1. INTRODUCCIÓN:

Las propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico que en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico y describen también su comportamiento dieléctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento.

En la actualidad día a día utilizamos distintos objetos y herramientas, estos de aquí se encuentran hechos de distintos materiales. Los materiales se pueden clasificar en:

Materiales metálicos Materiales polímeros Materiales cerámicos

Cada uno de los cuales tienen distintas propiedades debido a su estructura y su composición. Las propiedades de cada uno de los materiales varían de acuerdo con su fuerza de enlace (energía de enlace), disposición atómica y empaquetamiento de átomos en cada sólido. Estas propiedades sirven para el diseño de estructuras y maquinarias en la ingeniería y en el día a día.

Es importante establecer que al mismo tiempo que existen distintos tipos de materiales, existen también para cada uno de ellos, diferentes tipos de propiedades. Las propiedades principalmente frecuentadas en la ingeniería de los materiales son:

Propiedades eléctricas: basadas en cómo reacciona un material ante un campo eléctrico. Propiedades mecánicas: basadas en el comportamiento ante un fenómeno externo. Propiedades magnéticas: basada en el comportamiento de un material en presencia de un campo

magnético. Propiedades térmicas: basada en la reacción de un material en durante cambios de temperatura. Propiedades ópticas: basadas en el comportamiento de los materiales en presencia de ondas

luminosas (luz)

2.1 GENERALIDADES.

El conocimiento del empleo de los materiales ayuda a obtener un máximo rendimiento de los mismos. Así como su uso en artefactos para transmitir electrones, calor y luz crece rápidamente en el campo de los semiconductores, cintas magnéticas, unidades de memoria de las computadoras e interruptores.Se tratara sobre la conducción eléctrica en los metales, semiconductores y aislantes, de la misma manera los efectos eléctricos, dieléctricos, emisión termoiónica y piezoelectricidad.

2.2 CONDUCCIÓN Y PORTADORES.

La resistencia depende de la naturaleza del alambre: un alambre de cobre tiene una menor resistencia que un alambre de hierro del mismo calibre (longitud y corte transversal).Se utiliza el término resistividad (p) para caracterizar la facultad inherente del alambre para afectar el flujo de corriente.Para este tema se aplica la ley de Ohm debido a que si se toma un alambre y se le aplica un potencial E, la corriente I que fluye dependerá de la resistencia del circuito R.

Donde:

R = resistencia.p = resistividadL = longitud de alambreA = área de corte transversal del alambre.

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2.3 TIPOS DE PORTADORES.

Hay cuatro tipos diferentes de portadores que producen el fenómeno de “flujo de corriente”:

1.- El electrón (1.6 x10^-19 cul). Un amperio es un culombio por segundo. Po lo tanto un movimiento de 6.25 x10^18 electrones es el movimiento de un culombio de carga, si esto ocurre en una de la celdas, se tiene fluyendo una corriente de un amperio.

2.- El hueco electrónico.- es la ausencia de un electrón en la banda de valencia. Tal banda de valencia estaría normalmente completa sin el "hueco". Una banda de valencia completa (o casi completa) es característica de los aislantes y de los semiconductores. La noción de "hueco" en este caso es esencialmente un modo sencillo y útil para analizar el movimiento de un gran número de electrones, considerando ex profeso a esta ausencia o hueco de electrones como si fuera una partícula elemental o -más exactamente- una cuasipartícula.

3 y 4.- Iones positivos y negativos.- Un ion es una partícula cargada eléctricamente constituida por un átomo o molécula que no es eléctricamente neutro. Conceptualmente esto se puede entender como que, a partir de un estado neutro de un átomo o partícula, se han ganado o perdido electrones; este fenómeno se conoce como ionización.Los iones cargados negativamente, producidos por haber más electrones que protones, se conocen como aniones (que son atraídos por el ánodo) y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes (los que son atraídos por el cátodo).

Anión y Catión significan:

Anión ("el que va hacia arriba") tiene carga eléctrica negativa.

Catión ("el que va hacia abajo") tiene carga eléctrica positiva.

2.4 CONDUCTIVIDAD EN LOS METALES, SEMICONDUCTORES Y AISLADORES.

Existen vastas diferencias en la conductividad en diversos materiales.Se conoce que la unión metálica en la cual los electrones de valencia son apartados por el átomo cuando este se convierte en un ion en la celda unitaria.

Por ejemplo el magnesio no tiene mejor conductividad que el cobre y la plata con un electrón de valencia y porque el silicio con cuatro electrones tiene baja conductividad.

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El electrón 3s está más lejos del núcleo y por lo tanto a un nivel mayor de energía será el que deja el átomo para formar un gas electrónico.

Cuando se trata del de la estructura de un átomo se menciona el principio de exclusión de Pauli, el cual sostiene que solamente dos electrones en un átomo pueden tener el mismo nivel de energía.El nivel de energía en una banda es igual al número de electrones que pueden ocupar el nivel de energía por el número de átomos que están presentes en el bloque.

Los electrones pueden acelerar dentro de los niveles superiores de la banda combinada y servir como conductores, sin embargo, el magnesio no es tan bueno conductor como el sodio a la complejidad que acompaña al movimiento del electrón cuando hay traslapo de las bandas 3s y 3p.

2.5 APLICACIONES.

La conductividad de todos los elementos disminuye cuando se adiciona un segundo elemento en la solución sólida.

Elementos como la plata, cobre y oro son los mejores. El aluminio puro también tiene buena conductividad porque hay muchos niveles p no ocupados por encima de sus electrones de mayor energía. El hierro y otros metales de transición tienen menor conductividad debido a los niveles complejos de energía en la región donde las bandas s y p o d traslapan.Debido al incremento de la resistividad que acompaña a la aleación es útil mejorar las propiedades mecánicas, empleando metal puro en frio e lugar de una aleante. Debido a que la adición de un pequeño porcentaje de otro elemento en la solución solida produce irregularidades como el impedimento del movimiento de electrones.

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2.6 VIDRIOS CONDUCTORES.

Normalmente el vidrio es un aislante, pero hay varias aplicaciones en la cual es útil una pequeña conductividad. Los tubos de rayos x deben evitar acumulación gradual de carga. En este caso se calienta en hidrogeno un vidrio produciendo una capa delgada de plomo metálico. Luego se la pule.La mayor parte d ela conductividad en el vidrio en bruto pude desarrollarse añadiendo substancias tales como óxido de hierro. Esto lleva a la conducción por huecos electrónicos.

2.7 SUPERCONDUCTIVIDAD.

Kamerlingh Onnes encontró que cuando se enfría el mercurio por debajo de una temperatura critica. La resistencia eléctrica cae a cero. Por lo tanto una corriente fluye indefinidamente en un anillo de mercurio, este fenómeno recibió el nombre de superconductividad.Cuando la temperatura disminuye, la frecuencia de vibración de los iones positivos de la red disminuye. La resistencia disminuye porque hay menos conflicto con el movimiento de electrones. En consecuencia una resistencia disminuye gradualmente con la disminución de temperatura.Para explicar la superconductividad se empleó el concepto de la formación por partes. Por debajo de la temperatura crítica de superconductividad los electrones de spin opuesto y la misma energía forman partes.

2.8 SEMICONDUCTORES, GENERALIDADES

Llegamos ahora a un grupo fascinante de materiales los cuales, aunque son de menor conductividad eléctrica que los metales, son esenciales en un buen número de los aparatos producidos recientemente, desde de los radioemisoras del tamaño de un reloj de pulso hasta unidades pequeñísimas de comunicación remota en satélites distantes en el espacio.

El corazón de todos estos aparatos no es el circuito complejo sino el hecho que se han desarrollado materiales que pueden ordenar y dirigir el movimiento de los electrones en un espacio pequeñísimo con una precisión nunca alcanzada.

2.9 SEMICONDUCTORES Y AISLANTES

En los semiconductores encontramos una banda llena (fig. 13.7b) y que el siguiente nivel de energía dentro del cual podemos acelerar electrones, está separado por un pequeño intervalo de energía E0, en contraste con los metales, donde existen estados libres.

Expresamos el ancho de la brecha de energía en electronvoltio. El electronvoltio es la energía requerida para mover un electrón a través de un campo de 1 voltio. Para dar una idea de la magnitud de esta cantidad, de la energía térmica de un electrón a la temperatura ambiente es solamente de unos 0.03 eV como promedio, de modo que no podríamos esperar que se produzcan muchos portadores de esta fuente excepto en el estaño. En consecuencia, el diamante es un buen aislador, mientras que la pequeña cantidad de electrones en la banda de conducción en el silicio y en el germanio nos permite denominarlos semiconductores.

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2.10 SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS VS INTRÍNSECOS.

Hasta este punto hemos analizado únicamente los semiconductores con un promedio de cuatro electrones por átomos, o sea semiconductores intrínsecos. Si este equilibrio se varía al “doparlo” con impurezas, obtenemos semiconductores extrínsecos de dos tipos: n y p.

Para comprender estos materiales importantes, consideramos el efecto de adicionar las diversas impurezas o adulteradores a un semiconductor intrínsecos como el silicio. Si adicionamos una pequeña cantidad de fosforo, estos átomos formaran una solución solida de substitución con el silicio, produciendo la estructura que se muestra en la figura:

EJEMPLO 13.2 Calcule la conductividad del semiconductor intrínseco germanio a partir de las siguientes características a (300k):

Densidad de huecos = densidad de electrones = 2.4 x 1013 portadores / cm 3

Movilidad de electrones = 3900 cm2/ volt - seg.Movilidad de huecos = 1900 cm2 / volt- seg.Carga de electrón = carga / hueco = 1.6 x 10-19 / cul / portador.

Dónde:

n= número de electrones / cm2

qn = carga / electrónµn = movibilidad del portador electrón p = número de huecos / cm3

qp = carga/ hueco µp = movibilidad del portador de hueco

Puesto que en un semiconductor intrínseco:

n = p y qn = qp

2.11 UNIONES p-n, RECTIFICACIÓN.

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Uno de los usos importantes de los semiconductores está en la rectificación de corriente alterna a directa. Para esto se hace una unión entre el material del tipo n y p. Esto puede hacerse al cambiar la impureza desde un tipo p como el aluminio a un tipo n como el fosforo durante la cristalización. Examinemos las cantidades relativas de portadores (huecos y electrones).

Supongamos que hay dos bloques eléctricamente neutros de material tipo n y p que se han puesto en contacto (fig. 13.11a). Ocurriría algún movimiento de huecos y electrones. Lo importante es el gran flujo de corriente si el lado n se hace negativo y el p positivo (fig. 13.11b). Los electrones serán atraídos a través de la unión al material p y los huecos se desplazaran en dirección opuesta produciendo una corriente importante. Sin embargo, si se invierte el campo eléctrico, los huecos y electrones serán atraídos fuera de la unión y, puesto que ninguno de los portadores se mueve a través de la unión, no hay corriente (fig. 13.11c). Por lo tanto, la corriente fluye en pulsaciones en una sola dirección. Si aplicamos un voltaje en los extremos de un cristal semiconductor, fluirá una corriente debida al movimiento de electrón, de hueco o de ambos. Ahora, si colocamos un campo magnético a través del conductor, tanto electrones como huecos se afectaran en forma diferente.

2.12 EFECTO DE LA TEMPERATURAS EN LA CONDUCTIVIDAD.

Una de las características sobresalientes en un metal es la disminución de la conductividad cuando hay un aumento en la temperatura. Las razones para ello se examinaron brevemente en la sección dedicada a superconductividad. Por contraste, la conductividad de los semiconductores y aisladores aumenta con la temperatura. En el caso de calentar un semiconductor intrínseco se bombean más electrones hasta las energías en las cuales ellos pueden entrar a la banda de conducción, dejando huecos electrónicos.

LA FORMULA GENERAL PARA LA CANTIDAD DE ELECTRONES Y HUECOS EN UN CONDUCTOR INTRINSECO ES.

n = P = AT3e-11 600Eg/T

2.13 PROPIEDADES DIELECTRICAS.

Un dieléctrico generalmente tiene dos funciones: (1) como aislador y (2) aumentar la capacitancia total de un condensador comparado con un espacio de aire entre las planchas. El empleo de un aislador involucra dos factores principales: la resistencia a la descarga y la gama útil de temperatura. Por debajo de 90 0c se emplean algodón, seda y muchos plásticos. Los rellenos inorgánicos tales como la mica y los asbestos se emplean plásticos hasta los 1300c. la gama se puede extender con el silicio hasta los 1800c. por encima de esta gama los materiales inorgánicos tales como mica, porcelana y vidrio son necesarios.

2.14 CONSTANTE DIALECTRICA.

La permitividad relativa (constante dieléctrica) £r es la cantidad utilizada para evaluar la capacidad de almacenamiento de carga de un dieléctrico de un condensador:

£r = £/£0

Donde £ es la permitividad del dieléctrico y £0 la del vacío. Los valores típicos de la constante dieléctrica se muestran en la tabla 13.2

En valores absolutos, para un condensador de placas paralelas. La capacitancia es:

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El valor de la constante dieléctrica depende de la capacidad del material para reaccionar y orientarse por si mismo en el campo. Mientras mayor sea la reacción, mayor será la energía almacenada y, por lo tanto, mayor será la constante dieléctrica.

El comportamiento dieléctrico puede resultar de los siguientes efectos:

1.- POLARIZACION ELECTRONICA.- está presente en todas las dieléctricas. Las posiciones del electrón alrededor de los átomos estarán afectadas por el campo y esto se lleva a cabo muy rápidamente.

2.- POLARIZACION IONICA.- los iones de signo opuesto se mueven elásticamente debido al efecto del campo. Esto también es rápido y ocurre únicamente en los sólidos iónicos.

3.- ORIENTACION DE LAS MOLECULAS.- cuando están presentes moléculas asimétricas (polares) su orientación cambia debido al campo.

4.- CARGA ESPECIAL.- es el desarrollo de carga en la superficie de separación de las fases.

2.15 DIELÉCTRICOS DEL TIPO TITANATO DE BARIO (FERROELÉCTRICOS).

Al tratar de alcanzar objetivos tales como fabricar aparatos de televisión de bolsillo, se ha producido una grande demanda de materiales con constantes dieléctricas mayores para reducir el tamaño de los condensadores.Al saberse que el mineral rutilo, Ti O2, tenía un valos de Er , mayores que 1000, ses decir, muchos grados de magnitud mejores que cualquier material conocido. Ademas , se notó que se desarrollaba una carga permanente. Esto se denomina ‘comportamiento ferroeléctrico’.

En la figura se muestra un movimiento dipolar producido por un cambio de polaridad. Cuando la polaridad se invierte, (a) (b) se requiere un tiempo finito para completar el desplazamiento a (c).

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En la figura: (a). se muestra la estructura del titanato de bario

(b). La fuente del dipolo se debe a dos posiciones posibles del ion Ti 4+.

Como resultado de ello, el ion de titanio está localizado a un lado del centro. Así, en cada celda unitaria, un lado del centro es positivo y el otro negativo o, en otras palabras, se desarrolla un dipolo.

Cuando se aplica un potencial eléctrico a través de las plcas del condensador, los iones Ti4+ son atraídos al lado negativo. Ello conduce al almacenamiento de una alta carga en las placas y, por lo tanto, a una mayor constante dieléctrica.

Ahora es importante que examinemos los efectos de histéresis. Se puede demostrar colocando una solución de polvo magnetizado sobre una muestra.

En la figura se muestra la histéresis ferroeléctrica. La polarización espontanea se puede invertir; sin embargo, se consume energía en cada ciclo.

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2.16 EFECTOS INTERRELACIONADOS ELÉCTRICOS-MECANICOS (ACOPLE ELECTRO-MECÁNICO).

Todo radioaficionado ha oído hablar del efecto piezoeléctrico de un cristal de cuarzo. Si se aplica presión a un cristal de cuarzo, los extremos se cargan o, viceversa. Si se aplica un campo eléctrico el cristal cambia de longitud. Si se aplica un voltaje alterno, el cristal oscila, produciendo una onda sonora de frecuencia constante.

En las figuras se muestra:

(a). Material piezoeléctrico.

(b). Un campo eléctrico induce una expansión dimensional.

(c). La polaridad inversa ocasiona una contracción correspondiente. El procedimiento se puede invertir aplicando una presión y obteniendo un cambio en el voltaje.

Se puede obtener efectos piezoeléctricos más fuertes con materiales ferroeléctricos debido a que se originan movimientos de dominio. En el cuarzo, la rotación de las celdas unitarias y el crecimiento de dominio están ausentes.

2.17 TERMOPARES, POTENCIA TERMOELÉCTRICA

Si producimos una diferencia de temperatura en una varilla, los niveles de energía de los electrones serán diferentes, hay más electrones de alta energía en la región más caliente.

En la figura se muestra el desarrollo de un voltaje en un termopar. Los electrones de alta energía fluirán hacia el extremo frío, produciendo una diferencia de carga.

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Si se conecta un voltímetro con alambres de co0ntacto del mismo material, el medidor no mostrará diferencia alguna, pero si los alambres son de un material diferente al de la varilla, habrá un voltaje diferente inducido y el voltaje neto aparecerá en el medidor.

Este voltaje es la potencia Seebeck, S, utilizada en los termopares. Tabla ejemplar.

Hay una razón básica para diferencia de potencial de un termopar que se funda en el concepto del nivel de Fermi. En diversos metales el nivel de Fermi cambia a una tasa diferente de acuerdo con el aumento de temperatura. Por los tanto es un par de metales el elemento con el mayor coeficiente de cambio de temperatura tendrá más electrones energéticos que fluirán dentro del elemento con menor coeficiente.

3. CONCLUSIÓN:

Las propiedades eléctricas de los materiales dependen principalmente del número y de la movilidad de los portadores de carga en la estructura: Electrones, huecos electrónicos e iones.

El flujo de la corriente está relacionado con la conductividad. El número de portadores por centímetro cúbico es relativamente grande en un metal porque los electrones donados por los átomos existen en bandas de energía que tienen muchos estos vacantes a los cuales los electrones se puede acelera y, por lo tanto, llevar una corriente. Por contraste en un aislador los electrones de valencia están confinados en una banda de energía llena y la subida de un electrón a un nivel de energía en el cual él pueda conducir, banda de conducción, se requiere considerable energía.

Se pueden hacer dieléctricos de una constante dieléctrica aumentada con materiales ferroeléctricos tales como titanato de bario. En estos materiales existe un dipolo o carga sin balance permanente en la celda unitaria. Estos dipolos dan como resultado la formación de dominios eléctricos o regiones de alineación dipolar semejante. Esta configuración lleva a

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una alta capacitancia cuando el material se emplea en un condensador. El acople electromecánico de estos materiales o materiales con dipolos fijos conduce a la obtención de aparatos valioso para la conversión de impulsos eléctricos en sonido. Los termopares son importantes para la medición de la temperatura y operan debido al desarrollo de una fuerza electromotriz en pares de metales sujeros a dos temperaturas diferentes.

4. DEFINICIONES:

Conductividad.- o medida de la facilidad de pasaje de una corriente eléctrica. Resistividad.- p = R(A/l), donde A esa el área del conductor, l es el largo y r es la resistencia.

Resistencia.- R= E/I, donde E es el voltaje e I corriente.

Resistencia.- Componente eléctrico diseñado para dar una resistencia deseada.

Portador de carga.- Partícula diminuta con una carga eléctrica, específica electrones, huevos e iones.

Electrón.- Portador de carga negativa con una carga de 1.602 x 10 -19 Culombios.

Metal.- Material con una banda de valencia no llena, que conduce a una concentración muy alta de portadores.

Aislante.- Material con una banda de valencia llena y una gran brecha de energía entre la banda de valencia y

la banda de conducción.

Semiconductor.- Material con una banda de valencia llena y una brecha de energía pequeña entre ella y la

banda de conducción.

Modelo de banda.- Modelo en el cual los electrones exteriores de los átomos se combinan como existentes en

una banda de niveles de energía.

Brecha de energía Eg.- Energía necesaria para mover une electrón desde la banda de valencia hasta la banda

de conducción, generalmente expresada en electronvoltios.

Principios de exclusión de Pauli.- No más de dos electrones en un átomo o bloque de material pueden

ocupar el mismo nivel de energía.

Nivel de Fermi, Ef.- Nivel de energía en el cual la probabilidad de ocupación de un estado de energía es de

0.5. En otras palabras, a este nivel los estados posibles que un electrón o un huevo electrónico puede ocupar

están semillenos.

Superconductividad.- Fenómeno de la resistividad cero, que se presenta en algunos metales y aleaciones por

debajo de una temperatura crítica, la cual es diferente para cada material.

Semiconductor intrínseco.- Material semiconductor esencialmente puro y por el cual la conductividad es una

función de la temperatura y de la brecha de energía del material.

Semiconductor extrínseco.- Material semiconductor que ha sido adulterado con elementos tipo n (tal como el

fósforo), el cual dona electrones que tienen energías cercanas a la banda d conducción, o con un elemento tipo

p (tal como el aluminio), el cual provee de huecos electrónicos cercanos al nivel de la banda de valencia.

Movilidad.- Medida de la facilidad del movimiento del portador.

Unión p-n.- límite entre los materiales del tipo n y p.

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Rectificación.- Conversión de la corriente alterna a directa.

Efecto Hall.- Desarrollo de un voltaje al aplicar un campo magnético perpendicular a la dirección en la cual

fluye la corriente.

Termistor.- Aparato utilizado para medir la temperatura empleando el cambio de la resistividad con la

temperatura.

Constante dieléctrica.- Relación de la capacitancia que se obtiene utilizando el material entre las placas de un

condensador comparada con la obtenida cuando el material es reemplazado por vacío.

Capacitancia.- Habilidad de almacenar carga de un condensador.

Polarización electrónica.- Movimiento de los electrones en un dieléctrico hacia la placa cargada

positivamente.

Dipolo.- Agrupación atómico o iónico tal como una molécula o una celda unitaria.

Ferro-eléctrico.- Material como el titanato de bario en el cual los dipolos permanentes están alineados en

dominios.

Acople electromecánico.- Material que desarrolla una carga en sus extremos cuando se le comprime o,

viceversa, que cambia de dimensiones cuando se aplica un potencial eléctrico.

Material piezoeléctrico.- Material que muestra acople electromecánico.

Termopar.- Par de materiales unidos que desarrollan una fuerza electromotriz cuando una unión está a una

temperatura diferente de la otra.

2. BIBLIOGRAFIA:

Libro: materiales de ingeniería, autor: Richard a. Flinn.

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