baterías de litio -...
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Bateriacuteas de litio Robles Aguilera Joseacute Antonio
Robles Cruz Marlene
Una bateriacutea es un dispositivo que es capaz
de producir y almacenar energiacutea eleacutectrica a
partir de reacciones quiacutemicas de oacutexido-
reduccioacuten
En una bateriacutea la parte donde se produce la
energiacutea eleacutectrica es una celda
electroquiacutemica comuacuten con sus dos
electrodos electrolito y el ldquomediordquo para que
puedan circular los electrones por el
exterior de ella Se dice que almacenan
energiacutea porque las reacciones espontaacuteneas
que dan lugar a esa produccioacuten de
electricidad soacutelo ocurren cuando la bateriacutea
estaacute conectada en un circuito eleacutectrico
cerrado
Se puede considerar que una bateriacutea estaacute
cargada cuando las reacciones espontaacuteneas
que producen electricidad auacuten pueden
llevarse a cabo pues la mayoriacutea de las
especies de la celda estaacuten en forma de
reactivos por el contrario se descarga
cuando las especies estaacuten en forma de
productos y por lo tanto ya no hay un flujo
de electrones
En los uacuteltimos antildeos se han estudiado y
comercializado bateriacuteas de ion litio las
cuales producen un flujo de electrones
mediante la oxidacioacuten del litio presente en
el aacutenodo que a la vez produce la reduccioacuten
del material del que estaacute hecho el aacutenodo el
caacutetodo puede estar hecho de ferrofosfato de
litio (LiFePO4) El proceso es reversible ya
que es posible volver a reducir el litio si se
le proporciona energiacutea similar a la que
produce (aproximadamente 32 V) en este
proceso se dice que la bateriacutea se ldquocargardquo
pues se puede considerar que las especies
volvieron a su estado inicial lo que permite
utilizarlas varias veces maacutes hasta que
eventualmente los iones de litio no se
pueden reducir maacutes veces
Oxidacioacuten del litio presente en el aacutenodo
Li Li+ + 1e-
FePO4 + 1e- FePO4
-
Cuando eacuteste tipo de bateriacuteas se descarga
los iones Li+ migran hacia la red del
LiFePO4 acomodaacutendose en los espacios
con vacancias de litio y en algunos
intersticios de la superficie del material
Cuando estas bateriacuteas se cargan se
suministra energiacutea que genera una
diferencia de potencial tal que los iones Li+
que se habiacutean depositado en la superficie
del caacutetodo se reducen y migran de vuelta al
aacutenodo
El proceso descrito anteriormente no se
produce siempre con un 100 de
efectividad es por eso que llega un
momento en que ya no ocurre maacutes y la
bateriacutea no se puede seguir recargando
Ilustracioacuten 1 Partes y los componentes de
la celda electroquiacutemica de una bateriacutea de
ioacuten litio (1)
Ilustracioacuten 2 Se deposita el litio sobre
la superficie del caacutetodo y despueacutes
vuelve al aacutenodo (2)
Bateriacuteas de litio Robles Aguilera Joseacute Antonio
Robles Cruz Marlene
Ilustracioacuten3 Representacioacuten bidimensional
de la estructura tipo olivino En el caso del
ferrofosfato de litio las figuras verdes
representan el poliedro de coordinacioacuten del
hierro las azules el del foacutesforo y las rosas
el del litio
El ferrofosfato de litio se encuentra en la
naturaleza bajo el nombre de trifilita
presenta una estructura tipo olivino se
considera ortorroacutembica y perteneciente al
grupo espacial Pnma en la cual el oxiacutegeno
forma un arreglo hexagonal compacto con
la mitad de los huecos octaeacutedricos ocupados
por hierro y un octavo de los huecos
tetraeacutedricos ocupados por el foacutesforo tal
forma que los tetraedros y octaedros
comparten sus veacutertices que son los
oxiacutegenos pero los tetraedros de fosfato no
se tocan entre ellos aunque comparten
aristas con los octaedros del hierro
mientras el litio se acomoda en los espacios
vaciacuteos formando canales que apenas y
cambian la estructura del material sin el
litio Una descripcioacuten maacutes clara de esto se
observa en la ilustracioacuten 4 que es una
representacioacuten de la celda unitaria de este
material
Ilustracioacuten 5 Celda unitaria del arreglo de litio
en el ferrofosfato de litio donde las esferas
aguamarina representan al litio las verdes al
oacutexigeno las amarillas al hierro y las azules al
foacutesforo
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Ilustracioacuten 4
BIOPOLIacuteMEROS UNA ALTERNATIVA SUSTENTABLE Loacutepez Peacuterez Emilia Santillaacuten Cabrera Jairo Getsemani
En los uacuteltimos antildeos se ha dado un incremento en el costo del petroacuteleo las reservas petroliacuteferas a nivel mundial disminuyen y los problemas medioambientales cada vez son maacutes Todo eacutesto ha generado la necesidad de buscar nuevas alternativas para la generacioacuten de materiales sustentables biopoliacutemeros
POLIacuteMEROS Una poliacutemero se construye a partir de pequentildeos bloques de construccioacuten maacutes o menos ideacutenticos llamados monoacutemeros que se unen de forma covalente para formar una moleacutecula enorme de largas cadenas que adoptan diversas formas
IMAGEN 1 POLIMERIZACIOacuteN DEL ETILENO AL POLIESTIRENO Polymer Structure ndash Recuperado de httpswwwnde-
edorgEducationresourcesCommunitycollegeMaterialsStructurePolymerHtm
BIOPOLIacuteMEROS No hay una definicioacuten clara sobre que es un biopoliacutemero pues teacuterminos como biopoliacutemeros bioplaacutesticos y plaacutesticos biodegradables se emplean como sinoacutenimos sin embargo cada uno tiene un significado uacutenico
Un plaacutestico biodegradable es aquel que se degrada debido a la accioacuten de organismos vivos Un bioplaacutestico se puede definir como un poliacutemero que se fabrica a partir de una fuente natural o un recurso renovable Un bioplaacutestico puede ser biodegradable sin embargo un plaacutestico biodegradable no necesariamente fue producido a partir de materiales derivados de una fuente bioloacutegica (tales como la policaprolactona y el polibutileno succinato)
La biodegradabilidad de un poliacutemero significa que su estructura quiacutemica puede ser metabolizada por microorganismos y hongos y convertida en segmentos de poliacutemero maacutes cortos
IMAGEN 2 CICLO DE SIacuteNTESIS Y DEGRADACIOacuteN DEL AacuteCIDO POLILAacuteCTICO
Los biopoliacutemeros son un tipo de poliacutemero compuesto principalmente de unidades repetitivas que contienen carbono que se originan en organismos vivos Eacutestos incluyen aquellos
bull Extraiacutedos de biomasa Proteiacutenas polisacaacuteridos liacutepidos
bull Producidos por microorganismos Polihidroxialcanoatos
bull Siacutentetizados a partir de monoacutemeros renovables Polilaacutectos y otros polieacutesteres
Los poliacutemeros utilizados en aplicaciones biomeacutedicas como productos farmaceacuteuticos e implantes reabsorbibles se clasifican como biopoliacutemeros debido a su uso en sistemas bioloacutegicos
MEZCLAS DE BIOPOLIacuteMEROS Y BIOCOMPUESTOS Un biopoliacutemero se puede mezclar con otro biopoliacutemero con un poliacutemero sinteacutetico biodegradable o con un poliacutemero sinteacutetico no degradable Tambieacuten se pueden combinar con diferentes materiales de refuerzo como partiacuteculas minerales o fibras naturales Un ejemplo son los cauchos naturales que generalmente se combinan con diversos rellenos inorgaacutenicos antioxidantes pigmentos para hacerlos maacutes uacutetiles
Los biopoliacutemeros se caracterizan por costos relativamente bajos sin embargo muchas veces muestran propiedades mecaacutenicas bastante insatisfactorias (pe las propiedades de traccioacuten en el almidoacuten termoplaacutestico) En este sentido la mezcla de biopoliacutemeros con poliacutemeros sinteacuteticos (pe polieacuteteres) es la ruta maacutes comuacuten para la produccioacuten de
bioplaacutesticos La mezcla es una estrategia uacutetil para modificar las propiedades de los materiales para aplicaciones especiacuteficas y superar algunas desventajas
Un ejemplo son las mezclas poliacutemeros biodegradables de aacutecido polilaacutectico (PLA) y polietilenglico (PEG) (Imagen 3)
El aacutecido polilaacutectico (PLA) es un biopoliacutemero que se produce a partir de recursos renovables En los ultimos antildeos se ha convertido en un material uacutetil especialmente en aplicaciones de empaquetado debido a su transparencia y propiedades moderadas de barrera Sin embargo la produccioacuten de materiales de empaquetado es difiacutecil de llevar a cabo debido a la fragilidad y la baja resistencia a la fusioacuten del PLA
IMAGEN 3 PEG-PLA (POLIETILENGLICOL-BLOQUE-AacuteCIDO POLILAacuteCTICO)
PLAPEG Aacutecido Polilaacutectico ndash Recuperado de httpswwwcreativepegworkscomproduct_listphpcid=11amppid=2ampsid=120
Al plastificar PLA con PEG se puede producir un material maacutes flexible con diferentes propiedades mecaacutenicas y reoloacutegicas Es posible reducir la temperatura de transicioacuten viacutetrea aumentar la resistencia al impacto y modificar las propiedades de cristalizacioacuten
Por otra parte un biocompuesto es un material compuesto por dos o maacutes materiales constituyentes distintos que se combinan para producir un nuevo material con un rendimiento mejorado Los constituyentes son la matriz y el componente de refuerzo El componente de refuerzo es el elemento primario portador de carga que puede estar en forma de fibras partiacuteculas y laacutemina La matriz estaacute formada por poliacutemeros sirve para unir los componentes de refuerzo y proporcionar soporte mecaacutenico
Un biocompuesto frecuentemente estudiado es el compuesto de un biopoliacutemero reforzado con fibra natural la cual agrega fuerza a la matriz biopolimeacuterica maacutes deacutebil
Actualmente se estaacuten llevando a cabo investigaciones para incrustar nanopartiacuteculas o partiacuteculas tales como silicatos estratificados nanotubos de carbono hidroxiapaptita celulosa y talco en bioplaacutesticos
Al introducir siacutelice piroacutegena y arcilla a una matriz de PLA se ven mejoradas las propiedades de traccioacuten y flexioacuten Eacuteste biocompuesto posee una temperatura elevada de distorsioacuten teacutermica mejores propiedades de barrera y biodegradacioacuten acelerada
IMAGEN 4 FORMACIOacuteN DE NANOCOMPUESTOS DE PLAFSARCILLA
Recuperado de HTTPDXDOIORG1011552015698738
Los biopoliacutemeros las mezclas bioplaacutesticas y los biocompuestos tienen potencial para ser una solucioacuten ecoloacutegica en el futuro eacutel cual se basa en su capacidad para disminuir las emisiones de CO2 producir un material que sea sustentable sin petroacuteleo y reducir el impacto ambiental
El agotamiento de los combustibles foacutesiles y el aumento en el costo del petroacuteleo es una preocupacioacuten creciente por la sustentabilidad a largo plazo de la industria del plaacutestico Factores como la economiacutea y las poliacuteticas gubernamentales actualmente limitan el crecimiento de la industria de los bioplaacutesticos
El estudio de los biopoliacutemeros es reciente y es necesario que se invierta en este campo de investigacioacuten para mejorar los procesos de produccioacuten y hacer a los bioplaacutesticos una alternativa viable en teacuterminos de consumo de energiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3
Hernaacutendez Zamudio Carmen Fabiola Miranda Rosales Rubeacuten Omar
Capacitores
En equipos eleacutectricos y electroacutenicos la energiacutea eleacutectrica usualmente es almacenada utilizando un par de conductores cargados separados por un aislante dicho dispositivo es llamado capacitor
Los capacitores son utilizados como almacenadores energeacuteticos de baja duracioacuten en casos donde es necesario almacenar y liberar energiacutea eleacutectrica raacutepidamente Son necesarios en la mayoriacutea de los aparatos electroacutenicos para su construccioacuten y funcionamiento
La diferencia potencial V a traveacutes de un capacitor siempre es directamente proporcional a la carga Q en cada uno de sus conductores A mayor carga mayor es el campo eleacutectrico entre el capacitor y por ello mayor es el potencial La relacioacuten entre Q y V es constante para cualquier capacitor y es conocida como capacitancia C
(1)
y sus unidades son los ldquoFaradrdquo abreviados por la letra F 1F= 1 coulombvolt
Figura 1 Diagrama de un Circuito C Tomada de Beiser
1991 pp 506 Figure 1712
La capacitancia de un par de conductores separados depende solamente en la geometriacutea la distancia entre eacutestos y la eleccioacuten del material aislante que se encuentre separaacutendolos
Los conductores en un capacitor deben ser metales ya que eacutestos pueden ser descritos como arreglos cristalinos de esferas duras con electrones libres movieacutendose a traveacutes de los intersticios del arreglo explicando asiacute la alta conductividad eleacutectrica que tienen estos arreglos
Los materiales dieleacutectricos son aislantes eleacutectricos que se utilizan principalmente en capacitores deben poseer Alta fuerza eleacutectrica por lo que deben de
ser haacutebiles a soportar altas diferencias de potencial sin degradarse y convertirse en conductores eleacutectricos y deben tener una baja peacuterdida dieleacutectrica lo cuaacutel significa que en un campo eleacutectrico alternante la peacuterdida de la energiacutea eleacutectrica que se disipa como calor deberaacute de ser miacutenima
Figura 2 Representacioacuten de la estructura de un capacitor
de placas paralelas Tomada de West 1984 pp 534 Figure 157
La aplicacioacuten de una diferencia de potencial a
traveacutes de un dieleacutectrico lleva a una polarizacioacuten de cargas dentro del material aunque el movimiento de largo alcance de los iones o electrones no puede ocurrir La polarizacioacuten desaparece cuando la diferencia de potencial es retirada Las propiedades dieleacutectricas pueden ser definidas por el comportamiento del material en un capacitor de placa paralela que consiste en un par de placas conductoras paralelas una de otra y separadas por una distancia d eacutesta es pequentildea comparada con las dimensiones lineales de las placas como se muestra en la Figura 2
Con un vaciacuteo en medio de las placas la capacitancia C0 estaacute definida como
(2) donde e0 es la permitividad del vaciacuteo y A es el aacuterea de las placas Al e0 ser constante la capacitancia depende uacutenicamente de las dimensiones del capacitor Aplicando una diferencia de potencial V en medio de las placas una cantidad de carga Q0 se almacena en ellas dada por
Q0=C0V (3)
Si una sustancia dieleacutectrica se coloca en medio
de las placas y se le aplica la misma diferencia de potencial la cantidad de carga almacenada aumentaraacute a
1
C1 La constante dieleacutectrica o permitividad relativa 120634rsquo del dieleacutectrico estaacute relacionada al incremento en la capacitancia por
(4)
La magnitud de 120634rsquo depende del grado de polarizacioacuten o desplazamiento de carga que puede ocurrir en el material Para el caso del aire 120634rsquo≃1 Para la mayoriacutea de los soacutelidos ioacutenicos 120634rsquo = 5 a 10 Para materiales ferroeleacutectricos como BaTiO3 120634rsquo=103 a 104
La polarizabilidad 120572 del dieleacutectrico estaacute definida por p=120572E donde p es el momento dipolar inducido por el campo eleacutectrico local E La polarizabilidad tiene cuatro posibles componentes y estaacuten dados por la siguiente suma
120572=120572 e+120572 i+120572 d+120572 s (5)
Estos cuatro componentes son los siguientes
La polarizabilidad electroacutenica 120572 e es causada por un pequentildeo desplazamiento de la nube electroacutenica cargada negativamente en un aacutetomo en relacioacuten con el nuacutecleo con carga positiva La polarizabilidad electroacutenica ocurre en todos los soacutelidos y en algunos como el diamante es la uacutenica contribuyente a la constante dieleacutectrica ya que las polarizabilidades ioacutenicas dipolares y de carga espacial estaacuten ausentes
La polarizabilidad ioacutenica 120572 i surge a partir de un pequentildeo desplazamiento o separacioacuten de los aniones y cationes en un soacutelido Es la fuente principal de la polarizacioacuten en los cristales ioacutenicos
La polarizabilidad dipolar 120572 d surge en materiales tales como HCl o H2O que contienen dipolos eleacutectricos permanentes Estos dipolos pueden cambiar su orientacioacuten y tienen a alinearse con un campo eleacutectrico aplicado El efecto es generalmente muy dependiente a la temperatura debido a que los dipolos pueden lsquoser congeladosrsquo a bajas temperaturas
La polarizabilidad de carga espacial 120572 s ocurre en materiales que no son dieleacutectricos perfectos pero en los que puede ocurrir una migracioacuten de carga de largo alcance En NaCl por ejemplo los cationes migran preferentemente hacia el electrodo negativo por medio de los defectos cristalinos tales como vacancias catioacutenicas por consiguiente una doble capa eleacutectrica se acumula en la interfase electrodo-NaCl Cuando dichos efectos son apreciables el material se considera mejor conductor o electrolito soacutelido que como dieleacutectrico Se pueden medir constantes dieleacutectricas aparentes de hasta 106 hasta 107
(correspondientes a capacitancias de doble capa de sim 10-6 F) pero estos valores no tienen importancia en el sentido dieleacutectrico convencional
La magnitud de 120572 usualmente decrece en el orden de 4 gt 3 gt 2 gt 1 aunque claramente no todos los materiales muestran todos los tipos de polarizacioacuten Experimentalmente las cuatro contribuciones a 120572 y 120634rsquo pueden ser separadas al marcar medidas sobre un amplio intervalo de frecuencias ac usando una combinacioacuten de puentes de capacitancia microondas y mediciones oacutepticas
En buenos materiales dieleacutectricos que no contienen contribuciones de polarizaciones 120572s y 120572d la permitividad de baja frecuencia limitante 120634rsquo0 estaacute compuesta principalmente por polarizaciones 120572i y Esta permitividad puede ser obtenida a partir de mediciones de puentes de capacitancia ac en los que el valor de la capacitancia es determinado con y sin la sustancia dieleacutectrica colocada entre las placas del capacitor o celda (ecuacioacuten 4) El valor de 120634rsquoinfin que contiene contribuciones 120572e soacutelo puede ser obtenido a partir de medidas del iacutendice de refraccioacuten (frecuencias de luz visible) utilizando la simple relacioacuten
n2=120634rsquoinfin (6)
Los valores de 120634rsquo0 y 120634rsquoinfin para NaCl que son
tiacutepicos en los cristales ioacutenicos son 562 y 232 respectivamente
El efecto de la capacitancia tiene una fuerte relacioacuten con los fenoacutemenos estructurales relacionados a cada componente de este dispositivo (capacitor) ya sea de forma macroscoacutepica como la distancia de separacioacuten entre los conductores y la forma que eacutestos tengan asiacute como a nivel atoacutemico por el tipo de arreglo e interacciones que definen al material dieleacutectrico y conductor BIBLIOGRAFIacuteA
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2
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
1
Introduccioacuten En las uacuteltimas deacutecadas la necesidad de encontrar fuentes alternas de energiacuteas limpias y renovables ha incrementado conforme las reservas de combustibles foacutesiles se han agotado Dentro de las energiacuteas alternas la solar se encuentra en el centro Las celdas solares basadas en materiales inorgaacutenicos se han mostrado indispensables en las uacuteltimas deacutecadas como una alternativa a las energiacuteas foacutesiles sin embargo sus altos costos han prevenido un uso amplio y general de estas El uso de materiales orgaacutenicos en la fabricacioacuten de fotoceldas provee una alternativa econoacutemica a esta tecnologiacutea
iquestQueacute es una celda solar Una celda solar convencional consta de dos capas de material semiconductor una positiva (tipo p) y una negativa (tipo n) que se intercalan para formar una juntura pn Cuando el semiconductor estaacute expuesto a la luz la energiacutea (hν) de los fotones incidentes que excedan el umbral de energiacutea (band gap) es absorbida por los electrones del semiconductor que tienen acceso a la banda de conduccioacuten empezando a conducir la electricidad
Imagen 1 Dibujo de OLED y OPV
iquestCoacutemo funcionan Operacioacuten baacutesica de una OPV (organic photovoltaic) y OLED (organic
light emitting diodes)
Con materiales orgaacutenicos se observan dos fenoacutemenos la electroluminiscencia y el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia es el proceso eleacutectrico-oacuteptico mediante el cual un material puede producir luz a partir de la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica (electricidad) por otro lado estaacute la existencia de la electroluminiscencia esto es el proceso para producir electricidad a partir de la absorcioacuten de luz es el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia principio caracteriacutestico para los OLEDs se basa en
la inyeccioacuten de huecos libres (cargas eleacutectricas positivas) y electrones (cargas negativas) desde los electrodos hacia la peliacutecula orgaacutenica Estos huecos y electrones se unen en dicha peliacutecula para formar un excitoacuten que al recombinarse permite la generacioacuten de luz Por otra parte en un OPV se tiene una coleccioacuten de carga que es absorbida por la materia orgaacutenica creando asiacute una disociacioacuten en esta Al ldquoromperrdquo estos excitones (huecos libres y electrones) se crea una diferencia de potencial cuando cada carga viaja al caacutetodo o aacutenodo siendo eacutesta ejemplo de la electroluminiscencia
Imagen 2 Movimiento de electrones en una celda
Aacutenodo de la celda orgaacutenica El aacutenodo tiacutepicamente es un oacutexido metaacutelico transparente que permite el movimiento de n-electrones en la capa son muy efectivos para la confinacioacuten de excitones ya que los huecos que tiene en su estructura permiten la deposicioacuten de ellos ya que son selectivos por eacutesta misma razoacuten se dopan estos oacutexidos Existen muchos oacutexidos que funcionan como aacutenodos eacutestos son algunos ITO PEDOT-PSS NiO V2O5 MoO3 AZO etc Se presentan como peliacuteculas delgadas transparentes
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
2
Imagen 3 Presentacioacuten de ITO
Dependiendo del oacutexido y del dopaje seraacute la energiacutea necesaria para exceder el umbral de energiacutea (bang gap) lo que otorga diferente tipo de combinaciones entre semiconductor-n y poliacutemero diferenciando asiacute el tipo de celda En cambio muchos de estos aacutenodos son levemente reactivos con el poliacutemero orgaacutenico Por ejemplo el ITO al ser un oacutexido de indio-estantildeo existe una difusioacuten de indio al poliacutemero contaminando y afectando la eficiencia de la celda Otro ejemplo importante es el AZO eacuteste es oacutexido de zincaluminio metaacutelico tiene una buena eficiencia pero al ser muy rugoso en su superficie no permite la deposicioacuten buena del poliacutemero ademaacutes de ser inestable en medio aacutecido
Graacutefica 1 Comparativa de aacutenodos y sus bandas de
absorcioacuten
Caacutetodo de la celda orgaacutenica Por otro lado no puede existir un aacutenodo sin un caacutetodo En el caso de las celdas solares orgaacutenicas de manera general los caacutetodos estaacuten constituidos de una capa simple o doble de un metal eacuteste metal dependeraacute de la cantidad de energiacutea que se guarde que en este caso son electrones El tipo de metal utilizado dependeraacute de la funcioacuten que se necesite en caso de metales no ferrosos en la recoleccioacuten de electrones y materiales ferrosos para la aportacioacuten de huecos Algunos ejemplos de metales que son reportados en la literatura son Ag Au Cu In Cr Ca etc Por lo regular en las celdas solares orgaacutenicas son fabricadas con metales no ferrosos como calcio y aluminio (eacuteste uacuteltimo es el maacutes utilizado ya que ademaacutes de ser un metal no ferroso es resistente a la corrosioacuten haciendo una celda eficiente y duradera) Referencias
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Boca Ratoacuten F (2005) Organic photovoltaics mechanism materials and devices (1ra)
Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
Bibliografiacutea
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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matrices Oxford Clarendon Press
Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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3 P Dineva et al Dynamic Fracture of Piezoelectric Materials
4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
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M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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-
Bateriacuteas de litio Robles Aguilera Joseacute Antonio
Robles Cruz Marlene
Ilustracioacuten3 Representacioacuten bidimensional
de la estructura tipo olivino En el caso del
ferrofosfato de litio las figuras verdes
representan el poliedro de coordinacioacuten del
hierro las azules el del foacutesforo y las rosas
el del litio
El ferrofosfato de litio se encuentra en la
naturaleza bajo el nombre de trifilita
presenta una estructura tipo olivino se
considera ortorroacutembica y perteneciente al
grupo espacial Pnma en la cual el oxiacutegeno
forma un arreglo hexagonal compacto con
la mitad de los huecos octaeacutedricos ocupados
por hierro y un octavo de los huecos
tetraeacutedricos ocupados por el foacutesforo tal
forma que los tetraedros y octaedros
comparten sus veacutertices que son los
oxiacutegenos pero los tetraedros de fosfato no
se tocan entre ellos aunque comparten
aristas con los octaedros del hierro
mientras el litio se acomoda en los espacios
vaciacuteos formando canales que apenas y
cambian la estructura del material sin el
litio Una descripcioacuten maacutes clara de esto se
observa en la ilustracioacuten 4 que es una
representacioacuten de la celda unitaria de este
material
Ilustracioacuten 5 Celda unitaria del arreglo de litio
en el ferrofosfato de litio donde las esferas
aguamarina representan al litio las verdes al
oacutexigeno las amarillas al hierro y las azules al
foacutesforo
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Ilustracioacuten 4
BIOPOLIacuteMEROS UNA ALTERNATIVA SUSTENTABLE Loacutepez Peacuterez Emilia Santillaacuten Cabrera Jairo Getsemani
En los uacuteltimos antildeos se ha dado un incremento en el costo del petroacuteleo las reservas petroliacuteferas a nivel mundial disminuyen y los problemas medioambientales cada vez son maacutes Todo eacutesto ha generado la necesidad de buscar nuevas alternativas para la generacioacuten de materiales sustentables biopoliacutemeros
POLIacuteMEROS Una poliacutemero se construye a partir de pequentildeos bloques de construccioacuten maacutes o menos ideacutenticos llamados monoacutemeros que se unen de forma covalente para formar una moleacutecula enorme de largas cadenas que adoptan diversas formas
IMAGEN 1 POLIMERIZACIOacuteN DEL ETILENO AL POLIESTIRENO Polymer Structure ndash Recuperado de httpswwwnde-
edorgEducationresourcesCommunitycollegeMaterialsStructurePolymerHtm
BIOPOLIacuteMEROS No hay una definicioacuten clara sobre que es un biopoliacutemero pues teacuterminos como biopoliacutemeros bioplaacutesticos y plaacutesticos biodegradables se emplean como sinoacutenimos sin embargo cada uno tiene un significado uacutenico
Un plaacutestico biodegradable es aquel que se degrada debido a la accioacuten de organismos vivos Un bioplaacutestico se puede definir como un poliacutemero que se fabrica a partir de una fuente natural o un recurso renovable Un bioplaacutestico puede ser biodegradable sin embargo un plaacutestico biodegradable no necesariamente fue producido a partir de materiales derivados de una fuente bioloacutegica (tales como la policaprolactona y el polibutileno succinato)
La biodegradabilidad de un poliacutemero significa que su estructura quiacutemica puede ser metabolizada por microorganismos y hongos y convertida en segmentos de poliacutemero maacutes cortos
IMAGEN 2 CICLO DE SIacuteNTESIS Y DEGRADACIOacuteN DEL AacuteCIDO POLILAacuteCTICO
Los biopoliacutemeros son un tipo de poliacutemero compuesto principalmente de unidades repetitivas que contienen carbono que se originan en organismos vivos Eacutestos incluyen aquellos
bull Extraiacutedos de biomasa Proteiacutenas polisacaacuteridos liacutepidos
bull Producidos por microorganismos Polihidroxialcanoatos
bull Siacutentetizados a partir de monoacutemeros renovables Polilaacutectos y otros polieacutesteres
Los poliacutemeros utilizados en aplicaciones biomeacutedicas como productos farmaceacuteuticos e implantes reabsorbibles se clasifican como biopoliacutemeros debido a su uso en sistemas bioloacutegicos
MEZCLAS DE BIOPOLIacuteMEROS Y BIOCOMPUESTOS Un biopoliacutemero se puede mezclar con otro biopoliacutemero con un poliacutemero sinteacutetico biodegradable o con un poliacutemero sinteacutetico no degradable Tambieacuten se pueden combinar con diferentes materiales de refuerzo como partiacuteculas minerales o fibras naturales Un ejemplo son los cauchos naturales que generalmente se combinan con diversos rellenos inorgaacutenicos antioxidantes pigmentos para hacerlos maacutes uacutetiles
Los biopoliacutemeros se caracterizan por costos relativamente bajos sin embargo muchas veces muestran propiedades mecaacutenicas bastante insatisfactorias (pe las propiedades de traccioacuten en el almidoacuten termoplaacutestico) En este sentido la mezcla de biopoliacutemeros con poliacutemeros sinteacuteticos (pe polieacuteteres) es la ruta maacutes comuacuten para la produccioacuten de
bioplaacutesticos La mezcla es una estrategia uacutetil para modificar las propiedades de los materiales para aplicaciones especiacuteficas y superar algunas desventajas
Un ejemplo son las mezclas poliacutemeros biodegradables de aacutecido polilaacutectico (PLA) y polietilenglico (PEG) (Imagen 3)
El aacutecido polilaacutectico (PLA) es un biopoliacutemero que se produce a partir de recursos renovables En los ultimos antildeos se ha convertido en un material uacutetil especialmente en aplicaciones de empaquetado debido a su transparencia y propiedades moderadas de barrera Sin embargo la produccioacuten de materiales de empaquetado es difiacutecil de llevar a cabo debido a la fragilidad y la baja resistencia a la fusioacuten del PLA
IMAGEN 3 PEG-PLA (POLIETILENGLICOL-BLOQUE-AacuteCIDO POLILAacuteCTICO)
PLAPEG Aacutecido Polilaacutectico ndash Recuperado de httpswwwcreativepegworkscomproduct_listphpcid=11amppid=2ampsid=120
Al plastificar PLA con PEG se puede producir un material maacutes flexible con diferentes propiedades mecaacutenicas y reoloacutegicas Es posible reducir la temperatura de transicioacuten viacutetrea aumentar la resistencia al impacto y modificar las propiedades de cristalizacioacuten
Por otra parte un biocompuesto es un material compuesto por dos o maacutes materiales constituyentes distintos que se combinan para producir un nuevo material con un rendimiento mejorado Los constituyentes son la matriz y el componente de refuerzo El componente de refuerzo es el elemento primario portador de carga que puede estar en forma de fibras partiacuteculas y laacutemina La matriz estaacute formada por poliacutemeros sirve para unir los componentes de refuerzo y proporcionar soporte mecaacutenico
Un biocompuesto frecuentemente estudiado es el compuesto de un biopoliacutemero reforzado con fibra natural la cual agrega fuerza a la matriz biopolimeacuterica maacutes deacutebil
Actualmente se estaacuten llevando a cabo investigaciones para incrustar nanopartiacuteculas o partiacuteculas tales como silicatos estratificados nanotubos de carbono hidroxiapaptita celulosa y talco en bioplaacutesticos
Al introducir siacutelice piroacutegena y arcilla a una matriz de PLA se ven mejoradas las propiedades de traccioacuten y flexioacuten Eacuteste biocompuesto posee una temperatura elevada de distorsioacuten teacutermica mejores propiedades de barrera y biodegradacioacuten acelerada
IMAGEN 4 FORMACIOacuteN DE NANOCOMPUESTOS DE PLAFSARCILLA
Recuperado de HTTPDXDOIORG1011552015698738
Los biopoliacutemeros las mezclas bioplaacutesticas y los biocompuestos tienen potencial para ser una solucioacuten ecoloacutegica en el futuro eacutel cual se basa en su capacidad para disminuir las emisiones de CO2 producir un material que sea sustentable sin petroacuteleo y reducir el impacto ambiental
El agotamiento de los combustibles foacutesiles y el aumento en el costo del petroacuteleo es una preocupacioacuten creciente por la sustentabilidad a largo plazo de la industria del plaacutestico Factores como la economiacutea y las poliacuteticas gubernamentales actualmente limitan el crecimiento de la industria de los bioplaacutesticos
El estudio de los biopoliacutemeros es reciente y es necesario que se invierta en este campo de investigacioacuten para mejorar los procesos de produccioacuten y hacer a los bioplaacutesticos una alternativa viable en teacuterminos de consumo de energiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3
Hernaacutendez Zamudio Carmen Fabiola Miranda Rosales Rubeacuten Omar
Capacitores
En equipos eleacutectricos y electroacutenicos la energiacutea eleacutectrica usualmente es almacenada utilizando un par de conductores cargados separados por un aislante dicho dispositivo es llamado capacitor
Los capacitores son utilizados como almacenadores energeacuteticos de baja duracioacuten en casos donde es necesario almacenar y liberar energiacutea eleacutectrica raacutepidamente Son necesarios en la mayoriacutea de los aparatos electroacutenicos para su construccioacuten y funcionamiento
La diferencia potencial V a traveacutes de un capacitor siempre es directamente proporcional a la carga Q en cada uno de sus conductores A mayor carga mayor es el campo eleacutectrico entre el capacitor y por ello mayor es el potencial La relacioacuten entre Q y V es constante para cualquier capacitor y es conocida como capacitancia C
(1)
y sus unidades son los ldquoFaradrdquo abreviados por la letra F 1F= 1 coulombvolt
Figura 1 Diagrama de un Circuito C Tomada de Beiser
1991 pp 506 Figure 1712
La capacitancia de un par de conductores separados depende solamente en la geometriacutea la distancia entre eacutestos y la eleccioacuten del material aislante que se encuentre separaacutendolos
Los conductores en un capacitor deben ser metales ya que eacutestos pueden ser descritos como arreglos cristalinos de esferas duras con electrones libres movieacutendose a traveacutes de los intersticios del arreglo explicando asiacute la alta conductividad eleacutectrica que tienen estos arreglos
Los materiales dieleacutectricos son aislantes eleacutectricos que se utilizan principalmente en capacitores deben poseer Alta fuerza eleacutectrica por lo que deben de
ser haacutebiles a soportar altas diferencias de potencial sin degradarse y convertirse en conductores eleacutectricos y deben tener una baja peacuterdida dieleacutectrica lo cuaacutel significa que en un campo eleacutectrico alternante la peacuterdida de la energiacutea eleacutectrica que se disipa como calor deberaacute de ser miacutenima
Figura 2 Representacioacuten de la estructura de un capacitor
de placas paralelas Tomada de West 1984 pp 534 Figure 157
La aplicacioacuten de una diferencia de potencial a
traveacutes de un dieleacutectrico lleva a una polarizacioacuten de cargas dentro del material aunque el movimiento de largo alcance de los iones o electrones no puede ocurrir La polarizacioacuten desaparece cuando la diferencia de potencial es retirada Las propiedades dieleacutectricas pueden ser definidas por el comportamiento del material en un capacitor de placa paralela que consiste en un par de placas conductoras paralelas una de otra y separadas por una distancia d eacutesta es pequentildea comparada con las dimensiones lineales de las placas como se muestra en la Figura 2
Con un vaciacuteo en medio de las placas la capacitancia C0 estaacute definida como
(2) donde e0 es la permitividad del vaciacuteo y A es el aacuterea de las placas Al e0 ser constante la capacitancia depende uacutenicamente de las dimensiones del capacitor Aplicando una diferencia de potencial V en medio de las placas una cantidad de carga Q0 se almacena en ellas dada por
Q0=C0V (3)
Si una sustancia dieleacutectrica se coloca en medio
de las placas y se le aplica la misma diferencia de potencial la cantidad de carga almacenada aumentaraacute a
1
C1 La constante dieleacutectrica o permitividad relativa 120634rsquo del dieleacutectrico estaacute relacionada al incremento en la capacitancia por
(4)
La magnitud de 120634rsquo depende del grado de polarizacioacuten o desplazamiento de carga que puede ocurrir en el material Para el caso del aire 120634rsquo≃1 Para la mayoriacutea de los soacutelidos ioacutenicos 120634rsquo = 5 a 10 Para materiales ferroeleacutectricos como BaTiO3 120634rsquo=103 a 104
La polarizabilidad 120572 del dieleacutectrico estaacute definida por p=120572E donde p es el momento dipolar inducido por el campo eleacutectrico local E La polarizabilidad tiene cuatro posibles componentes y estaacuten dados por la siguiente suma
120572=120572 e+120572 i+120572 d+120572 s (5)
Estos cuatro componentes son los siguientes
La polarizabilidad electroacutenica 120572 e es causada por un pequentildeo desplazamiento de la nube electroacutenica cargada negativamente en un aacutetomo en relacioacuten con el nuacutecleo con carga positiva La polarizabilidad electroacutenica ocurre en todos los soacutelidos y en algunos como el diamante es la uacutenica contribuyente a la constante dieleacutectrica ya que las polarizabilidades ioacutenicas dipolares y de carga espacial estaacuten ausentes
La polarizabilidad ioacutenica 120572 i surge a partir de un pequentildeo desplazamiento o separacioacuten de los aniones y cationes en un soacutelido Es la fuente principal de la polarizacioacuten en los cristales ioacutenicos
La polarizabilidad dipolar 120572 d surge en materiales tales como HCl o H2O que contienen dipolos eleacutectricos permanentes Estos dipolos pueden cambiar su orientacioacuten y tienen a alinearse con un campo eleacutectrico aplicado El efecto es generalmente muy dependiente a la temperatura debido a que los dipolos pueden lsquoser congeladosrsquo a bajas temperaturas
La polarizabilidad de carga espacial 120572 s ocurre en materiales que no son dieleacutectricos perfectos pero en los que puede ocurrir una migracioacuten de carga de largo alcance En NaCl por ejemplo los cationes migran preferentemente hacia el electrodo negativo por medio de los defectos cristalinos tales como vacancias catioacutenicas por consiguiente una doble capa eleacutectrica se acumula en la interfase electrodo-NaCl Cuando dichos efectos son apreciables el material se considera mejor conductor o electrolito soacutelido que como dieleacutectrico Se pueden medir constantes dieleacutectricas aparentes de hasta 106 hasta 107
(correspondientes a capacitancias de doble capa de sim 10-6 F) pero estos valores no tienen importancia en el sentido dieleacutectrico convencional
La magnitud de 120572 usualmente decrece en el orden de 4 gt 3 gt 2 gt 1 aunque claramente no todos los materiales muestran todos los tipos de polarizacioacuten Experimentalmente las cuatro contribuciones a 120572 y 120634rsquo pueden ser separadas al marcar medidas sobre un amplio intervalo de frecuencias ac usando una combinacioacuten de puentes de capacitancia microondas y mediciones oacutepticas
En buenos materiales dieleacutectricos que no contienen contribuciones de polarizaciones 120572s y 120572d la permitividad de baja frecuencia limitante 120634rsquo0 estaacute compuesta principalmente por polarizaciones 120572i y Esta permitividad puede ser obtenida a partir de mediciones de puentes de capacitancia ac en los que el valor de la capacitancia es determinado con y sin la sustancia dieleacutectrica colocada entre las placas del capacitor o celda (ecuacioacuten 4) El valor de 120634rsquoinfin que contiene contribuciones 120572e soacutelo puede ser obtenido a partir de medidas del iacutendice de refraccioacuten (frecuencias de luz visible) utilizando la simple relacioacuten
n2=120634rsquoinfin (6)
Los valores de 120634rsquo0 y 120634rsquoinfin para NaCl que son
tiacutepicos en los cristales ioacutenicos son 562 y 232 respectivamente
El efecto de la capacitancia tiene una fuerte relacioacuten con los fenoacutemenos estructurales relacionados a cada componente de este dispositivo (capacitor) ya sea de forma macroscoacutepica como la distancia de separacioacuten entre los conductores y la forma que eacutestos tengan asiacute como a nivel atoacutemico por el tipo de arreglo e interacciones que definen al material dieleacutectrico y conductor BIBLIOGRAFIacuteA
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2
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
1
Introduccioacuten En las uacuteltimas deacutecadas la necesidad de encontrar fuentes alternas de energiacuteas limpias y renovables ha incrementado conforme las reservas de combustibles foacutesiles se han agotado Dentro de las energiacuteas alternas la solar se encuentra en el centro Las celdas solares basadas en materiales inorgaacutenicos se han mostrado indispensables en las uacuteltimas deacutecadas como una alternativa a las energiacuteas foacutesiles sin embargo sus altos costos han prevenido un uso amplio y general de estas El uso de materiales orgaacutenicos en la fabricacioacuten de fotoceldas provee una alternativa econoacutemica a esta tecnologiacutea
iquestQueacute es una celda solar Una celda solar convencional consta de dos capas de material semiconductor una positiva (tipo p) y una negativa (tipo n) que se intercalan para formar una juntura pn Cuando el semiconductor estaacute expuesto a la luz la energiacutea (hν) de los fotones incidentes que excedan el umbral de energiacutea (band gap) es absorbida por los electrones del semiconductor que tienen acceso a la banda de conduccioacuten empezando a conducir la electricidad
Imagen 1 Dibujo de OLED y OPV
iquestCoacutemo funcionan Operacioacuten baacutesica de una OPV (organic photovoltaic) y OLED (organic
light emitting diodes)
Con materiales orgaacutenicos se observan dos fenoacutemenos la electroluminiscencia y el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia es el proceso eleacutectrico-oacuteptico mediante el cual un material puede producir luz a partir de la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica (electricidad) por otro lado estaacute la existencia de la electroluminiscencia esto es el proceso para producir electricidad a partir de la absorcioacuten de luz es el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia principio caracteriacutestico para los OLEDs se basa en
la inyeccioacuten de huecos libres (cargas eleacutectricas positivas) y electrones (cargas negativas) desde los electrodos hacia la peliacutecula orgaacutenica Estos huecos y electrones se unen en dicha peliacutecula para formar un excitoacuten que al recombinarse permite la generacioacuten de luz Por otra parte en un OPV se tiene una coleccioacuten de carga que es absorbida por la materia orgaacutenica creando asiacute una disociacioacuten en esta Al ldquoromperrdquo estos excitones (huecos libres y electrones) se crea una diferencia de potencial cuando cada carga viaja al caacutetodo o aacutenodo siendo eacutesta ejemplo de la electroluminiscencia
Imagen 2 Movimiento de electrones en una celda
Aacutenodo de la celda orgaacutenica El aacutenodo tiacutepicamente es un oacutexido metaacutelico transparente que permite el movimiento de n-electrones en la capa son muy efectivos para la confinacioacuten de excitones ya que los huecos que tiene en su estructura permiten la deposicioacuten de ellos ya que son selectivos por eacutesta misma razoacuten se dopan estos oacutexidos Existen muchos oacutexidos que funcionan como aacutenodos eacutestos son algunos ITO PEDOT-PSS NiO V2O5 MoO3 AZO etc Se presentan como peliacuteculas delgadas transparentes
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
2
Imagen 3 Presentacioacuten de ITO
Dependiendo del oacutexido y del dopaje seraacute la energiacutea necesaria para exceder el umbral de energiacutea (bang gap) lo que otorga diferente tipo de combinaciones entre semiconductor-n y poliacutemero diferenciando asiacute el tipo de celda En cambio muchos de estos aacutenodos son levemente reactivos con el poliacutemero orgaacutenico Por ejemplo el ITO al ser un oacutexido de indio-estantildeo existe una difusioacuten de indio al poliacutemero contaminando y afectando la eficiencia de la celda Otro ejemplo importante es el AZO eacuteste es oacutexido de zincaluminio metaacutelico tiene una buena eficiencia pero al ser muy rugoso en su superficie no permite la deposicioacuten buena del poliacutemero ademaacutes de ser inestable en medio aacutecido
Graacutefica 1 Comparativa de aacutenodos y sus bandas de
absorcioacuten
Caacutetodo de la celda orgaacutenica Por otro lado no puede existir un aacutenodo sin un caacutetodo En el caso de las celdas solares orgaacutenicas de manera general los caacutetodos estaacuten constituidos de una capa simple o doble de un metal eacuteste metal dependeraacute de la cantidad de energiacutea que se guarde que en este caso son electrones El tipo de metal utilizado dependeraacute de la funcioacuten que se necesite en caso de metales no ferrosos en la recoleccioacuten de electrones y materiales ferrosos para la aportacioacuten de huecos Algunos ejemplos de metales que son reportados en la literatura son Ag Au Cu In Cr Ca etc Por lo regular en las celdas solares orgaacutenicas son fabricadas con metales no ferrosos como calcio y aluminio (eacuteste uacuteltimo es el maacutes utilizado ya que ademaacutes de ser un metal no ferroso es resistente a la corrosioacuten haciendo una celda eficiente y duradera) Referencias
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Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
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Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
bull Velaacutezquez C En busca de los cuasicristales
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bull Delgado A J A (2011) Los cuasicristales un
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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-
BIOPOLIacuteMEROS UNA ALTERNATIVA SUSTENTABLE Loacutepez Peacuterez Emilia Santillaacuten Cabrera Jairo Getsemani
En los uacuteltimos antildeos se ha dado un incremento en el costo del petroacuteleo las reservas petroliacuteferas a nivel mundial disminuyen y los problemas medioambientales cada vez son maacutes Todo eacutesto ha generado la necesidad de buscar nuevas alternativas para la generacioacuten de materiales sustentables biopoliacutemeros
POLIacuteMEROS Una poliacutemero se construye a partir de pequentildeos bloques de construccioacuten maacutes o menos ideacutenticos llamados monoacutemeros que se unen de forma covalente para formar una moleacutecula enorme de largas cadenas que adoptan diversas formas
IMAGEN 1 POLIMERIZACIOacuteN DEL ETILENO AL POLIESTIRENO Polymer Structure ndash Recuperado de httpswwwnde-
edorgEducationresourcesCommunitycollegeMaterialsStructurePolymerHtm
BIOPOLIacuteMEROS No hay una definicioacuten clara sobre que es un biopoliacutemero pues teacuterminos como biopoliacutemeros bioplaacutesticos y plaacutesticos biodegradables se emplean como sinoacutenimos sin embargo cada uno tiene un significado uacutenico
Un plaacutestico biodegradable es aquel que se degrada debido a la accioacuten de organismos vivos Un bioplaacutestico se puede definir como un poliacutemero que se fabrica a partir de una fuente natural o un recurso renovable Un bioplaacutestico puede ser biodegradable sin embargo un plaacutestico biodegradable no necesariamente fue producido a partir de materiales derivados de una fuente bioloacutegica (tales como la policaprolactona y el polibutileno succinato)
La biodegradabilidad de un poliacutemero significa que su estructura quiacutemica puede ser metabolizada por microorganismos y hongos y convertida en segmentos de poliacutemero maacutes cortos
IMAGEN 2 CICLO DE SIacuteNTESIS Y DEGRADACIOacuteN DEL AacuteCIDO POLILAacuteCTICO
Los biopoliacutemeros son un tipo de poliacutemero compuesto principalmente de unidades repetitivas que contienen carbono que se originan en organismos vivos Eacutestos incluyen aquellos
bull Extraiacutedos de biomasa Proteiacutenas polisacaacuteridos liacutepidos
bull Producidos por microorganismos Polihidroxialcanoatos
bull Siacutentetizados a partir de monoacutemeros renovables Polilaacutectos y otros polieacutesteres
Los poliacutemeros utilizados en aplicaciones biomeacutedicas como productos farmaceacuteuticos e implantes reabsorbibles se clasifican como biopoliacutemeros debido a su uso en sistemas bioloacutegicos
MEZCLAS DE BIOPOLIacuteMEROS Y BIOCOMPUESTOS Un biopoliacutemero se puede mezclar con otro biopoliacutemero con un poliacutemero sinteacutetico biodegradable o con un poliacutemero sinteacutetico no degradable Tambieacuten se pueden combinar con diferentes materiales de refuerzo como partiacuteculas minerales o fibras naturales Un ejemplo son los cauchos naturales que generalmente se combinan con diversos rellenos inorgaacutenicos antioxidantes pigmentos para hacerlos maacutes uacutetiles
Los biopoliacutemeros se caracterizan por costos relativamente bajos sin embargo muchas veces muestran propiedades mecaacutenicas bastante insatisfactorias (pe las propiedades de traccioacuten en el almidoacuten termoplaacutestico) En este sentido la mezcla de biopoliacutemeros con poliacutemeros sinteacuteticos (pe polieacuteteres) es la ruta maacutes comuacuten para la produccioacuten de
bioplaacutesticos La mezcla es una estrategia uacutetil para modificar las propiedades de los materiales para aplicaciones especiacuteficas y superar algunas desventajas
Un ejemplo son las mezclas poliacutemeros biodegradables de aacutecido polilaacutectico (PLA) y polietilenglico (PEG) (Imagen 3)
El aacutecido polilaacutectico (PLA) es un biopoliacutemero que se produce a partir de recursos renovables En los ultimos antildeos se ha convertido en un material uacutetil especialmente en aplicaciones de empaquetado debido a su transparencia y propiedades moderadas de barrera Sin embargo la produccioacuten de materiales de empaquetado es difiacutecil de llevar a cabo debido a la fragilidad y la baja resistencia a la fusioacuten del PLA
IMAGEN 3 PEG-PLA (POLIETILENGLICOL-BLOQUE-AacuteCIDO POLILAacuteCTICO)
PLAPEG Aacutecido Polilaacutectico ndash Recuperado de httpswwwcreativepegworkscomproduct_listphpcid=11amppid=2ampsid=120
Al plastificar PLA con PEG se puede producir un material maacutes flexible con diferentes propiedades mecaacutenicas y reoloacutegicas Es posible reducir la temperatura de transicioacuten viacutetrea aumentar la resistencia al impacto y modificar las propiedades de cristalizacioacuten
Por otra parte un biocompuesto es un material compuesto por dos o maacutes materiales constituyentes distintos que se combinan para producir un nuevo material con un rendimiento mejorado Los constituyentes son la matriz y el componente de refuerzo El componente de refuerzo es el elemento primario portador de carga que puede estar en forma de fibras partiacuteculas y laacutemina La matriz estaacute formada por poliacutemeros sirve para unir los componentes de refuerzo y proporcionar soporte mecaacutenico
Un biocompuesto frecuentemente estudiado es el compuesto de un biopoliacutemero reforzado con fibra natural la cual agrega fuerza a la matriz biopolimeacuterica maacutes deacutebil
Actualmente se estaacuten llevando a cabo investigaciones para incrustar nanopartiacuteculas o partiacuteculas tales como silicatos estratificados nanotubos de carbono hidroxiapaptita celulosa y talco en bioplaacutesticos
Al introducir siacutelice piroacutegena y arcilla a una matriz de PLA se ven mejoradas las propiedades de traccioacuten y flexioacuten Eacuteste biocompuesto posee una temperatura elevada de distorsioacuten teacutermica mejores propiedades de barrera y biodegradacioacuten acelerada
IMAGEN 4 FORMACIOacuteN DE NANOCOMPUESTOS DE PLAFSARCILLA
Recuperado de HTTPDXDOIORG1011552015698738
Los biopoliacutemeros las mezclas bioplaacutesticas y los biocompuestos tienen potencial para ser una solucioacuten ecoloacutegica en el futuro eacutel cual se basa en su capacidad para disminuir las emisiones de CO2 producir un material que sea sustentable sin petroacuteleo y reducir el impacto ambiental
El agotamiento de los combustibles foacutesiles y el aumento en el costo del petroacuteleo es una preocupacioacuten creciente por la sustentabilidad a largo plazo de la industria del plaacutestico Factores como la economiacutea y las poliacuteticas gubernamentales actualmente limitan el crecimiento de la industria de los bioplaacutesticos
El estudio de los biopoliacutemeros es reciente y es necesario que se invierta en este campo de investigacioacuten para mejorar los procesos de produccioacuten y hacer a los bioplaacutesticos una alternativa viable en teacuterminos de consumo de energiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3
Hernaacutendez Zamudio Carmen Fabiola Miranda Rosales Rubeacuten Omar
Capacitores
En equipos eleacutectricos y electroacutenicos la energiacutea eleacutectrica usualmente es almacenada utilizando un par de conductores cargados separados por un aislante dicho dispositivo es llamado capacitor
Los capacitores son utilizados como almacenadores energeacuteticos de baja duracioacuten en casos donde es necesario almacenar y liberar energiacutea eleacutectrica raacutepidamente Son necesarios en la mayoriacutea de los aparatos electroacutenicos para su construccioacuten y funcionamiento
La diferencia potencial V a traveacutes de un capacitor siempre es directamente proporcional a la carga Q en cada uno de sus conductores A mayor carga mayor es el campo eleacutectrico entre el capacitor y por ello mayor es el potencial La relacioacuten entre Q y V es constante para cualquier capacitor y es conocida como capacitancia C
(1)
y sus unidades son los ldquoFaradrdquo abreviados por la letra F 1F= 1 coulombvolt
Figura 1 Diagrama de un Circuito C Tomada de Beiser
1991 pp 506 Figure 1712
La capacitancia de un par de conductores separados depende solamente en la geometriacutea la distancia entre eacutestos y la eleccioacuten del material aislante que se encuentre separaacutendolos
Los conductores en un capacitor deben ser metales ya que eacutestos pueden ser descritos como arreglos cristalinos de esferas duras con electrones libres movieacutendose a traveacutes de los intersticios del arreglo explicando asiacute la alta conductividad eleacutectrica que tienen estos arreglos
Los materiales dieleacutectricos son aislantes eleacutectricos que se utilizan principalmente en capacitores deben poseer Alta fuerza eleacutectrica por lo que deben de
ser haacutebiles a soportar altas diferencias de potencial sin degradarse y convertirse en conductores eleacutectricos y deben tener una baja peacuterdida dieleacutectrica lo cuaacutel significa que en un campo eleacutectrico alternante la peacuterdida de la energiacutea eleacutectrica que se disipa como calor deberaacute de ser miacutenima
Figura 2 Representacioacuten de la estructura de un capacitor
de placas paralelas Tomada de West 1984 pp 534 Figure 157
La aplicacioacuten de una diferencia de potencial a
traveacutes de un dieleacutectrico lleva a una polarizacioacuten de cargas dentro del material aunque el movimiento de largo alcance de los iones o electrones no puede ocurrir La polarizacioacuten desaparece cuando la diferencia de potencial es retirada Las propiedades dieleacutectricas pueden ser definidas por el comportamiento del material en un capacitor de placa paralela que consiste en un par de placas conductoras paralelas una de otra y separadas por una distancia d eacutesta es pequentildea comparada con las dimensiones lineales de las placas como se muestra en la Figura 2
Con un vaciacuteo en medio de las placas la capacitancia C0 estaacute definida como
(2) donde e0 es la permitividad del vaciacuteo y A es el aacuterea de las placas Al e0 ser constante la capacitancia depende uacutenicamente de las dimensiones del capacitor Aplicando una diferencia de potencial V en medio de las placas una cantidad de carga Q0 se almacena en ellas dada por
Q0=C0V (3)
Si una sustancia dieleacutectrica se coloca en medio
de las placas y se le aplica la misma diferencia de potencial la cantidad de carga almacenada aumentaraacute a
1
C1 La constante dieleacutectrica o permitividad relativa 120634rsquo del dieleacutectrico estaacute relacionada al incremento en la capacitancia por
(4)
La magnitud de 120634rsquo depende del grado de polarizacioacuten o desplazamiento de carga que puede ocurrir en el material Para el caso del aire 120634rsquo≃1 Para la mayoriacutea de los soacutelidos ioacutenicos 120634rsquo = 5 a 10 Para materiales ferroeleacutectricos como BaTiO3 120634rsquo=103 a 104
La polarizabilidad 120572 del dieleacutectrico estaacute definida por p=120572E donde p es el momento dipolar inducido por el campo eleacutectrico local E La polarizabilidad tiene cuatro posibles componentes y estaacuten dados por la siguiente suma
120572=120572 e+120572 i+120572 d+120572 s (5)
Estos cuatro componentes son los siguientes
La polarizabilidad electroacutenica 120572 e es causada por un pequentildeo desplazamiento de la nube electroacutenica cargada negativamente en un aacutetomo en relacioacuten con el nuacutecleo con carga positiva La polarizabilidad electroacutenica ocurre en todos los soacutelidos y en algunos como el diamante es la uacutenica contribuyente a la constante dieleacutectrica ya que las polarizabilidades ioacutenicas dipolares y de carga espacial estaacuten ausentes
La polarizabilidad ioacutenica 120572 i surge a partir de un pequentildeo desplazamiento o separacioacuten de los aniones y cationes en un soacutelido Es la fuente principal de la polarizacioacuten en los cristales ioacutenicos
La polarizabilidad dipolar 120572 d surge en materiales tales como HCl o H2O que contienen dipolos eleacutectricos permanentes Estos dipolos pueden cambiar su orientacioacuten y tienen a alinearse con un campo eleacutectrico aplicado El efecto es generalmente muy dependiente a la temperatura debido a que los dipolos pueden lsquoser congeladosrsquo a bajas temperaturas
La polarizabilidad de carga espacial 120572 s ocurre en materiales que no son dieleacutectricos perfectos pero en los que puede ocurrir una migracioacuten de carga de largo alcance En NaCl por ejemplo los cationes migran preferentemente hacia el electrodo negativo por medio de los defectos cristalinos tales como vacancias catioacutenicas por consiguiente una doble capa eleacutectrica se acumula en la interfase electrodo-NaCl Cuando dichos efectos son apreciables el material se considera mejor conductor o electrolito soacutelido que como dieleacutectrico Se pueden medir constantes dieleacutectricas aparentes de hasta 106 hasta 107
(correspondientes a capacitancias de doble capa de sim 10-6 F) pero estos valores no tienen importancia en el sentido dieleacutectrico convencional
La magnitud de 120572 usualmente decrece en el orden de 4 gt 3 gt 2 gt 1 aunque claramente no todos los materiales muestran todos los tipos de polarizacioacuten Experimentalmente las cuatro contribuciones a 120572 y 120634rsquo pueden ser separadas al marcar medidas sobre un amplio intervalo de frecuencias ac usando una combinacioacuten de puentes de capacitancia microondas y mediciones oacutepticas
En buenos materiales dieleacutectricos que no contienen contribuciones de polarizaciones 120572s y 120572d la permitividad de baja frecuencia limitante 120634rsquo0 estaacute compuesta principalmente por polarizaciones 120572i y Esta permitividad puede ser obtenida a partir de mediciones de puentes de capacitancia ac en los que el valor de la capacitancia es determinado con y sin la sustancia dieleacutectrica colocada entre las placas del capacitor o celda (ecuacioacuten 4) El valor de 120634rsquoinfin que contiene contribuciones 120572e soacutelo puede ser obtenido a partir de medidas del iacutendice de refraccioacuten (frecuencias de luz visible) utilizando la simple relacioacuten
n2=120634rsquoinfin (6)
Los valores de 120634rsquo0 y 120634rsquoinfin para NaCl que son
tiacutepicos en los cristales ioacutenicos son 562 y 232 respectivamente
El efecto de la capacitancia tiene una fuerte relacioacuten con los fenoacutemenos estructurales relacionados a cada componente de este dispositivo (capacitor) ya sea de forma macroscoacutepica como la distancia de separacioacuten entre los conductores y la forma que eacutestos tengan asiacute como a nivel atoacutemico por el tipo de arreglo e interacciones que definen al material dieleacutectrico y conductor BIBLIOGRAFIacuteA
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2
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
1
Introduccioacuten En las uacuteltimas deacutecadas la necesidad de encontrar fuentes alternas de energiacuteas limpias y renovables ha incrementado conforme las reservas de combustibles foacutesiles se han agotado Dentro de las energiacuteas alternas la solar se encuentra en el centro Las celdas solares basadas en materiales inorgaacutenicos se han mostrado indispensables en las uacuteltimas deacutecadas como una alternativa a las energiacuteas foacutesiles sin embargo sus altos costos han prevenido un uso amplio y general de estas El uso de materiales orgaacutenicos en la fabricacioacuten de fotoceldas provee una alternativa econoacutemica a esta tecnologiacutea
iquestQueacute es una celda solar Una celda solar convencional consta de dos capas de material semiconductor una positiva (tipo p) y una negativa (tipo n) que se intercalan para formar una juntura pn Cuando el semiconductor estaacute expuesto a la luz la energiacutea (hν) de los fotones incidentes que excedan el umbral de energiacutea (band gap) es absorbida por los electrones del semiconductor que tienen acceso a la banda de conduccioacuten empezando a conducir la electricidad
Imagen 1 Dibujo de OLED y OPV
iquestCoacutemo funcionan Operacioacuten baacutesica de una OPV (organic photovoltaic) y OLED (organic
light emitting diodes)
Con materiales orgaacutenicos se observan dos fenoacutemenos la electroluminiscencia y el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia es el proceso eleacutectrico-oacuteptico mediante el cual un material puede producir luz a partir de la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica (electricidad) por otro lado estaacute la existencia de la electroluminiscencia esto es el proceso para producir electricidad a partir de la absorcioacuten de luz es el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia principio caracteriacutestico para los OLEDs se basa en
la inyeccioacuten de huecos libres (cargas eleacutectricas positivas) y electrones (cargas negativas) desde los electrodos hacia la peliacutecula orgaacutenica Estos huecos y electrones se unen en dicha peliacutecula para formar un excitoacuten que al recombinarse permite la generacioacuten de luz Por otra parte en un OPV se tiene una coleccioacuten de carga que es absorbida por la materia orgaacutenica creando asiacute una disociacioacuten en esta Al ldquoromperrdquo estos excitones (huecos libres y electrones) se crea una diferencia de potencial cuando cada carga viaja al caacutetodo o aacutenodo siendo eacutesta ejemplo de la electroluminiscencia
Imagen 2 Movimiento de electrones en una celda
Aacutenodo de la celda orgaacutenica El aacutenodo tiacutepicamente es un oacutexido metaacutelico transparente que permite el movimiento de n-electrones en la capa son muy efectivos para la confinacioacuten de excitones ya que los huecos que tiene en su estructura permiten la deposicioacuten de ellos ya que son selectivos por eacutesta misma razoacuten se dopan estos oacutexidos Existen muchos oacutexidos que funcionan como aacutenodos eacutestos son algunos ITO PEDOT-PSS NiO V2O5 MoO3 AZO etc Se presentan como peliacuteculas delgadas transparentes
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
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Imagen 3 Presentacioacuten de ITO
Dependiendo del oacutexido y del dopaje seraacute la energiacutea necesaria para exceder el umbral de energiacutea (bang gap) lo que otorga diferente tipo de combinaciones entre semiconductor-n y poliacutemero diferenciando asiacute el tipo de celda En cambio muchos de estos aacutenodos son levemente reactivos con el poliacutemero orgaacutenico Por ejemplo el ITO al ser un oacutexido de indio-estantildeo existe una difusioacuten de indio al poliacutemero contaminando y afectando la eficiencia de la celda Otro ejemplo importante es el AZO eacuteste es oacutexido de zincaluminio metaacutelico tiene una buena eficiencia pero al ser muy rugoso en su superficie no permite la deposicioacuten buena del poliacutemero ademaacutes de ser inestable en medio aacutecido
Graacutefica 1 Comparativa de aacutenodos y sus bandas de
absorcioacuten
Caacutetodo de la celda orgaacutenica Por otro lado no puede existir un aacutenodo sin un caacutetodo En el caso de las celdas solares orgaacutenicas de manera general los caacutetodos estaacuten constituidos de una capa simple o doble de un metal eacuteste metal dependeraacute de la cantidad de energiacutea que se guarde que en este caso son electrones El tipo de metal utilizado dependeraacute de la funcioacuten que se necesite en caso de metales no ferrosos en la recoleccioacuten de electrones y materiales ferrosos para la aportacioacuten de huecos Algunos ejemplos de metales que son reportados en la literatura son Ag Au Cu In Cr Ca etc Por lo regular en las celdas solares orgaacutenicas son fabricadas con metales no ferrosos como calcio y aluminio (eacuteste uacuteltimo es el maacutes utilizado ya que ademaacutes de ser un metal no ferroso es resistente a la corrosioacuten haciendo una celda eficiente y duradera) Referencias
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Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
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Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
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Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
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Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
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-
bioplaacutesticos La mezcla es una estrategia uacutetil para modificar las propiedades de los materiales para aplicaciones especiacuteficas y superar algunas desventajas
Un ejemplo son las mezclas poliacutemeros biodegradables de aacutecido polilaacutectico (PLA) y polietilenglico (PEG) (Imagen 3)
El aacutecido polilaacutectico (PLA) es un biopoliacutemero que se produce a partir de recursos renovables En los ultimos antildeos se ha convertido en un material uacutetil especialmente en aplicaciones de empaquetado debido a su transparencia y propiedades moderadas de barrera Sin embargo la produccioacuten de materiales de empaquetado es difiacutecil de llevar a cabo debido a la fragilidad y la baja resistencia a la fusioacuten del PLA
IMAGEN 3 PEG-PLA (POLIETILENGLICOL-BLOQUE-AacuteCIDO POLILAacuteCTICO)
PLAPEG Aacutecido Polilaacutectico ndash Recuperado de httpswwwcreativepegworkscomproduct_listphpcid=11amppid=2ampsid=120
Al plastificar PLA con PEG se puede producir un material maacutes flexible con diferentes propiedades mecaacutenicas y reoloacutegicas Es posible reducir la temperatura de transicioacuten viacutetrea aumentar la resistencia al impacto y modificar las propiedades de cristalizacioacuten
Por otra parte un biocompuesto es un material compuesto por dos o maacutes materiales constituyentes distintos que se combinan para producir un nuevo material con un rendimiento mejorado Los constituyentes son la matriz y el componente de refuerzo El componente de refuerzo es el elemento primario portador de carga que puede estar en forma de fibras partiacuteculas y laacutemina La matriz estaacute formada por poliacutemeros sirve para unir los componentes de refuerzo y proporcionar soporte mecaacutenico
Un biocompuesto frecuentemente estudiado es el compuesto de un biopoliacutemero reforzado con fibra natural la cual agrega fuerza a la matriz biopolimeacuterica maacutes deacutebil
Actualmente se estaacuten llevando a cabo investigaciones para incrustar nanopartiacuteculas o partiacuteculas tales como silicatos estratificados nanotubos de carbono hidroxiapaptita celulosa y talco en bioplaacutesticos
Al introducir siacutelice piroacutegena y arcilla a una matriz de PLA se ven mejoradas las propiedades de traccioacuten y flexioacuten Eacuteste biocompuesto posee una temperatura elevada de distorsioacuten teacutermica mejores propiedades de barrera y biodegradacioacuten acelerada
IMAGEN 4 FORMACIOacuteN DE NANOCOMPUESTOS DE PLAFSARCILLA
Recuperado de HTTPDXDOIORG1011552015698738
Los biopoliacutemeros las mezclas bioplaacutesticas y los biocompuestos tienen potencial para ser una solucioacuten ecoloacutegica en el futuro eacutel cual se basa en su capacidad para disminuir las emisiones de CO2 producir un material que sea sustentable sin petroacuteleo y reducir el impacto ambiental
El agotamiento de los combustibles foacutesiles y el aumento en el costo del petroacuteleo es una preocupacioacuten creciente por la sustentabilidad a largo plazo de la industria del plaacutestico Factores como la economiacutea y las poliacuteticas gubernamentales actualmente limitan el crecimiento de la industria de los bioplaacutesticos
El estudio de los biopoliacutemeros es reciente y es necesario que se invierta en este campo de investigacioacuten para mejorar los procesos de produccioacuten y hacer a los bioplaacutesticos una alternativa viable en teacuterminos de consumo de energiacutea
BIBLIOGRAFIacuteA Chang Hui Lai J Rezaur Rahman M amp Hamdan S (2015) Physical Mechanical and Thermal Analysis of Polylactic AcidFumed SilicaClay Nanocomposites (J-M Saiter Ed) International Journal of Polymer Science 2015
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3
Hernaacutendez Zamudio Carmen Fabiola Miranda Rosales Rubeacuten Omar
Capacitores
En equipos eleacutectricos y electroacutenicos la energiacutea eleacutectrica usualmente es almacenada utilizando un par de conductores cargados separados por un aislante dicho dispositivo es llamado capacitor
Los capacitores son utilizados como almacenadores energeacuteticos de baja duracioacuten en casos donde es necesario almacenar y liberar energiacutea eleacutectrica raacutepidamente Son necesarios en la mayoriacutea de los aparatos electroacutenicos para su construccioacuten y funcionamiento
La diferencia potencial V a traveacutes de un capacitor siempre es directamente proporcional a la carga Q en cada uno de sus conductores A mayor carga mayor es el campo eleacutectrico entre el capacitor y por ello mayor es el potencial La relacioacuten entre Q y V es constante para cualquier capacitor y es conocida como capacitancia C
(1)
y sus unidades son los ldquoFaradrdquo abreviados por la letra F 1F= 1 coulombvolt
Figura 1 Diagrama de un Circuito C Tomada de Beiser
1991 pp 506 Figure 1712
La capacitancia de un par de conductores separados depende solamente en la geometriacutea la distancia entre eacutestos y la eleccioacuten del material aislante que se encuentre separaacutendolos
Los conductores en un capacitor deben ser metales ya que eacutestos pueden ser descritos como arreglos cristalinos de esferas duras con electrones libres movieacutendose a traveacutes de los intersticios del arreglo explicando asiacute la alta conductividad eleacutectrica que tienen estos arreglos
Los materiales dieleacutectricos son aislantes eleacutectricos que se utilizan principalmente en capacitores deben poseer Alta fuerza eleacutectrica por lo que deben de
ser haacutebiles a soportar altas diferencias de potencial sin degradarse y convertirse en conductores eleacutectricos y deben tener una baja peacuterdida dieleacutectrica lo cuaacutel significa que en un campo eleacutectrico alternante la peacuterdida de la energiacutea eleacutectrica que se disipa como calor deberaacute de ser miacutenima
Figura 2 Representacioacuten de la estructura de un capacitor
de placas paralelas Tomada de West 1984 pp 534 Figure 157
La aplicacioacuten de una diferencia de potencial a
traveacutes de un dieleacutectrico lleva a una polarizacioacuten de cargas dentro del material aunque el movimiento de largo alcance de los iones o electrones no puede ocurrir La polarizacioacuten desaparece cuando la diferencia de potencial es retirada Las propiedades dieleacutectricas pueden ser definidas por el comportamiento del material en un capacitor de placa paralela que consiste en un par de placas conductoras paralelas una de otra y separadas por una distancia d eacutesta es pequentildea comparada con las dimensiones lineales de las placas como se muestra en la Figura 2
Con un vaciacuteo en medio de las placas la capacitancia C0 estaacute definida como
(2) donde e0 es la permitividad del vaciacuteo y A es el aacuterea de las placas Al e0 ser constante la capacitancia depende uacutenicamente de las dimensiones del capacitor Aplicando una diferencia de potencial V en medio de las placas una cantidad de carga Q0 se almacena en ellas dada por
Q0=C0V (3)
Si una sustancia dieleacutectrica se coloca en medio
de las placas y se le aplica la misma diferencia de potencial la cantidad de carga almacenada aumentaraacute a
1
C1 La constante dieleacutectrica o permitividad relativa 120634rsquo del dieleacutectrico estaacute relacionada al incremento en la capacitancia por
(4)
La magnitud de 120634rsquo depende del grado de polarizacioacuten o desplazamiento de carga que puede ocurrir en el material Para el caso del aire 120634rsquo≃1 Para la mayoriacutea de los soacutelidos ioacutenicos 120634rsquo = 5 a 10 Para materiales ferroeleacutectricos como BaTiO3 120634rsquo=103 a 104
La polarizabilidad 120572 del dieleacutectrico estaacute definida por p=120572E donde p es el momento dipolar inducido por el campo eleacutectrico local E La polarizabilidad tiene cuatro posibles componentes y estaacuten dados por la siguiente suma
120572=120572 e+120572 i+120572 d+120572 s (5)
Estos cuatro componentes son los siguientes
La polarizabilidad electroacutenica 120572 e es causada por un pequentildeo desplazamiento de la nube electroacutenica cargada negativamente en un aacutetomo en relacioacuten con el nuacutecleo con carga positiva La polarizabilidad electroacutenica ocurre en todos los soacutelidos y en algunos como el diamante es la uacutenica contribuyente a la constante dieleacutectrica ya que las polarizabilidades ioacutenicas dipolares y de carga espacial estaacuten ausentes
La polarizabilidad ioacutenica 120572 i surge a partir de un pequentildeo desplazamiento o separacioacuten de los aniones y cationes en un soacutelido Es la fuente principal de la polarizacioacuten en los cristales ioacutenicos
La polarizabilidad dipolar 120572 d surge en materiales tales como HCl o H2O que contienen dipolos eleacutectricos permanentes Estos dipolos pueden cambiar su orientacioacuten y tienen a alinearse con un campo eleacutectrico aplicado El efecto es generalmente muy dependiente a la temperatura debido a que los dipolos pueden lsquoser congeladosrsquo a bajas temperaturas
La polarizabilidad de carga espacial 120572 s ocurre en materiales que no son dieleacutectricos perfectos pero en los que puede ocurrir una migracioacuten de carga de largo alcance En NaCl por ejemplo los cationes migran preferentemente hacia el electrodo negativo por medio de los defectos cristalinos tales como vacancias catioacutenicas por consiguiente una doble capa eleacutectrica se acumula en la interfase electrodo-NaCl Cuando dichos efectos son apreciables el material se considera mejor conductor o electrolito soacutelido que como dieleacutectrico Se pueden medir constantes dieleacutectricas aparentes de hasta 106 hasta 107
(correspondientes a capacitancias de doble capa de sim 10-6 F) pero estos valores no tienen importancia en el sentido dieleacutectrico convencional
La magnitud de 120572 usualmente decrece en el orden de 4 gt 3 gt 2 gt 1 aunque claramente no todos los materiales muestran todos los tipos de polarizacioacuten Experimentalmente las cuatro contribuciones a 120572 y 120634rsquo pueden ser separadas al marcar medidas sobre un amplio intervalo de frecuencias ac usando una combinacioacuten de puentes de capacitancia microondas y mediciones oacutepticas
En buenos materiales dieleacutectricos que no contienen contribuciones de polarizaciones 120572s y 120572d la permitividad de baja frecuencia limitante 120634rsquo0 estaacute compuesta principalmente por polarizaciones 120572i y Esta permitividad puede ser obtenida a partir de mediciones de puentes de capacitancia ac en los que el valor de la capacitancia es determinado con y sin la sustancia dieleacutectrica colocada entre las placas del capacitor o celda (ecuacioacuten 4) El valor de 120634rsquoinfin que contiene contribuciones 120572e soacutelo puede ser obtenido a partir de medidas del iacutendice de refraccioacuten (frecuencias de luz visible) utilizando la simple relacioacuten
n2=120634rsquoinfin (6)
Los valores de 120634rsquo0 y 120634rsquoinfin para NaCl que son
tiacutepicos en los cristales ioacutenicos son 562 y 232 respectivamente
El efecto de la capacitancia tiene una fuerte relacioacuten con los fenoacutemenos estructurales relacionados a cada componente de este dispositivo (capacitor) ya sea de forma macroscoacutepica como la distancia de separacioacuten entre los conductores y la forma que eacutestos tengan asiacute como a nivel atoacutemico por el tipo de arreglo e interacciones que definen al material dieleacutectrico y conductor BIBLIOGRAFIacuteA
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2
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
1
Introduccioacuten En las uacuteltimas deacutecadas la necesidad de encontrar fuentes alternas de energiacuteas limpias y renovables ha incrementado conforme las reservas de combustibles foacutesiles se han agotado Dentro de las energiacuteas alternas la solar se encuentra en el centro Las celdas solares basadas en materiales inorgaacutenicos se han mostrado indispensables en las uacuteltimas deacutecadas como una alternativa a las energiacuteas foacutesiles sin embargo sus altos costos han prevenido un uso amplio y general de estas El uso de materiales orgaacutenicos en la fabricacioacuten de fotoceldas provee una alternativa econoacutemica a esta tecnologiacutea
iquestQueacute es una celda solar Una celda solar convencional consta de dos capas de material semiconductor una positiva (tipo p) y una negativa (tipo n) que se intercalan para formar una juntura pn Cuando el semiconductor estaacute expuesto a la luz la energiacutea (hν) de los fotones incidentes que excedan el umbral de energiacutea (band gap) es absorbida por los electrones del semiconductor que tienen acceso a la banda de conduccioacuten empezando a conducir la electricidad
Imagen 1 Dibujo de OLED y OPV
iquestCoacutemo funcionan Operacioacuten baacutesica de una OPV (organic photovoltaic) y OLED (organic
light emitting diodes)
Con materiales orgaacutenicos se observan dos fenoacutemenos la electroluminiscencia y el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia es el proceso eleacutectrico-oacuteptico mediante el cual un material puede producir luz a partir de la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica (electricidad) por otro lado estaacute la existencia de la electroluminiscencia esto es el proceso para producir electricidad a partir de la absorcioacuten de luz es el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia principio caracteriacutestico para los OLEDs se basa en
la inyeccioacuten de huecos libres (cargas eleacutectricas positivas) y electrones (cargas negativas) desde los electrodos hacia la peliacutecula orgaacutenica Estos huecos y electrones se unen en dicha peliacutecula para formar un excitoacuten que al recombinarse permite la generacioacuten de luz Por otra parte en un OPV se tiene una coleccioacuten de carga que es absorbida por la materia orgaacutenica creando asiacute una disociacioacuten en esta Al ldquoromperrdquo estos excitones (huecos libres y electrones) se crea una diferencia de potencial cuando cada carga viaja al caacutetodo o aacutenodo siendo eacutesta ejemplo de la electroluminiscencia
Imagen 2 Movimiento de electrones en una celda
Aacutenodo de la celda orgaacutenica El aacutenodo tiacutepicamente es un oacutexido metaacutelico transparente que permite el movimiento de n-electrones en la capa son muy efectivos para la confinacioacuten de excitones ya que los huecos que tiene en su estructura permiten la deposicioacuten de ellos ya que son selectivos por eacutesta misma razoacuten se dopan estos oacutexidos Existen muchos oacutexidos que funcionan como aacutenodos eacutestos son algunos ITO PEDOT-PSS NiO V2O5 MoO3 AZO etc Se presentan como peliacuteculas delgadas transparentes
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
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Imagen 3 Presentacioacuten de ITO
Dependiendo del oacutexido y del dopaje seraacute la energiacutea necesaria para exceder el umbral de energiacutea (bang gap) lo que otorga diferente tipo de combinaciones entre semiconductor-n y poliacutemero diferenciando asiacute el tipo de celda En cambio muchos de estos aacutenodos son levemente reactivos con el poliacutemero orgaacutenico Por ejemplo el ITO al ser un oacutexido de indio-estantildeo existe una difusioacuten de indio al poliacutemero contaminando y afectando la eficiencia de la celda Otro ejemplo importante es el AZO eacuteste es oacutexido de zincaluminio metaacutelico tiene una buena eficiencia pero al ser muy rugoso en su superficie no permite la deposicioacuten buena del poliacutemero ademaacutes de ser inestable en medio aacutecido
Graacutefica 1 Comparativa de aacutenodos y sus bandas de
absorcioacuten
Caacutetodo de la celda orgaacutenica Por otro lado no puede existir un aacutenodo sin un caacutetodo En el caso de las celdas solares orgaacutenicas de manera general los caacutetodos estaacuten constituidos de una capa simple o doble de un metal eacuteste metal dependeraacute de la cantidad de energiacutea que se guarde que en este caso son electrones El tipo de metal utilizado dependeraacute de la funcioacuten que se necesite en caso de metales no ferrosos en la recoleccioacuten de electrones y materiales ferrosos para la aportacioacuten de huecos Algunos ejemplos de metales que son reportados en la literatura son Ag Au Cu In Cr Ca etc Por lo regular en las celdas solares orgaacutenicas son fabricadas con metales no ferrosos como calcio y aluminio (eacuteste uacuteltimo es el maacutes utilizado ya que ademaacutes de ser un metal no ferroso es resistente a la corrosioacuten haciendo una celda eficiente y duradera) Referencias
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Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
Bibliografiacutea
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
Bibliografiacutea
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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14 Wade F (1976) Elementos de cristalografiacutea y mineralogiacutea Barcelona Omega
15 Nye J (1957) Physical properties of crystals their representation by tensors and
matrices Oxford Clarendon Press
Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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solution ceramic ware J Appl Phys 25809ndash810
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
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S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
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Superconductivity New York WILEY-
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4 (Ilustracioacuten 1) wwwnobelprizeorg
5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
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BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
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- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
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- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
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- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3
Hernaacutendez Zamudio Carmen Fabiola Miranda Rosales Rubeacuten Omar
Capacitores
En equipos eleacutectricos y electroacutenicos la energiacutea eleacutectrica usualmente es almacenada utilizando un par de conductores cargados separados por un aislante dicho dispositivo es llamado capacitor
Los capacitores son utilizados como almacenadores energeacuteticos de baja duracioacuten en casos donde es necesario almacenar y liberar energiacutea eleacutectrica raacutepidamente Son necesarios en la mayoriacutea de los aparatos electroacutenicos para su construccioacuten y funcionamiento
La diferencia potencial V a traveacutes de un capacitor siempre es directamente proporcional a la carga Q en cada uno de sus conductores A mayor carga mayor es el campo eleacutectrico entre el capacitor y por ello mayor es el potencial La relacioacuten entre Q y V es constante para cualquier capacitor y es conocida como capacitancia C
(1)
y sus unidades son los ldquoFaradrdquo abreviados por la letra F 1F= 1 coulombvolt
Figura 1 Diagrama de un Circuito C Tomada de Beiser
1991 pp 506 Figure 1712
La capacitancia de un par de conductores separados depende solamente en la geometriacutea la distancia entre eacutestos y la eleccioacuten del material aislante que se encuentre separaacutendolos
Los conductores en un capacitor deben ser metales ya que eacutestos pueden ser descritos como arreglos cristalinos de esferas duras con electrones libres movieacutendose a traveacutes de los intersticios del arreglo explicando asiacute la alta conductividad eleacutectrica que tienen estos arreglos
Los materiales dieleacutectricos son aislantes eleacutectricos que se utilizan principalmente en capacitores deben poseer Alta fuerza eleacutectrica por lo que deben de
ser haacutebiles a soportar altas diferencias de potencial sin degradarse y convertirse en conductores eleacutectricos y deben tener una baja peacuterdida dieleacutectrica lo cuaacutel significa que en un campo eleacutectrico alternante la peacuterdida de la energiacutea eleacutectrica que se disipa como calor deberaacute de ser miacutenima
Figura 2 Representacioacuten de la estructura de un capacitor
de placas paralelas Tomada de West 1984 pp 534 Figure 157
La aplicacioacuten de una diferencia de potencial a
traveacutes de un dieleacutectrico lleva a una polarizacioacuten de cargas dentro del material aunque el movimiento de largo alcance de los iones o electrones no puede ocurrir La polarizacioacuten desaparece cuando la diferencia de potencial es retirada Las propiedades dieleacutectricas pueden ser definidas por el comportamiento del material en un capacitor de placa paralela que consiste en un par de placas conductoras paralelas una de otra y separadas por una distancia d eacutesta es pequentildea comparada con las dimensiones lineales de las placas como se muestra en la Figura 2
Con un vaciacuteo en medio de las placas la capacitancia C0 estaacute definida como
(2) donde e0 es la permitividad del vaciacuteo y A es el aacuterea de las placas Al e0 ser constante la capacitancia depende uacutenicamente de las dimensiones del capacitor Aplicando una diferencia de potencial V en medio de las placas una cantidad de carga Q0 se almacena en ellas dada por
Q0=C0V (3)
Si una sustancia dieleacutectrica se coloca en medio
de las placas y se le aplica la misma diferencia de potencial la cantidad de carga almacenada aumentaraacute a
1
C1 La constante dieleacutectrica o permitividad relativa 120634rsquo del dieleacutectrico estaacute relacionada al incremento en la capacitancia por
(4)
La magnitud de 120634rsquo depende del grado de polarizacioacuten o desplazamiento de carga que puede ocurrir en el material Para el caso del aire 120634rsquo≃1 Para la mayoriacutea de los soacutelidos ioacutenicos 120634rsquo = 5 a 10 Para materiales ferroeleacutectricos como BaTiO3 120634rsquo=103 a 104
La polarizabilidad 120572 del dieleacutectrico estaacute definida por p=120572E donde p es el momento dipolar inducido por el campo eleacutectrico local E La polarizabilidad tiene cuatro posibles componentes y estaacuten dados por la siguiente suma
120572=120572 e+120572 i+120572 d+120572 s (5)
Estos cuatro componentes son los siguientes
La polarizabilidad electroacutenica 120572 e es causada por un pequentildeo desplazamiento de la nube electroacutenica cargada negativamente en un aacutetomo en relacioacuten con el nuacutecleo con carga positiva La polarizabilidad electroacutenica ocurre en todos los soacutelidos y en algunos como el diamante es la uacutenica contribuyente a la constante dieleacutectrica ya que las polarizabilidades ioacutenicas dipolares y de carga espacial estaacuten ausentes
La polarizabilidad ioacutenica 120572 i surge a partir de un pequentildeo desplazamiento o separacioacuten de los aniones y cationes en un soacutelido Es la fuente principal de la polarizacioacuten en los cristales ioacutenicos
La polarizabilidad dipolar 120572 d surge en materiales tales como HCl o H2O que contienen dipolos eleacutectricos permanentes Estos dipolos pueden cambiar su orientacioacuten y tienen a alinearse con un campo eleacutectrico aplicado El efecto es generalmente muy dependiente a la temperatura debido a que los dipolos pueden lsquoser congeladosrsquo a bajas temperaturas
La polarizabilidad de carga espacial 120572 s ocurre en materiales que no son dieleacutectricos perfectos pero en los que puede ocurrir una migracioacuten de carga de largo alcance En NaCl por ejemplo los cationes migran preferentemente hacia el electrodo negativo por medio de los defectos cristalinos tales como vacancias catioacutenicas por consiguiente una doble capa eleacutectrica se acumula en la interfase electrodo-NaCl Cuando dichos efectos son apreciables el material se considera mejor conductor o electrolito soacutelido que como dieleacutectrico Se pueden medir constantes dieleacutectricas aparentes de hasta 106 hasta 107
(correspondientes a capacitancias de doble capa de sim 10-6 F) pero estos valores no tienen importancia en el sentido dieleacutectrico convencional
La magnitud de 120572 usualmente decrece en el orden de 4 gt 3 gt 2 gt 1 aunque claramente no todos los materiales muestran todos los tipos de polarizacioacuten Experimentalmente las cuatro contribuciones a 120572 y 120634rsquo pueden ser separadas al marcar medidas sobre un amplio intervalo de frecuencias ac usando una combinacioacuten de puentes de capacitancia microondas y mediciones oacutepticas
En buenos materiales dieleacutectricos que no contienen contribuciones de polarizaciones 120572s y 120572d la permitividad de baja frecuencia limitante 120634rsquo0 estaacute compuesta principalmente por polarizaciones 120572i y Esta permitividad puede ser obtenida a partir de mediciones de puentes de capacitancia ac en los que el valor de la capacitancia es determinado con y sin la sustancia dieleacutectrica colocada entre las placas del capacitor o celda (ecuacioacuten 4) El valor de 120634rsquoinfin que contiene contribuciones 120572e soacutelo puede ser obtenido a partir de medidas del iacutendice de refraccioacuten (frecuencias de luz visible) utilizando la simple relacioacuten
n2=120634rsquoinfin (6)
Los valores de 120634rsquo0 y 120634rsquoinfin para NaCl que son
tiacutepicos en los cristales ioacutenicos son 562 y 232 respectivamente
El efecto de la capacitancia tiene una fuerte relacioacuten con los fenoacutemenos estructurales relacionados a cada componente de este dispositivo (capacitor) ya sea de forma macroscoacutepica como la distancia de separacioacuten entre los conductores y la forma que eacutestos tengan asiacute como a nivel atoacutemico por el tipo de arreglo e interacciones que definen al material dieleacutectrico y conductor BIBLIOGRAFIacuteA
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2
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
1
Introduccioacuten En las uacuteltimas deacutecadas la necesidad de encontrar fuentes alternas de energiacuteas limpias y renovables ha incrementado conforme las reservas de combustibles foacutesiles se han agotado Dentro de las energiacuteas alternas la solar se encuentra en el centro Las celdas solares basadas en materiales inorgaacutenicos se han mostrado indispensables en las uacuteltimas deacutecadas como una alternativa a las energiacuteas foacutesiles sin embargo sus altos costos han prevenido un uso amplio y general de estas El uso de materiales orgaacutenicos en la fabricacioacuten de fotoceldas provee una alternativa econoacutemica a esta tecnologiacutea
iquestQueacute es una celda solar Una celda solar convencional consta de dos capas de material semiconductor una positiva (tipo p) y una negativa (tipo n) que se intercalan para formar una juntura pn Cuando el semiconductor estaacute expuesto a la luz la energiacutea (hν) de los fotones incidentes que excedan el umbral de energiacutea (band gap) es absorbida por los electrones del semiconductor que tienen acceso a la banda de conduccioacuten empezando a conducir la electricidad
Imagen 1 Dibujo de OLED y OPV
iquestCoacutemo funcionan Operacioacuten baacutesica de una OPV (organic photovoltaic) y OLED (organic
light emitting diodes)
Con materiales orgaacutenicos se observan dos fenoacutemenos la electroluminiscencia y el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia es el proceso eleacutectrico-oacuteptico mediante el cual un material puede producir luz a partir de la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica (electricidad) por otro lado estaacute la existencia de la electroluminiscencia esto es el proceso para producir electricidad a partir de la absorcioacuten de luz es el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia principio caracteriacutestico para los OLEDs se basa en
la inyeccioacuten de huecos libres (cargas eleacutectricas positivas) y electrones (cargas negativas) desde los electrodos hacia la peliacutecula orgaacutenica Estos huecos y electrones se unen en dicha peliacutecula para formar un excitoacuten que al recombinarse permite la generacioacuten de luz Por otra parte en un OPV se tiene una coleccioacuten de carga que es absorbida por la materia orgaacutenica creando asiacute una disociacioacuten en esta Al ldquoromperrdquo estos excitones (huecos libres y electrones) se crea una diferencia de potencial cuando cada carga viaja al caacutetodo o aacutenodo siendo eacutesta ejemplo de la electroluminiscencia
Imagen 2 Movimiento de electrones en una celda
Aacutenodo de la celda orgaacutenica El aacutenodo tiacutepicamente es un oacutexido metaacutelico transparente que permite el movimiento de n-electrones en la capa son muy efectivos para la confinacioacuten de excitones ya que los huecos que tiene en su estructura permiten la deposicioacuten de ellos ya que son selectivos por eacutesta misma razoacuten se dopan estos oacutexidos Existen muchos oacutexidos que funcionan como aacutenodos eacutestos son algunos ITO PEDOT-PSS NiO V2O5 MoO3 AZO etc Se presentan como peliacuteculas delgadas transparentes
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
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Imagen 3 Presentacioacuten de ITO
Dependiendo del oacutexido y del dopaje seraacute la energiacutea necesaria para exceder el umbral de energiacutea (bang gap) lo que otorga diferente tipo de combinaciones entre semiconductor-n y poliacutemero diferenciando asiacute el tipo de celda En cambio muchos de estos aacutenodos son levemente reactivos con el poliacutemero orgaacutenico Por ejemplo el ITO al ser un oacutexido de indio-estantildeo existe una difusioacuten de indio al poliacutemero contaminando y afectando la eficiencia de la celda Otro ejemplo importante es el AZO eacuteste es oacutexido de zincaluminio metaacutelico tiene una buena eficiencia pero al ser muy rugoso en su superficie no permite la deposicioacuten buena del poliacutemero ademaacutes de ser inestable en medio aacutecido
Graacutefica 1 Comparativa de aacutenodos y sus bandas de
absorcioacuten
Caacutetodo de la celda orgaacutenica Por otro lado no puede existir un aacutenodo sin un caacutetodo En el caso de las celdas solares orgaacutenicas de manera general los caacutetodos estaacuten constituidos de una capa simple o doble de un metal eacuteste metal dependeraacute de la cantidad de energiacutea que se guarde que en este caso son electrones El tipo de metal utilizado dependeraacute de la funcioacuten que se necesite en caso de metales no ferrosos en la recoleccioacuten de electrones y materiales ferrosos para la aportacioacuten de huecos Algunos ejemplos de metales que son reportados en la literatura son Ag Au Cu In Cr Ca etc Por lo regular en las celdas solares orgaacutenicas son fabricadas con metales no ferrosos como calcio y aluminio (eacuteste uacuteltimo es el maacutes utilizado ya que ademaacutes de ser un metal no ferroso es resistente a la corrosioacuten haciendo una celda eficiente y duradera) Referencias
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Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
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of America Mc Graw-Hill Book Company
Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
bull Velaacutezquez C En busca de los cuasicristales
naturales II El viaje del fin del mundo
bull Delgado A J A (2011) Los cuasicristales un
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Per Quiacutem Ing Quiacutem Vol 14 Ndeg 1amp2 Pags 42-
52
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
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La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
Bibliografiacutea
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
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Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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-
C1 La constante dieleacutectrica o permitividad relativa 120634rsquo del dieleacutectrico estaacute relacionada al incremento en la capacitancia por
(4)
La magnitud de 120634rsquo depende del grado de polarizacioacuten o desplazamiento de carga que puede ocurrir en el material Para el caso del aire 120634rsquo≃1 Para la mayoriacutea de los soacutelidos ioacutenicos 120634rsquo = 5 a 10 Para materiales ferroeleacutectricos como BaTiO3 120634rsquo=103 a 104
La polarizabilidad 120572 del dieleacutectrico estaacute definida por p=120572E donde p es el momento dipolar inducido por el campo eleacutectrico local E La polarizabilidad tiene cuatro posibles componentes y estaacuten dados por la siguiente suma
120572=120572 e+120572 i+120572 d+120572 s (5)
Estos cuatro componentes son los siguientes
La polarizabilidad electroacutenica 120572 e es causada por un pequentildeo desplazamiento de la nube electroacutenica cargada negativamente en un aacutetomo en relacioacuten con el nuacutecleo con carga positiva La polarizabilidad electroacutenica ocurre en todos los soacutelidos y en algunos como el diamante es la uacutenica contribuyente a la constante dieleacutectrica ya que las polarizabilidades ioacutenicas dipolares y de carga espacial estaacuten ausentes
La polarizabilidad ioacutenica 120572 i surge a partir de un pequentildeo desplazamiento o separacioacuten de los aniones y cationes en un soacutelido Es la fuente principal de la polarizacioacuten en los cristales ioacutenicos
La polarizabilidad dipolar 120572 d surge en materiales tales como HCl o H2O que contienen dipolos eleacutectricos permanentes Estos dipolos pueden cambiar su orientacioacuten y tienen a alinearse con un campo eleacutectrico aplicado El efecto es generalmente muy dependiente a la temperatura debido a que los dipolos pueden lsquoser congeladosrsquo a bajas temperaturas
La polarizabilidad de carga espacial 120572 s ocurre en materiales que no son dieleacutectricos perfectos pero en los que puede ocurrir una migracioacuten de carga de largo alcance En NaCl por ejemplo los cationes migran preferentemente hacia el electrodo negativo por medio de los defectos cristalinos tales como vacancias catioacutenicas por consiguiente una doble capa eleacutectrica se acumula en la interfase electrodo-NaCl Cuando dichos efectos son apreciables el material se considera mejor conductor o electrolito soacutelido que como dieleacutectrico Se pueden medir constantes dieleacutectricas aparentes de hasta 106 hasta 107
(correspondientes a capacitancias de doble capa de sim 10-6 F) pero estos valores no tienen importancia en el sentido dieleacutectrico convencional
La magnitud de 120572 usualmente decrece en el orden de 4 gt 3 gt 2 gt 1 aunque claramente no todos los materiales muestran todos los tipos de polarizacioacuten Experimentalmente las cuatro contribuciones a 120572 y 120634rsquo pueden ser separadas al marcar medidas sobre un amplio intervalo de frecuencias ac usando una combinacioacuten de puentes de capacitancia microondas y mediciones oacutepticas
En buenos materiales dieleacutectricos que no contienen contribuciones de polarizaciones 120572s y 120572d la permitividad de baja frecuencia limitante 120634rsquo0 estaacute compuesta principalmente por polarizaciones 120572i y Esta permitividad puede ser obtenida a partir de mediciones de puentes de capacitancia ac en los que el valor de la capacitancia es determinado con y sin la sustancia dieleacutectrica colocada entre las placas del capacitor o celda (ecuacioacuten 4) El valor de 120634rsquoinfin que contiene contribuciones 120572e soacutelo puede ser obtenido a partir de medidas del iacutendice de refraccioacuten (frecuencias de luz visible) utilizando la simple relacioacuten
n2=120634rsquoinfin (6)
Los valores de 120634rsquo0 y 120634rsquoinfin para NaCl que son
tiacutepicos en los cristales ioacutenicos son 562 y 232 respectivamente
El efecto de la capacitancia tiene una fuerte relacioacuten con los fenoacutemenos estructurales relacionados a cada componente de este dispositivo (capacitor) ya sea de forma macroscoacutepica como la distancia de separacioacuten entre los conductores y la forma que eacutestos tengan asiacute como a nivel atoacutemico por el tipo de arreglo e interacciones que definen al material dieleacutectrico y conductor BIBLIOGRAFIacuteA
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2
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
1
Introduccioacuten En las uacuteltimas deacutecadas la necesidad de encontrar fuentes alternas de energiacuteas limpias y renovables ha incrementado conforme las reservas de combustibles foacutesiles se han agotado Dentro de las energiacuteas alternas la solar se encuentra en el centro Las celdas solares basadas en materiales inorgaacutenicos se han mostrado indispensables en las uacuteltimas deacutecadas como una alternativa a las energiacuteas foacutesiles sin embargo sus altos costos han prevenido un uso amplio y general de estas El uso de materiales orgaacutenicos en la fabricacioacuten de fotoceldas provee una alternativa econoacutemica a esta tecnologiacutea
iquestQueacute es una celda solar Una celda solar convencional consta de dos capas de material semiconductor una positiva (tipo p) y una negativa (tipo n) que se intercalan para formar una juntura pn Cuando el semiconductor estaacute expuesto a la luz la energiacutea (hν) de los fotones incidentes que excedan el umbral de energiacutea (band gap) es absorbida por los electrones del semiconductor que tienen acceso a la banda de conduccioacuten empezando a conducir la electricidad
Imagen 1 Dibujo de OLED y OPV
iquestCoacutemo funcionan Operacioacuten baacutesica de una OPV (organic photovoltaic) y OLED (organic
light emitting diodes)
Con materiales orgaacutenicos se observan dos fenoacutemenos la electroluminiscencia y el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia es el proceso eleacutectrico-oacuteptico mediante el cual un material puede producir luz a partir de la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica (electricidad) por otro lado estaacute la existencia de la electroluminiscencia esto es el proceso para producir electricidad a partir de la absorcioacuten de luz es el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia principio caracteriacutestico para los OLEDs se basa en
la inyeccioacuten de huecos libres (cargas eleacutectricas positivas) y electrones (cargas negativas) desde los electrodos hacia la peliacutecula orgaacutenica Estos huecos y electrones se unen en dicha peliacutecula para formar un excitoacuten que al recombinarse permite la generacioacuten de luz Por otra parte en un OPV se tiene una coleccioacuten de carga que es absorbida por la materia orgaacutenica creando asiacute una disociacioacuten en esta Al ldquoromperrdquo estos excitones (huecos libres y electrones) se crea una diferencia de potencial cuando cada carga viaja al caacutetodo o aacutenodo siendo eacutesta ejemplo de la electroluminiscencia
Imagen 2 Movimiento de electrones en una celda
Aacutenodo de la celda orgaacutenica El aacutenodo tiacutepicamente es un oacutexido metaacutelico transparente que permite el movimiento de n-electrones en la capa son muy efectivos para la confinacioacuten de excitones ya que los huecos que tiene en su estructura permiten la deposicioacuten de ellos ya que son selectivos por eacutesta misma razoacuten se dopan estos oacutexidos Existen muchos oacutexidos que funcionan como aacutenodos eacutestos son algunos ITO PEDOT-PSS NiO V2O5 MoO3 AZO etc Se presentan como peliacuteculas delgadas transparentes
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
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Imagen 3 Presentacioacuten de ITO
Dependiendo del oacutexido y del dopaje seraacute la energiacutea necesaria para exceder el umbral de energiacutea (bang gap) lo que otorga diferente tipo de combinaciones entre semiconductor-n y poliacutemero diferenciando asiacute el tipo de celda En cambio muchos de estos aacutenodos son levemente reactivos con el poliacutemero orgaacutenico Por ejemplo el ITO al ser un oacutexido de indio-estantildeo existe una difusioacuten de indio al poliacutemero contaminando y afectando la eficiencia de la celda Otro ejemplo importante es el AZO eacuteste es oacutexido de zincaluminio metaacutelico tiene una buena eficiencia pero al ser muy rugoso en su superficie no permite la deposicioacuten buena del poliacutemero ademaacutes de ser inestable en medio aacutecido
Graacutefica 1 Comparativa de aacutenodos y sus bandas de
absorcioacuten
Caacutetodo de la celda orgaacutenica Por otro lado no puede existir un aacutenodo sin un caacutetodo En el caso de las celdas solares orgaacutenicas de manera general los caacutetodos estaacuten constituidos de una capa simple o doble de un metal eacuteste metal dependeraacute de la cantidad de energiacutea que se guarde que en este caso son electrones El tipo de metal utilizado dependeraacute de la funcioacuten que se necesite en caso de metales no ferrosos en la recoleccioacuten de electrones y materiales ferrosos para la aportacioacuten de huecos Algunos ejemplos de metales que son reportados en la literatura son Ag Au Cu In Cr Ca etc Por lo regular en las celdas solares orgaacutenicas son fabricadas con metales no ferrosos como calcio y aluminio (eacuteste uacuteltimo es el maacutes utilizado ya que ademaacutes de ser un metal no ferroso es resistente a la corrosioacuten haciendo una celda eficiente y duradera) Referencias
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Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
Bibliografiacutea
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
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La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
Bibliografiacutea
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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14 Wade F (1976) Elementos de cristalografiacutea y mineralogiacutea Barcelona Omega
15 Nye J (1957) Physical properties of crystals their representation by tensors and
matrices Oxford Clarendon Press
Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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solution ceramic ware J Appl Phys 25809ndash810
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
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Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
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5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
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bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
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Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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-
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
1
Introduccioacuten En las uacuteltimas deacutecadas la necesidad de encontrar fuentes alternas de energiacuteas limpias y renovables ha incrementado conforme las reservas de combustibles foacutesiles se han agotado Dentro de las energiacuteas alternas la solar se encuentra en el centro Las celdas solares basadas en materiales inorgaacutenicos se han mostrado indispensables en las uacuteltimas deacutecadas como una alternativa a las energiacuteas foacutesiles sin embargo sus altos costos han prevenido un uso amplio y general de estas El uso de materiales orgaacutenicos en la fabricacioacuten de fotoceldas provee una alternativa econoacutemica a esta tecnologiacutea
iquestQueacute es una celda solar Una celda solar convencional consta de dos capas de material semiconductor una positiva (tipo p) y una negativa (tipo n) que se intercalan para formar una juntura pn Cuando el semiconductor estaacute expuesto a la luz la energiacutea (hν) de los fotones incidentes que excedan el umbral de energiacutea (band gap) es absorbida por los electrones del semiconductor que tienen acceso a la banda de conduccioacuten empezando a conducir la electricidad
Imagen 1 Dibujo de OLED y OPV
iquestCoacutemo funcionan Operacioacuten baacutesica de una OPV (organic photovoltaic) y OLED (organic
light emitting diodes)
Con materiales orgaacutenicos se observan dos fenoacutemenos la electroluminiscencia y el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia es el proceso eleacutectrico-oacuteptico mediante el cual un material puede producir luz a partir de la aplicacioacuten de una corriente eleacutectrica (electricidad) por otro lado estaacute la existencia de la electroluminiscencia esto es el proceso para producir electricidad a partir de la absorcioacuten de luz es el efecto fotovoltaico La electroluminiscencia principio caracteriacutestico para los OLEDs se basa en
la inyeccioacuten de huecos libres (cargas eleacutectricas positivas) y electrones (cargas negativas) desde los electrodos hacia la peliacutecula orgaacutenica Estos huecos y electrones se unen en dicha peliacutecula para formar un excitoacuten que al recombinarse permite la generacioacuten de luz Por otra parte en un OPV se tiene una coleccioacuten de carga que es absorbida por la materia orgaacutenica creando asiacute una disociacioacuten en esta Al ldquoromperrdquo estos excitones (huecos libres y electrones) se crea una diferencia de potencial cuando cada carga viaja al caacutetodo o aacutenodo siendo eacutesta ejemplo de la electroluminiscencia
Imagen 2 Movimiento de electrones en una celda
Aacutenodo de la celda orgaacutenica El aacutenodo tiacutepicamente es un oacutexido metaacutelico transparente que permite el movimiento de n-electrones en la capa son muy efectivos para la confinacioacuten de excitones ya que los huecos que tiene en su estructura permiten la deposicioacuten de ellos ya que son selectivos por eacutesta misma razoacuten se dopan estos oacutexidos Existen muchos oacutexidos que funcionan como aacutenodos eacutestos son algunos ITO PEDOT-PSS NiO V2O5 MoO3 AZO etc Se presentan como peliacuteculas delgadas transparentes
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
2
Imagen 3 Presentacioacuten de ITO
Dependiendo del oacutexido y del dopaje seraacute la energiacutea necesaria para exceder el umbral de energiacutea (bang gap) lo que otorga diferente tipo de combinaciones entre semiconductor-n y poliacutemero diferenciando asiacute el tipo de celda En cambio muchos de estos aacutenodos son levemente reactivos con el poliacutemero orgaacutenico Por ejemplo el ITO al ser un oacutexido de indio-estantildeo existe una difusioacuten de indio al poliacutemero contaminando y afectando la eficiencia de la celda Otro ejemplo importante es el AZO eacuteste es oacutexido de zincaluminio metaacutelico tiene una buena eficiencia pero al ser muy rugoso en su superficie no permite la deposicioacuten buena del poliacutemero ademaacutes de ser inestable en medio aacutecido
Graacutefica 1 Comparativa de aacutenodos y sus bandas de
absorcioacuten
Caacutetodo de la celda orgaacutenica Por otro lado no puede existir un aacutenodo sin un caacutetodo En el caso de las celdas solares orgaacutenicas de manera general los caacutetodos estaacuten constituidos de una capa simple o doble de un metal eacuteste metal dependeraacute de la cantidad de energiacutea que se guarde que en este caso son electrones El tipo de metal utilizado dependeraacute de la funcioacuten que se necesite en caso de metales no ferrosos en la recoleccioacuten de electrones y materiales ferrosos para la aportacioacuten de huecos Algunos ejemplos de metales que son reportados en la literatura son Ag Au Cu In Cr Ca etc Por lo regular en las celdas solares orgaacutenicas son fabricadas con metales no ferrosos como calcio y aluminio (eacuteste uacuteltimo es el maacutes utilizado ya que ademaacutes de ser un metal no ferroso es resistente a la corrosioacuten haciendo una celda eficiente y duradera) Referencias
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Boca Ratoacuten F (2005) Organic photovoltaics mechanism materials and devices (1ra)
Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
Bibliografiacutea
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
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Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
2 Materiales Piezoeleacutectricos Boletiacuten vigilancia tecnologiacutea N 3 2010
3 P Dineva et al Dynamic Fracture of Piezoelectric Materials
4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate solid-
solution ceramic ware J Appl Phys 25809ndash810
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
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Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
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bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
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Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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-
Celdas Solares Orgaacutenicas Mejiacutea Reza Mariana Ortega Saacutenchez Dafne Berenice
2
Imagen 3 Presentacioacuten de ITO
Dependiendo del oacutexido y del dopaje seraacute la energiacutea necesaria para exceder el umbral de energiacutea (bang gap) lo que otorga diferente tipo de combinaciones entre semiconductor-n y poliacutemero diferenciando asiacute el tipo de celda En cambio muchos de estos aacutenodos son levemente reactivos con el poliacutemero orgaacutenico Por ejemplo el ITO al ser un oacutexido de indio-estantildeo existe una difusioacuten de indio al poliacutemero contaminando y afectando la eficiencia de la celda Otro ejemplo importante es el AZO eacuteste es oacutexido de zincaluminio metaacutelico tiene una buena eficiencia pero al ser muy rugoso en su superficie no permite la deposicioacuten buena del poliacutemero ademaacutes de ser inestable en medio aacutecido
Graacutefica 1 Comparativa de aacutenodos y sus bandas de
absorcioacuten
Caacutetodo de la celda orgaacutenica Por otro lado no puede existir un aacutenodo sin un caacutetodo En el caso de las celdas solares orgaacutenicas de manera general los caacutetodos estaacuten constituidos de una capa simple o doble de un metal eacuteste metal dependeraacute de la cantidad de energiacutea que se guarde que en este caso son electrones El tipo de metal utilizado dependeraacute de la funcioacuten que se necesite en caso de metales no ferrosos en la recoleccioacuten de electrones y materiales ferrosos para la aportacioacuten de huecos Algunos ejemplos de metales que son reportados en la literatura son Ag Au Cu In Cr Ca etc Por lo regular en las celdas solares orgaacutenicas son fabricadas con metales no ferrosos como calcio y aluminio (eacuteste uacuteltimo es el maacutes utilizado ya que ademaacutes de ser un metal no ferroso es resistente a la corrosioacuten haciendo una celda eficiente y duradera) Referencias
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Boca Ratoacuten F (2005) Organic photovoltaics mechanism materials and devices (1ra)
Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
Bibliografiacutea
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
bull Velaacutezquez C En busca de los cuasicristales
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bull Delgado A J A (2011) Los cuasicristales un
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
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-
Amaro Ortega Pamela Montserrat
Garciacutea Mejiacutea Rodrigo Zzenti
Cementos
Fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece Se obtiene
mediante un proceso industrial pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla
friacutea de arcilla y materiales calcaacutereos previamente sometida a coccioacuten que se denomina
clinker al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO4) yeso
(CaSO4bull2H2O) para regular el tiempo de fraguado considerandose asiacute como materia
prima Seguacuten las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda ademaacutes se le
pueden incorporar otros materiales
Un material caacutelizo adicional de alto contenido en carbonato se emplea frecuentemente
como ldquoablandadorrdquo para elevar el contenido en cal de la mezcla de materias primas
Justificacioacuten del fenoacutemeno
Es un conglomerante hidraacuteulico que al ser hidratado se solidifica y endurece
Caracteriacutesticas quiacutemicas
La conducta durante la fabricacioacuten y las propiedades del cemento producido estaacuten muy
influenciadas por la finura y grado de contacto de la mezcla de las materias primas y por la
presencia en ellas de impurezas
La temperatura a la que se combinan satisfactoriamente las materias primas es una funcioacuten
del tamantildeo maacuteximo de partiacuteculas que existen en ellas cuanto mayores sean las partiacuteculas
la temperatura requerida seraacute maacutes alta La naturaleza de las partiacuteculas mayores es tambieacuten
importante Granos grandes de cal o siacutelice producen zonas del clinker pobres en siacutelice o cal
respectivamente La falta de cal va acompantildeada por baja resistencia mecaacutenica del cemento
El exceso de cal por otra parte entrantildea el riesgo de falta de estabilidad de volumen es
decir que puede producirse la expansioacuten debida a la hidratacioacuten de la cal despueacutes que el
cemento ha fraguado Este riesgo se hace particularmente grande con cal calcinada a alta
temperatura requerida en el caso de cal gruesa
Bougue describe esperimentos que prueban que en una mezcla relativamente poco
calcinada con un factor de saturacioacuten de cal del 85 fue necesario reducir el tamantildeo de la
siacutelice a menos de 50μ para que se combine toda la cal excepto un 1 a 1350degC Un
tamantildeo aproximado de 90μ fue sin embargo el maacuteximo aceptable para una mezcla de
caliza y un material aluminoso En mezclas que contienen proporciones de cal superiores a
las normales es decir con factores de saturacioacuten de cal del 92 al 98 es probable que se
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
Bibliografiacutea
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
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-
necesite una finura auacuten mayor para lograr el mismo grado de combinacioacuten a 1350 degC Por
otra parte normalmente se calcina el clinker del cemento Portland ordinario (aluacutemino
silicato de calcio patentado por J Aspdin en 1824 y denominado Portland por su semejanza a una
pidera que abunda en esa localidad de Inglaterra) a temperaturas hasta de 1450 degC
consideraacutendose que un 2 o 3 de cal libre es aceptable para las aplicaciones normales
del cemento
El factor de saturacioacuten de cal (LSF) se define en el British Standard 12 1958 por la
expresioacuten
119871 119878 119865 =119862119886119874minus07 1198781198743
28 1198781198941198743 + 065 F11989021198743
Caracteriacutesticas estructurales
La finura requerida para la combinacioacuten de los cuatro oacutexidos principales depende en gran
parte de sus proporciones relativas en la mezcla y en particular de la forma en que se
encuentre la siacutelice Una combinacioacuten adecuada pareceriacutea requerir una homogeneidad
razonable en la composicioacuten de la mezcla Teoacutericamente lo ideal seriacutea disponer cada
partiacutecula de un material en estrecho contacto con los nuacutemeros correspondientes de
partiacuteculas de las otras materias primas A partir de esta disposicioacuten inicial se seguiriacutea una
composicioacuten uniforme del clinker
De hecho el clinker contiene escencialmente dos silicatos distintos C3S y C2S y un
fundente Debe por tanto esperarse la mayor uniformidad cuando exista una mezcla bien
dispersa de estos tres componentes La experiencia sugiere que un aspecto maacutes uniforme va
asociado con cristales mejor formados y con una temperatura de calcinacioacuten maacutes alta Estos
factores no producen necesariamente el mejor cemento hay un interes haciacutea la sugestioacuten de
que la actividad del cemento debe estar ligada a las imperfecciones en su estructura
cristalina que deben suponerse producidas en el tratamiento teacutermico mismo compatible con
la combinacioacuten
Bibliografiacutea
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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matrices Oxford Clarendon Press
Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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3 P Dineva et al Dynamic Fracture of Piezoelectric Materials
4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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Madera Sandoval Erick Armando Tapia Ramiacuterez Rodrigo
Cristales liacutequidos Introduccioacuten La historia de los cristales liacutequidos se remonta a 1888 cuando el botaacutenico austriacuteaco F Reinitzer descubrioacute por vez primera las curiosas propiedades que presentaban las sustancias que un antildeo despueacutes O Lehmann bautizoacute como cristales liacutequidos Por una parte el extraordinariamente complejo comportamiento fiacutesico-quiacutemico que presentan hace de ellos candidatos idoacuteneos para el estudio de las transiciones de fase y de otra serie muy apreciable de fenoacutemenos criacuteticos Por otra y esta es la que aquiacute nos interesa el gran nuacutemero de aplicaciones praacutecticas que han encontrado Caracteriacutesticas La experiencia habitual supone en la mayoriacutea de las sustancias transiciones desde estado soacutelido a liacutequido que tienen lugar a temperaturas perfectamente determinadas y de una forma praacutecticamente abrupta La condensacioacuten es quizaacutes el maacutes usual de todos los cambios de estado pero este hecho no es general en muchos materiales orgaacutenicos En algunos de ellos aparece maacutes de una transformacioacuten que da lugar a la existencia de un estado intermedio que se le ha dado el nombre de laquomesofasesraquo teniendo propiedades Optoelectroacutenica intermedias entre las de los liacutequidos y los soacutelidos Su apariencia externa es la de un liacutequido viscoso que presenta un orden molecular de rango proacuteximo al de los cristales Este ordenamiento de las moleacuteculas en una mesofase cualquiera puede ser de tipo translacional rotacional o de ambos Las caracteriacutesticas moleculares generales que se encuentran en los compuestos que pueden tener comportamiento de cristal liacutequido son las siguientes
Las moleacuteculas son elongadas y rectiliacuteneas Las moleacuteculas son laquoriacutegidasraquo seguacuten su eje mayor La existencia simultaacutenea de dipolos y grupos polarizables en las moleacuteculas
Seguacuten el tipo de moleacutecula una misma sustancia puede pasar por distintas transformaciones mesomoacuterficas entre el punto de fusioacuten y el punto de transicioacuten a la fase de liacutequido isoacutetropo Estas transformaciones pueden ser enantiotroacutepicas o monotroacutepicas y pueden ser inducidas por dos tipos de fenoacutemenos Esto da lugar a una primera divisioacuten en dos grandes grupos
Los termotroacutepicos en los que la transformacioacuten es provocada por variaciones de la temperatura Estos a su vez pueden clasificarse en tres tipos nemaacuteticos colesteacutericos y esmeacutecticos
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
bull Velaacutezquez C En busca de los cuasicristales
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bull Delgado A J A (2011) Los cuasicristales un
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52
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
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La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
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-
Nemaacuteticos Posicioacuten de moleacuteculas desordenado formas de varilla y apuntan a una misma direccioacuten
Esmeacutecticos Orientacion molecular constante Moleculas situadas en paralelo y a una distancia muy corta Regularidad en posicion molecular es parcialmente nulas
Colestericos Poseen una estructura parecida al colesterol se asemejan a los cristales nematicos pero el eje molecular cambia de direccioacuten
Los liotroacutepicos en los que el mesomorfismo tienen lugar para unas ciertas concentraciones de un soluto en un disolvente
Oacutepticas En la mayor parte de los cristales liacutequidos estudiados se presentan dos iacutendices de refraccioacuten netamente diferenciados que designaremos como n0 y ne Una consecuencia indirecta de la anterior anisotropiacutea es la diferente absorcioacuten que presentan las moleacuteculas seguacuten sea su posicioacuten con respecto a la luz que pasa por ella Magneacuteticas En presencia de un campo eleacutectrico se podraacuten encontrar dos diferentes permitividades dieleacutectricas Cuando un campo eleacutectrico se aplica a una muestra con un cristal liacutequido sus moleacuteculas responden de manera distinta seguacuten sea eacuteste positivo o negativo En el caso de los primeros eacutestas tienden a alinearse seguacuten la direccioacuten del campo mientras que para los segundos tienden a hacerlo perpendicular a eacutel Bibliografiacutea Martiacuten Pereda Joseacute Antonio Otoacuten Saacutenchez Joseacute Manuel y Muriel Fernaacutendez Miguel Aacutengel (1984) Cristales liacutequidos bases de su comportamiento I Mundo Electroacutenico (n 140) WEST AR ldquoAn Introduction to Solid State Chemistryrdquo Ed Wiley Int USA 1984 Cristales liacutequidos un ejemplo fantaacutestico de aplicacioacuten tecnoloacutegica de las propiedades de la materia Susana Martiacutenez Riachi - 1ordf ed - Coacuterdoba Agencia Coacuterdoba Ciencia 2005
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
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TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
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-
Cuasicristales Jimeacutenez Rosas Carlos Alberto Salvador
Miranda Rubio Leonardo
Con cierta frecuencia la materia se acomoda de
forma tal que se producen estructuras ordenadas Algunos
materiales macroscoacutepicos adoptan formas que solamente
pueden entenderse con base en el ordenamiento de sus
unidades constituyentes pieacutensese por ejemplo en el
diamante En el desarrollo de la quiacutemica se planteoacute la
pregunta sobre el tamantildeo de la unidad constituyente de la
materia el tamantildeo de esas ldquocajasrdquo que repetidas
numerosamente forman un cristal y no fue hasta tiempos
relativamente modernos que pudimos aceptar la idea de
que este tamantildeo es inimaginablemente pequentildeo con decir
que en un diamante de un kilate hay mas de 1023 cajas
pulcramente acomodadas
Lo cierto es que en los cristales esas ldquocajasrdquo se
acomodan y provocan que filas de aacutetomos terminen
ordenadas lo cual es fundamental para el conocimiento
de la estructura de la materia porque en esos aacutetomos la luz
se refleja y en ciertos aacutengulos los reflejos de las filas de
aacutetomos pueden interferir de forma constructiva para
producir una sentildeal luminosa fenoacutemeno al que se le
conoce como difraccioacuten
Esta teacutecnica desencadenoacute una serie de
descubrimientos ya que los cientiacuteficos desarrollaron dos
liacuteneas de investigacioacuten la de cientiacuteficos experimentales
buscando que otras formas de cajas apareciacutean en otros
cristales y la de teoacutericos especulando queacute formas de cajas
podiacutean existir Despueacutes de tanta buacutesqueda se establecioacute
un acuerdo cientiacutefico en el que soacutelo hay siete formas de
cajas posibles (los siete sistemas cristalinos) los cuales se
pueden llenar de 14 formas diferentes (las catorce redes
de Bravais) Dicho acuerdo indica que hay dos
posibilidades el material estaacute acomodado en uno de los
siete sistemas cristalinos o no presenta un patroacuten de
difraccioacuten Los teoacutericos nos explican que soacutelo los sistemas
trigonales cuacutebicos hexagonales tetragonales
ortorroacutembicos tricliacutenicos y monocliacutenicos pueden
acomodarse repetidamente para llenar el espacio y estas
cajas tienen simetriacutea de rotacioacuten de una dos tres cuatro
y seis fracciones del ciacuterculo completo (C1 C2 C3 C4 y C6
respectivamente)
Fue hasta 1982 que Daniel Schechtman encontroacute que el
anaacutelisis de difraccioacuten de cierto soacutelido correspondiacutea a una
repeticioacuten con simetriacutea quiacutentuple Se refiere a una fase
soacutelida de la aleacioacuten Al86Mn14 cuyo patroacuten de difraccioacuten
de electrones con puntos bien definidos muestra simetriacutea
icosaedral Por una parte la definicioacuten de los puntos
significa una estructura altamente ordenada como la de
un cristal por otra parte el orden icosaedral -con sus ejes
de simetriacutea pentagonal- es imposible para los cristales
tradicionales ya que este material no tiene periodicidad
(sin simetriacutea de traslacioacuten) Para describir dicha fase se
introdujo el teacutermino cuasicristal (CC) y posteriormente
el concepto de cristal aperioacutedico
Hasta 1984 la cristalografiacutea claacutesica podiacutea describir las
propiedades de los cuerpos soacutelidos clasificaacutendolos en dos
grandes grupos soacutelidos amorfos y cristalinos En los
primeros los aacutetomos o moleacuteculas que conforman el soacutelido
estaacuten desordenados topoloacutegicamente es decir no poseen
un ordenamiento de largo alcance Mientras que en los
soacutelidos cristalinos los aacutetomos o moleacuteculas se distribuyen
dentro del soacutelido de manera ordenada a partir de una
unidad fundamental denominada celda unitaria ndash la ldquocajardquo
antes mencionada- De esa manera esta unidad permite
construir la estructura cristalina mediante rotaciones y
traslaciones
Sin embargo existen en la naturaleza sistemas
que siguen las reglas de conformacioacuten maacutes complejas
pero bien definidas es decir son ordenadas pero no son
perioacutedicas (sistemas aperioacutedicos)
Por sus caracteriacutesticas estructurales estos nuevos
materiales forman una nueva clase de sistemas con
propiedades intermedias entre las fases cristalinas y
amorfas Los CCs conforman efectivamente una nueva
fase de la materia con propiedades estructurales
intermedias entre los sistemas cristalinos y amorfos Los
CCs que forman parte de la familia de las aleaciones
intermetaacutelicas se definen como estructuras con orden
aperioacutedico (a corto y largo alcance) y con simetriacuteas
rotacionales prohibidas por la cristalografiacutea claacutesica lo
cual es posible al costo de no tener simetriacutea de traslacioacuten
(sistemas aperioacutedicos) Asiacute se tienen CCs con simetriacutea
pentagonal octagonal decagonal y dodecagonal
Es interesante notar que tambieacuten existen las
llamadas fases aproximantes (FAP) que son aleaciones
intermetaacutelicas perioacutedicas con celdas gigantes y con un
orden local semejante al de los CCs Su estudio es un
excelente punto de partida para la comprensioacuten de las
propiedades electroacutenicas de los CCs
Otra caracteriacutestica importante de los CCs es que
estaacuten constituidos por clusters (agregados de aacutetomos)
considerados como los ldquobloques loacutegicosrdquo y por otros
ldquoaacutetomos gomardquo que permiten unir dichos clusters
formando al unirse el CC Estos clusters pueden ser
simples (por ejemplo formado por un metal de transicioacuten
rodeado por doce aacutetomos de aluminio en una estructura
icosaeacutedrica) oacute complejos con dos o maacutes capas (por
ejemplo los clusters tipo Bergman o MacKay) La forma
como estos clusters se unen determina las propiedades
electroacutenicas del material Trabajos previos indican que
dichas propiedades son altamente sensibles a la
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
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Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
2 Materiales Piezoeleacutectricos Boletiacuten vigilancia tecnologiacutea N 3 2010
3 P Dineva et al Dynamic Fracture of Piezoelectric Materials
4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate solid-
solution ceramic ware J Appl Phys 25809ndash810
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
Editorial Wiley(2010) pp1-35
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Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
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- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
correlacioacuten de dichos clusters donde cualquier distorsioacuten
modifica apreciablemente las propiedades electroacutenicas
del sistema Maacutes aun a los CCs icosaeacutedricos se les
considera fases Hume-Rothery (estabilizados
electroacutenicamente) es decir su densidad de estados
electroacutenicos (DOS) presenta un pseudogap (una zona
energeacutetica con pocos estados electroacutenicos) de ~1 eV de
ancho alrededor de la energiacutea de Fermi debido a la
resonancia entre los sub-sistemas electroacutenico y atoacutemico
(maacuteximo contacto entre las superficies de Fermi y de
Jones ndash una generalizacioacuten de la zona de Brillouin para
sistemas no perioacutedicos)
Dado que los CCs son aleaciones que en su
mayoriacutea estaacuten constituidas por metales de transicioacuten (MT)
y aluminio la formacioacuten de dicho pseudogap se ve
reforzada por la hibridacioacuten de los orbitales sp de
aluminio y d del MT que se produce tambieacuten a energiacuteas
alrededor de la energiacutea de Fermi
Landauro y Solbrig propusieron un
procedimiento fenomenoloacutegico y unificado que relaciona
las caracteriacutesticas espectrales maacutes significantes de los
CCs con las curvas experimentales de transporte
electroacutenico De ese modo se obtuvieron expresiones
analiacuteticas para la conductividad eleacutectrica la
termopotencia y la contribucioacuten electroacutenica a la
conductividad teacutermica de los CCs
Todas estas propiedades tanto estructurales como
fiacutesicas de caracteriacutesticas inusuales presentan a los CCs
como potenciales candidatos para aplicaciones
tecnoloacutegicas Por ejemplo propiedades interesantes para
aplicaciones industriales son su bajo coeficiente de
friccioacuten alta dureza baja energiacutea superficial y buena
resistencia al desgaste Maacutes aun los CCs son potenciales
candidatos para aplicaciones como termoelementos y
tambieacuten en cataacutelisis
Otra posible aplicacioacuten es la de darle un valor
agregado a un material de propagacioacuten industrial como el
aluminio por medio de uso de tecnologiacuteas que permitan
incorporar las propiedades de estos nuevos materiales
Ello proporcionariacutea no soacutelo un beneficio econoacutemico
(mayor calidad a menos costos) sino tambieacuten un aumento
en la calidad de vida ya que los materiales a utilizarse
seriacutean de una calidad superior
Al reducir el tamantildeo de grano promedio de los
cristales aperioacutedicos entramos al mundo de la nano-
ciencia lo cual abre mucho maacutes las potenciales
aplicaciones de estos materiales
Esta aacuterea de investigacioacuten tiene que ver con el
estudio yo manipulacioacuten de materiales con el propoacutesito
de obtener dispositivos de aplicacioacuten tecnoloacutegica
teniendo para ello un control de sus componentes a escala
nanomeacutetrica La importancia de la nano-ciencia es
relevante ya que nuevas propiedades emergen a esta
escala las cuales pueden ser aprovechadas a traveacutes de un
control del tamantildeo y forma de los nano-sisteacutemas
Recientes trabajos experimentales en la misma
direccioacuten han demostrado que es posible obtener CCs
nanoestructurados con un tamantildeo de grano promedio que
puede ser controlado a traveacutes del tiempo de molienda
mecaacutenica (uno de los meacutetodos maacutes potentes para procesar
materiales y especialmente para reducir el tamantildeo de
grano -a escalas nanomeacutetricas- de la muestra bajo
estudio) Ademaacutes las propiedades electroacutenicas y
magneacuteticas dependen del tamantildeo de grano promedio de
los n-CCs
Finalmente vale la pena mencionar que desde el
descubrimiento de los CCs en 1982 se llevan recorridos
30 antildeos de investigaciones muy diversas tanto de
matemaacuteticos fiacutesicos quiacutemicos especialistas en ciencia de
materiales y cristalografiacutea Estas investigaciones nos han
permitido entender mejor estos sistemas y proponer
aplicaciones tecnoloacutegicas especiacuteficas Sin embargo el
entendimiento complejo de estos sistemas y sus
aplicaciones tecnoloacutegicas estaacute todaviacutea lejos de ser
cerrado
Bibliografiacutea
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naturales II El viaje del fin del mundo
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
Bibliografiacutea
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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14 Wade F (1976) Elementos de cristalografiacutea y mineralogiacutea Barcelona Omega
15 Nye J (1957) Physical properties of crystals their representation by tensors and
matrices Oxford Clarendon Press
Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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solution ceramic ware J Appl Phys 25809ndash810
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Editorial Wiley(2010) pp1-35
Handbook of transparent conductors David
SGinley Hideo Hosono David C Paine
Editorial Springer (2010) pp 1-27
Fiacutesica Universitarioa con fiacutesica moderna Sears
Zemansky 12deg edicioacuten Editorial Pearson
educacioacuten (2009)Voluacutemen 2 pp1445-1455
Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
1 Magantildea Soliacutes L (2012) Los
superconductores 4ta ed Meacutexico DF
FCE ndash Fondo de Cultura Econoacutemica pp
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Moreira pp ix-xxiv
3 Peter L (2001) Engineering
Superconductivity New York WILEY-
INTERSCIENCE pp 1-2 6-7 18-20
4 (Ilustracioacuten 1) wwwnobelprizeorg
5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
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M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
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- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
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- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La ferroelectricidad es parte de las propiedades que componen a los materiales dieleacutectricos que son capaces de retener una polarizacioacuten despueacutes de aplicarles un campo eleacutectrico y retirarlo Los dieleacutectricos son materiales que poseen baja conductividad eleacutectrica (es un material aislante) que tiene la posibilidad de formar dipolos eleacutectricos en su interior en condicioacuten de un campo eleacutectrico Los materiales ferroeleacutectricos son distinguidos de los dieleacutectricos ordinarios por
a) Sus permitividades extremadamente grandes b) La posibilidad de retener un poco de polarizacioacuten eleacutectrica residual despueacutes de que se haya
desconectado la tensioacuten aplicada A medida que aumenta la diferencia de potencial aplicada a las sustancias dieleacutectricas hay un aumento proporcional en la polarizacioacuten inducida P o carga almacenada Q ocurre Con los ferroeleacutectricos esta relacioacuten lineal simple entre P y V no es vaacutelida El comportamiento de polarizacioacuten que se observa al aumentar la tensioacuten no se reproduce al disminuir posteriormente la tensioacuten Los ferroeleacutectricos exhiben una polarizacioacuten de saturacioacuten Ps a alta intensidad de campo retenida cuando V se reduce a cero despueacutes de la saturacioacuten El estado ferroeleacutectrico es por regla general observado soacutelo debajo de una temperatura Tc llamada punto de Curie que es caracteriacutestica del material particular Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagneacutetico pierde su magnetismo comportaacutendose como un material paramagneacutetico Tabla 1 Algunos materiales ferroeleacutectricos
Material Tc (degC)
Titanato de Bario BaTiO3 120
Sal de Rochelle KNaC4H4O6 middot 4H2O -18 a 24
Niobato de Potasio KNbO3 434
Dihidrogenofosfato de potasio KDP o KH2PO4 -150
Titanato de potasio PbTiO3 490
Niobato de litio LiNbO3 1210
Titanato de bismuto Bi4Ti3O12 675
Figura 1 Ciclo de histeacuterisis que muestra la naturaleza dependiente del historial de la magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico una ve que el material ha sido conducido a la saturacioacuten el campo de magnetizacioacuten se puede dejar caer a cero y el material retendraacute la mayor parte de a magnetizacioacuten
Figura 2 orientacioacuten dipolar (esquema) en (a) un ferroeleacutectrico (b) un antiferroeleacutectrico y (c) un ferrieleacutectrico
Figura 3 dominios ferroeleacutectricos separados por un liacutemite aleatoriedad en la orientacioacuten del dipolo antes de aplicar el campo
Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
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La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
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TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
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DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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Hernaacutendez Hernaacutendez Oscar Uriel Quiacutemica del Estado Soacutelido Hernaacutendez Peacuterez Anuar Enrique Facultad de Quiacutemica UNAM
Ferroeleacutectricos
La aplicacioacuten de un campo eleacutectrico a traveacutes de un ferroeleacutectrico conduce a un cambio en la polarizacioacuten de la red Esto puede surgir de varios procesos posibles (a) La direccioacuten de polarizacioacuten de los dominios puede cambiar Esto sucederiacutea si todos los dipolos de TiO6 dentro de un dominio cambiaran su orientacioacuten p si todos los dipolos en el dominio (ii) cambian su orientacioacuten para que sea paralelo a los dipolos en el dominio (i) (b) La magnitud si P dentro de cada dominio puede aumentar especialmente si hay alguna (c) La migracioacuten de la pared del dominio puede ocurrir de manera que los dominios orientados favorablemente crezcan en tamantildeo a expensas de los orientados desfavorablemente Por ejemplo el dominio (i) puede crecer mediante la migracioacuten del muro del dominio un paso hacia la derecha Para hacer esto los dipolos en el borde del dominio (ii) cambian su orientacioacuten a las posiciones que se muestran discontinuas y se vuelven parte del dominio (i) El estado ferroeleacutectrico suele ser una condicioacuten de baja temperatura ya que el aumento de los movimientos teacutermicos a altas temperaturas tiende a descomponer el desplazamiento comuacuten en los octaedros adyacentes y destruye el dominio del dominio La temperatura a la que se produce la reduccioacuten es la temperatura ferroeleacutectrica de Curie Tc Por encima de Tc el material es paraeleacutectrico (es decir no ferroeleacutectrico) Las altas constantes dieleacutectricas todaviacutea ocurren por encima de Tc pero no se conserva la polarizacioacuten residual en ausencia de un campo aplicado Por encima de Tc ϵrsquo por lo general estaacute dada por la Ley Curie-Weiss
c onstante de Curie θ temperatura Curie eissεprime = C(Tminusθ) = c = minusW
El comportamiento de Curie-Weiss se caracteriza por una representacioacuten lineal de contra Tε) ( minus1 Usualmente Tc y 120563 coinciden o difieren solo en unos pocos grados Una condicioacuten necesaria para que un cristal muestre polarizacioacuten espontaacutenea y sea ferroeleacutectrico es que su grupo espacial debe ser no centrosimeacutetrico A menudo la simetriacutea de la fase paraeleacutectrica estable por encima de Tc es centrosimeacutetrica y la transicioacuten de ordenamiento que ocurre al enfriarse simplemente
implica una disminucioacuten de simetriacutea a la de un grupo espacial no ceacutentrico Figura 4 (a) Constante dielectrica de titanato hhhhhhhhde bario (b) Diagrama Curie-Weiss
Bibliografiacutea
Se respetan los derechos de autor de las imaacutegenes y material utilizados Young Hugh D University Physics 8a edicioacuten Addison-Wesley 1992 pp 925926 West Anthony R Solid State Chemistry and its applications 2deg edicioacuten Wiley 2014 pp 361-365 Kittel Charles Introduction to Solid State Physics 8deg edicioacuten Wiley 2005 pp 321-323 Laszlo Solymar Donald Walsh Richard R A Syms Electrical Properties of Materials 9deg edicioacuten Oxford pp 267268
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
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La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
1 Magantildea Soliacutes L (2012) Los
superconductores 4ta ed Meacutexico DF
FCE ndash Fondo de Cultura Econoacutemica pp
27-37 42 73
2 Moreira O (2017) Superconductors
New Developments 1ra ed New York
Moreira pp ix-xxiv
3 Peter L (2001) Engineering
Superconductivity New York WILEY-
INTERSCIENCE pp 1-2 6-7 18-20
4 (Ilustracioacuten 1) wwwnobelprizeorg
5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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(2) Toofan J y Watson P (1998) The termination of the α-Al2O3 (0001) surface a LEED crystallography determination
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(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
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-
Fotocatalizadores Acosta Garciacutea Bryan Ashley Martiacutenez Hernaacutendez Eliacuteas Jesiel Estudiante de la facultad de Quiacutemica UNAM
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
La cataacutelisis es un fenoacutemeno quiacutemico a traveacutes del cual la
velocidad de una reaccioacuten quiacutemica se modifica debido a
la accioacuten de un catalizador que disminuye la energiacutea de
activacioacuten y el cual no se consume durante el proceso de
la reaccioacuten
La fotocataacutelisis en una ciencia que emplea catalizadores
los cuales son utilizados para acelerar las reacciones
quiacutemicas que requieren o necesitan luz Un
fotocatalizador es un material que es capaz de absorber
luz produciendo pares de huecos electroacutenicos estos
permiten transformaciones quiacutemicas de los participantes
de reaccioacuten y regeneran su composicioacuten quiacutemica despueacutes
de cada ciclo de tales interacciones Hay dos tipos de
reacciones fotocataliacuteticas la fotocataacutelisis homogeacutenea y la
fotocataacutelisis heterogeacutenea
El desarrollo de la fotocataacutelisis ha sido un tema de gran
intereacutes en los uacuteltimos antildeos debido a las diversas aacutereas de
investigacioacuten en las que se puede aplicar siendo los maacutes
demandantes los campos relacionados con el medio
ambiente y la energiacutea
Las propiedades fotocataliacuteticas de ciertos materiales han
sido utilizadas para convertir la energiacutea solar en energiacutea
quiacutemica y mediante la oxidacioacuten o reduccioacuten obtener
hidroacutegeno hidrocarburos remover contaminantes y
bacterias en el agua y aire
En fotocataacutelisis los semiconductores son soacutelidos en los
cuales sus aacutetomos forman una red tridimensional infinita
Los orbitales atoacutemicos de toda la red se solapan dando una
configuracioacuten de estados deslocalizados muy proacuteximos
entre siacute los cuales forman bandas de estados electroacutenicos
permitidos Entre estas bandas hay un intervalo de energiacutea
en los cuales no hay estados electroacutenicos permitidos cada
uno de estos intervalos es una banda de energiacutea prohibida
Las bandas que limitan la banda de energiacutea prohibida son
la banda de valencia de menor energiacutea y la banda de
conduccioacuten de mayor energiacutea Ambas bandas surgen del
solapamiento de niveles atoacutemicos de los electrones de
valencia y seguacuten su grado de ocupacioacuten contienen los
niveles ocupados maacutes altos y los niveles desocupados maacutes
bajos Cuando el fotocatalizador es iluminado con fotones
de energiacutea igual o superior a la energiacutea del gap se
absorben dichos fotones por parte del catalizador tiene
lugar un desplazamiento de electrones de la banda de
valencia a la banda de conduccioacuten dejando en eacutesta huecos
libres con carga positiva De esta manera se generan los
pares electroacuten-hueco
El proceso completo implica por lo menos una reaccioacuten
de oxidacioacuten y una de reduccioacuten La carga positiva
generada en la banda de valencia podraacute intervenir en
procesos de oxidacioacuten mientras que la carga negativa
resultante de la banda de conduccioacuten intervendraacute en
procesos de reduccioacuten
Fig 1 Esquema del proceso llevado a cabo por el semiconductor
Las caracteriacutesticas significativas del sistema fotocataliacutetico
son el intervalo de banda deseado la morfologiacutea
adecuada aacuterea de superficie alta estabilidad y
reutilizacioacuten Algunos oacutexidos metaacutelicos como oacutexidos de
vanadio cromo titanio zinc estantildeo y cerio tienen estas
caracteriacutesticas siguiendo procesos fotocataliacuteticos
primarios como la absorcioacuten de luz que induce un
proceso de separacioacuten de carga con la formacioacuten de
huecos positivos que son capaces para oxidar sustratos
orgaacutenicos En este proceso un oacutexido metaacutelico es activado
con luz ultravioleta luz visible o una combinacioacuten de
ambas y electrones fotoexcitados son promovidos de la
banda de valencia a la banda de conduccioacuten formando un
par electroacutenhueco (e-h+) El par fotogenerador es capaz
de reducir u oxidar un compuesto que se absorbe en la
superficie del fotocatalizador La actividad fotocataliacutetica
del oacutexido metaacutelico proviene de dos recursos la
generacioacuten de radicales OH Por la oxidacioacuten de aniones
OH- y por la generacioacuten de radicales O2 por la reduccioacuten
de O2 Los radicales y los aniones pueden reaccionar con
los contaminantes para degradarlos o transformarlos en
subproductos menos peligrosos
h+ (hueco)+ contaminante (oxidacioacuten directa)
h+ (hueco) + OH- OH
OH + contaminante (oxidacioacuten indirecta)
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
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Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
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Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
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Superconductivity New York WILEY-
INTERSCIENCE pp 1-2 6-7 18-20
4 (Ilustracioacuten 1) wwwnobelprizeorg
5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
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BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
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- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Actualmente hay muchos catalizadores reportados para
llevar a cabo dicho proceso la mayoriacutea son oacutexidos
metaacutelicos Entre estos oacutexidos metaacutelicos se encuentra el
oacutexido de titanio zinc estantildeo y cerio los cuales son
abundantes en la naturaleza y se ha demostrado que tienen
un uso extensivo en la fotocataacutelisis en especial en la
heterogeacutenea Dichos oacutexidos se usan debido a la
biocompatibilidad la estabilidad en condiciones variadas
y la capacidad de generar acarreadores de carga cuando se
estimulan con la cantidad necesaria de energiacutea
proporcionada por la luz
La combinacioacuten de la estructura electroacutenica las
propiedades que le confieren la absorcioacuten de luz las
caracteriacutesticas de transporte de carga y los tiempos de vida
media de excitacioacuten de los oacutexidos metaacutelicos han hecho
posible su actividad como fotocatalizadores
El TiO2 es el fotocatalizador maacutes utilizado debido a sus
caracteriacutesticas superiores que son comparativamente de
bajo costo no toxicidad alta estabilidad quiacutemica y alta
estabilidad contra la fotocorrosioacuten rendimiento
fotocataliacutetico eficiente bajo luz UV y compatibilidad
quiacutemica con otras fases
Se ha demostrado que los tres polimorfos de TiO2
(anatasa rutilo y brookita) muestran diversos grados de
rendimiento fotocataliacutetico Anatasa es la forma maacutes
efectiva para aplicaciones fotocataliacuteticas debido a su
mayor tiempo de recombinacioacuten de electrones mayor
densidad de estados de energiacutea de electrones localizados
y la consiguiente mayor concentracioacuten de radical
hidroxilo adsorbidos en la superficie
La representacioacuten maacutes comuacuten es los bloques de
construccioacuten de octaedro TiO6 distorsionados en las
estructuras de cristal La estructura cristalograacutefica del
rutilo consiste en octaedros de TiO6 eslabonada en una
celda tetragonal La simetriacutea Oh del octaedro ideal se
reduce a la simetriacutea D2h debido a diferentes longitudes de
enlace Ti-O en el plano y fuera del plano y dos tipos de
aacutengulos de enlace en el plano Ti-Ti que se desviacutean de un
aacutengulo de 90deg La estructura de anatasa consiste en
octaedros TiO6 compartidos en el borde en una celda
tetragonal en la cual los desplazamientos adicionales de
los iones de oxiacutegeno desde las posiciones en plano
generan una simetriacutea D2h local
Fig 2 Estructura cristalina de (a) Rutilo y (b)Anatasa [4]
La anatasa posee una brecha de banda de energiacutea de 32
eV con un borde de absorcioacuten a 386 nm que se encuentra
en el rango cercano a UV La estructura de Rutilo tiene
una brecha de banda de energiacutea maacutes estrecha de 302 eV
con un borde de absorcioacuten en el rango visible a 416 nm
aunque su actividad cataliacutetica es relativamente menor
Ambas formas son fotocataliacuteticas
Cuando el TiO2 se expone a una luz ultravioleta con una
longitud de onda de 280-400 nm (310-443 eV) la luz
UV seraacute absorbida por TiO2 y un electroacuten se elevaraacute desde
la banda de valencia a la banda de conduccioacuten de TiO2
dejando atraacutes un agujero en la banda de valencia para
formar pares de electroacuten-hueco En general se acepta que
TiO2 + hv e- + h+
Estos electrones y agujeros excitados pueden usarse
directamente para generar electricidad en ceacutelulas solares
fotovoltaicas o generar una reaccioacuten quiacutemica que se
denomina fotocataacutelisis
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1033-1034
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
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Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
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(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
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- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
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- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Materiales piezoeleacutectricos
Espinosa Gutieacuterrez Aranza Guadalupe
Descripcioacuten del fenoacutemeno
La piezoelectricidad es un fenoacutemeno que se produce en los cristales cuando se someten
a altas presiones se forman cargas eleacutectricas (un dipolo magneacutetico) ya que se orientan
en un extremo del cristal todas las cargas negativas y en el lado opuesta las cargas
positivas debido a la compresioacuten (efecto directo) dicho efecto es proporcional al campo
aplicado y es reversible o cristales pueden sufrir deformaciones mecaacutenicas al someterse
a una tensioacuten exterior (efecto inverso) dichos materiales pueden ser utilizados como
transductores para convertir tensioacuten mecaacutenica en electricidad y la electricidad en
vibraciones mecaacutenicas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
En 1880 Pierre y Jacques Curie mientras estudian los cristales y la piroelectricidad
(formacioacuten de cargas con la variacioacuten de temperatura) observan una polarizacioacuten despueacutes
de aplicar una tensioacuten mecaacutenica al cristal y comprueban que en sistemas policristalinos y
amorfos no sucede lo mismo puesto que los cristales carentes de un centro de simetriacutea
permiten el desarrollo de cargas de signo opuesto sin que lleguen a anularse
Mas adelante Johnson en colaboracioacuten con algunos otros cientiacuteficos encuentra una
relacioacuten entre la magnitud de los efectos piezoeleacutectricos y la diferencia de fuerza entre
catioacuten- anioacuten es decir postulan que las sales ioacutenicas no son piezoeleacutectricas mientras las
sales y cristales polarizados presentan dichas propiedades dicho postulado apoya lo
descubierto por los hermanos Curie por lo que la piezoelectricidad comienza a tomar
importancia en el aacutembito cientiacutefico
El termino de piezoelectricidad se puede aplicar de dos maneras de efecto directo
cuando un cristal es sometido a una tensioacuten mecaacutenica y se forma un momento dipolo
debido a la compresioacuten y de efecto indirecto cuando se produce una deformacioacuten muy
pequentildea (01 del tamantildeo total) dentro del cristal donde a la vez se genera como
respuesta a la tensioacuten un voltaje en las caras opuestas del cristal lo suficientemente
grande para utilizarse como energiacutea
En la figura 1 se puede observar el acomodo de los dominios (regiones de momento
dipolo que pueden cambiar su orientacioacuten) en un cristal antes durante y despueacutes del
proceso de polarizacioacuten
Fig1 Estructura de los dominios en la polarizacioacuten de un cristal
Antes de la polarizacioacuten Durante la polarizacioacuten Despueacutes de la polarizacioacuten
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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2Samuel A (1999) The structure of materials New York J Wiley
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5 Garciacutea de Miguel JM (1978) Quiacutemica del cristal Madrid Fundacioacuten Goacutemez Pardo
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12 Phillips F (1978) Introduccioacuten a la cristalografiacutea Madrid Paraninfo
13 Gay P (1977) Introduccioacuten al estado cristalino Barcelona Eunibar
14 Wade F (1976) Elementos de cristalografiacutea y mineralogiacutea Barcelona Omega
15 Nye J (1957) Physical properties of crystals their representation by tensors and
matrices Oxford Clarendon Press
Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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3 P Dineva et al Dynamic Fracture of Piezoelectric Materials
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solution ceramic ware J Appl Phys 25809ndash810
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
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S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
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5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
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bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
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- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
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- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Figura 2 Efecto piezoeleacutectrico
En la figura 2 se esquematiza el proceso de adquisicioacuten de piezoelectricidad mediante la
compresioacuten el material ceraacutemico se presiona hasta que sufre una deformacioacuten y genera
un campo eleacutectrico proporcional a la fuerza aplicada
Actualmente existen materiales piezoeleacutectricos naturales que se encuentran disponibles
en yacimientos minerales tales como el cuarzo la turmalina y la Sal de Rochelle y
materiales sinteacuteticos que son ceraacutemicas y poliacutemeros fabricados para exhibir
piezoelectricidad utilizando materia prima ferroeleacutectrica con acomodo tipo perovskita como
el titanato zirconato de plomo titanato de bario y polifluoruro de vinilideno
Los materiales piezoeleacutectricos son innovadores puesto que si se les da el tratamiento
adecuado se puede convertir su energiacutea mecaacutenica en energiacutea eleacutectrica la cual se genera
mediante la deformacioacuten que sufren depende de la direccioacuten en que se aplique si la
tensioacuten se aplica en la direccioacuten de la polarizacioacuten el elemento se comprime perpendicular
a la direccioacuten de la polarizacioacuten y si el voltaje se aplica en direccioacuten paralela a la direccioacuten
de la tensioacuten el elemento seraacute maacutes largo y su diaacutemetro menor
La ecuacioacuten que permite analizar la piezoelectricidad en una dimensioacuten es
119875 = 119885119889 +isin0 119883119864
119890 = 119885119904 + 119864119889
Donde
P polarizacioacuten eleacutectrica
Z tensioacuten mecaacutenica
d coeficiente de deformacioacuten
piezoeleacutectrica
g coeficiente de tensioacuten piezoeleacutectrica
E campo eleacutectrico
X susceptibilidad eleacutectrica
e deformacioacuten elaacutestica
s coeficiente de elasticidad
(-)
Circuito abierto
(+)
compresioacuten
Campo
eleacutectrico
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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15 Nye J (1957) Physical properties of crystals their representation by tensors and
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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3 P Dineva et al Dynamic Fracture of Piezoelectric Materials
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solution ceramic ware J Appl Phys 25809ndash810
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
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S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
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4 (Ilustracioacuten 1) wwwnobelprizeorg
5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
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bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
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- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Con las ecuaciones anteriores se puede conocer la polarizacioacuten eleacutectrica directa del
material dependiente de la tensioacuten y su susceptibilidad eleacutectrica y tambieacuten para la
piezoelectricidad inversa se puede calcular la deformacioacuten elaacutestica en el material
dependiente de la tensioacuten y el campo eleacutectrico aplicado
Como una aplicacioacuten de la piezoelectricidad se encuentran los transductores
electromecaacutenicos como microacutefonos sistemas de ignicioacuten amortiguadores de vibraciones
o deteccioacuten de impactos y osciladores electroacutenicos de precisioacuten el efecto de
piezoelectricidad inversa se ha utilizado para generadores de ultrasonidos
Caracteriacutesticas quiacutemicas
Los materiales piezoeleacutectricos son fabricados a partir de niobato de litio cuarzo y otros
monocristales (no puede haber policristales) de relativa insensibilidad a la tempratura
son de alta resistencia a impactos
Los ceraacutemicos piezoeleacutectricos se preparan partiendo de reactivos de la maacutes alta pureza
son quiacutemicamente inertes e inmunes a la humedad y otros factores atmosfeacutericos pueden
ser fabricados con un costo relativamente bajo suelen ser fabricados a una temperatura
debajo del punto de Curie (punto donde un cuerpo pierde su magnetismo) ya que asiacute los
cristales tienen simetriacutea tetragonal o romboeacutedrica y pueden presentar propiedades
ferroeleacutectricas
Caracteriacutesticas estructurales
Si se habla de piezoceraacutemicos son materiales riacutegidos y duacutectiles son elaacutesticos sus
propiedades se desgastan gradualmente despueacutes de la polarizacioacuten y dicho
procedimiento de despolarizado se acelera si un material piezoeleacutectrico es calentado a su
punto de Curie es mejor manejarlos a la mitad entre 0 y el punto de Curie y a bajos
voltajes
Los materiales piezoeleacutectricos son relativamente nuevos ya que se ha invertido poco en
su desarrollo y aplicacioacuten como tecnologiacutea pero en paiacuteses desarrollados se han
comenzado a implementar como moduladores laser transductores sensores y demaacutes
dispositivos que si se desarrollaran y difundieran ampliamente podriacutean ayudar a minimizar
el gasto de energiacutea utilizado de manera global
Bibliografiacutea
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
1 Magantildea Soliacutes L (2012) Los
superconductores 4ta ed Meacutexico DF
FCE ndash Fondo de Cultura Econoacutemica pp
27-37 42 73
2 Moreira O (2017) Superconductors
New Developments 1ra ed New York
Moreira pp ix-xxiv
3 Peter L (2001) Engineering
Superconductivity New York WILEY-
INTERSCIENCE pp 1-2 6-7 18-20
4 (Ilustracioacuten 1) wwwnobelprizeorg
5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
(2) Toofan J y Watson P (1998) The termination of the α-Al2O3 (0001) surface a LEED crystallography determination
Surface science 401 162-172
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mesopourous materials 130 280-286
(4) Landron C Hennet C Coutures J Jenkins T y Soper A (2001) Neutron scattering experiments on solids and liquids
at elevated temperaturas using an aerodynamic laser-heated furnace Microgravity Research and aplications in physical
sciences and Biotechnology 454 699-706
(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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Quiacutemica del Estado Soacutelido Semestre 2018-2
Piezoelectricidad Franco Hernaacutendez Alejandro
Piezoelectricidad proviene de la palabra Piezo (que significa presioacuten en griego) traducido
literalmente a electricidad resultante de presioacuten Piezoelectricidad es la propiedad que presenta
un material cristalino cuando al aplicar una compresioacuten o expansioacuten de las dimensiones
naturales del sistema cristalino se cambia la polarizacioacuten eleacutectrica del material es decir debido
a este efecto mecaacutenico se produce un campo eleacutectrico (aparicioacuten de cargas en las superficies
del material) El efecto inverso tambieacuten se da al aplicar un campo eleacutectrico al cristal aparece
una deformacioacuten mecaacutenica
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 en cristales asimeacutetricos
como turmalina cuarzo topacio azuacutecar de cantildea y sal de Rochelle Observaban que al
comprimir un Cuarzo apareciacutea una carga eleacutectrica y que era proporcional a la tensioacuten
Para que una distorsioacuten mecaacutenica pueda crear un campo eleacutectrico en el material es necesario
que dicho material cuente con momentos dipolares anclados a la estructura interna del material
sin un centro de simetriacutea de otra forma no puede darse el cambio de polarizacioacuten
Figura 10 (A) Compresioacuten del material (B) Expansioacuten del material1
Los compuestos quiacutemicos maacutes relevantes que presentan esta propiedad son ciertos cristales
como la turmalina el cuarzo el topacio y la sal Rochelle
Los materiales piezoeleacutectricos maacutes utilizados son los ceraacutemicos policristalinos y los poliacutemeros
Estos materiales presentan caraacutecter piezoeleacutectrico despueacutes de haber sido sometidos a una
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH Science VOL 312 N
5771 Pag 242-246 Abr 2006
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
1 Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays Wang ZL Song JH
Science VOL 312 N 5771 Pag 242-246 Abr 2006
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Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
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Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
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5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
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Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
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Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
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-
polarizacioacuten artificial La ceraacutemica piezoeleacutectrica maacutes empleada se denomina Titanato
Zirconato de Plomo (PZT) Su composicioacuten quiacutemica es Pbx(TiZr)1-xO3 Una de las
composiciones comercialmente maacutes tiacutepicas contiene aproximadamente el 47 de PbTiO3 y el
53 de PbZrO3 El poliacutemero piezoeleacutectrico maacutes desarrollado es el polifluoruro de vinilideno
(PVDF)2
La piezoelectricidad comenzoacute a estudiarse maacutes a fondo cuando se descubrioacute que el BaTiO3 era
un ferroeleacutectrico que podiacutea fabricarse faacutecilmente a un bajo precio adicionalmente puede ser
un buen piezoeleacutectrico con constantes maacutes altas que los materiales naturales Este material es
tipo perovskita pronto se descubrieron otras perovskitas con propiedades similares abriendo
asiacute el camino a la aplicacioacuten industrial con la ceraacutemica piezoeleacutectrica y la historia moderna de la
piezoelectricidad3
Se descubrieron las propiedades en la familia de Titanoatos de Bario (piezoceraacutemica) y el
Zirconato de Plomo Este fue el antecedente para posteriormente dopar estas dos familias con
impurezas metaacutelicas para lograr las propiedades deseadas tales como constantes dieleacutectricas
rigidez coeficientes de acoplamiento piezoeleacutectrico etc Es asiacute como la piezoelectricidad se
convirtioacute en una de las ramas de la fiacutesica cristalina4
Bibliografiacutea
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3 P Dineva et al Dynamic Fracture of Piezoelectric Materials
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4 Jaffe B Roth RS Marzullo S (1954) Piezoelectric properties of lead zirconate-lead titanate
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Zemansky 12deg edicioacuten Editorial Pearson
educacioacuten (2009)Voluacutemen 2 pp1445-1455
Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
1 Magantildea Soliacutes L (2012) Los
superconductores 4ta ed Meacutexico DF
FCE ndash Fondo de Cultura Econoacutemica pp
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Moreira pp ix-xxiv
3 Peter L (2001) Engineering
Superconductivity New York WILEY-
INTERSCIENCE pp 1-2 6-7 18-20
4 (Ilustracioacuten 1) wwwnobelprizeorg
5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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- Termopares (1)pdf (p31-32)
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-
Semiconductores Transparentes Universidad Autoacutenoma de Meacutexico Facultad de Quiacutemica
Castro Trujillo Angelina Cruz Castantildeeda Andrea
Quiacutemica del estado soacutelido
AISLANTES CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales que pueden
funcionar como un aislante o como un conductor bajo
ciertas condiciones son utilizados en transistores o bien
en electroacutenicos flexibles y transparentes para la industria
de los electroacutenicos por ejemplo en las pantallas de
celulares televisiones o computadoras
Las bandas de energiacutea son el resultado del traslape de
las funciones de onda de los aacutetomos en un arreglo
cristalino entre maacutes compacto sea el arreglo cristalino el
traslape seraacute mayor y la energiacutea aumentaraacute Dentro de las
bandas de energiacutea la banda de valencia es la banda de
mayor energiacutea completamente llena de electrones y la
siguiente banda en energiacutea es la banda de conduccioacuten que
se encuentra desocupada parcial o completamente Estas
bandas son las que nos ayudan a entender los conceptos
mencionados anteriormente Si la banda de valencia se
encuentra completamente llena y la separacioacuten energeacutetica
entre eacutesta y la banda de conduccioacuten (vaciacutea) es muy
grande seraacute un aislante dado que los electrones no
pueden moverse libremente en eacutesta banda y el pasar a la
banda de conduccioacuten implica un costo muy grande de
energiacutea potencial no permitido de modo que no se puede
producir una corriente a menos que se aplique un campo
eleacutectrico lo suficientemente grande para que ocurra el
brinco de los electrones a la banda de conduccioacuten
provocando el efecto de la ruptura del dieleacutectrico Cuando
se tiene un conductor lo que se tiene es que la banda de
conduccioacuten estaacute parcialmente llena lo cual implica que en
dicha banda los electrones pueden moverse libremente
generando asiacute una corriente eleacutectrica por su movimiento
Y por uacuteltimo en un semiconductor al igual que en un
aislante la banda de valencia estaacute completamente llena y
la de conduccioacuten vaciacutea pero la diferencia energeacutetica entre
dichas bandas es muy pequentildea por lo que los electrones
de la banda de valencia pasan a la banda de conduccioacuten
maacutes faacutecilmente que en un aislante
La temperatura puede hacer que un semiconductor se
comporte como un aislante o bien como un conductor
Al disminuir la temperatura y con ello la energiacutea del
sistema los electrones ya no pueden llegar a la banda de
conduccioacuten comportaacutendose como un aislante Por otra
parte si se aumenta la temperatura los electrones
adquieren la energiacutea suficiente para poder saltar a la banda
de conduccioacuten produciendo una corriente eleacutectrica por lo
que se comportan como conductores
Figura 1 Esquema de las bandas de energiacutea seguacuten el tipo de
material
CARACTERIacuteSTICAS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Huecos
Cuando un semiconductor actuacutea como un conductor y los
electrones de la banda de valencia comienzan a saltar a la
banda de conduccioacuten van dejando huecos en la banda de
valencia cuando uno salta deja un hueco el electroacuten
inmediato lo ocupa luego el siguiente electroacuten salta al
hueco y asiacute sucesivamente Conforme los electrones van
subiendo a banda de conduccioacuten van apareciendo maacutes
huecos los cuales se mueven en direccioacuten contraria a los
electrones como si fueran partiacuteculas positivas y debido a
que el electroacuten salta a la capa de conduccioacuten generando
un hueco la cantidad de huecos en la banda de valencia
siempre es la misma que electrones que se encuentran en
la capa de conduccioacuten A esta forma de conduccioacuten se le
conoce como conduccioacuten intriacutenseca y por ende los
semiconductores que actuacuteen de esta forma seraacuten
semiconductores intriacutensecos o puros
Impurezas
Los semiconductores con impurezas son aquellos que
estaacuten dopados con alguacuten otro elemento dentro de su
estructura cristalina es decir se cambian algunos aacutetomos
de su estructura normal por aacutetomos de otros elementos
ajenos a su estructura Existen semiconductores tipo n y
tipo p seguacuten los aacutetomos de que elemento se elijan para
funcionar como impurezas
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
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Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
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astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
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Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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-
Los semiconductores tipo n son aquellos que estaacuten
dopados con un aacutetomo de un elemento de un nuacutemero
atoacutemico mayor que el de su estructura teniendo asiacute un
electroacuten extra a los demaacutes Este electroacuten extra por efecto
de apantallamiento y por no encontrarse en un enlace
(ldquoestando libre dentro del aacutetomordquo) tiene una energiacutea
mayor y se encuentra en una banda de energiacutea cercana a
la banda de conduccioacuten por lo que es maacutes faacutecil que eacuteste
brinque a la banda de conduccioacuten a que los electrones de
la banda de valencia lo hagan Con ello la conduccioacuten se
incrementa debido a que se disminuyen los huecos y la
cantidad de electrones que se puede mover a la banda de
conduccioacuten es mayor Entonces el mecanismo que
domina la conduccioacuten es la movilidad de electrones cabe
mencionar que al mismo tiempo que se lleva a cabo la
conduccioacuten de dichos electrones se lleva a cabo la
conduccioacuten intriacutenseca mencionada anteriormente
En un semiconductor tipo p la estructura cristalina estaacute
dopada con aacutetomo de un elemento cuyo nuacutemero atoacutemico
es menor a los que conforman el arreglo cristalino lo cual
provoca que le falte un electroacuten para realizar el nuacutemero de
enlaces covalentes que se requieren por lo cual retira un
electroacuten de la capa de valencia de uno de los aacutetomos
vecinos generando asiacute un hueco Estos electrones se
encuentran en una banda energeacutetica con una ligera mayor
energiacutea que la banda de valencia y por efectos
electrostaacuteticos (carga nuclear efectiva mayor que en los
aacutetomos de la estructura original) el electroacuten queda
inmoacutevil pero deja un hueco Por lo tanto lo que domina
ahora la conduccioacuten es el transporte o movilidad de los
huecos (cargas positivas)
SEMICONDUCTORES TRANSPARENTES
Caracteriacutesticas
Los semiconductores como se explicoacute anteriormente
tienen una pequentildea separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten mientras que los materiales
transparentes son aislantes debido a que al tener una
densidad nula de electrones en la banda de conduccioacuten no
hay una absorcioacuten oacuteptica ademaacutes al no haber transiciones
entre la banda de valencia y la banda de conduccioacuten no
existen transiciones que sean oacutepticamente visibles por lo
que existe una alta separacioacuten entre la banda de valencia
y la banda de conduccioacuten Esto genera una contradiccioacuten
debido a que para que sea un conductor la separacioacuten entre
las bandas energeacuteticas mencionadas debe ser pequentildea
pero para que sea transparente eacutesta debe ser grande
Los semiconductores normales se basan en estructuras
cristalinas con enlaces covalentes pero los
semiconductores transparentes se basan en una estructura
cristalina conformada por oacutexidos perdiendo asiacute parte de
la covalencia lo cual provoca una alta separacioacuten entre
las bandas de conduccioacuten y las bandas de valencia Sin
embargo se tienen a la vez superposiciones maacutes grandes
entre los orbitales metaacutelicos vecinos aumentando la
dispersioacuten de la banda de conduccioacuten lo que resulta en
pequentildeas masas efectivas del electroacuten Por consiguiente
no es difiacutecil lograr una buena conduccioacuten electroacutenica en
oacutexidos si la activacioacuten de electrones de alta densidad es
posible Para que las estructuras de los oacutexidos sean
transparentes y puedan tener una buena conduccioacuten
deben estar dopadas degeneradamente y ser
semiconductores tipo n Ademaacutes de facilitar el transporte
de electrones esto tambieacuten ayuda a regular la diferencia
energeacutetica entre ambas bandas (activacioacuten de electrones
de alta densidad) Conociendo esto se puede manipular
dicha diferencia para obtener una baja densidad de estados
en la banda de conduccioacuten consecuentemente la alta
dispersioacuten de energiacutea de la banda de conduccioacuten generada
asegura un pronunciado desplazamiento de energiacutea de
Fermi por encima del miacutenimo de la banda de conduccioacuten
lo cual ayuda a ampliar la ventana de transparencia oacuteptica
y a mantener las transiciones oacutepticas intensas de la banda
de valencia fuera del rango visible
ESTRUCTURA EN LOS SEMICONDUCTORES
TRANSPARENTES
El cambio (estructural) de coordinacioacuten del oxiacutegeno en
los oacutexidos no afecta en su funcioacuten como semiconductor
debido a que el cambio en la masa efectiva del electroacuten no
es considerable (menor al 15) por lo que el
semiconductor funciona de manera muy similar
permitiendo explicar el porqueacute del funcionamiento de
semiconductores que son amorfos Un ejemplo de cambio
estructural puede ser entre wurtzita y la blenda de zinc
En conclusioacuten existen tanto semiconductores cristalinos
como amorfos
BIBLIOGRAFIacuteA
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aplications Facchetti Antonio Marks Tobin
Editorial Wiley(2010) pp1-35
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Fiacutesica David Halliday Robert Resnick Kenneth
S Krane Tercera edicioacuten () Voluacutemen 2 pp586-
597
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
FCE ndash Fondo de Cultura Econoacutemica pp
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Superconductivity New York WILEY-
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4 (Ilustracioacuten 1) wwwnobelprizeorg
5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
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Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
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- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
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- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
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- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Alumno Monsalvo Hernaacutendez Alberto
SUPERCONDUCTORES
Un poco de historia
A principios del siglo 20
se buscaban meacutetodos
capaces de lograr la
licuefaccioacuten de algunos
gases que hasta ese
entonces habiacutea sido
imposible entre estos
gases se encontraba el
helio En 1908 Heike
Kamerlingh Onnes logroacute
licuar gas helio por
primera vez en el mundo
alcanzando una
temperatura de ebullicioacuten
de 422 K este logro se realizoacute en la universidad
de Leyden en Holanda
Gracias a estas temperaturas alcanzadas por el
helio liacutequido Onnes se dispuso a investigar como
cambiaban las propiedades de la materia en esas
condiciones comenzando con la resistividad
eleacutectrica de los metales Utilizoacute como material de
experimentacioacuten el mercurio por ser el metal que
se podiacutea conseguir con mayor pureza en esos
tiempos A traveacutes de diversas mediciones de la
resistividad eleacutectrica del mercurio a bajas
temperaturas el estudiante de doctorado Gilles
Holst descubrioacute que a una temperatura de 415 K
el valor resultante de la resistividad eleacutectrica caiacutea
a menos de un milloacuten de veces el valor medido a
la temperatura de ebullicioacuten
Fue entonces que en 1914 Kamerlingh y su
equipo descubrieron el fenoacutemeno o estado de
superconductividad asiacute como tambieacuten
establecieron que este fenoacutemeno podiacutea
destruirse de distintas maneras en las que estaacuten
involucradas la temperatura la densidad de
corriente y el campo magneacutetico
Posteriormente en 1933 Walther Meissner y
Robert Oschenfeld descubrieron que para
campos magneacuteticos bajos aplicados al material
el campo magneacutetico en el interior de un material
en el estado superconductor siempre vale cero
este efecto es conocido como efecto Meissner-
Oschenfeld
iquestQueacute es la superconductividad
La superconductividad es una propiedad
mostrada por ciertos materiales a temperaturas
muy bajas Un superconductor conduce la
electricidad sin resistencia e incluso repele
perfectamente los campos magneacuteticos gracias al
efecto Meissner
En un conductor existe una corriente de
electrones conocida como electricidad que viaja
a traveacutes de una red ioacutenica de aacutetomos esto
provoca un aumento en la temperatura del
material debido a que los electrones liberan un
poco de su energiacutea en la red Gracias a que los
electrones chocan constantemente en la red se
pierde un poco de dicha energiacutea esto se ve
reflejado en una disminucioacuten de la intensidad en
la corriente eleacutectrica mientras viaja a traveacutes del
conductor A esto se le llama resistencia eleacutectrica
En un superconductor los electrones que fluyen
se enlazan unos con otros en arreglos llamados
pares de Cooper Los electrones en los pares de
Cooper son capaces de fluir a traveacutes del material
sin resistencia alguna La temperatura
extremadamente baja a la que es expuesto un
material para alcanzar el estado superconductor
provoca que los aacutetomos no vibren con suficiente
fuerza para romper el arreglo de los pares de
Cooper y como consecuencia los electrones
quedan unidos indefinidamente mientras la
temperatura se mantenga bajo el valor criacutetico
Superconductores tipo I y tipo II
Tipo I
Existen metales que comparten semejanzas
entre siacute en el estado superconductor La mayoriacutea
de ellos se obtienen a temperaturas por debajo
de los 30 K A estos materiales superconductores
se les conoce como superconductores ideales
superconductores tipo I o suaves
Este tipo de superconductores se caracterizan
ademaacutes de ser metales puros por tener un
campo magneacutetico criacutetico HC por encima del cual
Ilustracioacuten 1 Heike Kamerlingh Onnes
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
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5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
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De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
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DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
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- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
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- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
las propiedades superconductoras cesan de una
manera abrupta
En la ilustracioacuten 2 podemos notar que existe un
uacutenico valor de Hc dependiente de la temperatura
y que por encima de eacuteste el material regresa a su
estado normal
Tipo II
Algunos otros materiales llamados
superconductores de temperaturas altas se
obtienen a temperaturas tiacutepicamente maacutes altas
que los 70 K (aleaciones de metales y en menor
medida compuestos metaacutelicos puros V Tc y Nb)
e incluso a veces alcanzan temperaturas de 138
K (ceraacutemicos de cuprato-perovskitas)
Estos superconductores se encuentran en un
estado mixto El estado mixto se refiere a una
estructura en la que el superconductor es
atravesado por finos cilindros (llamados nuacutecleos
normales) de material en el estado normal estos
cilindros son paralelos al campo magneacutetico
aplicado Cada uno de estos nuacutecleos normales es
atravesado por un flujo magneacutetico que tiene la
misma direccioacuten que el campo aplicado este flujo
es generado por un voacutertice de corriente que
circula alrededor de eacutel y que ademaacutes tiene un
sentido de rotacioacuten contrario al flujo de corriente
en el periacutemetro del superconductor
Gracias a este peculiar estado los materiales
superconductores tipo II logran pasar del estado
superconductor al estado normal de forma
gradual proporcional al aumento del campo
magneacutetico aplicado a la muestra
Observando la ilustracioacuten 3 se observan tres
regiones en las cuales el material posee distintas
propiedades debajo del valor del campo
magneacutetico HC1 el material tiene propiedades de
superconductor tipo I entre HC2 y HC1 se
encuentra en un estado mixto y por arriba del
valor de HC2 el material regresa a su estado
normal
Bibliografiacutea
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superconductores 4ta ed Meacutexico DF
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3 Peter L (2001) Engineering
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5 (Ilustracioacuten 2 y 3) hyperphysicsphy-
astrgsuedu
Ilustracioacuten 2 Diagrama de fases de un superconductor tipo I
Ilustracioacuten 3 Diagrama de fases de un superconductor tipo II
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
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onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Superconductores
Loacutepez Miranda Erick
La superconductividad es un fenoacutemeno en el que la
resistencia eleacutectrica de un material se anula por efecto
de las bajas temperaturas Dicho fue descubierto por el
fiacutesico holandeacutes Heike Kamerlingh Onnes y uno de sus
asistentes en 1911 tras observar como la resistencia
eleacutectrica del mercurio disminuiacutea al ser enfriado hasta
desaparecer cuando esta llegaba a la temperatura del
helio liacutequido (42K o -269 ordmC) figura 1 Poco despueacutes de
este descubrimiento muchos otros metales elementales
mostraron una resistencia cero cuando sus temperaturas
se redujeron por debajo de cierta temperatura
caracteriacutestica del material llamada temperatura criacutetica
Tc parte de la cual se muestra en la tabla 1
Figura 1 Experimento de Onnes en la determinacioacuten de la
temperatura critica del mercurio
Otro aspecto a resaltar de los superconductores es el
fenoacutemeno de levitacioacuten de imanes Dicho fenoacutemeno fue
descubierto en 1933 por Walter Meissner y Robert
Ochsenfeld al que se le conoce como efecto Meissner
Dicho efecto consiste en la anulacioacuten del campo
magneacutetico en el interior del material y las liacuteneas de
campo son expulsadas hacia el exterior del material por
lo que este se comporta como un diamagneto ideal
figura 2
Tabla 1 Lista de superconductores con sus
respectivas temperaturas criticas
Figura 2 Efecto Meissner en un superconductor
Los campos magneacuteticos altos destruyen la
superconductividad y restablecen el estado de
conduccioacuten normal Dependiendo del caraacutecter de esta
transicioacuten podemos distinguir entre superconductores
tipo I y II El graacutefico que se muestra en la Figura 3a)
ilustra la intensidad del campo magneacutetico interno Bi
con el aumento del campo magneacutetico aplicado Se
encuentra que el campo interno es cero (como se
esperaba del efecto Meissner) hasta que se alcanza un
campo magneacutetico criacutetico Bc donde ocurre una
transicioacuten repentina al estado normal Esto resulta en la
penetracioacuten del campo aplicado en el interior Los
superconductores que experimentan esta transicioacuten
abrupta al estado normal por encima de un campo
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
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M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
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Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
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Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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- Aleacionespdf (p35-36)
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-
magneacutetico criacutetico se conocen como superconductores
tipo I La mayoriacutea de los elementos puros que se
encuentran en la tabla 1 tienden a ser superconductores
de tipo I Los superconductores tipo II por otro lado
responden de manera diferente a un campo magneacutetico
aplicado como se muestra en la Figura 3b) Un campo
creciente desde cero da como resultado dos campos
criacuteticos Bc1 y Bc2 En Bc1 el campo aplicado comienza
a penetrar parcialmente en el interior del
superconductor Sin embargo la superconductividad se
mantiene en este punto La superconductividad
desaparece por encima del segundo campo criacutetico
mucho maacutes alto Bc2 Para los campos aplicados entre
Bc1 y Bc2 el campo aplicado es capaz de penetrar
parcialmente en el superconductor por lo que el efecto
Meissner es incompleto lo que permite que el
superconductor tolere campos magneacuteticos muy altos
Figura 3 a) superconductor tipo I b) superconductor tipo II
Teoriacutea de BCS y pares de Cooper
De acuerdo con la fiacutesica claacutesica parte de la resistencia
de un metal se debe a las colisiones entre los electrones
libres y las vibraciones de la red cristalina conocidos
como fonones Ademaacutes parte de la resistencia se debe
a la dispersioacuten de electrones de impurezas o defectos en
el conductor Como resultado surgioacute la pregunta de por
queacute esto no sucede en los superconductores
Una teoriacutea microscoacutepica de la superconductividad fue
desarrollada en 1957 por John Bardeen Leon Cooper y
J Robert Schrieffer que se conoce como la teoriacutea de
BCS La caracteriacutestica central de la teoriacutea BCS es que
dos electrones en el superconductor pueden formar un
par vinculado llamado par Cooper si de alguna manera
experimentan una interaccioacuten atractiva entre ellos Esta
idea a primera vista parece contradictoria ya que los
electrones normalmente se repelen entre siacute debido a sus
cargas similares Esto se puede pensar de la siguiente
manera y se ilustra en la Figura 4 Un electroacuten pasa a
traveacutes del enrejado y los iones positivos se atraen hacia
eacutel causando una distorsioacuten en sus posiciones
nominales El segundo electroacuten (el compantildeero de la
pareja Cooper) aparece y es atraiacutedo por los iones
desplazados Hay que tener en cuenta que este segundo
electroacuten solo puede atraerse a la distorsioacuten de la red si
se aproxima lo suficiente antes de que los iones tengan
la oportunidad de volver a sus posiciones de equilibrio
El efecto neto es una fuerza de atraccioacuten retrasada deacutebil
entre los dos electrones
Superconductores de alta Tc
Un objetivo principal en el disentildeo de superconductores
es el de obtener dichos materiales que presenten el
fenoacutemeno de superconductividad a temperatura
ambiente por dos motivos la primera es por que
aplicaciones tecnoloacutegicas de estos seraacute maacutes abundante
y la segunda es por cuestiones econoacutemicas ya que
mantener condiciones de criogenia es costoso
Sin embargo en 1986 Bednorz y Muumlller descubrieron
una clase de materiales que condujo a superconductores
que se pueden obtener enfriaacutendolos con nitroacutegeno
liacutequido El material al que maacutes se ha investigado por las
debidas razones es el cuprato de bario-itrio o
YBa2Cu3O7 tambieacuten conocido como el superconductor
1-2-3 y se clasifican como superconductores de alta
temperatura (Tc) La estructura de la red cristalina de
YBa2Cu3O7 se muestra en la Figura 4 A diferencia de
los superconductores tradicionales la conduccioacuten se
produce principalmente en los planos que contienen el
oacutexido de cobre Se ha encontrado que la temperatura
criacutetica es muy sensible al nuacutemero promedio de aacutetomos
de oxiacutegeno presentes que puede variar Por esta razoacuten
la foacutermula para el superconductor 1-2-3 a veces se da
como YBa2Cu3O7-δ donde δ es un nuacutemero entre 0 y 1
Figura 4 Estructura cristalina del YBa2Cu3O7
Bibliografiacutea
Joe Khachan Stephen Bosi Superconductivity
Disponible en
httpwwwphysicsusydeduau~khachanPTFSuperc
onductivitypdf
M R Norman Rep Prog Phys 2016 79 074502
Y Bar-Yam Phys Rev 1991 B 43 359
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
(2) Toofan J y Watson P (1998) The termination of the α-Al2O3 (0001) surface a LEED crystallography determination
Surface science 401 162-172
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mesopourous materials 130 280-286
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(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
West Anthony Solid State Chemistry and its Applications
2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
Baldi Livio Emerging memories Solid State Electronics Ndeg
102 2014
Allen Philip Magnetism and Mangetoresistance in Magnetic
Multilayers Solid State Communications Vol102 1997
- Bateriacuteas de litiopdf (p1-2)
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- Cristales liquidospdf (p11-12)
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-
De la Piedra Meacutendez Camila Hernandez Villaverde Luis Mauricio
TERMOPARES
Un termopar es un dispositivo utilizado para la medicioacuten de temperatura el cual se fundamenta en un fenoacutemeno termoeleacutectrico llamado ldquoEfecto Seebeckrdquo el cual indica que si dos semiconductores A y B se encuentran unidos por los extremos (puntos de unioacuten) formando un circuito cerrado y estos puntos se encuentran a diferente temperatura se genera una corriente eleacutectrica la cual es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre los dos puntos de unioacuten En el caso particular de que el circuito esteacute abierto es decir soacutelo exista una unioacuten entre los semiconductores se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico la cual tambieacuten es proporcional a la diferencia de temperaturas
Figura 1 Representacioacuten del efecto Seebeck en un sistema abierto Eacutesta diferencia de potencial es generada debido a que el aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad promedio de los portadores de carga que se mueven a lo largo del material al tener portadores de carga movieacutendose maacutes raacutepido en la ldquozona calienterdquo provocaraacute una acumulacion de portadores de carga en la ldquozona friardquo Por lo tanto como es necesario que los electrones se muevan a lo largo del filamento la resistividad del material juega un papel importante pues de esta dependeraacute que tanto se forme esta diferencia de densidades de electrones en cada extremo Un metal que presente baja resistividad haraacute que el movimiento de los electrones sea continuo y muy favorecido por lo que no se acumularan en ningun momento y por lo tanto no se generaraacute una diferencia de potencial eleacutectrico Un material con alta resistividad dificultaraacute el movimiento de electrones y de igual manera no se lograraacute percibir una diferencia entre los extremos del filamento Se ha encontrado que uacutenicamente la combinacioacuten de dos materiales diferentes presentan el efecto ldquoSeebeckrdquo esto quiere decir que dos filamentos de un mismo material no generan una diferencia de potencial perceptible debido a la simetriacutea del sistema Por lo tanto un termopar consta de dos filamentos de materiales diferentes (generalmente metales o aleaciones) unidos por un extremo Algunos termopares tienen un voltiacutemetro integrado que registra de manera directa la diferencia de potencial generada sin embargo en la mayoriacutea de los termopares es necesario conectar uno externo Para medir una temperatura con un termopar se mantiene un extremo a temperatura constante (temperatura ambiente) de modo que la diferencia de potencial registrada sea funcioacuten de la temperatura a la que estaacute sometida la otra unioacuten (punto de medicioacuten) Al calentarse el punto de medicioacuten se mide la diferencia de potencial que se genera Teniendo
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
(2) Toofan J y Watson P (1998) The termination of the α-Al2O3 (0001) surface a LEED crystallography determination
Surface science 401 162-172
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mesopourous materials 130 280-286
(4) Landron C Hennet C Coutures J Jenkins T y Soper A (2001) Neutron scattering experiments on solids and liquids
at elevated temperaturas using an aerodynamic laser-heated furnace Microgravity Research and aplications in physical
sciences and Biotechnology 454 699-706
(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
West Anthony Solid State Chemistry and its Applications
2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
Baldi Livio Emerging memories Solid State Electronics Ndeg
102 2014
Allen Philip Magnetism and Mangetoresistance in Magnetic
Multilayers Solid State Communications Vol102 1997
- Bateriacuteas de litiopdf (p1-2)
- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
- Capacitorespdf (p5-6)
- Celdas Solares Orgaacutenicas (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p7-8)
- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
- Ferroeleacutectricospdf (p15-16)
- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
este valor se prosigue a leer en tablas la temperatura que corresponde a esa diferencia de potencial Dado que la medicioacuten se realiza con respecto a la temperatura ambiente y la temperatura ambiente es diferente en distintos lugares la temperatura obtenida seraacute una temperatura relativa Para obtener el valor absoluto de la temperatura se aplica la llamada ldquocompensacioacuten de la zona friacuteardquo la cual es una correccioacuten que igualmente se encuentra en tablas dependiendo del termopar Para resultados de temperatura maacutes exactos y reproducibles es deseable que los materiales utilizados presenten una resistividad ligeramente alta lo cual permite tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa pues si los filamentos del termopar poseen una masa considerable la capacidad caloriacutefica aumenta provocando que la temperatura cambie lentamente y por lo tanto la respuesta del termopar se torne lenta De igual manera se espera que el termopar resista la oxidacioacuten a distintas temperaturas pues deben de tolerar la atmoacutesfera de trabajo asiacute como mantener una linealidad de respuesta a las temperaturas utilizadas Para obtener estas propiedades se emplean combinaciones especiales de materiales para formar termopares cuyas electronegatividades individuales sean lo maacutes diferentes posibles A continuacioacuten se muestra una tabla con los tipos de termopares maacutes utilizados Tabla 1 Termopares maacutes utilizados
Tipo Metal o aleacioacuten Descripcioacuten
K NiCr(+) ---- NiAl(-)
Ideales para la utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 1200degC
J Fe(+) ----- CuNi(-)
Ideales para el uso en vaciacuteo en atmoacutesferas oxidantes y reductoras Se utilizan para mediciones hasta 750degC
N NiCrSi(+) ---- NiSi(-)
Ideales para atmoacutesferas oxidantes o reductoras hasta 1300 degC Exactas a altas temperaturas
E NiCr(+)-- CuNi(-) Ideales para utilizacioacuten en atmoacutesferas oxidantes o de gas inerte hasta 900 degC
T Cu (+) --- CuNi(-) ideales para temperaturas bajo 0 degC con un liacutemite maacuteximo de temperatura de 350 degC
Otros tipos de termopares comuacutenmente utilizados estaraacuten formados por una base de Platino llegando a una temperatura de 1700degC sin embargo son maacutes caros y el potencial de salida seraacute menor a cuando se utilizan los termopares tipo N o K Bibliografiacutea -Herwaarden AW (1986) Thermal sensors based on the seebeck effect Sensors and Actuators Volumen 10 pp 321-346 -Pallaacutes-Areny R (2007) Sensores y acondicionadores de sentildeal (4th ed pp 273-280) Barcelona Marcombo -Granda Miguel M (2015) Instrumentacioacuten electroacutenica transductores y acondicionadores de sentildeal (2nd ed pp 235-250) Santander Editorial de la Universidad de Cantabria
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
(2) Toofan J y Watson P (1998) The termination of the α-Al2O3 (0001) surface a LEED crystallography determination
Surface science 401 162-172
(3) Hill A Harrison A Dickinson C Zhou W y Kockelinam W (2010) Crystallographic and magnetic studies of
mesopourous materials 130 280-286
(4) Landron C Hennet C Coutures J Jenkins T y Soper A (2001) Neutron scattering experiments on solids and liquids
at elevated temperaturas using an aerodynamic laser-heated furnace Microgravity Research and aplications in physical
sciences and Biotechnology 454 699-706
(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
West Anthony Solid State Chemistry and its Applications
2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
Baldi Livio Emerging memories Solid State Electronics Ndeg
102 2014
Allen Philip Magnetism and Mangetoresistance in Magnetic
Multilayers Solid State Communications Vol102 1997
- Bateriacuteas de litiopdf (p1-2)
- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
- Capacitorespdf (p5-6)
- Celdas Solares Orgaacutenicas (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p7-8)
- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
- Ferroeleacutectricospdf (p15-16)
- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Ramiacuterez Fuentes Brenda
Pitaluacutea Calleja David
El Laacuteser Descripcioacuten del fenoacutemeno
Desde su invencioacuten en 1960 el laacuteser ha encontrado muacuteltiples aplicaciones y ha sido un fenoacutemeno convertido en instrumento altamente
revolucionario en los aacutembitos cientiacutefico y tecnoloacutegico
En realidad el laacuteser es un conjunto de varios fenoacutemenos actuando en un sistema para producir la luz laacuteser
Un sistema laacuteser es la condensacioacuten espacial y temporal de luz monocromaacutetica por medio de una estimulacioacuten previa hacia
alguacuten material o agente quiacutemico que emita tal luz
Se estimula al material para convertir la energiacutea de la estimulacioacuten en energiacutea luminosa con las caracteriacutesticas deseadas
Caracteriacutesticas del laacuteser
Luz con muy poca dispersioacuten La luz que sale del laacuteser
Luz potente e intensa Existe una gran cantidad de fotones incidentes en la
superficie donde impacta por unidad de aacuterea por tanto el laacuteser condensa
altamente la energiacutea luminosa
Luz monocromaacutetica Toda la luz que sale del laacuteser tiene la misma longitud de
onda
Luz en fase Toda la luz que emite el laacuteser estaacute en fase o sea que estaacute
experimentando coherencia temporal y espacial y por tanto se podraacuten sumar sus
ondas
Teoriacutea que justifica el fenoacutemeno
Al ser un conjunto de varios fenoacutemenos el laacuteser es explicado por varias teoriacuteas
Absorcioacuten-emisioacuten Estaacute presente el fenoacutemeno de absorcioacuten-emisioacuten dentro del laacuteser
Para que haya una cantidad grande de aacutetomos excitados y asiacute se pueda amplificar la luz con
la que es estimulada Se tiene que lograr la ldquoinversioacuten de poblacioacutenrdquo que es un estado
donde la mayoriacutea de los aacutetomos de un sistema estaacuten en un estado excitado
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
Oscilador oacuteptico
Para mantener la inversioacuten de poblacioacuten se utiliza un resonador
oacuteptico en la cavidad Con dos espejos uno que refleja la luz al
100 y otro al 90 El 10 restante de la luz sale como producto
final Luz laacuteser
El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de
Cultura Econoacutemica Jun 26 2012
ldquoCualquier fotoacuten que sea emitido en una direccioacuten diferente de la
definida por el eje oacuteptico del resonador oacuteptico se perderaacute mientras que
cualquier fotoacuten emitido a lo largo del eje oacuteptico del oscilador seraacute
amplificado inmediatamente generaremos un enorme flujo de fotones
confinados por el resonador oacuteptico que se propaga a lo largo del eje
oacuteptico Si el resonador oacuteptico no estuviera alliacute despueacutes de disparar el
sistema de bombeo los aacutetomos que fueron excitados pasariacutean a su
estado baserdquo(1)
En el caso del rubiacute (Al2O3 con 005 de Cr2O3 se observa una
excitacioacuten en una longitud de onda de 407 nm y 551 nm (2) Se aplica el modelo de campo cristalino para una geometriacutea octaeacutedrica
Caracteriacutesticas quiacutemicas
En este documento solo nos enfocaremos en laacuteser de rubiacute
En el caso del laacuteser de rubiacute se puede lograr una luz laacuteser debido a una excitacioacuten del Cromo presente en la red cristalina del rubiacute
Absorcioacuten- Emisioacuten Bombeo Concentracioacuten de la luz Salida de luz laacuteser
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
(2) Toofan J y Watson P (1998) The termination of the α-Al2O3 (0001) surface a LEED crystallography determination
Surface science 401 162-172
(3) Hill A Harrison A Dickinson C Zhou W y Kockelinam W (2010) Crystallographic and magnetic studies of
mesopourous materials 130 280-286
(4) Landron C Hennet C Coutures J Jenkins T y Soper A (2001) Neutron scattering experiments on solids and liquids
at elevated temperaturas using an aerodynamic laser-heated furnace Microgravity Research and aplications in physical
sciences and Biotechnology 454 699-706
(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
West Anthony Solid State Chemistry and its Applications
2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
Baldi Livio Emerging memories Solid State Electronics Ndeg
102 2014
Allen Philip Magnetism and Mangetoresistance in Magnetic
Multilayers Solid State Communications Vol102 1997
- Bateriacuteas de litiopdf (p1-2)
- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
- Capacitorespdf (p5-6)
- Celdas Solares Orgaacutenicas (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p7-8)
- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
- Ferroeleacutectricospdf (p15-16)
- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
El rubiacute es una piedra preciosa formada por cristales de oacutexido de aluminio Al2O3 que contiene una pequentildea concentracioacuten de
alrededor de 005 de impurezas de oacutexido de cromo Cr2O3(1)
Existen laacuteseres de semiconductor de diversos materiales Aquiacute soacutelo se mostraraacuten los primeros (rubiacute) con el funcionamiento
maacutes habitual
Caracteriacutesticas estructurales
Al2O3 y Cr2O3
Aplicaciones de los laacuteseres
o Experimentos de dispersioacuten de neutrones en soacutelidos y liacutequidos a temperaturas elevadas utilizando un horno aerodinaacutemico
calentado por laacuteser
Se han construido hornos que explotan los meacutetodos electrostaacuteticos acuacutesticos y aerodinaacutemicos donde la calefaccioacuten es por laacuteser y los
meacutetodos electromagneacuteticos donde se utiliza la potencia de RF tanto para calentar como para soportar Fuera de estos meacutetodos de
calentamiento por laacuteser son particularmente adecuados para el estudio de sistemas no metaacutelicos Actualmente se estaacuten aplicando a la
difraccioacuten de rayos X y la espectroscopiacutea XAFS utilizando la radiacioacuten de sincrotroacuten
o El laacuteser en la industria
Los laacuteseres de alta potencia se han aplicado en las teacutecnicas de soldadura Por ejemplo la soldadura de una placa de acero inoxidable de
frac14acuteacute de ancho se puede soldar con un laacuteser de CO2 de 35kW de potencia En la microelectroacutenica el soldado con laacuteser ha sido tambieacuten
muy importante cuando se necesita soldar por ejemplo alambres de 10 μm de espesor
o El laacuteser en la quiacutemica
Los laacuteseres han sido utilizados tambieacuten en teacutecnicas de microanaacutelisis En esta teacutecnica se usa un haz muy intenso de laacuteser para vaporizar
un aacuterea preseleccionada del material a analizar En el vapor producido se puede hacer pasar una descarga para producir un espectro
caracteriacutestico de emisioacuten cuyo anaacutelisis revelariacutea la presencia de varios elementos
Referencias
(1) El Laacuteser Vicente Aboites Fondo de Cultura Economica Jun 26 2012
(2) Toofan J y Watson P (1998) The termination of the α-Al2O3 (0001) surface a LEED crystallography determination
Surface science 401 162-172
(3) Hill A Harrison A Dickinson C Zhou W y Kockelinam W (2010) Crystallographic and magnetic studies of
mesopourous materials 130 280-286
(4) Landron C Hennet C Coutures J Jenkins T y Soper A (2001) Neutron scattering experiments on solids and liquids
at elevated temperaturas using an aerodynamic laser-heated furnace Microgravity Research and aplications in physical
sciences and Biotechnology 454 699-706
(5) Mendoza J Conceptos baacutesicos funcionamiento y aplicaciones de los laacuteseres Elementos 1 (3) 1-11
(6) Absorption and Emission Spectroscopy of a Lasing Material Ruby C Degli Esposti and L Bizzocchi Dipartimento di
Chimica ldquoG Ciamicianrdquo Universitagrave di Bologna Via F Selmi 2 40126 Bologna Italy JACS
Referencias web (por cada una 2 artiacuteculos o libros maacutes)
bull httpwwwcimatmxciencia_para_jovenestcj2010laserpdf
bull httpswwwumesLEQlaserPrefaceBooklisthtml
Fig 1 La estructura idealizada del corindoacuten (u = frac12 ν = 13) para la
aluacutemina mostrando los lugares de los iones del aluminio y del
oxiacutegeno en la celda hexagonal unitaria El aacutengulo entre los ejes x- y
y- es 120deg Los iones del aluminio estaacuten situados en las liacuteneas
verticales pesadas mientras que los iones del oxiacutegeno estaacuten situados
en las intersecciones de las liacuteneas horizontales (discontinuas) Solo
23 posiciones octaeacutedricas son ocupadas por el Al3+
Fig 2 El (a) romboeacutedrico (fraccionadamente se
coordina entre x = 0 y 1 y = -05 y 1 y z = 0 y 1) y (b)
la celda unitaria hexagonal del Cr2O3 mostrando el
arreglo del momento magneacutetico Solo 23 posiciones
octaeacutedricas son ocupadas por el Cr3+
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
West Anthony Solid State Chemistry and its Applications
2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
Baldi Livio Emerging memories Solid State Electronics Ndeg
102 2014
Allen Philip Magnetism and Mangetoresistance in Magnetic
Multilayers Solid State Communications Vol102 1997
- Bateriacuteas de litiopdf (p1-2)
- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
- Capacitorespdf (p5-6)
- Celdas Solares Orgaacutenicas (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p7-8)
- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
- Ferroeleacutectricospdf (p15-16)
- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
Universidad Nacional Autoacutenoma de MeacutexicoFacultad de Quiacutemica Quiacutemica del Estado SoacutelidoSemestre 2018-2
Aleaciones
Una aleacioacuten es la mezcla de dos o maacutes metales o de la mezcla entre un metal y un elemento no metaacutelico para que de alguna manera dicha mezcla presente caracteriacutesticas metaacutelicas Las aleaciones soacutelo ocurren entre al menos un metal dichas aleaciones estaacuten constituidas por elementos metaacutelicos como Fe Al Cu Pb entre otros
El meacutetodo ordinario de preparacioacuten de las aleaciones es la fusioacuten conjunta (o sea la mezcla de los elementos en estado de fusioacuten) pero a veces se utiliza la sinterizacioacuten la electroacutelisis o la sublimacioacuten
En la mayoriacutea de los casos los componentes en estado de fusioacuten que forman parte de la aleacioacuten son totalmente solubles el uno en el otro es decir forman una solucioacuten liacutequida en la que los aacutetomos de los distintos elementos de manera maacutes o menos uniforme estaacuten mezclados entre siacute Cuando solidifican estas soluciones liacutequidas pueden formar ya en estado soacutelido los siguientes tipos de aleaciones Soluciones soacutelidas Compuestos quiacutemicos y Mezclas mecaacutenicas
De acuerdo a la estructura que constituye el metal se pueden clasificar en mezclas simples disoluciones soacutelidas y compuestos intermetaacutelicos
Figura 1 Ejemplo de mezclas simples para la aleacioacuten de
Grupo 3Estrada Ruiacutez Erick RafaelRodriacuteguez Garciacutea Diana Yoseline
Figura 2 Ejemplo de una disolucioacuten soacutelida una amalgama de mercurio
Bajo el punto de vista analiacutetico se clasifican en aleaciones ferrosas si el hierro es el componente mayoritario y en no ferrosas si es el minoritario siendo otro(s) los componentes mayoritarios
Las aleaciones ferrosas son aquellas que tienen como base o elemento en mayor proporcioacuten al hierro (Fe) y componentes secundarios a metales (por ejemplo Mn Ni V Cr Co) y no metales (por ejemplo C P Si S)
Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en
AcerosFundiciones de hierro (hierros colados)
Las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o que tienen un bajo nivel de eacuteste es decir tienen como base o elemento principal a otro metal distinto al hierro (por ejemplo Al Cu Pb Zn Ni Co Ti etc)
Los metales no ferrosos se pueden clasificar a su vez como se muestra en la tabla 1Tabla 1 Clasificacioacuten de los materiales no ferrosos de acuerdo a su densidad
Tipo Densidad Ejemplo
Pesados Sn Cu Zn Pb Cr Ni W y Co
Ligeros Al y Ti
Ultraligeros Mg
En general sus principales caracteriacutesticas son
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTOacuteNOMA DE MEacuteXICO
FACULTAD DE QUIacuteMICA
___________________________________________________________________________
DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOS
Carolina Corteacutes Segovia Joseacute Adriaacuten Minutti Trejo
Quiacutemica del Estado Soacutelido Grupo 3 Sem 2018-2 14-mayo-2018
En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
West Anthony Solid State Chemistry and its Applications
2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
Baldi Livio Emerging memories Solid State Electronics Ndeg
102 2014
Allen Philip Magnetism and Mangetoresistance in Magnetic
Multilayers Solid State Communications Vol102 1997
- Bateriacuteas de litiopdf (p1-2)
- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
- Capacitorespdf (p5-6)
- Celdas Solares Orgaacutenicas (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p7-8)
- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
- Ferroeleacutectricospdf (p15-16)
- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
[1] Groover P M Fundamentos de Manufactura Moderna Ed Pearson 1997 paacuteg 114[2] Recuperado dewwwdentesesblogla-amalgama-dental-es-toxica imagen encontrada en internet [3] Buscarons F Capitaacuten Garciacutea F Capitaacuten Vallvey L F Anaacutelisis Inorgaacutenico Cualitativo Sistemaacutetico Ed Reverteacute Espantildea 2005 paacuteg 96 [4] Documento pdf Disponible en httpsbitly2IzljqD [5] Salaacuten Ballesteros M N Tecnologiacutea de proceso y transformacioacuten de cereales Ed UPC 2005 paacuteg 27-29
BlandosAlta resistencia a la corrosioacuten (superior que las aleaciones ferrosas)Elevada conductividad eleacutectrica y teacutermicaBaja densidadFacilidad de produccioacutenTienen poca resistencia mecaacutenica y dureza que las aleaciones ferrosas
La solidificacioacuten de aleaciones es un proceso industrial importante ya que la mayoriacutea de estos materiales son fundidos y despueacutes moldeados hasta una forma acabada o una preforma En general la solidificacioacuten de un metal puede ser dividida en dos etapas la primera que comprende la formacioacuten de nuacutecleos estables en el liacutequido (nucleacioacuten) y otra en que se produce el crecimiento de dichos nuacutecleos hasta dar origen a los cristales o granos que son la base de una estructura granular La nucleacioacuten de partiacuteculas soacutelidas en un metal puede darse a traveacutes de dos mecanismos principales
La nucleacioacuten homogeacutenea que es el caso maacutes simple ya que es cuando el metal fundido proporciona los aacutetomos necesarios para formar los nuacutecleosLa nucleacioacuten heterogeacutenea se produce sobre una superficie distinta a la de un nuacutecleo del propio metal El germen de nucleacioacuten debe ser humedecido por el metal liacutequido
La estructura cristalina de las aleaciones viene determinada por las interacciones entre los aacutetomos de los elementos que intervienen en ellas en las aleaciones binarias (dos metales) puede ocurrir que
Los metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido e insoluble en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una mezcla mecaacutenica formaacutendose cristales de ldquoArdquo y ldquoBrdquo por separado
Figura 3 Mezcla mecaacutenica
Que los dos metales ldquoArdquo y ldquoBrdquo sean solubles en estado liacutequido y en estado soacutelido En este caso la estructura cristalina de la aleacioacuten seraacute una disolucioacuten soacutelida formada por granos homogeacuteneos Las soluciones soacutelidas se producen cuando los aacutetomos del metal que se disuelve quedan integrados en la red cristalina del metal que no se disuelve Existen dos tipos de disoluciones soacutelidas por sustitucioacuten y por insercioacuten
Soluciones soacutelidas por sustitucioacuten Sean dos metales donde ldquoArdquo y ldquoBrdquo representan aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoBrdquo se disuelven mediante sustitucioacuten de ldquoBrdquo por ldquoArdquo y forman una sola estructura cristalina El valor del radio atoacutemico de ldquoBrdquo debe ser muy similar o muy proacuteximo al de ldquoArdquoSean dos metales donde ldquoCrdquo y ldquoDrdquo representan los aacutetomos de ambos Los aacutetomos de ldquoCrdquo se disuelven por insercioacuten de los espacios interatoacutemicos en la red cristalina de ldquoDrdquo y forman una sola estructura cristalina El radio atoacutemico de ldquoDrdquo debe ser bastante menor que el de ldquoCrdquo
Figura 4 Formacioacuten de soluciones soacutelidas por sustitucioacuten e insercioacuten
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En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
West Anthony Solid State Chemistry and its Applications
2deg Ed John Wiley amp sons UK 2014
Baldi Livio Emerging memories Solid State Electronics Ndeg
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Multilayers Solid State Communications Vol102 1997
- Bateriacuteas de litiopdf (p1-2)
- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
- Capacitorespdf (p5-6)
- Celdas Solares Orgaacutenicas (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p7-8)
- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
- Ferroeleacutectricospdf (p15-16)
- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
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- Aleacionespdf (p35-36)
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-
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En la actualidad la mayoriacutea de las computadoras
almacenan su informacioacuten de forma no volaacutetil es
decir que guardan sus datos sin riesgo a perderlos
faacutecilmente como se soliacutea hacer con las cintas
magneacuteticas que se ocupaban anteriormente
Los dispositivos llamados discos duros o discos
magneacuteticos son los encargados de asegurar los
datos con una alta capacidad de almacenamiento
y poseer acceso directo a la informacioacuten Hoy diacutea
los discos pueden guardar una inmensa cantidad
de datos en unidades cada vez maacutes pequentildeas
permitiendo que se reduzca el espacio donde se
encuentran y se aumente la eficiencia en la
acumulacioacuten de datos
Los discos duros se encuentran en una caja
metaacutelica cerrada hermeacuteticamente y baacutesicamente
contiene dos elementos La unidad de lectura y
escritura y el disco
Figura 1 Partes fundamentales de un disco duro
La unidad de lectura y escritura estaacute conformada
por instrumentos mecaacutenicos y electroacutenicos que
son los responsables de almacenar y recuperar la
informacioacuten en el disco
La cabeza de lectura y escritura (figura 2) es una pieza magneacutetica en forma de ldquoCrdquo con una abertura y una bobina de alambre enrollada a un nuacutecleo de ferrita que al circular una corriente eleacutectrica a traveacutes de ella se formaraacute un electroimaacuten
Por otro lado el disco estaacute conformado por platos magneacuteticos que manipulan la informacioacuten como energiacutea en forma de campos magneacuteticos Eacutesta informacioacuten es codificada y escrita en platos de aluminio que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 rpm y estaacuten recubiertos con una peliacutecula de un material magnetizable compuesto de oacutexido de hierro o cobalto que son capaces de guardar campos magneacuteticos de manera temporal
Cada uno de los platos tiene dos superficies
magneacuteticas (figura 3) que al hacerles pasar una
corriente eleacutectrica se magnetizan de manera
positiva o negativa De tal forma que se pueden
representar los dos posibles valores que
establecen un bit de informacioacuten el cero y el uno
caracteriacutesticos del lenguaje binario utilizado en las
computadoras
Palabras clave
Discos duros
Electromagne
tismo
Figura 2 Cabeza de lectura y escritura
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
discos duros y hasta superconductores
Referencias
Rusell Kay Anatomy of a Hard Disk Computerworld Tomo
35 Ndeg 42 October 15 2001
Cuellar Sergio Lectura y escritura de informacioacuten en un
disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
West Anthony Solid State Chemistry and its Applications
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- Bateriacuteas de litiopdf (p1-2)
- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
- Capacitorespdf (p5-6)
- Celdas Solares Orgaacutenicas (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p7-8)
- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
- Ferroeleacutectricospdf (p15-16)
- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
- piezoelectricidadpdf (p19-22)
- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
- Semiconductores transparentespdf (p25-26)
- SUPERCONDUCTORESpdf (p27-28)
- superconductores 2pdf (p29-30)
- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
-
Figura 3 Platos magneacuteticos de un disco duro
Como se habiacutea mencionado al inducir una
corriente eleacutectrica en la bobina que tiene el
alambre metaacutelico enredado se genera un campo
magneacutetico que hace que se imante el nuacutecleo de
ferrita (Ley de Ampere) y al ser un material
ferromagneacutetico los electrones se orientan en la
misma direccioacuten del campo magneacutetico producido
por la corriente
Los platos magneacuteticos del disco duro estaacuten
formados de aluminio y al ser igualmente un
material ferromagneacutetico almacena temporalmente
campos magneacuteticos que son traducidos en datos
En la cabeza de escritura ocurre el mismo
fenoacutemeno de magnetizacioacuten al hacer contacto con
los platos efectuando un cambio en las posiciones
de los electrones que la conforman quedando
registrada la informacioacuten dentro del plato (figura 2)
Sin embargo ocurre otro fenoacutemeno en la cabeza
de lectura La Ley de Induccioacuten de Faraday Eacutesta
ley explica que se induce una fuerza electromotriz
(fem) en una bobina que variacutea en el tiempo
cuando un flujo magneacutetico la atraviesa
Donde ε es la fuerza electromotriz (fem) 119873 es el
nuacutemero de vueltas de la bobina y Δ120593
Δ119905 es el flujo
magneacutetico variable respecto al tiempo
La ley de Induccioacuten de Faraday se cumple cuando
la cabeza de lectura tiene contacto con los imanes
de los platos percibiendo las variaciones del
campo magneacutetico en la bobina Dichas variaciones
generan una diferencia de potencial que es detec-
tada por el circuito del disco la sentildeal eleacutectrica se
convierte al lenguaje binario propio del computador
y finalmente se codifica al lenguaje de
comprensioacuten humana Este fenoacutemeno es inverso
al descrito anteriormente en la cabeza de escritura
que seguiacutea la Ley de Ampere
Los avances de la ciencia de los materiales y las
tecnologiacuteas renuevan perfeccionan y desarrollan
nuevos meacutetodos y materiales que se utilizan en la
industria eleacutectrica y electroacutenica permitiendo que
se alcancen escalas de almacenamiento de datos
en dispositivos cada vez maacutes pequentildeos y baratos
Se ha recurrido al uso de otros dispositivos como
los discos MO (magneto-oacutepticos) ya que tienen
mayor duracioacuten no se afectan los campos
magneacuteticos y pueden reescribirse datos
La densidad de almacenamiento de los medios de grabacioacuten magneacuteticos es una propiedad importante dadas las altas densidades de almacenamiento que se pueden lograr con un CD y sistemas de almacenamiento oacuteptico Eacutesta viene dada por la cantidad de bits (dominios magneacuteticos o partiacuteculas) por unidad de aacuterea
Se ha descubierto un nuevo fenoacutemeno llamado
magnetoresistencia que describe el cambio en la
resistencia eleacutectrica de un material en respuesta a
un campo magneacutetico Las aplicaciones que se le
han dado a eacuteste fenoacutemeno son en el aumento de
almacenamiento en los microchips sensores
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Referencias
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disco duro Universidad Distrital Fco Joseacute de Caldas
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- Biopoliacutemeros - una alternativa sustentable (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p3-4)
- Capacitorespdf (p5-6)
- Celdas Solares Orgaacutenicas (Conflicto de codificacioacuten Unicode)pdf (p7-8)
- Cementopdf (p9-10)
- Cristales liquidospdf (p11-12)
- Cuasicristalesfinalpdf (p13-14)
- Ferroeleacutectricospdf (p15-16)
- Fotocatalizadorespdf (p17-18)
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- Piezoelectricidad (2)pdf (p23-24)
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- Termopares (1)pdf (p31-32)
- TrabajoLaacuteserSoacutelidopdf (p33-34)
- Aleacionespdf (p35-36)
- ARTIacuteCULO DISCOS DUROS MAGNEacuteTICOSpdf (p37-39)
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