SZILÁRDTEST-FIZIKA ANYAGMÉRNÖK MESTERKÉPZÉS TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR ANYAGTUDOMÁNYI INTÉZET Miskolc, 2008
1. TANTÁRGYLEÍRÁS A tantárgy/kurzus címe A tantárgy/kurzus száma Félév Szilárdtest-fizika Anyagmérnök MS 1 A kurzus típusa Óraszám/hét Kreditek száma ELŐADÁS+gyakorlat 2+1 3 Tárgyjegyző és előadótanár: Dr. Hegman Norbert egy. docens Intézet/Tanszék: Műszaki Anyagtudományi Kar, Anyagtudományi Intézet A kurzus státusza a tanulmányi programon belül: Az MS anyagmérnök természettudományi törzsanyag A kurzus célja: A tantárgy célja a természettudományos szemléletmód erősítése ipari környezetben fizikai jelenségeken alapuló vizsgálatokat, technológiákat végző anyagmérnökök számára. A későbbiekben a hallgatók számos olyan vizsgálati módszerrel és berendezéssel kerülnek kapcsolatba, amelyek bár rutinszerűen használhatóak, de a kapott eredmények alapos értelmezéséhez a háttér fizikai folyamatok ismeretére is szükség van, amiknek a bemutatása a tárgy fő célja. A kurzus leírása: A Szilárdtest-fizika előadások alapján a mérnök hallgatók betekintést kapnak az atomisztikus anyagfelépítésből következő anyagtulajdonságok magyarázatára. Az elemi rendszerek kvantáltságára utaló kísérleti tények alapján rövid kvantummechanikai bevezető után az elektromos vetési mechanizmusok sávszerkezeti magyarázatára kerül sor a vezetők, félvezetők, szupravezetők és szigetelők esetében. Az anyagok termikus tulajdonságainak értelmezéséhez a rácsrezgésekről és a feketetest sugárzásról is szó esik. További fejezetek során a szigetelők dielektromos, a vezetők termoelektromos tulajdonságainak tárgyalására kerül sor. Végezetül a mágnesség és optikai tulajdonságok tárgyköréről hallanak a hallgatók, valamint néhány típusú laser működési elvéről. A tárgy elsajátításának során a mérnök hallgatók ismereteket szereznek a mérnöki gyakorlatban használt anyagparaméterek értelmezésére ennek változtatásának anyagszerkezeti lehetőségeire, valamint egy sor fizikai effektus alapján működő anyagvizsgálati módszer megértésére. A kreditpontok megszerzésének követelményei: 1 db. félévközi zárthelyi sikeres megírása, vizsgajegy megszerzése. Oktatási módszer: Előadások, írásvetítő használatával, kísérleti demonstrációk és számolási gyakorlatok, hallgatói kis előadások Előfeltételek: Matematika szigorlat ekvivalens, Fizika II. ekvivalens a BSc képzésben, Fizikai-Kémia I. Oktatási segédeszközök: C. Kittel Bevezetés a Szilárdtest fizikába, Műszaki K., Budapest, 1981. Simonyi K. Elektronfizika, Tankönyvkiadó, Budapest, 1965. L. Solymar and D. Walsh, Szilárdtestek elektromos Tulajdonságai, Műszaki K, Budapest, 1972. Vizsgáztatási módszer: Szóbeli vizsga Kell-e jelentkezni a kurzusra: Igen, a félév megkezdése előtti héten, számítógépen Értékelés: 25% évközi ZH és 75 % vizsga súllyal
2. Tantárgytematika Tantárgytematika (ÜTEMTERV) 2007/2008 1. FÉLÉV Hét Előadás Gyakorlat (Szeminárium/kísérlet) 1. A kvantumosságra utaló megfigyelések, kísérletek Részecske-hullám dualizmus 2. Hőmérsékleti sugárzás, Planck sugárzási törvény Stefan Boltzmann törv. és alkalmazásai 3. Schrödinger egyenlet, szabad elektron közelítés, periódikus potenciál tér Bloch elektron Balesetvédelem Szemináriumi anyagok megbeszélése Klasszikus és kvantum statisztikák Kvantummechanika alapjai, lineáris oszcillátor Elektron emisszió és anyagai Számolási gyakorlat 4. Sávszerkezet, fémek-szigetelők félvezetők, effektív tömeg, Fermi felület 5. Rácsrezgések, termikus tulajdonságok (fajhő, hővezetőképesség), szórási folyamatok 6. Félvezetők, saját és szennyezéses vezetés, effektív Számolási gyakorlat tömeg, P-N átmenet, tranzisztor 7. Termo-elektromos jelenségek, termopár, Peltier és Hallgatói előadások Zebeck effektus 8. Szupravezetők, elektromos és mágneses jelenségek, I és II fajú szupravezetők, alkalmazások Hallgatói előadások 9. Dielektromos anyagok, szigetelők, Piezo Hallgatói előadások elektromosság, Ferroelektromos anyagok 10. Optikai tulajdonságok, klasszikus elektrongáz, optikai Elektromos transzport átmenetek, excitonok kísérletek 11. Fénykibocsátó anyagok Termo-elektromos kisérletek 12. Dia és paramágnesség, Bohr magneton, Curie törvény, Kísérletek Spin paramágnesség dielektromos 13. Ferromágnesség, molekuláris térelmélet, kicserélődési hatás, dómének, ferrimágneses anyagok 14. Lézerek, inverz populáció, megvalósítások különböző lézer típusokban anyagokkal Z.h. Z.h. kértékelés A tantárgy lezárásának módja: vizsga A gyakorlati jegy megszerzésének módja: a gyakorlatok látogatása 80%-ban, - 1 db zárhelyi elégséges szintű megírása (elégséges szint 50%),
3. Minta zárthelyi Minta ZH feladatsor (A feladatsor megoldására rendelkezésre álló idő 1-110 perc) I. (2-3 mondatos válaszok, vagy ábra) kérdésenként 4 pont 1. Nevezzen meg olyan kísérleti tényeket, amely alapján tudjuk, hogy a mikrorendszerek energiaállapotai diszkrétek? 2. A fényelektromos jelenség magyarázata a fény milyen tulajdonságát mutatta ki? 3. A kristálybeli elekronrendszer miért csak a Fermi nívó környezetében gerjeszthető termikusan vagy kis elektromos terekre? 4. Mit mond ki az Ekvipartíció törvénye, mikor nem igaz (példa)? 5. A Frenkel féle ponthibák megjelenése termikusan stabil folyamat a kristályokban, hogy lehet ez, ha közben növekszik a kristály energiája? 6. Ha egy folyamat lefolyásának E energia gátja van, akkor ez milyen valószínűséggel történik meg T hőmérsékleten termikus gerjesztés hatására? 7. Rajzolja fel a feketetest emissziós spektrumát a hullámhossz függvényében eltérő hőmérsékletek esetében. Milyen jellegzetességek figyelhetőek meg a teljes hullámsávra vett összes intenzitás szerint illetve a maximális intenzitás helyének szempontjából? 8. Mi a sávszerkezeti magyarázata a vezetők, szigetelők és félvezetők elektromos tulajdonságának 9. Milyen a vezetők és félvezetők hőmérséklet-elektromos ellenállás karakterisztikája? Van e eltérés, mivel magyarázható? 10. Milyen mechanizmusok okozzák az elektromos ellenállást? 11. A félvezetők n vagy p típusú szennyezése hogy jelenik meg a sávszerkezetben, milyen tulajdonság változik? 12. Miről ismerhető fel a szupravezető állapot?
II. (számítások, jegyzet használható) 1. Ha egy Frenkel típusú hiba keltés energiája 1 ev (1 ev~k*(10 4 K)) akkor milyen hőmérsékleten lesz a kristályban minden milliomodik rácshelyen Frenkel hiba. (12 pont) 2. Egy levákuumozott üvegpalackba egy 10 cm 2 effektív felületű feketetest hősugárzót építünk be, amit 100 W teljesítménnyel táplálunk. Ha a tartály fala 10 mm vastag, felülete 1 m 2 és 0,1 W/mK hővezető tényezőjű, akkor a termikus egyensúly beállta után milyen hőmérsékletű lesz a fűtőbetét hőmérséklete, és a tartály belső fala? A tartályon kívüli hőmérséklet 17 o C (=290 K). (σ~6*10-8 W m -2 K -4 ) (20 pont) 3. Egy 1x1 m-es 1 cm vastag felhevített fémlemez álló levegőn illetve jól kevert hideg vízben hűtünk. Hasonlítsuk össze hűlési sebességeket az egyes hűtések karakterisztikus időállandóinak a megadásával. Adatok: a fém fajhője c=500 J/(kg K), az álló levegőre a hőátadási tényező h=4 W/(m 2 K) a vízre a h nek megfelelő határfeltételt alkalmazzuk, sűrűség ρ=8*10 3 kg/m 3, hővezetési tényező λ=50 W/(mK). Az anyagparaméterek hőmérsékletfüggésétől eltekintünk, a vizes hűtés esetén a karakterisztikus időt elégséges a Fourier kifejtés alapharmónikusa szerint elvégezni, valamint az éleken történő hőcserét elhanyagolhatónak tekintjük a lapokon történő hőcseréhez képest. (20 pont) Értekelés 0-49% 50-60% 60-70% 70-80% 80-100% elégtelen elégséges közepes jó jeles
4. Vizsgakérdések, vizsgáztatás módja Számonkérés: A vizsga szóbeli. 20 perc felkészülési idő igény szerint adható a hallgatónak. A szóbeli vizsga időtartama 15 perc. A vizsgázó 2 tételt kap egy-egy tételsorból, amit a vizsgáztató külön értékel. A vizsgázónak minden tételből 5 perc áll rendelkezésére az ismereteinek folyamatos beszéddel történő bemutatására. A vizsgázó előadását kézi ábrákkal gazdagíthatja. I. Tételcsoport: 1. A kvantumosságra utaló megfigyelések és kísérletek 2. Hőmérsékleti sugárzás, Planck sugárzási törvény 3. Kvantumstatisztikák (példák), Maxwell Boltzmann átmenet 4. Szabad elektrongáz modell (hullámcsomag) 5. Elektronállapotok a periodikus potenciáltérben, Kronig Penney modell 6. Termikus és hideg-elektronemisszió 7. Rácsrezgések, rácsfajhő 8. Szórási folyamatok (elektromos és hőellenállás), Wiedemann-Franz törvény 9. Termoelektromos effektusok 10. Félvezetők 11. Szupravezetők 12. Szigetelők- Dielektrikumok 13. Optikai folyamatok, az elektrongáz árnyékoló hatása, plazmarezgések 14. Dia-paramágnesség, ferromágnesség (antiferromágneses és ferrimágneses állapot) II. Tételcsoport: 1. Mi az információtartalma a fajhőmérésnek? 2. Termikusan aktivált folyamatok ionos vezetés. 3. Mi a dióda és a tranzisztor működésének a lényege 4. Mi a sávelméleti magyarázata a vezetők, szigetelők, félvezetők és szupravezetők elektromos tulajdonságának? 5. Hogyan működik a termopár? 6. A szupravezető anyagoknak milyen kritikus paraméterei vannak? 7. A félvezetők vezetőképesség-reciprok hőmérséklet görbéiből milyen adatokat lehet kiértékelni? 8. Mit írnak le a diszperziós relációk és mi az információ tartalmuk (2 példával)? 9. Mit jelent, az hogy egy dielektrikum veszteséges? 10. A komplex törésmutató mit mér? 11. Milyen esetben mutathat egy anyag egy adott típusú gerjesztésre hiszterézises viselkedést? 12. Mi az elekrtosztrikció és piezoelektromosság jelensége? 13. Milyen következményei vannak az anharmonikus kristályrács potenciálnak? 14. Mi az effektív tömeg fogalma, mi a jelentősége, hogy lehet mérni? 15. Az elektronok fémből való kilépése hogyan mehet végbe? Irodalom: I: Solymar-Walsh, Szilárdtestek elektromos tulajdonságai, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 1972 II. C. Kittel, Bevezetés a Szilárdtestfizikába, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 1981 III. K. Kreher, Szilárdtestfizika, Tankönyvkiadó, Budapest 1978 IV. Simonyi Károly, Elektronfizika, Tankönyvkiadó, Budapest 1965 VI: Nagy Károly, Kvantummechanika, Tankönyvkiadó, Budapest VII: Marx György, Kvantummechanika, Tankönyvkiadó, Budapest