Comportamiento Óptico Magnético y Dieléctrico.

Cerámicos

I.I. Erick Uriel Morales Cruz

Maestría en Ciencias de los Materiales

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Propiedades Dielectricas

• Los materiales cerámicos sonespecialmente conocidoscomo buenos aislantes. Esosignifica que estos materialesno conducen corrienteeléctrica cuando un campoeléctrico es aplicado.

• Esto no significa que loscerámicos son insensibles alcampo eléctrico.

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Polarización

• El fenómeno en el que un polodieléctrico es formado, se conocecomo POLARIZACION.

• Existen 4 tipos de polarización:

1.-Polarizacion electrónica

2.-Polarizacion Orientada

3.-Polarizacion por CargasEspaciadas

4.-Polarizacion Iónica/Atómica

La Polarización Electrónica ocurre cuando

una superficie de átomos deforman un poco

la geometría de los mismos por la ley de

atracción de cargas. No es una polarización

de alto grado.

La polarización Orientada ocurre cuando las

moléculas de elementos con moléculas no

simétricas (las cuales ya contienen dipolos

eléctrico permanentes) Ejemplo H2O, HCl,

CH3Br.

Polarización por Cargas Espaciadas las cargas

en el espacio son cargas ocurridas al azar

causadas por la radiación cósmica o la

deterioración térmica atrapada en el

material durante el proceso de fabricación.

La polarización iónica atómica involucra un

desplazamiento de átomos u iones en una

estructura cristalina cuando un campo

eléctrico es aplicado.

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1.-Constante Dielectrica (Permeabilidad Relativa)

• El grado de polarización o laCapacidad de almacenamientode carga de un material esconocido como “ConstanteDielectrica Relativa”

8.85𝑋10−14𝑓𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠

𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜

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Tabla de Constantes Dielectricas

• El valor de la constante dieléctrica en el vacío es igual a 1.

• Para una atmosfera seca a 0°C y una presión de 1.0006 atm.

• Ejemplo: Un material con una K´ = 5 tiene una constante dieléctrica cinco veces mayor que la constante en el vacio.

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2.-Resistencia Dielectrica

• Es la capacidad de un material de soportar la corriente eléctrica sin fallar (romperse) y permitir el paso de la misma.

• Sus unidades son: 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠

𝑚𝑖𝑙 (𝑚𝑖𝑙𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎)

•𝑣𝑜𝑡𝑠

𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜

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2.-Resistencia Dielectrica

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3.-Perdida Dielectrica

• Un material dieléctrico ideal nopermitiría un flujo de corrienteeléctrica, solo un desplazamiento decarga vía polarización. Si una laminadelgada de cierto material ideal secoloca paralelamente entreelectrodos para formar un capacitory si un cierto campo eléctrico esaplicado la corriente convertirá alvoltaje en un ángulo de fase π/2(90°) Bajo estas circunstancias noexistirá energía absorbida y elcapacitor tendrá cero perdida.

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4.-Capacitancia

• Un material dieléctrico entre dos electrodos conductores es conocido como CAPACITOR.

• Q = CV

• Q= Cantidad de Carga

• C= Capacitancia

• V= Voltaje aplicado

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Unidad de Capacitancia

•𝐶 =𝐸0𝑘

′𝐴

𝑡• A = el área total de los electrodos

• t = grosor de el material dieléctrico

• 𝐸0= permeabilidad en el vacio

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Funciones de un Capacitor

• Los capacitores pueden ser empleados para diferentes propósitos:

• 1.-Almacenamiento de Energía: acumulamiento de carga

• 2.-Bloqueo: CD vs CA la corriente directa en un capacitor lo polariza e impide el paso de la corriente alterna

• 3.-Como acoplamiento o desacoplamiento: aislar voltaje especifico a diferentes áreas del circuito

• 4.-Bipass: mezcla de bloqueo y acoplamiento

• 5.-Filtro: usar un capacitor para separar señales de corriente alterna a diferentes frecuencias

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Historia de los Capacitores

•

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Época Material Extras

Principios de 1900´s Papel encerado, mica (debajo de

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Condensador variable con un

electrodo fijo y uno móvil.

1930´s TiO2 – 80 a 100 Materiales con alta constante

dieléctrica (algunos cerámicos)

1943 BaTiO3 1200-1500 Agregar Titanato de bario

Zirconato de Calcio 10% mas

Zirconato de Manganeso

5000 aprox

1943-actualidad Radio , Rutilo Estos elementos con alta

constante dieléctrica reducen los

costos de los dispositivos

eléctricos lo cual permite asi

mismo ahorrar en espacios.

Mecanismo de la Constante dielectrica

• El titanato de bario empleado enlos cerámicos es el resultado dela estructura de el mismoconocida como perovskita.

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• La temperatura tieneun efecto muy fuerteen la estructuracristalina y por lotanto en laspropiedadeseléctricas.

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Comportamiento con la Temperatura

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Tipos de Capacitores

• Cerámicos y Polímeros son empleados para la mayoría de los capacitores

• Ceramicos: Simple capa (capacidad baja debido a el grosor de la capa) y Multicapa

•

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Algunos capacitores de alta

capacitancia son conocidos como

capacitores de Tántalo y Aluminio.

5.-Piezoelectricidad

• Cuando la polarización ocurre en algunos monocristales al aplicarles unesfuerzo. Un lado de el cristal deriva en una carga positiva así mismo el otrolado se carga negativamente.

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Piezoelectricidad

• Pierre and Jaques Curie 1880

• Cristales al crecer (cuarzo, zinc, esfalerita, boracita….)

• Carecen de un centro de simetría

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6.-Piroelectricidad

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• Cristales piroelectricos son una clase de cristales piezoeléctricos. Contienen en su estructura una polarización espontanea preexistente y al calentarse de deforman mecánicamente lo que causa una transformacion,.

• 20 clases de cristales piezoeléctricos 10 son piroelectricos.

6.-Piroelectricidad

• Titanato de Litio-extremadamente exactos intervalos- 10exp-6°C pueden ser detectados.

• Sensores Opticos, Bolometros Termicos, Rayos infrarojos y flujo de gas.

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7.-Ferroelectricidad

• Es una subclase de cristales piroelectricos. También contienen una polarización espontanea. Mantienen un dipolo después de removerles el voltaje.

• En ellos se puede revertir la dirección de la polarización.

• Depende de la estructura cristalina; cristal NO centrido y debe de contener orientaciones moleculares que le permitan revertirse.

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Curva de Histeresis

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Saturación

Saturación

Titanato de Bario

• Estructura Cubica 120-1460°C (No ocurre nada)

• Tetragonal <120°C Estoresulta en histéresis y unapolarización reversible.

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Tipos de Cristales Ferroelectricos

• Pese a que han sido clasificados en laliteratura de distintas maneras, unaaproximación muy empleada es: Durosy Suaves.

• Los Ferroelectricos suaves sedisuelven en agua, mecánicamentesuaves y ambos puntos dedescomposición y fusión son bajos.

• Sal Rochelle, KDP, Potasio DihidrogenoFosfato, algunos sulfatos, sulfitos,nitratos y nitritos.

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Cristales Ferroelectricos

• Muchos involucran enlaces de hidrogeno. A la temperatura de Curie de transforman de una estructura de desorden paraelectricaa una estructura ferroelectrica ordenada.

• Los ferroelectricos duros: Incluyen oxidos formados a altas temperaturas, BaTiO3, KNbO3 ….

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Policristalinos Ferroelectricos

• Por muchos años los materiales ferroelectricos fueron preparados de *rebanadas* de cristales. Despues de el descubrimiento de el BaTiO3 el método fue optimizado.

• 1.-Fabricar la forma requerida por poder normal de compactación y sinterizado

• 2.-Aplicar eléctricamente electrodos conductores en las dos superficies perpendiculares en la dirección de polarización deseada.

• 3.-Calentar por encima de 120°C y aplicar un campo eléctrico suficiente entre los electrodos para forzar a la mayoría de los dominios a alinearse paralelamente en la dirección de el campo aplicado

• 4.-Enfriar la parte por debajo de la temperatura de Curie y remover el campo electricoCERAMICOS

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Aplicaciones

• 1.-Aplicación de una entrada eléctrica para estimular una una vibración ultrasónica (alta frecuencia); transductores , micrófonos, limpiadores ultrasónicos , relojes de cuarzo …

• 2.-Detectar y caracterizar una presión y/o movimiento generando una salida eléctrica; hidrófono, acelerómetro, transductor ….

• 3.-Combinar 1 y 2 en un modo de eco para enviar vibraciones en cierto material y recibir las deflectadas; sonar, imagen de ultrasonido, monitoreo de sangre, mapeo de el suelo de los oceanos

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Aplicaciones

• 4.-Aplicar y controlar eléctricamente una entrada para causar la vibración de un material a una frecuencia resonante; alarmas y tarjetas musicales

• 5.-Aplicar una fuerza mecánica y obtener alto voltaje para después descargarlo en forma de chispa

• 6.-Aplicar una entrada eléctrica y obtener una deflexión o movimiento muy sensible; tablas de rayos x, impresoras de tinta, microswitches, válvulas sensitivas a la presión y compensación por distorsión térmica empleados en las lentes de Telescopios

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Aplicaciones

• 7.-Decrecer la vibración convirtiéndola en una salida eléctrica ( control de vibración activa) ; skies

• 8.-Otras; Transformadores, motores pizoelectricos (autofoco en las cámaras)

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