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Propiedades eléctricasde los materiales
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Propiedades eléctricasde los materiales
Generalidades
- Portadores eléctricos y enlace atómico
- La carga eléctrica (y su movimiento) es la responsable de las propiedades eléctricas de un material
- Tipos de cargas eléctricas móviles en un material: electrones, huecos (espacios dejados por los electrones) e iones
- Tipos de enlaces según los materiales:
- Metálico: los electrones están compartidos por todos los núcleos atómicos del material (nube electrónico). Facilidad de movimiento
- Covalente: los electrones están compartidos por un par de átomos. Alto grado de localización electrónica y gran dificultad de movimiento por el material.
- – Iónico: iones positivos y negativos forman el material mediante fuertes interacciones electrostáticas, por tanto, los electrones tienen una gran dificultad de movimiento por el material.
- Portadores eléctricos y enlace atómico
Conductividad eléctrica
- Metales
- En un metal puro la conductividad eléctrica está determinada por su estructura de bandas. El valor de σ depende del número de portadores y de la movilidad de los mismos, µ.
- En un metal real (con defectos) la movilidad y velocidad de las cargas eléctricas depende críticamente del número y tipo de defectos estructurales.
- Factores que afectan a la conductividad eléctrica:
- La temperatura Un aumento de la temperatura del material supone un aumento de la energía de vibración de los átomos de la red cristalina. Los átomos oscilan en torno a sus posiciones de equilibrio y dispersan a las ondas electrónicas.
- Las imperfecciones de la red Los defectos reticulares (vacantes, impurezas, dislocaciones, fronteras de grano,…) son irregularidades de la red cristalina y, por tanto, dispersan las ondas electrónicas.
- El procesamiento y endurecimiento de un material Todos los mecanismos de procesamiento de un material destinados a aumentar su resistencia mecánica se basan en la creación de irregularidades cristalinas en el material.
- Endurecimiento por solución sólida: introducción de impurezas o vacantes – Endurecimiento por dispersión o envejecimiento: introducción de precipitados en el material – Endurecimiento por deformación en frío: creación de dislocaciones – Endurecimiento por control del tamaño de grano: creación o aumento de fronteras de grano
- Semiconductores
- Estructura de bandas en materiales semiconductores: C, Si, Ge y Sn (columna IVA)
- – Dos electrones en los últimos orbitales s y otros dos en los últimos orbitales p (ns2 np2 )
- – Hibridación s-p en cada átomo: se forman cuatro orbitales para ocho electrones (dos llenos y dos vacíos)
- – En el material se forman dos bandas, una con 4N niveles energéticos llenos (banda de valencia) y otra con 4N niveles energéticos vacíos (banda de conducción)
- – Diferencia de energía entre ambas bandas es el gap de energía semiconductor, Eg .
- Estructura de bandas en materiales semiconductores: C, Si, Ge y Sn (columna IVA)
- Conducción en materiales iónicosAislantes (cerámicos) y polímeros
- – Medio alternativo de transporte de carga eléctrica: difusión o movimiento de iones
- La movilidad de los iones es varios órdenes de magnitud menor que la de los electrones: µi=ZqD/kT
- – Conductividad eléctrica iónica es muy pequeña: σi=nZqµi
- – Las impurezas y vacantes aumentan la conductividad iónica a) Las impurezas pueden también difundirse y ayudar al movimiento de los iones (o de la corriente eléctrica) b) Las vacantes son necesarias para la difusión substitucional de los iones
- – El aumento de la temperatura favorece la difusión y, por tanto, la conductividad iónica
- Métodos para la reducción de la resistividad eléctrica en un polímero:
- 1. Adición de compuestos iónicos, precipitados o impurezas en la matriz polimérica:
- • Los iones migran a la superficie del polímero, atraen la humedad y ésta disipa la electricidad estática (materiales protectores para las descargas eléctricas)
- • Polímeros con fibras de carbono recubiertas de níquel / Polímeros con una mezcla híbrida de fibras metálicas y de carbono, vidrio o aramidas: materiales con elevada rigidez y conductividad eléctrica, materiales de protección contra la radiación electromagnética
- 2. Fabricación de polímeros con una buena conductividad eléctrica inherente:
- • Dopado de polímeros con impurezas con exceso/defecto de electrones: la carga eléctrica se desplaza saltando de un átomo a otro de la cadena
- • Proceso de ligadura cruzada de las cadenas poliméricas: la carga eléctrica se mueve fácilmente de una cadena a otra
- 1. Adición de compuestos iónicos, precipitados o impurezas en la matriz polimérica:
- Metales
Aislantes y propiedades dieléctricas
- Aislamiento eléctrico
- Aislamiento eléctrico En un gran número de aplicaciones eléctricas y electrónicas se necesita materiales que impidan el paso de corriente eléctrica o la aíslen: aislantes cerámicos y plásticos (polímeros).
- Polarización y constante dieléctrica
- Polarización En un material dieléctrico, los electrones están fuertemente ligados a sus respectivos núcleos atómicos sin poder abandonar sus posiciones de equilibrio.
- Piezoelectricidad y ferroelectricidad
- Tipos de polarización – Electrónica – Iónica – Molecular
- • Dependencia de la polarización de un material dieléctrico – Constante dieléctrica del material, ε – Campo eléctrico externo, E – Temperatura (desorden térmico)
- – Cualquier material o asociación de materiales metálicos puede acumular carga eléctrica en sus superficies. Condensador. – La inclusión de un material dieléctrico aumenta el nivel de carga almacenado en el condensador e impide su descarga (alta resistencia dieléctrica y eléctrica). • C=ε·(A/d)
- Aislamiento eléctrico
Informationen
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- Mindmap am Propiedades eléctricasde los materiales, erstellt von Ricardo Álvarez am 07/07/2013.
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- Ricardo Álvarez
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