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Elektronische, magnetische und optische Werkstoffe

Grundlagen des Bändermodells, Leitfähigkeit von Metallen und Halbleitern, Matthiessensche Regel, Hall-Effekt, Ferromagnetismus und Hysterese, weich- und hartmagnetische Werkstoffe sowie Brechung, Absorption und Emission mit Multiple-Choice-Fragen prüfen.

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Elektronische, magnetische und optische Werkstoffe: das Wichtigste

Die elektrischen Eigenschaften von Stoffen lassen sich über die Bandstruktur verstehen. Metalle leiten gut, weil am Fermi-Niveau lückenlos freie Zustände vorhanden sind, und mit steigender Temperatur nimmt ihr spezifischer Widerstand durch die Streuung an Gitterschwingungen zu. Bei Halbleitern lässt sich die Leitfähigkeit σ = neμ durch Dotierung stark verändern, und im Eigenleitungsbereich sinkt der spezifische Widerstand mit steigender Temperatur. Den spezifischen Widerstand von Metallen zerlegt man nach der Matthiessenschen Regel in einen Anteil der Gitterschwingungen und einen Anteil der Fremdatome.

Ferromagnetika besitzen unterhalb der Curie-Temperatur eine spontane Magnetisierung, und die Form der Hystereseschleife bestimmt ihre Anwendung. Weichmagnetische Werkstoffe mit kleiner Koerzitivfeldstärke werden für die Kerne von Transformatoren und Motoren verwendet, hartmagnetische mit großer Koerzitivfeldstärke für Dauermagnete. Bei den optischen Eigenschaften sind Brechungsindex und Reflexionsgrad, Absorptionskoeffizient sowie der Unterschied zwischen direkten und indirekten Übergängen wichtig.

Alle Fragen zum Thema „Elektronische, magnetische und optische Werkstoffe“ (12)
  1. Welcher Wert kommt dem spezifischen Widerstand von n-leitendem Silizium mit einer Donatorkonzentration von 1,0×10¹⁶ cm⁻³ (Raumtemperatur, alle Donatoren ionisiert) am nächsten? Die Elektronenbeweglichkeit beträgt 1350 cm²/(V·s), die Elementarladung 1,60×10⁻¹⁹ C; der Beitrag der Löcher wird vernachlässigt.
  2. Welche Kombination beschreibt richtig, wie sich der spezifische elektrische Widerstand bei steigender Temperatur ändert? Der Halbleiter befindet sich im Eigenleitungsbereich.
  3. Der durch Gitterschwingungen bedingte spezifische Widerstand von reinem Kupfer beträgt bei 300 K 1,70 µΩ·cm und bei 77 K 0,20 µΩ·cm. Durch Zugabe von Fremdatomen erhält eine Kupferlegierung einen temperaturunabhängigen Restwiderstand von 0,40 µΩ·cm. Welcher Wert kommt dem Verhältnis ρ(300 K)/ρ(77 K) dieser Legierung nach der Matthiessenschen Regel am nächsten?
  4. Magnesium hat zwei Valenzelektronen, und das aus den 3s-Orbitalen gebildete Band ist mit zwei Elektronen pro Atom gerade vollständig besetzt. Welche Aussage erklärt richtig, warum Magnesium trotzdem ein Metall ist?
  5. Welche Aussage darüber, was sich aus einer Messung des Hall-Effekts ermitteln lässt, trifft zu?
  6. Was geschieht mit dem Magnetismus von ferromagnetischem Eisen, wenn es über seine Curie-Temperatur (ca. 770 °C) erhitzt wird?
  7. Welche Aussage über die Eigenschaften eines für Transformatorkerne geeigneten weichmagnetischen Werkstoffs trifft zu?
  8. Die Fläche der Hystereseschleife eines Kernwerkstoffs (Verlust pro Periode) beträgt 50 J/m³. Welcher Wert kommt den Hystereseverlusten am nächsten, wenn ein Kern mit einem Volumen von 0,010 m³ mit 50 Hz Wechselstrom betrieben wird?
  9. An einen entmagnetisierten Ferromagneten wird ein äußeres Magnetfeld angelegt und allmählich verstärkt. Welche Aussage beschreibt richtig, wie die Magnetisierung abläuft?
  10. Licht fällt aus Luft senkrecht auf die Oberfläche eines transparenten Stoffs mit dem Brechungsindex 2,4 (ähnlich wie Diamant). Welcher Wert kommt dem Reflexionsgrad an der Oberfläche am nächsten? Die Absorption wird vernachlässigt.
  11. Ein 1,0 µm dicker Film aus einem Werkstoff mit dem Absorptionskoeffizienten 1,0×10⁴ cm⁻¹ wird beleuchtet. Welcher Wert kommt dem Anteil des Lichts, der den Film durchdringt, am nächsten? Die Reflexion an der Oberfläche wird vernachlässigt, und es gilt I = I₀exp(−αx).
  12. Was ist der Hauptgrund dafür, dass Silizium als lichtemittierendes Material in Leuchtdioden kaum verwendet wird?

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