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Materiales Eléctricos
miércoles, 03 de abril de 2019
PROF Adj.: ING. RUBÉN O. VICIOLI
J. T. P.: ING. GABRIEL SOSA
Ayud. 1º: ING. FEDERICO GRACIÁ
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
FACULTAD REGIONAL MENDOZA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
CÁTEDRA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA
- De la naturaleza física de la realidad o relacionado con ella, en
contraposición a lo espiritual.
- Son sustancias de las cuales están hechas o compuestas las
cosas.
Definición de Material
MATERIALES ELÉCTRICOS MATERIALES ELÉCTRICOS
¿Qué son los materiales?
Materiales Eléctricos
Clasificación de los materiales teniendo en cuenta su
comportamiento en presencia de campos eléctricos.
Definición de Resistencia
MATERIALES ELÉCTRICOS
Propiedad escalar que determina la proporción de
energía eléctrica convertida en energía térmica,
(efecto joule) mientras fluye una corriente eléctrica.
Esta propiedad o su inversa es la que determina las
características eléctricas de los materiales.
Los materiales que tienen poca resistencia eléctrica son
llamados conductores y los que presentan alta
resistencia son aislantes
Clasificación según su resistividad [ρ] MATERIALES ELÉCTRICOS
Conductores
Son aquellos que presentan una baja resistencia
MATERIALES ELÉCTRICOS
Clasificación:
De acuerdo a su procedencia: Naturales
Artificiales
Propiamente dichos
Convierten energía E en luz
Que provocan una caída de E
Convierten energía E en Calor
Sólidos
Líquidos
Gaseosos
Blandos
Livianos
De alta resistencia mecánica
Según la función que cumplen:
Según su estado de agregación:
Según su característica mecánica:
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Propiedades Eléctricas
Resistividad o resistencia específica [ρ]:
s
lρR
cmΩρ o m
mmΩρ
2
Es la mayor o menor capacidad de un material para
conducir la corriente eléctrica
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Propiedades Eléctricas
Coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura
TTα1RR00T
Lo podemos suponer lineal
: coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura
γβα
: coeficiente de variación de la longitud con la temperatura
Dado que es del orden de las 100 veces mayor que se hace generalmente igual a
Para la mayoría de los metales es positivo
Cº
%1041α
Cº
%1039,3α
4AL
4CU
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Propiedades Eléctricas
Fuerza electromotriz (F.E.M.) de contacto
Sustancia Termo tensión mV/100º C Sustancia Termo tensión mV/100ºC
Bismuto -6,5 Iridio +0,63
Constantan -3,5 Plata +0,7
Cobalto -1,7 Cinc +0,7
Níquel -1,5 Oro +0,7
Paladio -0,5 Cobre +0,75
Sodio -0,2 Volframio +0,8
Torio -0,1 Acero V 2 V +0,8
Mercurio + - 0,0 Cadmio +0,9
Platino + -0,0 Latón +1,1
Carbón +0,3 Molibdeno +1,2
Estaño +0,4 Hierro +1,8
Plomo +0,4 Níquel cromo +2,2
Magnesio +0,4 Antimonio +4,5
Aluminio +0,4 Silicio +45
Manganina +0,6 Telurio +50
Rodio +0,65
Debido a los distintos potenciales electroquímicos de los diferentes
elementos, cuando se los une al efectuar una conexión eléctrica,
aparece una F.E.M. de contacto
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Propiedades Eléctricas
Fuerza electromotriz (F.E.M.) de contacto
La F.E.M. termoeléctrica se aprovecha también para sensar la
temperatura siendo denominada a este tipo de Juntura termo - cupla.
Materiales Polo Límite de °C Fuerza Electromotriz cada
Cu -Constantán + / - 400 4,25 mV
Fe -Constantán + 600 5,3 mV
NiCr - Constantán + 700 5,7 mV
NiCr -Ni - 900 3,7 mV
PtRh - Pt + / - 1.300 0,6 mV
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Características Físicas
Conductividad Térmica
Es el calor que circula, en la unidad de tiempo entre dos caras opuestas
de un volumen unitario por unidad de diferencia de temperatura entre
las caras.
Cºcm
Watts
cm
Cºcm
Wattsσ
2T
Siendo el calor de conducción
dx
dTσQ T
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Características Físicas
Conductividad Térmica
Va acompañando a la conductividad eléctrica debido a que la transmisión de calor se
debe principalmente a los electrones libres.
En los conductores en los cuales no se desea su calentamiento se requiere altas
conductividades térmicas pero en los usados para producir calor se requiere que
presenten una elevada resistencia a la conducción del calor.
Material Resistividad ºC.cm / W
Conductibilidad W /ºC.cm
Capacidad calorífica específica J / cm3.ºC
Cobre
Aluminio
Hierro Batido
Chapa de Acero al carbón
Hierro colado
Acero al silicio (longitudinal)
Chapas de acero al silicio (transversal)
Mica (transversal)
Batista Barnizada
Goma
Cartón prensado, aceitado
Ladrillo
Cartón prensado, seco
Tejido sin tratar o fieltro
0.28
0.76
1.3
2.3
2.5
5.8
38 -130
360
500
640
640
1000
1000 -1300
150
3.6
1.3
0.79
0.43
0.39
0.17
0.03 - 0.008
0.003
0.002
0.002
0.002
0.001
0.0008 - 0.0001
0.00063
5.3
2.3
3.7
3.7
3.7
3.7
3.7
2.0
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Características Físicas
Punto de Fusión
Tiene importancia de acuerdo a cual sea la temperatura de trabajo del conductor, porque
cerca de la temperatura de fusión se pierden tanto las cualidades mecánicas como
eléctricas.
Coeficiente de Dilatación Lineal
Tiene importancia en los casos en que sea necesario acoplar distintos materiales.
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Propiedades Mecánicas
Maleabilidad y ductilidad: La plata tiene gran capacidad para ser trabajada en alambres muy finos
(ductilidad) La capacidad del aluminio de ser muy maleable es muy útil para la construcción de
capacitores en los cuales se superponen láminas muy delgadas de aluminio y de algún material
aislante.
Resistencia Mecánica: resistencia a la tracción, compresión, etc.
Estiramiento a la rotura: importante cuando se desea efectuar arrollamiento del conductor.
Módulo de elasticidad: Debe tenerse en cuenta cuando se desea que el conductor además de
efectuar la conexión eléctrica posea características elásticas (interruptores y llaves selectoras).
Otras Características
Invariabilidad de las características – Envejecimiento
Resistencia a la oxidación y corrosión
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Aislantes de los Conductores
Muchas veces es necesario aislarlos para lo cual se los recubre con materiales especiales
Condiciones a tener en cuenta en su selección:
ELÉCTRICAS
RIGIDEZ DIELÉCTRICA
RESISTENCIA DE AISLAMIENTO
FACTOR DE PÉRDIDAS
CONSTANTE DIELÉCTRICA
UNIFORMIDAD
FACTOR DE ESPACIO
QUÍMICAS
ESTABILIDAD QUÍMICA
NO CONTAMINABLE
NO ATAQUE
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
DE
AMBIENTE
Aislantes de los Conductores
Muchas veces es necesario aislarlos para lo cual se los recubre con materiales especiales
Condiciones a tener en cuenta en su selección:
MECÁNICAS
ECONÓMICOS-INDUSTRIALES
TEMPERATURA
ESTABILIDAD TÉRMICA
RESISTENCIA A LA HUMEDAD
RESISTENCIA AL FUEGO
RESISTENCIA A LA LUZ SOLAR
RESISTENCIA A LOS AGENTES
QUÍMICOS
RESISTENCIA A LA
VIBRACIÓN Y CHOQUE
FLEXIBILIDAD
TENACIDAD
ADHERENCIA
COSTO
FACILIDAD
VIDA ÚTIL
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Cables
Están constituidos por varios alambres rodeados por una cubierta aislante
Tienen ciertas ventajas con respecto a los alambres
Facilitan la interconexión entre equipos por tener mayor flexibilidad para igual
diámetro que el alambre.
Soportan mejor los esfuerzos mecánicos.
Se pueden soldar con mayor facilidad.
Cuando las secciones deben ser
grandes se construyen los cables
toronados
(a) Torón concéntrico, (b) Haz concéntrico, (c) Otros tipos.
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Cable Litz
Cuando se utilizan conductores en frecuencia muy elevada, la corriente circula
por la superficie de los conductores, por una película muy delgada, por lo tanto
la parte interna del conductor no cumple ninguna finalidad eléctrica.
Es por ello que las bobinas para circuitos tanque de radio frecuencia suelen
estar construidas como un caño de cobre.
Factor de Penetración
ε = 6,62 cm f Hz
Para una frecuencia de 1 MHz, es de 6,6 μm.
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Cable Litz (cont.)
- Aprovechando esta ventaja es que se pueden utilizar materiales de mayor
conductividad.
- Un alambre de cobre hace de sostén mecánico, dando luego sucesivos
baños de plata hasta obtener el espesor requerido.
Sección del Cobre
Para frecuencias del orden de los 500 ó 100 MHz se toman alambres de cobre
cuyo diámetro es de 2·.
SCu = π×D×ε
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Cable Litz (cont.)
• Para una sección relativamente importante, se reúne la cantidad de
cable necesario, pero aislados entre sí por medio de esmaltes o
barnices.
• Este tipo de alambres se utiliza para la confección de bobinas de
radio frecuencia, lográndose un Q elevado.
• Al estar los alambres aislados entre si, en el caso de realizar una
disposición de los mismos de tal manera que resulten paralelos,
influye en la capacidad distribuida de los mismos pudiendo alcanzar
valores considerables.
• Para disminuir este efecto deben reunirse entrelazados entre sí.
• Para obtener una sección de 10 mm2 son necesarios de 200 a 300
alambres.
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Cable Coaxil
• Se utiliza para frecuencias superiores a los 100 MHz y tensiones de
hasta 100 V.
• Posee dos conductores concéntricos.
• Uno central, llamado núcleo, encargado de llevar la información
• Uno exterior llamado malla o blindaje, que sirve como referencia
de tierra y retorno de las corrientes.
• Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de
cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable.
• Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante.
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Cable Coaxil (cont.)
Impedancia característica: Z0 = (138 ε)× log(a b) Ω
CD = 24×[ε log a b ] μF m Impedancia característica:
Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Cable Coaxil (cont.)
• Variando convenientemente los valores de a y b se modifican sus
características.
• Se encuentran distintos tipos de cable coaxial que se caracterizan
por una variación discreta de Z0: 50, 100, 75, 500 Ω.
• Para que sea flexible, en lugar de efectuar la aislación entre
conductores por material en forma continua, se lo hace por medio de
perlas aislantes.
• Para este caso se tiene = 1 considerando el aire.
(a) Discos aislantes, (b) Lámina helicoidal.
No Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
MATERIALES NO CONDUCTORES
Se utilizan
Para evitar corrientes de conducción Aislantes
Para modificar el valor del campo eléctrico Dieléctricos
No Conductores
MATERIALES ELÉCTRICOS
Aislante
Es un material de conductividad
prácticamente nula o muy baja, que
idealmente no permite el paso de
corriente.
Dieléctricos
Es un medio que tiene la propiedad
de que la energía requerida para
establecer en él, un campo eléctrico,
es recuperable total o parcialmente
como energía eléctrica.
Las propiedades aislantes están vinculadas a las corrientes de
conducción, mientras las dieléctricas al campo y a las corrientes de
desplazamiento.
Materiales para Fusibles
MATERIALES ELÉCTRICOS
Materiales para Fusibles
Son materiales metales o aleaciones metálicas
No muy alto punto de fusión
Al superar cierta corriente funden en forma neta (cortan
rápidamente)
Deben pasar directamente del estado sólido al estado de vapor
Corriente máxima que puede soportar
en régimen continuo sin cortarse In: corriente nominal
Corriente a la cual el fusible se funde If: corriente nominal
de fusión
Para intensidades pequeñas: In debe ser del orden del 30 - 50% de If
Para grandes corrientes: In debe ser del orden del 70 - 80% de If
Materiales para Fusibles
MATERIALES ELÉCTRICOS
2
3
daI
Corriente de fusión
Inercia Relativa Punto de fusión Masa relativa Valor de a
Cobre 1 1054 1 80
Plata 1.66 954 1.47 70
Aluminio 3.04 600 3.08 60
Plomo 6.08 325 20.25 11
Estaño 7 230 13.9 13
Aleación Pb-Sn 3.1 135 14.4 10
Materiales para Fusibles
MATERIALES ELÉCTRICOS
Materiales utilizados
Aleación plomo - estaño Corrientes de 5 a 30 A
En general Aleación de plata
Grandes corrientes Aluminio
Tiempo de Corte
Fusibles rápidos Fusibles con retardo
Materiales Conductores para Soldadura
MATERIALES ELÉCTRICOS
Materiales Conductores para Soldadura
En electrónica se utiliza una aleación de
estaño y plomo en porcentaje variable.
De acuerdo a este porcentaje varía la
temperatura de fusión de la aleación
Materiales Conductores para Soldadura
MATERIALES ELÉCTRICOS
Aleación Pb-Sn Color Temperatura de fusión Temperatura del
soldador
40/60 Rojo 118 °C 228 °C
60/40 Verde 234 °C 274 °C
50/50 Amarillo 212 °C 252 °C
Los distintos tipos se reconocen en el comercio por el color de cubierta
Estudio particular del cobre
MATERIALES ELÉCTRICOS
Estudio Particular del Cobre
Elemento muy difundido en la naturaleza.
El cobre comercial se obtiene electrolíticamente lográndose purezas del orden del
99,9%.
Excelentes propiedades mecánicas (maleable, dúctil, resistente a la tracción,
compresión, etc.).
Temperatura de fusión : 1.083 ºC
Para uso en electrónica se lo encuentra en forma de láminas, planchas, barras,
alambres, cables, caños, etc.
A los alambres se los individualiza por calibres, pudiendo ser estos decimales o
norteamericanos.
Calibres Decimales: Estos están dados en décimas de mm y se los encuentra en calibres de origen
europeos y japoneses.
Calibres Norteamericanos: Los más usados son los calibres AWG. y B&C. Su distribución varía entre el
Nº 0000000 y el 50. Un aumento en el calibre significa una disminución
del diámetro del alambre.
Estudio particular del cobre
MATERIALES ELÉCTRICOS
Alambre de Cobre
El alambre de cobre se lo obtiene por medio de trefiladores mediante el siguiente
procedimiento:
Se lleva el lingote a unos 800ºC.
Se pasa luego por máquinas que reducen el diámetro a 1cm y es arrollado en
carretes después de refinados
Por último se pasa por las trefiladoras llevándolo al diámetro deseado.
Al salir de la última boquilla hay un dispositivo para efectuar el recocido del
alambre, pues en el proceso se agrieta.
Luego es arrollado en carretes apropiados.
Descargas Electroestáticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Son aquellos fenómenos producidos exclusivamente por cargas
eléctricas y su posición, y no por su movimiento.
Todos los materiales son eléctricamente neutros.
Este equilibrio se puede romper, produciendo acumulación temporal
de partículas cargadas.
Los mecanismos que dan lugar a estos procesos son:
El contacto y la separación de materiales
La inducción por campos eléctricos externos.
El efecto corona.
Los cambios de temperatura rápidos.
La fractura mecánica.
La piezoelectricidad.
Descargas Electroestáticas (Cont.)
MATERIALES ELÉCTRICOS
Estos mecanismos y procesos no suelen presentarse en forma aislada.
La electrificación resulta de una combinación de varios de ellos.
En semiconductores los mecanismos habituales son el contacto, la
separación y la inducción.
En trasformadores y líneas de alta tensión el efecto corona.
Las cargas generadas por contacto y separación, en los movimientos
ordinarios de un operario o en los movimientos de una línea de montaje,
o las cargas inducidas por un campo eléctrico, producen una elevación
del potencial del cuerpo humano o de un elemento en la línea, debido a
su capacidad con respecto a tierra.
Esta acumulación de cargas eléctricas implica una acumulación de
energía que se puede descargar a través de una parte sensible de un
circuito electrónico, hacia tierra o hacia otra parte del circuito.
Descargas Electroestáticas (Cont.)
MATERIALES ELÉCTRICOS
Materiales y equipos de protección
Para resolver el problema de las descargas electrostáticas
se trata de evitar la generación de las mismas:
En el acoplamiento, evitando las descargas.
En el elemento afectado, minimizando los
efectos de las descargas.
Descargas Electroestáticas (Cont.)
MATERIALES ELÉCTRICOS
Materiales y equipos de protección (cont.)
La generación de cargas electrostáticas solo se puede reducir
parcialmente.
Las áreas que requieren mayor atención son:
Suelos: los pulidos son peores que los rugosos, deben evitarse las
alfombras sintéticas. Si no se puede colocar todo el suelo antiestático, al
menos deben poseerlo las áreas de trabajo.
Calzado: El calzado ideal es el de suela de cuero, las suelas sintéticas,
mientras más gruesas peores.
Prendas de vestir: Las mejores prendas son las de algodón.
Superficies de trabajo: No deben utilizarse las de laminado de
melanina (por ejemplo formica). Los materiales antiestáticos más
comunes son el polietileno y la poliolefina tratados, y el nilón.
Descargas Electroestáticas (Cont.)
MATERIALES ELÉCTRICOS
Materiales y equipos de protección (cont.)
Cuando la generación de cargas electroestáticas sea inevitable, lo cual
ocurre en la mayoría de los casos, no queda más que evitar las
descargas.
Los materiales conductores, donde las cargas tienen alta movilidad, es
posible descargarlos conectándolos a tierra:
Alfombras.
Sillas conductoras.
Superficies de trabajo y suelos conductores.
Los operarios se descarguen el cuerpo antes de tocar
componentes, mediante muñequeras sobre la piel.
En los materiales no conductores no hay drenaje a tierra. Si su presencia
en las zonas de trabajo y sus inmediaciones es inevitable, para que no
se produzcan descargas se puede intentar neutralizar las cargas
mediante equipos ionizadores.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Interferencias Electromagnéticas
Se pueden definir como señales que perturban, no intencionalmente, el
funcionamiento de un sistema eléctrico o electrónico, afectando a las
magnitudes eléctricas o magnéticas de sus circuitos.
Definiciones:
• EMI, Electro Magnetic Interferences.
• EMC, Electro Magnetic Compatibility.
• EMS, ElectroMagnetic Susceptibility.
• EMP; Electro Magnetic Pulses.
• ESD, Electro Static Discharges.
• RFI, Radio Frecuency Interferences.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
La compatibilidad electromagnética (EMC) es la aptitud de
un equipo para funcionar satisfactoriamente en un ambiente
electromagnético, sin introducir perturbaciones intolerables
en ese ambiente o en otros equipos y soportar las
producidas por esos equipos.
El termino susceptibilidad (EMS) y su opuesto, inmunidad,
se emplean para indicar la mayor o menor propensión de un
dispositivo o equipo a ser afectado por las interferencias, es
decir, el nivel de susceptibilidad de un equipo es la
propiedad que tiene éste para funcionar correctamente en
un ambiente de interferencias.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Tipos de Interferencias
De acuerdo al lugar físico donde ocurren:
Intersistema
Intrasistema
Según la respuesta del sistema interferido:
Activas: cuando dan lugar a respuestas del sistema como si éste
hubiera recibido una señal válida de control.
Pasivas: cuando una señal válida es invalidada a causa de la EMI.
Según su origen:
Naturales: ESD, ruido cósmico, radiaciones naturales, etc.
Provocadas o artificiales: funcionamiento de otros dispositivos o
sistemas eléctricos /electrónicos.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Tipos de Interferencias (cont.)
Según el medio de propagación:
Conducidas: cuando el medio de propagación es un
conductor eléctrico.
Radiadas: cuando la propagación se efectúa a través de
campos electroestáticos o electromagnéticos.
Acopladas: como caso particular de propagación por
radiación se puede incluir lo que se denomina habitualmente
acoplamiento capacitivo o inductivo entre conductores
próximos.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Tipos de Interferencias (cont.)
Según la frecuencia:
Perturbaciones de baja frecuencia (f<10 KHz): perturbaciones transmitidas
por la red y las fuentes de alimentación. Propagación por conducción.
Perturbaciones en la banda de 10 KHz a 150 KHz: EMI debidas a impulsos de
intensidad y fenómenos transitorios de tensión producidos por conmutación
de relés, interruptores u otros dispositivos electromecánicos.
Perturbaciones en la banda de 150 KHz a 30 KHz: mismo origen del punto
anterior, pero la propagación tiene lugar por radiación y acoplamiento.
Perturbaciones en la banda de 30 MHz a 300 MHz: propagación de este tipo
de EMI básicamente por radiación.
Perturbaciones en la banda de 500 MHz a 18 GHz: El origen de estas
perturbaciones suelen ser los equipos de comunicaciones o los propios
circuitos lógicos de conmutación muy rápida, propagación principal es la
radiación.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Tipos de Interferencias (cont.)
Según la tasa de repetitividad:
Continuas: interferencias aleatorias o impulsos con una duración
total superior a 200 ms.
Discontinuas: interferencias aleatorias o impulsos cuya duración
total no exceda los 200 ms.
Según la forma de captación en el circuito afectado:
Interferencias simétricas o de modo diferencial: cuando la
perturbación produce tensiones y /o corrientes diferenciales entre los
conductores activos superponiéndose, por tanto, la interferencia
directamente sobre la señal útil.
Interferencias asimétricas o de modo común: cuando las
perturbaciones producen tensiones y /o corrientes de modo común
entre los conductores activos y el conductor de retorno o común.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Blindaje
La mayoría de las interferencias electromagnéticas (EMI) se
deben a:
acoplamiento de campos eléctricos (acoplamiento
capacitivo).
campos magnéticos (acoplamiento inductivo).
campos electromagnéticos (acoplamiento por
radiación electromagnética).
Un método de protección frente a estos acoplamientos
consiste en evitarlos utilizando blindajes o pantallas
metálicas.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Blindaje (cont.)
Superficie metálica dispuesta entre dos regiones del espacio que se
utiliza para atenuar la propagación de los campos eléctricos, magnéticos
y electromagnéticos.
Sirve tanto para no dejar salir el flujo de las zonas encerradas por él,
como para evitar que en una zona protegida por el mismo entre campo
alguno.
Interferencias Electromagnéticas
MATERIALES ELÉCTRICOS
Blindaje (cont.)
Superficie metálica dispuesta entre dos regiones del espacio que se
utiliza para atenuar la propagación de los campos eléctricos, magnéticos
y electromagnéticos.
Sirve tanto para no dejar salir el flujo de las zonas encerradas por él,
como para evitar que en una zona protegida por el mismo entre campo
alguno.