APLICACIONES ELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS
PEDRO CENDÓN MARTÍN CENTRO ASOCIADO DE CANTABRIA GRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
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1. Índice
2. Objetivos 3. Desarrollo 3.1 Introducción 3.2 Naturaleza 3.3 Propiedades 3.4 Aplicaciones 3.4.1 Aplicaciones magnéticas 3.4.2 Aplicaciones eléctricas 4. Conclusiones 5. Referencias utilizadas
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2. Objetivos ● Introducir los materiales cerámicos. ● Describir cuáles son sus propiedades más características. ● Explicar qué propiedades magnéticas encontramos en los materiales cerámicos. ● Mostrar su importancia dentro del campo de la electrónica y la electricidad. ● Indicar aplicaciones reales en dichos campos. 3. Desarrollo 3.1 Introducción La palabra “cerámica” proviene del término griego “keramos” que significa arcilla de alfarero. “Keramos”, a su vez, se relaciona con un significado de la raíz sánscrita "para quemar". “Ceramus” o “Keramos” también fue una antigua ciudad en la costa norte del mar Egeo, en lo que hoy es Turquía. Cuando se escucha hablar de cerámica, por lo general, nos vienen a la mente cosas cotidianas como pueden ser los azulejos o los jarrones. Pero la ingeniería cerámica juega un papel muy importante en la industria y está presente allá donde miremos. Además de los objetos cotidianos, los materiales cerámicos han permitido, por ejemplo, el desarrollo de los ordenadores, la mejora de la salud de las personas y hacen posibles las telecomunicaciones mundiales.
3.2 Naturaleza Los materiales cerámicos, por lo general, son de naturaleza cristalina (tienen una estructura ordenada) y se forman entre elementos metálicos y no metálicos como el aluminio y el oxígeno (alúmina Al2O3), el calcio y el oxígeno (CaO) o el silicio y el nitrógeno (nitruro de silicio Si3N4). En términos más amplios, los materiales cerámicos 3
también engloban a los vidrios (estructura aleatoria no cristalina o amorfa) como el esmalte (un tipo de recubrimiento vítreo), vitrocerámica (un vidrio que contiene cristales de cerámica) y los materiales de tipo cemento inorgánico (cemento, yeso y cal). Sin embargo, como la tecnología de los materiales cerámicos se ha desarrollado con el tiempo, la definición se ha ido ampliando para incluir una gama mucho más amplia de composiciones.
Estrucura atómica de la alúmina (Al2O3)
3.2 Propiedades Las propiedades de los materiales cerámicos, como todos los materiales, están definidas por los tipos de átomos presentes y los tipos de enlace. El tipo de enlace y la estructura ayuda a determinar qué tipo de propiedades tendrá un material. Los materiales cerámicos, por lo general, tienen enlaces fuertes llamados iónicos (entre un metal y no metal, con la atracción de cargas opuestas) y covalente (entre dos no metales con intercambio de átomos). La fuerza de un enlace iónico depende del 4
tamaño de la carga en cada ion y del radio de cada ion. Cuanto mayor es el número de electrones que se comparten, mayor es la fuerza de atracción o más fuerte es el enlace covalente. Este tipo de enlaces dan como resultado un módulo de elasticidad alto, dureza, un elevado punto de fusión, baja expansión térmica y buena resistencia química. Por otro lado, los materiales cerámicos también suelen ser duros y quebradizos (a menos que el material se endurezca). La amplia variedad de aplicaciones que tienen los materiales cerámicos proviene de sus propiedades únicas. En muchos aspectos, estas propiedades no pueden ser alcanzadas por otros materiales. Entre las muchas propiedades de los productos cerámicos, son de interés para el tema que nos ocupa, el buen aislamiento eléctrico y las propiedades dieléctricas y ferrieléctricas.
3.4 Aplicaciones La lista de aplicaciones y avances que han hecho posible los materiales cerámicos en el último siglo es extensa. Si nos centramos en aquellos que están relacionados con propiedades eléctricas y magnéticas, podemos destacar varias (algunas obsoletas): ● Electrificación: aisladores eléctricos de líneas eléctricas, aisladores para aplicaciones industriales y domésticas y bombillas de vidrio. ● Automóviles: sensores de motores, bujías y otros dispositivos eléctricos. ● Electrónica: circuitos integrados, condensadores, piezoeléctricos, aisladores, imanes y superconductores. ● Radios y televisiones: tubos de vidrio, vidrio de la placa frontal, revestimientos de fósforo, componentes eléctricos e imanes. ● Ordenadores:
componentes
eléctricos,
componentes
magnéticos
de
almacenamiento y el vidrio de los monitores de ordenador. ● Teléfonos: componentes eléctricos y fibras ópticas de vidrio. 5
3.4.1 Aplicaciones magnéticas Lo materiales cerámicos magnéticos son materiales de óxido que presentan un cierto tipo de magnetización permanente llamado ferrimagnetismo. Las cerámicas magnéticas preparadas comercialmente se usan en imanes permanentes, transformadores, telecomunicaciones y aplicaciones de grabación de información. Las cerámicas magnéticas están hechas de ferritas, que son minerales cristalinos compuestos de óxido de hierro en combinación con algún otro metal. Se les da la fórmula química general “M”FexOy, donde M representa a otros elementos metálicos. En el ferrimagnetismo, los espines de los electrones se alinean con el fin de oponerse el uno al otro. La cancelación no completa de los espines opuestos conduce a una polarización neta que, aunque algo más débil que en los materiales ferromagnéticos, puede ser muy fuerte. Tenemos tres clases básicas de ferritas que se convierten en productos cerámicos magnéticos. En función de su estructura cristalina: las espinelas (“M”Fe2O4), las ferritas hexagonales (“M”Fe12O19) y los granates (“M3”Fe5O12). Las ferritas magnéticas duras se utilizan como imanes permanentes y en juntas de estanqueidad de refrigeradores. También se utilizan en micrófonos y altavoces. El mayor mercado de imanes permanentes está en los pequeños motores para aparatos inalámbricos y en aplicaciones para automóviles. Aunque las ferritas de cerámica tienen una magnetización de saturación más pequeña que los metales magnéticos, se pueden hacer mucho más resistentes a las corrientes eléctricas. Una mayor resistividad reduce la aparición de corrientes de Foucault, que son causadas por la rápida fluctuación de campos magnéticos y provocan la pérdida de energía de la señal a favor del calentamiento. Como consecuencia,
las
ferritas
blandas
de
cerámica
se
emplean
en
las
telecomunicaciones y transformadores, especialmente a frecuencias más altas. 6
Imanes cerámicos (ferrita) en diferentes formas
Las primeras memorias no volátiles de los ordenadores consistían en diminutos toroides de ferrita, sus dos estados estables de remanencia fueron capaces de representar a los "1" y “0" de la lógica binaria. Esta aplicación ha sido reemplazada por los dispositivos de memoria de semiconductores. Las ferritas se usan en el almacenamiento de memoria externa en dispositivos tales como los discos duros. Las cintas de ferrita también se han utilizado en la grabación analógica de audio y vídeo. También podemos encontrarlo en otras aplicaciones como: ● Motores de corriente continua sin escobillas. ● Imágenes de resonancia magnética. ● Magnetos utilizados en cortadoras de césped y motores fueraborda. ● Separadores del material ferroso de metales no ferrosos. ● Montajes magnéticos para el levantamiento, recuperación y separación. 3.4.2 Aplicaciones eléctricas En el campo de la industria de la electricidad y la electrónica podemos encontrar numerosas aplicaciones, estas son algunas de las más importantes:
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● Aisladores de alta tensión
● Filtros dieléctricos
● Aislantes para electrónica
● Imanes duros y blandos
● Antenas
● Piezoeléctricos
● Bujías
● Pilas de combustible
● Cables superconductores
● Piroeléctricos
● Cerámica forsterita
● Resistencias
● Circuitos híbridos
● Resonadores
● Circuitos integrados
● Semiconductores
● Componentes de RF
● Sensores
● Condensadores
● Termistores
● Conductores
● Transductores
● Dieléctricos
● Transformadores
● Ferritas y ferromagnéticos
● Varistores
Además de las propiedades físicas conocidas de los materiales cerámicos, la resistividad eléctrica es una de las propiedades más importantes. En general, resisten el flujo de la corriente eléctrica y, por esta razón, los materiales cerámicos tales como la porcelana tradicionalmente se han usado como aisladores eléctricos.
Aisladores eléctricos cerámicos (porcelana)
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Algunos otros, sin embargo, son excelentes conductores de la electricidad. La mayoría de estos conductores son materiales modernos, cuyas propiedades se modifican a través de un control preciso de fabricación. La conductividad eléctrica, como en la mayoría de los materiales, es de dos tipos: electrónica e iónica. La conducción electrónica es el paso de electrones libres a través de un material. En los materiales cerámicos, los enlaces iónicos que mantienen juntos a los átomos, no permiten que los electrones se muevan libremente. Sin embargo, en algunos casos, impurezas de diferente valencia pueden ser incluidas en el material, y estas impurezas pueden actuar como donantes o aceptores de electrones. La conducción iónica consiste en el tránsito de iones (átomos de carga positiva o negativa) de un sitio a otro a través de defectos puntuales llamados vacantes dentro de la red cristalina. A temperatura ambiente, se producen muy pocos saltos de iones, ya que los átomos se encuentran en estados de energía relativamente bajos. A altas temperaturas, sin embargo, las vacantes se movilizan y ciertos materiales cerámicos presentan lo que se conoce como conducción iónica rápida. Este tipo de materiales son especialmente útiles en sensores de gas, pilas de combustible y baterías. Las bujías cerámicas, que son aislantes eléctricas, han tenido un gran impacto en la sociedad. Se inventaron en 1860 para provocar la ignición del combustible en motores de combustión interna y se siguen utilizando para este fin en la actualidad. Las podemos encontrar en automóviles, motores de barcos, cortadoras de césped, etc. De algo tan antiguo como las bujías, hasta algo tan actual como la última generación de antenas de telefonía móvil, que no sería una realidad sin los materiales cerámicos. Se utiliza un diseño en el que las pistas de cobre son depositadas sobre un pequeño cilindro cerámico. En la actualidad, este tipo de antenas se utilizan en aplicaciones como el GPS, permitiendo un ahorro de espacio en equipos portátiles.
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El control por ordenador y otros equipos electrónicos instalados en los vehículos utilizan un gran número de sustratos de cerámica y componentes que son vitales para el funcionamiento de los dispositivos. Además, numerosos motores eléctricos que se utilizan en los coches modernos para el ajuste automático de los asientos o ventanas, emplean imanes cerámicos en muchos casos.
4. Conclusiones Los materiales cerámicos son elementos esenciales en el mundo actual. Tiene muchos usos industriales insustituibles basados en varias de sus propiedades únicas. Destaca el hecho de que la industria electrónica mundial no existiría sin ellos. Una amplia gama de propiedades eléctricas como el aislamiento, semiconduccción, piezoelectricidad y magnetismo, son de vital importancia para productos profundamente arraigados en nuestra sociedad como los teléfonos móviles, ordenadores y otros productos electrónicos de consumo. En la búsqueda de información sobre los materiales cerámicos, sale a relucir que se trata de un campo con una larga lista de propiedades y aplicaciones. También se puede apreciar que se trata de un campo en el que los científicos siguen investigando en nuevos métodos de fabricación, métodos que son responsables de la microestructura y propiedades finales de los materiales.
5. Referencias utilizadas •
http://ceramics.org (American Ceramic Society)
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http://www.britannica.com (Enciclopedia)
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“Introducción al conocimiento de los materiales y a sus aplicaciones” (José Ramón GIL BERCERO, Segundo BARROSO HERRERO, Ana María CAMACHO LÓPEZ).
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