comportamiento eléctrico de los materiales

7/21/2019 Comportamiento elctrico de los materiales

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PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALESPARA INGENIERIA

CTEDRA:

- METALRGIA Y MATERIALES

*CATEDRTICO:

- Ing. GILVONIOZARATE, Hector

AL!MNO:

- YANCE AM"ROSIO, Noe#$%

- MENDEZ ROMERO, L$&

SEMESTRE:

- III (TERCERO)

INTRODUCCIN

ING.METALRGICA Y DE MATERIALES

COMPORTAMIENTOELCTRICO DE LOSMATERIALES


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Describen el comportamiento elctrico del metal, el cual en muchas ocasiones esms crtico que su comportamiento mecnico. Existe tambin el comportamientodielctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente elctrica, queva ms all de simplemente proporcionar aislamiento.

Los electrones son los portadores de carga en los materiales conductores,semiconductores muchos de los aislantes! en los compuestos i"nicos son losiones quienes transportan la maor parte de la carga.

LEY DE OHM Y CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

LEY DE OHMLa corriente que flue a travs de un conductor es proporcional a la fuer#a


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electromotri# aplicada entre sus extremos, teniendo en cuenta que latemperatura dems condiciones se mantengan constantes.$a que tener en cuenta que no se menciona la resistencia, sino quesimplemente ste es el nombre dado a la %constante de& proporcionalidad

involucrada.

'lgo importante que se obtiene de esta definici"n es

En un circuito pasivo, la corriente es el resultado del voltaje aplicado! Existen efectos trmicos 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 parteelectr"nica. Es fcil pensar en trminos de una ecuaci"n de lneaconsiderando la resistencia como la constante m, la corriente como la variablex, el voltaje como la variable dependiente y. De esta manera se estableceuna relaci"n de proporcionalidad entre el voltaje la corriente.)or supuesto, la Le de (hm puede ser reorgani#ada de tres maneras vlidas equivalentes.

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA.

La conductividad elctrica es la medida de la capacidad de un material que

deja pasar la corriente elctrica, su aptitud para dejar circular libremente lascargas elctricas. La conductividad depende de la estructura at"mica


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molecular del material, los metales son buenos conductores porque tienen unaestructura con muchos electrones con vnculos dbiles esto permite sumovimiento. La conductividad tambin depende de otros factores fsicos delpropio material de la temperatura.

La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto, su unidad es el*+m %siemens por metro& o -/m-. 0sualmente la magnitud de laconductividad %1& es la proporcionalidad entre el campo elctrico la densidadde corriente de conducci"n

Metales2 Los metales son buenos conductores de la electricidad del calorporque tienen espacios sin rellenar en la banda de energa de valencia. %Elnivel de 3ermi marca una ocupaci"n s"lo parcial de la banda&. En ausencia decampos elctricos, la conducci"n elctrica se produce en todas direcciones avelocidades mu elevadas.

Aislante (cermicos ! "ol#meros2 Los materiales no metlicos seconsideran aislantes trmicos por cuanto no contienen electrones libres, los4nicos responsables de la conductividad trmica son los fotones es muchomenor que 5e. El valor de la conductividad trmica est determinado por lasimperfecciones de la red o el desorden estructural. Esto hace que la dispersi"nentre fotones aumente por tanto disminua la conductividad trmica.

Los valores de la conductividad trmica en los materiales cermicos atemperatura ambiente va desde 6 hasta 78 9m-:-.El vidrio otras cermicas amorfas tienen a4n conductividades menores,puesto que la dispersi"n de fotones es mucho ms efectiva cuando la

estructura at"mica es altamente desordenada e irregular.

TEORA DE BANDAS.

En fsica de estado s"lido, teora seg4n la cual se describe la estructuraelectr"nica de un material como una estructura de bandas electr"nicas, osimplemente estructura de bandas de energa. La teora se basa en el hechode que en una molcula los orbitales de un tomo se solapan produciendo unn4mero discreto de orbitales moleculares.Dentro de una banda los niveles de energa son tan numerosos que tienden a

considerarse continuos si se cumplen dos hechos2$. *i la separaci"n entre niveles de energa en un s"lido es comparable con laenerga que los electrones constantemente intercambian en fotones!%.*i dicha energa es comparable con la incertidumbre energtica debido alprincipio de incertidumbre de $eisenberg, para periodos relativamente largosde tiempo.

&ANDA' DE ENER)A2

/ La *an+a +e ,alencia (&V&2 est ocupada por los electrones de valencia de lostomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la 4ltima capa o nivel


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energtico de los tomos. Los electrones de valencia son los que forman losenlaces entre los tomos, pero no intervienen en la conducci"n elctrica.

/ La *an+a +e con+-ccin (&C&2 est ocupada por los electrones libres, es decir,aquellos que se han desligado de sus tomos pueden moverse fcilmente. Estoselectrones son los responsables de conducir la corriente elctrica.

CONTROL DE LA CONDUCTIVIDAD EN LOSMETALES

*e puede modificar altamente la conductividad alterando la movilidad de losportadores. La movilidad es baja si los electrones chocan con imperfecciones dered.

/ 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 energa trmica provoca lavibraci"n de los tomos. En cualquier instante, el tomo puede no estar en suposici"n de equilibrio por ello interact4a con los electrones. Debido a que lamovilidad de los electrones es reducida, la resistividad se incrementa. El cambiode la resistividad con la temperatura puede estimarse con la ecuaci"n2

E/ECTO DE LO' DE/ECTO' DE LA RED

Las imperfecciones reticulares dispersan a los electrones reducen la movilidad la conductividad del metal. )or ejemplo, el incremento en la resistividad debido alos tomos de una soluci"n solida est dado por2

pd< b %-x& x

Donde2

/ pd < incremento en la resistividad por los defectos

/ x < la fabricaci"n at"mica de los tomos

/ b < coeficiente de resistividad por defectos de red

E/RECTO DEL "ROCE'AMIENTO Y ENDURECIMIENTO


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Los mecanismos de endurecimiento las tcnicas de procesamiento de losmetales afectan las propiedades de un metal de modos diferentes. Elendurecimiento por deformaci"n el control del tama=o del grano tiene un menorefecto en la conductividad, puesto que las dislocaciones los lmites de grano

estn ms apartados que los tomos de la soluci"n

LA SUPERCONDUCTIVIDAD

*e denomina superconductividad a la capacidad intrnseca o propiedad de algunoscompuestos que no oponen resistencia alguna al paso de corriente a que loselectrones se despla#an sin colisiones en #ig#ag a travs de los cristales del tomo,es decir materiales con resistencia nula con los cuales se puede ahorrar la energaque se disipa en forma de calor en los otros conductores, debido a la colisi"n de loselectrones entre s con los tomos del material. 'dems de lo anterior tienen otracaracterstica mu importante que consiste en que expulsan de su interior los camposmagnticos mientras estos no sobrepasen un valor lmite.

La resistividad elctrica de un conductor metlico disminue gradualmente a medidaque la temperatura se reduce. La superconductividad ocurre en una gran variedad demateriales, incluendo elementos simples como el esta=o el aluminio,diversas aleaciones metlicas algunos semiconductores fuertemente dopados. )eroen ciertos casos, el oro se clasifica como superconductor! por sus funciones losmecanismos aplicados. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciendebruscamente a cero cuando el material se enfra por debajo de su temperatura crtica.'l igual que el ferromagnetismo las lneas espectrales at"micas, lasuperconductividad es un fen"meno de la mecnica cuntica.>aturalmente el logro de maores temperaturas crticas est ligado al descubrimientode nuevos materiales. *e prev que el impacto que pueda causar en la sociedadmundial ser semejante, sino maor, al que tuvo la utili#aci"n del transistor.

SEMICONDUCTORES INTRNSECOS


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*e dice que un semiconductor es ?intrnseco@ cuando se encuentra en estado puro, o sea,que no contiene ninguna impure#a, ni tomos de otro tipo dentro de su estructura. En esecaso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la

banda prohibida ser igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes enla banda de conducci"n.

;uando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrnseco,algunos de los enlaces covalentes se rompen varios electrones pertenecientes a la bandade valencia se liberan de la atracci"n que ejerce el n4cleo del tomo sobre los mismos. Esoselectrones libres saltan a la banda de conducci"n all funcionan como ?electrones deconducci"n@, pudindose despla#ar libremente de un tomo a otro dentro de la propiaestructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de unacorriente elctrica.

SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS

Los semiconductores extrnsecos se forman a=adiendo peque=as cantidades de

impure#as a los semiconductores puros. El objetivo es modificar su comportamientoelctrico al alterar la densidad de portadores de carga libres. Estas impure#as sellaman dopantes. 's, podemos hablar de semiconductores dopados. En funci"n deltipo de dopante, obtendremos semiconductores dopados tipo p o tipo n.

)ara el silicio, son dopantes de tipo n los elementos de la columna A, tipo p los de laBBB


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APLICACIN DE LOS SEMICONDUCTORES ENLOS DISPOSITIVOS ELECTRICOS

A"LICACIONE' "ARA DIODO' DE UNI0N "1N (I

Dio+os recti2ica+oresDiagrama tensi"n-corriente que ilustra la acci"n rectificadora de un diodo de uni"n p-nal convertir corriente alterna en corriente continua. La corriente de salida no escompletamente corriente continua, pero en su maor parte es positiva. La se=a decorriente continua puede ser modulada utili#ando otros dispositivos electr"nicos.

A"LICACIONE' "ARA DIODO' DE

UNI0N "1N (II


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Dio+os +e a,alanc3a

;urva caracterstica de un diodo de avalancha. *e produce una gran corriente inversaen la regi"n de ruptura %Censi"n disruptiva&.

FABRICACION DE DISPOSITIVOSSEMICONDUCTORES (TRANSITORES)

TRAN'I'TOR DE "UNTA' DE CONTACTO

*obre una pastilla de tipo > %base& se introducen dos alambres de acero fosf"ricocuos tomos se aparecen dentro de la pastilla %emisor, colector.&

TRAN'I'TOR DE ALEACI4N


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*obre material de tipo > %base& se colocan dos bolitas de indio que al calentarse sefunde, al enfriarse crea dos #onas tipo )

TRAN'I'TOR DE &ARRERA 'U"ER/ICIAL

*e ataca una oblea de semiconductor con dos corchos mu delgados de electrolito almismo tiempo que se hace pasar una corriente elctrica que origina una conexi"n porambos lados %base&.ediante depositado electroqumico se obtiene el emisor elcolector.

TRAN'I'TOR ME'A

*obre una pastilla de tipo ) %colector& por difusi"n vapor se deposita una cada tipo >,se difunden despus aceptadores que compensan los donadores %emisor&. Loscontactos 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'TORE"ITA5IAL

' una pastilla %) o >& portadora se la deposita una capa de semiconductor formandouna red epitaxial %colector&. La base el emisor se colocan sobre la capa epitaxial seforman por difusi"n o aleaci"n difusa.

TRAN'I'TOR "LANAR*obre pastilla de tipo > %colector&, se produce una oxidaci"n. Eliminando el "xido porprocedimientos qumicos se abre una ventana se deposita un nuevo material queforma la base. *e repite el procedimiento para formar el emisor se proporcionancontactos a los tres cristales, encapsulando adecuadamente el conjunto


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AISLANTES Y PROPIEDADES DIELECTRICAS.

En un gran n4mero de aplicaciones elctricas electr"nicas se necesita materialesque impidan el paso de corriente elctrica o la aslen2 aislantes cermicos plsticos

%polmeros&.'lta resistencia elctrica mu baja conductividad dielctrica.ap energtico entre las bandas de conducci"n de valencia mu grande.;omportamiento dielctrico.Fajo altos campos o voltajes elctricos, un material dielctrico puede perder sucapacidad para impedir el paso de corriente elctrica entre dos conductores, rupturadielctrica.Espesor del dielctrico mu peque=a, d;ampo o voltaje elctrico aplicado excesivo, A)or tanto, un aislante elctrico debe ser material dielctrico con una resistenciadielctrica alta

DIPOLOS Y POLARIZACION

DI"OLO EL6CTRICO. Aector momento dipolar2

El dipolo elctrico se define como la agrupaci"n de dos cargas puntuales iguales designo opuesto separadas por cierta distancia, generalmente del orden d lasdimensiones at"micas. 0no de los aspectos ms caractersticos de los dipolos

elctricos es que su comportamiento elctrico est determinado fundamentalmente porla magnitud del (E>C( DB)(L'G. El inters por el estudio de los dipoloselctricos tambin reside en que las agrupaciones de las cargas que constituen la


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materia, cuando se encuentran en presencia de un campo elctrico se comportan deforma aproximada a como lo haran los dipolos elctricos, bajo la acci"n de dichocampo. 's el comportamiento dielctrico de los medios materiales se reduce en ungran n4mero de casos al estudio de la interacci"n de un dipolo con otros dipolos

vecinos, o con campos elctricos alternos.

"OLARI7ACI0N

En un material dielctrico, los electrones estn fuertemente ligados a sus respectivosn4cleos at"micos sin poder abandonar sus posiciones de equilibrio.'l aplicar un campo elctrico externo, cada tomo del dielctrico se distorsionalevemente2 su nube electr"nica se despla#a una distancia mu peque=a respecto a suposici"n inicial, igual que su n4cleo de carga positiva lo hace en sentido contrario. El

resultado es un tomo deformado con un polo de carga positivo otro negativo, dipoloelctrico.

Ti8os +e "olari9acin2 Existen tres mecanismos de polari#aci"n2

A. "olari9acin electrnica2 ;onsiste en la concentraci"n de los electrones en el ladodel n4cleo ms cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsi"n delarreglo electr"nico, as el tomo act4a como un dipolo temporal inducido. Esteefecto, que ocurre en todos los materiales es peque=o temporal.

&. "olari9acin inica2 Los enlaces i"nicos tienden a deformarse elsticamentecuando se colocan en un campo elctrico debido a las fuer#as que act4an sobre lostomos a ms de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribue dentro delmaterial microsc"picamente. Los cationes aniones se acercan o se alejandependiendo de la direcci"n de campo causando polari#aci"n llegando a modificarlas dimensiones generales del material.

C. "olari9acin molec-lar:'lgunos materiales contienen dipolos naturales, de modoque cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con l. >o obstante, existenalgunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienenalineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.

PROPIEDADES DIELCTRICAS YCONDENSADORES

0so2 almacn de carga evitando da=os al resto del circuito o para su posteriordistribuci"n atenuaci"n de oscilaciones de la se=al o cambio de su frecuencia.

;apacidad del condensador2/Dielctrico empleado.


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/Dise=o del condensador

.C; (n 1$ A ? +

n2 n4mero de placas

d2 separaci"n

'2 rea

PROPIEDADES DIELCTRICAS Y AISLANTESELCTRICOS

ateriales dielctricos que impiden el paso de corriente elctrica o la aslan2 aislantescermicos plsticos %polmeros&

;aractersticas2

Hapenergtico entre las bandas de valencia conducci"n es mu grande. HGesistividad elctrica alta. HGesistencia dielctrica elevada.


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PIEZOELECTRICIDAD Y ELECTROSTRICCION

/ "ie9oelectrici+a+:La pie#oelectricidad es la deformidad que se produce 4nicamenteen materiales cermicos al incidir sobre ellos una corriente alterna de alta frecuencia,produciendo una dilataci"n contracci"n que origina vibraciones mecnicas,comportndose as el material como un emisor sonoro.

Electrostriccin.-'l aplicar una diferencia de potencial o campo elctrico, el materialse polari#a, sus tomos molculas se distorsionan el material en su conjuntocambia 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 varan enlongitud o de las distorsiones debidas a la orientaci"n de los dipolos permanentes enel material.*e puede decir que es la deformaci"n mecnica de un cuerpo debido a la polari#aci"nelctrica inducida por un campo elctrico aplicado, invariante por inversi"n de ladirecci"n de la intensidad del campo elctrico

FERROELECTRICIDAD

es una propiedad emprica de materiales dielctricos no centro simtricos, que poseenpor lo menos dos estados orientaciones enantiomorfos termodinmicamente estables,que pueden ser intercambiados de uno al otro por influencia de un campo elctricoexternos cua 4nica diferencia es la direcci"n del vector de polari#aci"n. El efectofsico observable es que el material presenta una polari#aci"n incluso despus dehaber retirado el campo elctrico. *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 crearsupercorrientes. Istas son corrientes de electrones que no disipan energa, de maneraque se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de prdida deenerga por generaci"n de calor. Las corrientes crean el intenso campo magntico

necesario para sustentar el efecto eissner.Estas mismas corrientes permitentransmitir energa sin gasto energtico, lo que representa el efecto ms espectacularde este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductoreses finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. )or tanto,existe una corriente crtica a partir de la cual el material deja de ser superconductor comien#a a disipar energa.En los superconductores de tipo BB, la aparici"n de fluxones provoca que, incluso paracorrientes inferiores a la crtica, se detecte una cierta disipaci"n de energa debida alchoque de los v"rtices con los tomos de la red.

COM"ORTAMIENTO ELECTRICO Y CONDUCTIVIDADLas propiedades elctricas de un material describen su comportamiento elctrico queen muchas ocasiones es ms crtico que su comportamiento mecnico- describentambin su comportamiento dielctrico, que es propio de los materiales que impiden elflujo de corriente elctrica no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Loselectrones son aquellos que portan la carga elctrica %por deficiencia o exceso de losmismos& e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor oaislante. En los compuestos i"nicos, sin embargo, son los iones quienes transportan lamaor parte de la carga. 'dicional a esto la facilidad de los portadores %electrones oiones& 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&

comportamiento eléctrico de los materiales

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