderung, sondern bei Anlegen elektrischer Felder. Umgekehrt können sie auch elektrische Felder erzeugen, wenn sie verformt werden. Dadurch eignen sie sich für den Bau sowohl von Sensoren als auch von Aktoren. Diese besondere Eigenschaft verdanken die Piezoelektrika ihrer Kristallstruktur, bei der elektrische Ladungen geeignet angeordnet sind.

Martin Bäker

4. Optische Werkstoffe (Gläser)

Zusammenfassung

Gläser besitzen eine Vielzahl von Anwendungen – von so offensichtlichen Gebrauchsgegenständen des täglichen Lebens wie Fenstern oder Brillen hin zu komplizierten optischen Systemen in Teleskopen, Mikroskopen oder Kameras. Der entscheidende Anwendungsaspekt ist dabei natürlich die Durchsichtigkeit und die damit verbundene Brechkraft des Glases, also die Fähigkeit des Glases, unter einem Winkel auftreffende Lichtstrahlen abzulenken. Auch andere durchsichtige Werkstoffe, beispielsweise Polymere wie Polymethylmethacrylat (PMMA, »Plexiglas«), werden in der Optik häufig eingesetzt. In diesem Kapitel wollen wir uns mit der Frage beschäftigen, warum einige Materialien eigentlich durchsichtig sind und andere nicht, und wie sich Licht in durchsichtigen Medien ausbreitet.

Martin Bäker

5. Farbstoffe

Zusammenfassung

Außer nachts, wenn alle Katzen grau sind, ist unsere optische Wahrnehmung durch Farben gekennzeichnet. Wir verwenden Farben zum Schmuck, zur Kenntlichmachung und Markierung, aber auch beispielsweise beim aus der Chemie bekannten Lackmustest, zur Detektion. Stoffe erscheinen farbig, wenn sie Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren. Damit dies möglich ist, müssen Farbstoffe geeignete Energieniveaus besitzen. Wie diese Niveaus in unterschiedlichen Systemen zu Stande kommen, ist Gegenstand dieses Kapitels.

Martin Bäker

6. Elektrische Leiter

Zusammenfassung

Unsere moderne Technik beruht zu einem großen Teil auf der Fähigkeit, elektrischen Strom nahezu perfekt manipulieren zu können. Dies ist nur deshalb möglich, da elektrischer Strom leicht und ohne große Verluste transportiert werden kann. Metalle sind hervorragende elektrische Leiter, da sich Elektronen in ihnen mit nur geringem Widerstand nahezu frei bewegen können. Wie genau der Widerstand von Metallen zu Stande kommt, erweist sich bei genauer Betrachtung allerdings als erstaunlich komplex.

Martin Bäker

7. Halbleiter

Zusammenfassung

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit sich in weiten Bereichen steuern lässt. Anders als bei Metallen, die immer gute elektrische Leiter sind, können Halbleiterstrukturen so gebaut werden, dass sie auf einen elektrischen Impuls hin ihre Leitfähigkeit stark ändern. Darüber hinaus besitzen Halbleiter auch interessante optische Eigenschaften und können als Lichtsensoren oder auch als Lichtquellen eingesetzt werden. Woher Halbleiter diese Eigenschaften beziehen, ist Thema dieses Kapitels.

Martin Bäker

8. Materialien für Lichtquellen

Zusammenfassung

Lichtquellen haben eine Vielzahl von Funktionen: Zunächst dienen sie natürlich dem Sehen bei Dunkelheit, doch sie können auch für Anzeigegeräte (beispielsweise Monitore) verwendet werden, zur Signalübermittlung (etwa in Glasfaserkabeln), zum Schreiben von Signalen (in einem cd-Rekorder) oder zum Schneiden oder Schweißen. Um Licht einer bestimmten Wellenlänge erzeugen zu können, muss ein System von einem Zustand mit hoher in einen Zustand mit niedrigerer Energie übergehen können, wobei Licht ausgesendet wird. Das System kann den Zustand hoher Energie dabei auf unterschiedliche Weisen erreichen, beispielsweise durch Wärmezufuhr, durch atomare Stoßprozesse oder durch angelegte elektrische Felder. Entsprechend gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Lichtquellen.

Martin Bäker

9. Supraleiter

Zusammenfassung

Bei vielen Metallen beobachtet man etwas Erstaunliches, wenn man sie auf sehr niedrige Temperaturen abkühlt: Ihr elektrischer Widerstand nimmt schlagartig ab und ist praktisch nicht mehr messbar, so dass sie sich wie perfekte elektrische Leiter verhalten. Wie es möglich ist, dass sich Elektronen in manchen Materialien bei niedrigen Temperaturen vollkommen ungestört bewegen können, wird in diesem Kapitel untersucht.

Martin Bäker

10. Magnetische Werkstoffe

Zusammenfassung

Magnetische Felder sind die Grundlage vieler technischer Anwendungen, beispielsweise der Datenspeicherung in Festplatten. Entsprechend ist es technisch von großer Bedeutung, das Verhalten von Werkstoffen in Magnetfeldern zu verstehen. Einige Materialien schwächen äußere Magnetfelder ab, andere verstärken sie, wieder andere sind in der Lage, Magnetfelder spontan zu erzeugen. Die stark unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften der Materie beruhen auf dem Verhalten der Elektronen und ihren Bindungen und Wechselwirkungen.

Martin Bäker

11. Lösungen zu den Übungsaufgaben

Martin Bäker

Backmatter

Titel: Funktionswerkstoffe
verfasst von: Martin Bäker
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-02970-8
Print ISBN: 978-3-658-02969-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-02970-8

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