PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA
ING.METALÚRGICA Y DE MATERIALES
COMPORTAMIENTO ELÈCTRICO DE LOS MATERIALES CÁTEDRA: - METALÙRGIA METALÙRGIA Y MATERIALES MATERIALES *CATEDRÁTICO: - Ing.
GILVONIO GILVONIO
ZARATE, ZARATE, Hector AL!MNO: - YANCE AM"ROSIO, Noe#$% - MENDEZ ROMERO, L$& SEMESTRE: - III (TERCERO)
INTRODUCCIÓN
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica, que va más allá de simplemente proporcionar aislamiento. Los Los elect electron rones es son los los portad portadore oress de carga carga en los los mater material iales es condu conducto ctores res,, semiconductores muchos de los aislantes! en los compuestos i"nicos son los iones quienes transportan la maor parte de la carga.
LEY DE OHM Y CONDUCTIVIDAD ELECTRICA LEY DE OHM La corriente que flue a través de un conductor es proporcional a la fuer#a
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA elec electr trom omot otri ri## apli aplica cada da entr entre e sus sus extre extremo mos, s, teni tenien endo do en cuen cuenta ta que que la temperatura demás condiciones se mantengan constantes. $a $a que que tene tenerr en cuen cuenta ta que que no se menc mencio iona na la resi resist sten enci cia, a, sino sino que que simplemente éste es el nombre dado a la %constante de& proporcionalidad involucrada. 'lgo importante importante que se obtiene obtiene de esta definici"n definici"n es • •
En un circuito pasivo, la corriente es el resultado del voltaje aplicado! Existen efectos térmicos definitivos en la resistencia %o la resistencia efectiva& en los conductores.
La le de (hm es lineal por lo tanto asume su linealidad en la parte electr"nica. Es fácil pensar en términos de una ecuaci"n de línea considerando considerando la resistencia como la constante m, la corriente como la variable x , el voltaje como la variable dependiente y . De esta manera se establece una relaci"n de proporcionalidad entre el voltaje la corriente. )or supuesto, la Le de (hm puede ser reorgani#ada de tres maneras válidas equivalentes.
CONDUCTIVIDAD ELECTRICA. La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad de un material que deja pasar la corriente eléctrica, su aptitud para dejar circular libremente las cargas eléctricas. La conductividad depende de la estructura at"mica
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA molecular del material, los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles esto permite su movimiento. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material de la temperatura. La conductividad es la inversa de la resistividad, resistividad, por tanto, su unidad es el *+m %siemens por metro& o -/m-. 0sualmente la magnitud de la conductividad %1& es la proporcionalidad entre el campo eléctrico la densidad de corriente de conducci"n • Metales2 Metales2 Los metales son buenos conductores de la electricidad del calor porque tienen espacios sin rellenar en la banda de energía de valencia. %El nivel de 3ermi marca una ocupaci"n s"lo parcial de la banda&. En ausencia de campos eléctricos, la conducci"n eléctrica se produce en todas direcciones a velocidades velocidades mu elevadas. • Aislante (cerámicos ! "ol#meros2 "ol#meros2 Los materiales no metálicos se consideran aislantes térmicos por cuanto no contienen electrones libres, los 4nicos responsables responsables de la conductividad conductividad térmica son los fotones es mucho menor que 5e. El valor de la conductividad térmica está determinado por las imperfecciones imperfecciones de la red o el desorden estructural. estructural. Esto hace que la dispersi"n entre fotones aumente por tanto disminua la conductividad térmica. Los valores de la conductividad térmica en los materiales cerámicos a temperatura ambiente va desde 6 hasta 78 9m-:-. El vidrio otras cerámicas amorfas tienen a4n conductividades conductividades menores, puesto que la dispersi"n de fotones es mucho más efectiva cuando la estructura at"mica es altamente desordenada e irregular. irregular.
TEORÍA DE BANDAS. En física de estado s"lido, teoría seg4n la cual se describe la estructura electr"nica de un material como una estructura de bandas electr"nicas, electr"nicas, o simplemente estructura de bandas de energía. La teoría se basa en el hecho de que en una molécula los orbitales de un átomo se solapan produciendo produciendo un n4mero discreto de orbitales moleculares. Dentro de una banda los niveles de energía son tan numerosos que tienden a considerarse continuos continuos si se cumplen dos hechos2 $. *i la separaci"n entre niveles de energía en un s"lido es comparable con la energía que los electrones constantemente constantemente intercambian en fotones! %. %. *i *i dicha energía es comparable con la incertidumbre energética debido al principio de incertidumbre de $eisenberg, para periodos relativamente largos de tiempo. &ANDA' DE ENER)A2 ENER)A2 / La *an+a +e ,alencia (&V&2 (&V&2 está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la 4ltima capa o nivel
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA energético de los átomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conducci"n eléctrica. / La *an+a +e con+-ccin (&C&2 (&C&2 está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica.
CONTROL DE LA CONDUCTIVIDAD EN LOS METALES *e puede modificar altamente la conductividad conductividad alterando la movilidad de los portadores. La movilidad es baja si los electrones chocan con imperfecciones imperfecciones de red. / Efecto de la temperatura / Efecto de los defectos de la red / Efecto del procesamiento endurecimiento E/ECTO DE LA TEM"ERATURA ;uando se eleva la temperatura de un metal, la energía térmica provoca la vibraci"n de los átomos. En cualquier instante, el átomo puede no estar en su posici"n de equilibrio por ello interact4a con los electrones. Debido a que la movilidad de los electrones es reducida, la resistividad se incrementa. El cambio de la resistividad con la temperatura puede estimarse con la ecuaci"n2 E/ECTO DE LO' DE/ECTO' DE LA RED Las imperfecciones reticulares reticulares dispersan a los electrones reducen la movilidad la conductividad del metal. )or ejemplo, el incremento en la resistividad debido a los átomos de una soluci"n solida está dado por2 pd< b %-x& x Donde2 / pd < incremento en la resistividad por los defectos / x < la fabricaci"n at"mica de los átomos / b < coeficiente de resistividad por defectos de red E/RECTO DEL "ROCE'AMIENTO Y ENDURECIMIENTO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA Los mecanismos de endurecimiento las técnicas de procesamiento de los metales afectan las propiedades de un metal de modos diferentes. El endurecimiento endurecimiento por deformaci"n el control del tama=o del grano tiene un menor efecto en la conductividad, puesto que las dislocaciones los límites de grano están más apartados que los átomos de la soluci"n
LA SUPERCONDUCTIVIDAD *e denomina superconductividad a la capacidad intrínseca o propiedad de algunos compuestos que no oponen resistencia alguna al paso de corriente a que los electrones se despla#an sin colisiones en #ig#ag a través de los cristales del átomo, es decir materiales con resistencia nula con los cuales se puede ahorrar la energía que se disipa en forma de calor en los otros conductores, debido a la colisi"n de los electrones entre sí con los átomos del material. 'demás de lo anterior tienen otra característica mu importante que consiste en que expulsan de su interior los campos magnéticos mientras estos no sobrepasen un valor límite. La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminue gradualmente a medida que la temperatura se reduce. La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluendo incluendo elementos simples como el esta=o el aluminio, diversas aleaciones metálicas algunos semiconductores fuertemente dopados. )ero en ciertos casos, el oro se clasifica como superconductor! por sus funciones los mecanismos aplicados. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. 'l igual que el el ferromagnetismo ferromagnetismo las líneas espectrales espectrales at"micas, at"micas, la superconductividad superconductividad es un fen"meno de la mecánica cuántica. >aturalmente el logro de maores temperaturas críticas está ligado al descubrimiento de nuevos materiales. *e prevé que el impacto que pueda causar en la sociedad mundial será semejante, sino maor, al que tuvo la utili#aci"n del transistor.
SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA *e dice que un semiconductor es ?intrínseco@ cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impure#a, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducci"n. ;uando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen varios electrones pertenecientes pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracci"n que ejerce el n4cleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducci"n allí funcionan como ?electrones de conducci"n@, conducci"n@, pudiéndose despla#ar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS Los semiconductores extrínsecos se forman a=adiendo a=adiendo peque=as cantidades de impure#as a los semiconductores puros. El objetivo es modificar su comportamiento comportamiento eléctrico al alterar la densidad de portadores de carga libres. Estas impure#as se llaman dopantes. 'sí, podemos hablar de semiconductores dopados. En funci"n del tipo de dopante, obtendremos semiconductores dopados dopados tipo p o tipo n. )ara el silicio, son dopantes de tipo n los elementos de la columna A, tipo p los de la BBB
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APLICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES EN LOS DISPOSITIVOS ELECTRICOS A"LICACIONE' "ARA DIODO' DIODO' DE UNI0N "1N (I Dio+os recti2ica+ores Diagrama tensi"n-corriente tensi"n-corriente que ilustra la acci"n rectificadora de un diodo de uni"n p-n al convertir corriente alterna en corriente continua. La corriente de salida no es completamente completamente corriente continua, pero en su maor parte es positiva. La se=a de corriente continua puede ser modulada utili#ando otros dispositivos electr"nicos.
A"LICACIONE' "ARA DIODO' DE UNI0N "1N (II
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA Dio+os +e a,alanc3a ;urva característica de un diodo de avalancha. *e produce una gran corriente inversa en la regi"n de ruptura %Censi"n disruptiva&.
FABRICACION DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES (TRANSITORES) TRAN'I'TOR DE "UNTA' DE CONTACTO *obre una pastilla de tipo > %base& se introducen dos alambres de acero fosf"rico cuos átomos se aparecen dentro de la pastilla %emisor, colector.&
TRAN'I'TOR DE ALEACI4N
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA *obre material de tipo > %base& se colocan dos bolitas de indio que al calentarse se funde, al enfriarse crea dos #onas tipo )
TRAN'I'TOR DE &ARRERA 'U"ER/ICIAL *e ataca una oblea de semiconductor semiconductor con dos corchos mu delgados de electrolito al mismo tiempo que se hace pasar una corriente eléctrica que origina una conexi"n por ambos lados %base&.ediante depositado electroquímico electroquímico se obtiene el emisor el colector.
TRAN'I'TOR ME'A *obre una pastilla de tipo ) %colector& por difusi"n vapor se deposita una cada tipo >, se difunden después aceptadores que compensan los donadores %emisor&. Los contactos de base emisor se pueden utili#ar el sistema de evaporar depositar en forma de iras un material adecuado.
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TRAN'I'TOR E"ITA5IAL ' una una pastilla %) o >& portadora se se la deposita una una capa de semiconductor semiconductor formando formando una red epitaxial %colector&. La base el emisor se colocan sobre la capa epitaxial se forman por difusi"n o aleaci"n difusa.
TRAN'I'TOR "LANAR *obre pastilla de tipo > %colector&, se produce una oxidaci"n. Eliminando el "xido por procedimientos procedimientos químicos se abre una ventana se deposita un nuevo material que forma la base. *e repite el procedimiento para formar el emisor se proporcionan contactos a los tres cristales, encapsulando adecuadamente el conjunto
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AISLANTES Y PROPIEDADES DIELECTRICAS. En un gran n4mero de aplicaciones eléctricas eléctricas electr"nicas se necesita materiales que impidan el paso de corriente eléctrica o la aíslen2 aislantes cerámicos plásticos %polímeros&. 'lta resistencia eléctrica mu baja baja conductividad conductividad dieléctrica. dieléctrica. ap energético entre las bandas de conducci"n de valencia mu grande. ;omportamiento ;omportamiento dieléctrico. Fajo altos campos o voltajes eléctricos, un material dieléctrico puede perder su capacidad para impedir el paso de corriente eléctrica entre dos conductores, ruptura dieléctrica. Espesor del dieléctrico mu peque=a, d ;ampo o voltaje eléctrico aplicado excesivo, A )or tanto, un aislante eléctrico debe ser material dieléctrico con una resistencia dieléctrica alta
DIPOLOS Y POLARIZACION
DI"OLO EL6CTRICO. Aector momento dipolar2
El dipolo eléctrico se define como la agrupaci"n de dos cargas puntuales iguales de signo opuesto separadas por cierta distancia, generalmente del orden d las dimensiones dimensiones at"micas. 0no de los aspectos más característicos de los dipolos eléctricos es que su comportamiento eléctrico está determinado fundamentalmente por la magnitud del (E>C( DB)(L'G. El interés por el estudio de los dipolos eléctricos también reside en que las agrupaciones de las cargas que constituen la
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA materia, cuando se encuentran en presencia de un campo eléctrico se comportan de forma aproximada a como lo harían los dipolos eléctricos, bajo la acci"n de dicho campo. 'sí el comportamiento dieléctrico dieléctrico de los medios materiales se reduce en un gran n4mero de casos al estudio de la interacci"n de un dipolo con otros dipolos vecinos, o con campos eléctricos alternos.
"OLARI7ACI0N
En un material dieléctrico, los electrones están fuertemente ligados a sus respectivos n4cleos at"micos sin poder abandonar sus posiciones posiciones de equilibrio. 'l aplicar un campo campo eléctrico externo, externo, cada átomo átomo del dieléctrico dieléctrico se distorsiona distorsiona levemente2 su nube electr"nica se despla#a una distancia mu peque=a respecto a su posici"n inicial, igual que su n4cleo de carga positiva lo hace en sentido contrario. El resultado es un átomo deformado con un polo de carga positivo otro negativo, dipolo eléctrico. Ti8os +e "olari9acin2 "olari9acin2 Existen tres mecanismos de polari#aci"n2 A. "olari9acin electrnica2 electrnica2 ;onsiste en la concentraci"n de los electrones en el lado del n4cleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsi"n del arreglo electr"nico, electr"nico, así el átomo act4a como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en t odos los materiales es peque=o temporal. &. "olari9acin inica2 inica2 Los enlaces i"nicos tienden a deformarse elásticamente elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuer#as que act4an sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribue redistribue dentro del material microsc"picamente. microsc"picamente. Los cationes aniones se acercan o se alejan dependiendo dependiendo de la direcci"n de campo causando polari#aci"n llegando a modificar las dimensiones generales del material. C. "olari9acin molec-lar: 'lgunos molec-lar: 'lgunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. >o obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS Y CONDENSADORES 0so2 almacén de carga evitando da=os al resto del circuito o para su posterior distribuci"n atenuaci"n de oscilaciones de la se=al o cambio de su frecuencia.
;apacidad del condensador2
/Dieléctrico empleado.
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA IN GENIERIA /Dise=o del condensador .C; <=>(n 1$ A ? + n2 n4mero de placas d2 separaci"n '2 área
PROPIEDADES DIELÉCTRICAS Y AISLANTES ELÉCTRICOS ateriales dieléctricos dieléctricos que impiden el paso de corriente eléctrica o la aíslan2 aislantes cerámicos plásticos %polímeros& ;aracterísticas2
Hapenergético Hapenergético entre las bandas de valencia conducci"n es mu grande. HGesistividad HGesistividad eléctrica alta. HGesistencia HGesistencia dieléctrica elevada. <; V ? + H;onstante dieléctrica peque=a. H)uede descargarse por arco eléctrico o a través de poros interconectados. H;onducci"n H;onducci"n interna con impure#as donadoras donadoras o aceptoras.
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PIEZOELECTRICIDAD Y ELECTROSTRICCION / "ie9oelectrici+a+: La "ie9oelectrici+a+: La pie#oelectricidad es la deformidad que se produce 4nicamente en materiales cerámicos al incidir sobre ellos una corriente alterna de alta frecuencia, produciendo una dilataci"n contracci"n que origina vibraciones mecánicas, comportándose así el material como un emisor sonoro. Electrostriccin.-'l Electrostriccin.-'l aplicar una diferencia de potencial o campo eléctrico, el material se polari#a, sus átomos moléculas se distorsionan el material en su conjunto cambia de tama=o lo que da ra#"n a una deformaci"n en el material. Esto puede ocurrir como resultado de los enlaces entre los iones que varían en longitud o de las distorsiones debidas a la orientaci"n de los dipolos permanentes en el material. *e puede decir que es la deformaci"n mecánica de un cuerpo debido a la polari#aci"n eléctrica inducida por un campo eléctrico aplicado, invariante por inversi"n de la direcci"n de la intensidad del campo eléctrico
FERROELECTRICIDAD es una propiedad empírica de materiales dieléctricos no centro simétricos, que poseen por lo menos dos estados orientaciones enantiomorfos termodinámicamente termodinámicamente estables, que pueden ser intercambiados de uno al otro por influencia de un campo eléctrico externos cua 4nica diferencia es la direcci"n del vector de polari#aci"n. El efecto físico observable es que el material presenta una polari#aci"n polari#aci"n incluso después de haber retirado el campo eléctrico. *e puede explicar en funci"n de una alimentaci"n residual de dipolos permanentes. 0n ejemplo es el titanato de bario
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RES!MEN La aparici"n del supermagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. supercorrientes. Istas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generaci"n de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto eissner.Estas eissner.Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. )or t anto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor comien#a a disipar energía. En los superconductores de tipo BB, la aparici"n de fluxones provoca que, incluso para corrientes inferiores a la crítica, se detecte una cierta disipaci"n de energía debida al choque de los v"rtices con los átomos de la red. COM"ORTAMIENTO COM"ORTAMIENTO ELECTRICO Y CONDUCTIVIDAD Las propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico que en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico- describen también su comportamiento dieléctrico, dieléctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica no solo aquellos que proporcionan aislamiento. aislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga eléctrica %por deficiencia o exceso de los mismos& e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante. En los compuestos i"nicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la maor parte de la carga. 'dicional a esto la facilidad de los portadores %electrones o iones& depende de los enlaces at"micos, las dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su micro-estructura, de las velocidades de difusi"n %compuestos i"nicos&
