Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 9. Hőtani, elektromos és kémiai tulajdonságok

Átírás

1 Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 9. Hőtani, elektromos és kémiai tulajdonságok Kiemelt témák: Elektromosságtan alapfogalmai Szilárdtestek energiasáv modelljei Félvezetők és alkalmazásaik Tankönyv fej.: 19 Házi feladat: 5. fej.: 1, 2, 5, 6, 8, 9, 10, 32, 35 1

2 Hőtani tulajdonságok hőmérséklet hőfelvétel/leadás hőkapacitás (C): Q C T moláris hőkapacitás (c ): C c fajlagos hőkapacitás fajhő (c): c C m Néhány fogászati anyag fajhője: anyag c (J/(kg K)) fogzománc 750 dentin 1260 víz 4190 amalgám 210 arany 126 porcelán 1100 üveg 800 PMMA 1460 cinkfoszfát 500 2

3 hővezetés T 1 T 2 Q t Q rácsrezgések szabad elektronok x > T la x Fourier-törvény l hővezető képesség hővezetési együttható J/(s m 2 K/m) = W/(m K) Stacionárius esetre jó jellemző! Néhány fogászati anyag hővezetési együtthatója: A x anyag l (W/(mK)) fogzománc 0,9 dentin 0,6 víz 0,44 amalgám 23 arany 300 porcelán 1 üveg 0,6-1,4 akrilát 0,2 PMMA 0,2-0,3 cinkfoszfát 1,2 3

4 Nemstacionárius körülmények között: T t T t Néhány fogászati anyag hődiffuzivitása: l D c D hőmérséklet-vezetési együttható (hődiffuzivitás) (m 2 /s) anyag l (W/(mK)) D (10 6 m 2 /s) fogzománc 0,9 0,5 dentin 0,6 0,2 víz 0,44 0,14 amalgám 23 9,6 arany porcelán 1 0,4 üveg 0,6-1,4 0,3-0,7 akrilát 0,2 0,1 PMMA 0,2-0,3 0,12 cinkfoszfát 1,2 0,3 4

5 hőtágulás Lineáris hőtágulás: Néhány fogászati anyag lineáris hőtágulási együtthatója: l l T anyag (10 6 1/K) fogzománc 11,4 dentin 8,3 lineáris hőtágulási együttható (1/K) Térfogati hőtágulás: arany 14,2 aranyötvözetek amalgám 25 porcelán 4-16 V V T akrilát 90 üveg 8 PMMA térfogati hőtágulási együttható (1/K) 3 szilikon gipsz viasz

6 A hőtágulás háttere: 6

7 7

8 A hőtágulás (esetleges) következménye: Különböző hőtágulás feszültségek! 1 2 8

9 Elektromosságtani ismétlés 9

10 Elektromos töltés Töltés: anyaghoz kötött tulajdonsága egy testnek (mint a tömeg). Makroszkopikus testek általában neutrálisak. elektron (hleko) = borostyán Elektron negatív, proton pozitív töltésű. Az elektromos töltés kvantált, legkisebb értéke az elektron (proton) töltése abszolút értékben, az ún. elemi töltés (e). Mértékegysége: 1 C (Coulomb) = 1 A. s e e 19 1,6 10 C Faraday-állandó (1 mól proton össztöltése): F = 1, C /mol= C/mol 10

11 Töltésszétválasztás Az elektromos töltéseket dörzsöléssel válaszhatjuk el egymástól (statikus elektromosság = dörzsölési elektromosság). elektronhiány elektrontöbblet Töltésszétválasztás után kisülés! 11

12 Elektromos kölcsönhatás Elektromos töltéssel rendelkező testek egymásra hatnak: különböző töltés esetén vonzás azonos töltések esetén taszítás vonzó erő F21 F12 + F 12 F 21 F taszító erő F21 F12 Q1 Q2 Q1 Q2 Coulomb-erő: r F k Q Q 1 r 2 2 F + + taszítás r r k = Nm 2 /C 2 vonzás + 12

13 Elektromos tér (mező), erővonalak Ha két test úgy áll kölcsönhatásban egymással, hogy nem érintkeznek, akkor a kölcsönhatásukat úgy képzeljük el, hogy közöttük egy erőtér (mező) jön létre, és az közvetíti az erőhatást. Az erőteret (mezőt) a térerősséggel jellemezzük, és az erővonalak segítségével tesszük szemléletessé. elektromos térerősség, E: erővonalak: E F q N C Iránya megadja a térerősség irányát Sűrűsége megmutatja a térerősség nagyságát + +q F 13

14 Ponttöltés tere: inhomogén tér Dipól és két azonos töltés tere: inhomogén tér Síkkondenzátor belsejében lévő tér: E homogén tér 14

15 Feszültség (= potenciálkülönbség) Tegyük fel, hogy W 1 2 munkavégzés szükséges ahhoz, hogy egy q töltésű próbatestet (próbatöltést) az elektromos mező 1-es pontjából a 2-es pontba vigyünk. W 1 2 / q független a próbatöltés nagyságától, valamint az útvonaltól. Így: Elektromos feszültség az 1-es és und 2-es pontok között: Megjegyzések: W1 q 2 U 21 Mértékegység: Volt [V] 1 J 1 V 1 C ha U 21 > 0 2-es pont pozitívabb, mint az 1-es U 21 = U 12 homogén térben: U 21 = W 1 2 / q = qes / q = Es pl. röntgencsőnél: W = eu = ½ mv 2 U 21 = j 2 j 1 15

16 Elektromos potenciál Jelölje W 0 i azt a munkát, amely ahhoz szükséges, hogy egy q próbatöltést a 0 vonatkoztatási pontból az i pontba vigyünk. W q 0i független a próbatöltéstől és az útvonaltól! Elektromos potenciál: j i W q 0 i Mértékegység: Volt (V) Az elektromos potenciál (j i ) megadja az 1 C nagyságú próbatöltés potenciális energiáját az i pontban, miután az adott elektromos mezőben a vonatkoztatási pontból (0) az i pontba vittük. Vonatkoztatási pontnak sokszor a végtelen távoli pontot választják, ekkor: W ji q i 16

17 Potenciáltér, ekvipotenciális felületek ekvipotenciális = azonos potenciállal rendelkező Az ekvipotenciális vonalak, vagy felületek (szaggatott vonalak) és az erővonalak (folytonos vonalak) egymásra merőlegesen futnak. E Egy ekvipotenciális felületen való mozgásnál nincs munkavégzés!! 17

18 Egy orvosi példa: EKG ekvipotenciális felületek ekvipotenciális felületek erővonalak l. 2. félév 18

19 Elektromos áram Irányított transzport, a töltéshordozók kollektív vándorlása elektromos töltéshordozók = szabadon mozgó, elektromosan töltött részecskék pl. fémekben: elektronok pl. elektrolitoldatokban, vagy gázokban: ionok Elektromos áramerősség (I): I Q t Q: egy vezető keresztmetszetén t idő alatt átvándorló töltésmennyiség Mértékegység: amper (A), 1A = 1C/1s A technikai (konvencionális) áramirány: a pozitív töltéshordozók vándorlási iránya. 19

20 Ohm törvény U Egy vezető két vége közötti feszültség (potenciálkülönbség, U) és a vezetőben folyó áram erőssége (I) arányosak egymással. I U ~ I U = RI GU = I R: elektromos ellenállás (rezisztencia) G: elektromos vezetés (konduktancia) U R I 1 G R mértékegység : ohm ( ) 1Ω mértékegység : siemens (S), 1V 1A 1 1S 1Ω 20

21 Egy vezető ellenállása I I ~ v ~ E = U/l I ~ Q ~ A A l A I ~ U l U I R R ~ l A R l A fajlagos ellenállás (rezisztivitás) SI-mértékegység: m Fajlagos vezetés (vezetőképesség, konduktivitás) (): SI-mértékegység: S/m 1 21

22 Egyéb tulajdonságok elektromos Fajlagos ellenállás (): R A l Fajlagos vezetés, (fajlagos) vezetőképesség (): 1 (m) ((m) 1 = S/m) anyag (S/m) ezüst 6,810 7 arany 4,310 7 platina 0, germánium 2,2 szilícium cirkon porcelán üveg PMMA PE vezetők félvezetők szigetelők Elektromos vezetőképesség tényezői: -- szabad töltéshordozók (elektron, ionok) mennyisége -- mozgékonyságuk 22

23 Elektronszerkezet - energiasávok Sávok feltöltődése: energiaminimum Pauli-elv elektronok száma vezetési sáv Az üres, ill. a részben betöltött sávok közül a legalsó. vegyértéksáv: Azon sávok közül, amelyekben elektron található, a legfelső. 23

24 Tiltott sáv szélessége: pl. NaI (e = 5 ev) pl. Si (e = 1,1 ev) Ge (e = 0,7 ev) 24

25 Tiszta félvezető (intrinsic vezetés) T = 0 K : T = 273 K : elektronok (negatív töltéshordozók) elektromos vezetőképesség konst. e e 2kT defektelektronok, lyukak (virtuális positív töltéshordozók) 25

26 Szennyezett félvezető n-félvezető alapkristály pl. Si 14Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 adalék pl. P 15P: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 elektronvezetés (n-vezetés) 26

27 Szennyezett félvezető alapkristály pl. Si 14Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 p-félvezető adalék pl. B 5B: 1s 2 2s 2 2p 1 lyukvezetés (p-vezetés) 27

28 Szennyezett félvezetők alkalmazása o dióda o fotodióda szabad elektronok szabad lyukak kiürített zóna gerjesztett elektron defektelektron fény p n félvezető (pl. Si) kiürített zóna U záró irány + nyitó irány + fotoáram (fotovezetés) (áramerősség ~ fényintenzitás) U + záró irány fénydetektor 28

29 o Fényemittáló dióda (LED) szabad elektronok dióda szabad lyukak kiürített zóna nyitó irány + U 29

30 kémiai Fémek oxidációja,korróziója M M n ne Elemek galván sora (tengervízben): Pt Au Ti Ag Cu Ni Sn Pb Al Zn inert aktív Galvanikus korrózió: savas közegben: semleges vagy lúgos közegben: O2 4H 4e 2H2O O2 2H2O 4e 4 OH fém (M) közeg fém (M) közeg fém (M) közeg amalgám korróziója Rés korrózió: vizes közeg Pt Zn fém (M) 30

31 Kerámiák kémiai korróziója oldódás H 2 O repedés növekedése ( statikus fáradás ) Polimerek degradációja vízfelvétel duzzadás, oldódás kötőerők gyengülése (alkohol) mechanikai, optikai tulajdonságok változása UV besugárzás ionizáció kovalens kötés felszakadása Következő előadáshoz: 20. és 21. tankönyvi fejezet lánc szakadás, keresztkötés,... 31