Propiedad De Los Materiales

3.1 PROPIEDADES ELECTRICAS Y MAGNETICAS

Existen varias propiedades a determinar al carácter y comportamiento eléctrico de los materiales metálicos, cerámicos y polímeros, pero las principales son la conductividad y di-electricidad; superconductividad, polarización y piezoelectricidad. El comportamiento de un material se ve manifestado primordialmente por su facultad de conducir señales, pulsos o corrientes eléctricas a través de sus electrones este comportamiento es lo que designa si se pueden considerar o no materiales conductores.

• Los metales se pueden considerar como materiales conductores temperaturas mayores a la crítica y no tan cercanas a la de fusión (temperatura de ambiente con regularidad). Son excelentes conductores cuando se hayan puros, con impurezas se disminuye la conductividad, pero se aumenta el carácter de superconductor a temperaturas bajas (menores a la crítica). En el día a día se aplica mas en funciones conducción eléctrica y en cableados.

• Los polímeros son malos conductores, son mejor aplicables para funciones de transmisión de bajo voltaje, o más bien para carácter aislante. Se puede aumentar su conductividad y disminuir la resistividad considerable por medio de dopado, es decir, introducción de partículas de material conductor en su micro-estructura. Sus aplicaciones son variadas y principales en l a biomedicina.

• Los cerámicos son por lo general aislantes a temperatura s se comportan como materiales superconductores. Su gamma de aplicación es amplia, desde capacitores y conductores, hasta transductores piezoeléctricos, y cableado fino (fibra óptica).

3.1.1 CONDUCTIVIDAD EN LOS CERAMICOS (CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES, AISLANTES O DIELECTRICOS)

CONDUCTIVIDAD EN LOS CERÁMICOS: PROPIEDADES DIELÉCTRICAS

Antes de poder especificar la conductividad propia de los cerámicos es importante poder especificar la propiedad dieléctrica que tienen estos. La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. Por ejemplo, las líneas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislante como para resistir rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como para sostener los cables.

No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos es la propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos son usados para la pérdida progresiva de la dielectricidad de alta frecuencia, en aplicaciones como microondas y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas.

3.1.2 teoría de superconductividad en materiales metálicos y cerámicos.

Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor. En la siguiente figura podemos observar cual sería el comportamiento de la resistencia de un material en función de la temperatura.

En el caso de la curva A, ocurriría si la resistencia eléctrica se debe completamente a la dispersión que los electrones sufrirían por las vibraciones de la red atómica. La curva B pudiera ocurrir si las dispersiones de los electrones por las impurezas que estuvieran presentes fuesen de magnitud mayor a lo común. La curva C se produciría si los electrones de la banda de conducción, disminuyeran rápidamente al disminuir la temperatura.

Sin embargo, el cambio de conducción a superconducción se lleva acabo, únicamente cuando el material alcanza una temperatura crítica Tc, a la cual los electrones tienen una misma energía pero un spin (el ímpetu angular intrínseco de una partícula) opuesto que al combinarse forman pares. De esta manera, cuando la frecuencia de las vibraciones de los átomos dentro de la red y la frecuencia de los pares de electrones logra llegar a un movimiento armónico, ocurre la conductividad. A continuación se presenta en una tabla las temperaturas críticas de algunos materiales comunes en la ingeniería.

MATERIAL TC (K)

Superconductor del tipo I:

W 0.015

Al 1.180

Sn 3.720

Superconductor del tipo II:

Nb 9.25

Nb3Sn 18.05

GaV3 16.80

Superconductores cerámicos:

(La, Sr)2CuO4 40.0

YBa2Cu3O7-x 93.0

TlBa2Ca2Cu4O11 122.0

MATERIALES METÁLICOS SUPERCONDUCTORES

En algunos metales aparece un efecto de superconductividad cuando son enfriados a muy baja temperatura. Su resistencia desaparece por debajo de una temperatura crítica que es específica para cada material. Ciertos metales; especialmente aquellos que tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos o residuales, y así exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor reciben el nombre de superconductores Tipo I. En cambio, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales impuros es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma cómo resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo eléctrico o magnético. Estos superconductores se denominan superconductores Tipo II.

MATERIALES CERÁMICOS SUPERCONDUCTORES

Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una razón estequiométrica de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también típicamente mezclas de muchos diferentes metales. Por ejemplo, un caso es el superconductor Y1Ba2Cu3O7, en el cual los metales presentes son el Itrio, Bario y Cobre. Las perovskitas como material cerámico, comparten muchas propiedades con otros cerámicos

POLARIZACIÓN Y PIEZOELECTRICIDAD:

METALES SEMICONDUCTORES Y CERÁMICOS

Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen mecanismos de polarización:

• Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.

• Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones generales del material.

• Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.

Anteriormente, al enunciar la polarización iónica, se menciona la posibilidad de que hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción, además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos permanentes de un material. Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional, tales que cuando se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos. Cuando se encuentran entre capas del material conductor, los materiales dieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedad se describe mediante dos constantes: constante dieléctrica (relación de la permisividad del material con la permisividad

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