Propiedades eléctricasde los materiales

Propiedades eléctricasde los materiales

1. 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.

2. 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 .
   • 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

3. 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)