Propiedades eléctrica, Resúmenes de Electromagnetismo

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PROPIEDADES ELECTRICAS

DE LOS MATERIALES

ING. ISMAEL AVILES CHAGOLLA

COMPORTAMIENTO ELECTRICO

En algunas aplicaciones, el comportamiento eléctrico del material es mas critico

que el comportamiento mecánico.

Por ejemplo:  (^) Un alambre metálico conductor corriente eléctrica a distancia, debe tener conductividad alta, para evitar pérdida de energía por calentamiento.  (^) Los aislantes cerámicos, deben impedir arcos eléctricos entre los conductores.  (^) Los semiconductores, de las celdas solares deben ser tan eficientes como sea posible, al ser usados como una fuente alternativa de energía. La selección y uso de materiales en aplicaciones eléctricas y electrónicas se basa en el entendimiento de cómo se producen y controlan las propiedades como:  (^) CONDUCTIVIDAD ELECTRICA.  (^) COMPORTAMIENTO DIELECTRICO. (aislante, mala conducción)

MECANISMOS DE CONDUCTIVIDAD EN UN SOLIDO

En los sólidos existen tres mecanismos de conductividad eléctrica que son:

 a).- Por el movimiento de los Iones. (carga = n x 1.6x10 -19^ cul, n = valencia)

 b).- Por el movimiento de los Huecos Electrónicos. (carga 1.6x10 -19^ cul)

 c).- Por el movimiento de los Electrones. (carga = 1.6x10 -19^ cul)

A la ausencia de electrónes se denomina: Hueco electrónico , se considera una

carga positiva, pero en realidad es la carencia de una carga negativa.

Los conductores Iónicos, se basan en el movimiento de Iones y en ocasiones al

movimiento de electrones o huecos, en substancias Iónicamente Enlazadas.

Esta posibilidad de conducción es muy reducida, sin embargo crece al aumentar la

temperatura del solido donde los iones adquieren una mayor movilidad. En

sólidos Iónicos fundidos, los iones están en libertad, sin embargo son tantos los

iones , que su movimiento es lento y la conductividad NO es muy grande.

MECANISMO DE CONDUCTIVIDAD EN UN SOLIDO

En los sólidos con Enlace Covalente , el mecanismo de conducción es el movimiento de los Huecos o E lectrones. Normalmente, éstos sólidos no tienen electrones o huecos libres por tanto, no tienen la posibilidad de conducir electricidad. Sin embargo si son excitados por un fuerte campo eléctrico o gran bombardeo de partículas de energía, se crean, pares Electrón - Hueco , y su movimiento permite la conducción de electricidad. En los Sólidos Metálicos , los electrones de valencia de alta energía (los mas alejados del núcleo), son los electrones de conducción. Estos electrones no están unidos a átomos específicos, tienen la facilidad de emigrar a través del sólido, formando un gas o nube de electrones, facilitando ampliamente la conducción eléctrica. Al excitarse los electrones cambian de un nivel de energía bajo (cerca del núcleo) a uno superior (lejos del núcleo), y luego vuelven a ocupar niveles bajos liberando estallidos o CUANTOS de radiación electromagnética de acuerdo con: E = hv E = Energía por cuanto en ergs. h = La constante de Plank, 6.62 x 10 -27^ en erg/seg. v = La frecuencia en seg. -1.

En los metales los átomos están ordenados en una estructura cristalina ( FCC, BCC, HCP ) y están unidos a otros átomos por enlace metálico , que hace posible el libre movimiento de electrones de valencia , siendo compartidos por muchos átomos sin llegar a estar unidos a ningún átomo en particular. Algunas veces formando una nube electrónica y otras como electrones libres no asociados a ningún átomo en particular.

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA EN METALES

Al conectar una batería a los extremos de un hilo de cobre y aplicarle una diferencia de potencial V, fluirá una corriente de intensidad I proporcional a la resistencia R del hilo metálico. Según la ley de ohm , el flujo de corriente I es directamente proporcional al voltaje V aplicado e inversamente proporcional a la Resistencia R del hilo metálico. I = Intensidad de corriente A (amperios) V = Diferencia de potencial V (voltios) R = Resistencia del hilo Ώ (ohmios)

I  V / R

Diferencia de potencial ΔVV en una muestra de hilo metálico de área de sección transversal A

EFECTO DE LA TEMPERATURA E IMPUREZAS (en cobre) EN LA CONDUCTIVIDAD

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA EN METALES

Unidad de conductividad eléctrica: (ohmio-metro)

- (Ω)*m)m) -

POTENCIA ELECTRICA

Tomando como referencia las ecuaciónes:

o ρ = RA/L

En terminos de ingenieria eléctrica, la potencia eléctrica ( P ), se relaciona con la

resistencia de un conductor por: La ley de Joule del calor :

P = V^2 /R

De la ecuación inicial; V = IR se puede expresar la potencia como sigue:

P = (ohmio-cm)IR)^2 / R

O simplemente:

P = I^2 R

En la tabla 10-1 (fotocopia) se relacionan los valores de la resistividad electrica con

la temperatura ambiente de varios materiales tecnologicos importantes.

I  V / R

La conductividad eléctrica en un material, se controla por el número, o por la movilidad, o facilidad de movimiento, de los portadores de carga. Los electrones son los portadores de carga en los conductores, los semiconductores y los aislantes, mientras que los iones llevan la carga en los compuestos iónicos. La movilidad depende del enlace atómico, de las imperfecciones de red, la micro-estructura y en los compuestos iónicos de las velocidades de difusión.

EFECTO DE LA TEMPERATURA

En la figura siguiente se muestra la relación entre ρ y la temperatura de varios materiales,

resaltando, porque desde el punto de vista de la resistividad se usa el cobre y el aluminio como conductores y el nicromo como elemento de calefacción. Ademas, el cambio de ρ al aumentar la temperatura es pequeño comparado con los aceros

EFECTO DE LA TEMPERATURA

EFECTO DE LA COMPOSICIÓN QUIMICA

EFECTO DE LA COMPOSICIÓN QUIMICA