TEMA 6: Materiales compuestos y electrnicos

En el presente, la industria de la construccin e ingeniera ha empezado a conocer las bondades y

ventajas de nuevos materiales estructurales de naturaleza sinttica proveniente de procesos qumicos

sofisticados, hoy en da conocidos como materiales compuestos. Dichos materiales en un principio

eran usados como estructuras de construccin, en aeronutica y posteriormente aplicaciones de

reparacin tanto estructural como esttico, llegando a ser conocidos estos materiales como

compuestos estructurales. Es cada vez ms evidente la aplicacin de materiales compuestos desde la

ltima dcada, ya tiempo atrs su aplicacin era prcticamente inexistente.

Las ventajas de estos materiales se hicieron cada vez ms evidentes al empezar a aplicarlos en diversas

construcciones sometidas al terreno, construcciones no conductivas y no magnticas, esfuerzos de

estructuras pasivas, armaduras activas cables, recubrimientos de tneles y pasarelas. Para poder

entender y predecir hasta cierto punto el comportamiento de los materiales compuestos es necesario

conocerlos un poco ms, tanto en las caractersticas de los materiales como en el comportamiento de

estos durante su proceso de aplicacin, sin necesidad de entrar necesariamente en aspectos muy

complejos de ingeniera. Un compuesto estructural es un sistema material de dos o ms fases en una

escala macroscpica, cuyo comportamiento mecnico y propiedades

estn diseados para ser superiores a aquellos materiales que lo

constituyen cuando actan independientemente. Una de las fases es

usualmente discontina, conocida regularmente como fibras la cual

es un material rgido y otra fase en continuo que se llama matriz.

Las propiedades de material dependen de las propiedades de los elementos, geometra y distribucin

de las fases. Uno de los parmetros ms importantes es la fraccin en volumen o en peso de fibras en

el material compuesto. La distribucin del esfuerzo determina la homogeneidad o uniformidad del

sistema del material. Lo ms no uniforme es la distribucin del esfuerzo, lo ms heterogneo causara

una alta probabilidad de falla en las reas dbiles. La geometra y orientacin del esfuerzo afecta la

anisotropa del sistema. Las fases del sistema compuesto tienen funciones que dependen del tipo y

aplicacin del material compuesto. En el caso de un material compuesto de bajo o medio

comportamiento, el esfuerzo es usualmente en la forma de fibras cortas o partculas, proporcionando

alguna rigidez, pero solo frente a esfuerzos locales del material. La matriz en cierta forma es el

principal elemento que soporta cargas gobernando las propiedades del material. En el caso de

compuestos estructurales de alto comportamiento, son usualmente reforzados con fibra continua, la

cual es la columna vertebral que determina la rigidez y refuerzo en la direccin de la fibra y los

esfuerzos locales se

transfieren de una fibra a

otra.

Importancia de los

materiales compuestos a

travs del tiempo

Mapa conceptual referido al tema

6.1. Materiales compuestos particulados, reforzados con fibras

Los materiales compuestos se producen cuando dos materiales se unen para dar una combinacin de

propiedades que no pueden ser obtenidas en los materiales originales. Estos materiales pueden

seleccionarse para proporcionar combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, resistencia

a altas temperaturas, a la corrosin, dureza o conductividad.

Materiales Compuestos o Composites: son materiales constituidos por: o

dos o ms materiales con formas o composiciones diferentes con la

intencin de compensar las propiedades negativas de ambos y potenciar

las positivas o material matriz que estar reforzado por otro material al

que denominaremos refuerzo.

Podremos clasificar los materiales compuestos en funcin:

Los refuerzos normalmente suelen ser: o fibras o partculas,

dando lugar a dos familias fundamentales:

Atendiendo a la forma de los materiales se pueden clasificar en tres tipos:

Por el tipo de matriz se clasifican en: matrices polimricas, metlicas o

cermicas y va a ser la matriz la que da el carcter al material. El desarrollo

de este tipo de materiales se realiz a la exigencia de materiales con mayor desarrollo de refuerzos

con fibras largas el cual era frenado por costo de materiales y complejidad rutas fabricacin. Las

principales ventajas de estos materiales son el refuerzo, partculas, bajo costo, alta rigidez y

resistencia, resistencia al desgaste, fabricacin ms sencilla, las propiedades mecnicas dependen del

refuerzo, la ruta de fabricacin y los posibles tratamientos posteriores. Las matrices ms empleadas

son Al, Mg y Ti. Tres grandes familias de materiales compuestos:

o Materiales compuestos de matriz Polimrica (FRPs)

o Materiales Compuestos de matriz metlica (MMCs)

o Materiales Compuestos de matriz Cermica (CMCs)

del material que forma la matriz

del tipo de refuerzo.

los enfibrados

y los particulados.

Particulados

Fibrosos

Laminares

Los materiales particulados estn compuestos por partculas de un material duro y frgil dispersas

discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz ms blanda y dctil.

La estructura recuerda a la de muchas aleaciones metlicas de dos fases, sin embargo en estos

materiales las partculas se introducen mediante un proceso mecnico.

Tipos:

Esta clasificacin se basa en el tamao y cantidad de las partculas que

influyen en las propiedades del compuesto. El concreto es un material

compuesto participado que contiene arena gruesa o grava en una matriz de

cemento.

ENDURECIDOS POR DISPERSIN

Pequeo porcentaje de partculas

Tamao de partcula pequeo (100-2500 A)

Aumento de dureza

Esto es debido al pequeo tamao de las partculas que

obstaculizan el movimiento de las dislocaciones.

Comparacin de un compuesto endurecido por

dispersin (PAS: Al + 14% de Al2O3 utilizado en

reactores nucleares) con aleaciones metlicas. A

temperatura ambiente estos compuestos no son ms

resistentes que las aleaciones metlicas, sin embargo

debido a que estos compuestos no se ablandan catastrficamente su resistencia decrece gradualmente

con el aumento de la temperatura. Mientras que su temofluencia es superior a las de los metales y

aleaciones.

Los materiales particulados verdaderos

Aqu el mayor tamao de partcula no dificulta el movimiento de las dislocaciones

Regla de las Mezclas: Ciertas propiedades de los compuestos particulados se deben nicamente a

las cantidades y propiedades relativas de cada constituyente. Se utiliza para predecir determinadas

propiedades de los compuestos como la densidad.

fi fraccin de volumen de cada componente

i densidad de cada componente

Ejemplos:

Carburos cementados: WC (Carburo de Wolframio) utilizado para corte de aceros.

Polmeros: ABS (plstico de gran dureza) y el negro de carbono

a) Endurecidos por dispersin b) Particulados verdaderos

o Partculas de gran tamao

o Elevado porcentaje de partculas

o Menor dureza

6.2. Manufactura de fibras y compuestos. Aplicaciones

Los materiales fibrosos se forman por la introduccin de fibras fuertes, rgidas, y frgiles dentro de

una matriz ms blanda y dctil. Se mejora la resistencia y rigidez del material. El material de la matriz

transmite la fuerza a las fibras y proporciona ductilidad y tenacidad, mientras que las fibras soportan

la mayor parte de la fuerza aplicada.

Generalmente lo que se busca con este tipo de compuestos es conseguir materiales que presenten una

elevada resistencia y rigidez junto con una baja densidad. -

Ingenierilmente estas propiedades se expresan mediante dos

parmetros: Resistencia especfica y mdulo especfico, que

corresponden con las relaciones entre resistencia a traccin y densidad

por un lado, y la relacin mdulo de elasticidad y densidad por otro. A

su vez, estos materiales compuestos reforzados con fibras se

subclasifican dependiendo del tamao de las mismas.

Existen muchos factores que afectan estos esfuerzos, como son la

forma de las fibras, la geometra de los extremos, los mdulos

elsticos y de cortante respectivos de la fibra y la matriz y la resistencia

de la interfase matriz-refuerzo. La fibra de vidrio es un compuesto

reforzado con fibra contiene largas fibras rgidas de fibra de vidrio en

una matriz polimrica ms blanda.

Regla de las mezclas: predice la densidad, conductividad trmica y elctrica y el mdulo de

elasticidad. E

Esta es la curva esfuerzo-deformacin para un compuesto reforzado

con fibras. A bajos esfuerzos el mdulo de elasticidad viene dado por la regla de las mezclas (parte

lineal) y a esfuerzos mayores la matriz se deforma, perdindose la linealidad, por lo

que la regla de las mezclas no se cumple. En este caso el modulo se calcula:

Si la carga se aplica perpendicularmente a las fibras, el modulo es:

m Elasticidad de la matriz

Ef Elasticidad de las fibras

Al aumentar esta relacin, aumenta la resistencia.

Relacin de aspecto ( l/d (l) longitud (d) dimetro): Las fibras continuas dan mayor resistencia

pero son ms difciles de introducir en la matriz. Con las discontinuas es ms fcil pero dan una

menor resistencia debido a que tienen una relacin de aspecto menor. Esto se mejora

disminuyendo el dimetro de las fibras.

Fraccin volumtrica de fibras: Cuando todas las fibras tienen la misma direccin, la rigidez y

resistencia son mximas en la direccin de las fibras, pero las propiedades son anisotrpicas. Si

las fibras estn entrecruzadas tenemos una menor rigidez y resistencia, pero las propiedades son

ms homogneas.

La longitud crtica de fibra se puede expresar de la siguiente manera: lc

Donde:

d: dimetro de la fibra

: resistencia a la traccin de la fibra

t: resistencia de la unin matriz fibra (resistencia al cizalladura de la matriz

En la figura 8.2 se representan unos perfiles esfuerzo-posicin para distintas longitudes de fibra. (a) la longitud

de la fibra l es igual a la longitud crtica lc, (b) l mayor que lc y (c) l menor que lc; de un compuesto que est

sometido a un esfuerzo de traccin igual a la resistencia a la traccin de la fibra.

La longitud de la fibra I es:

Desde el punto de vista de refuerzo, para que el efecto reforzante de las fibras sea significativo, stas

deben de ser continuas, ya que los materiales reforzados con fibras cortas pueden ser considerados a

los reforzados con partculas que veremos a continuacin.

Como parece lgico, es de transcendental importancia en las propiedades de los materiales

compuestos la cantidad y la orientacin de las fibras que lo refuerzan. En este ltimo aspecto,

podemos encontrar dos situaciones extremas:

i) Las fibras se encuentren perfectamente alineadas. Esto suele ocurrir en los compuestos reforzados

con fibras continuas.

ii) Las fibras se encuentran al azar.

Ahora bien, lo que si que se puede afirmar es que las mejores propiedades de los materiales

compuestos se consiguen cuando las fibras estn uniformemente distribuidas.

Representaciones esquemticas

de compuestos reforzados con

fibras

a) Continuas y alineadas

b) Discontinuas y alineadas

c) Discontinuas y orientadas al

azar.

Modo de aplicacin de cargas

En cualquier material compuesto deberemos distinguir en el

modo de aplicacin de las cargas; no es lo mismo aplicar la

carga en el sentido longitudinal a las fibras que en sentido

transversal; un material compuesto reforzado con fibras

alineadas se usa para trabajar con cargas paralelas al eje de

sus fibras.

6.3. Materiales compuestos laminares y sus aplicaciones.

Se arreglan los componentes en series de capas alternadas Cuando se aplican cargas, los esfuerzos

resultantes son proporcionales a los mdulos elsticos y de corte de los constituyentes, Tambin

pueden aparecen esfuerzos internos debido a las contracciones o expansiones de las diferentes lminas

(diferentes relaciones de Posisson). En esfuerzos transversales, se producen esfuerzos de corte entre

las superficies de contacto.

Los compuestos laminares incluyen laminados, recubrimientos ms gruesos, metales de

revestimiento, bimetales y muchos otros. Son diseados para mejorar la resistencia a la corrosin y

al desgaste, manteniendo un bajo costo.

Regla de las mezclas: predice propiedades como densidad, conductividad elctrica y trmica y el

mdulo de elasticidad.

Sin embargo muchas propiedades importantes como la resistencia a la corrosin y al desgaste

dependen principalmente de un solo componente del compuesto, por lo que la regla de las mezclas

no se cumple.

Tipos

Laminados: capas de materiales unidos por adhesivo orgnico. Ej.

Madera contrachapada, es un compuesto laminar de capas de madera.

Recubrimientos duros: Capas superficiales duras resistentes al desgaste

depositadas sobre materiales ms duros y dctiles. Ej: Carburo de

Wolframio.

Metales de revestimiento: compuestos metal-metal. Ej. Alclad

(combinacin de aluminio puro y comercial con aleaciones de aluminio

de mayor resistencia, se usa para construccin de aeronaves y cambiadores de calor).

Bimetales: (son dos lminas metlicas unidas, de distinto material, que poseen un coeficiente de

dilatacin diferente. Se usan como termostatos).

Materiales Compuestos tipo Sandwich: Material compuesto por dos lminas externas o caras, de

mayor resistencia, y entre ellas una capa de material menos denso

(ncleo), de baja rigidez y baja resistencia. Las lminas externas

pueden estar constituidas por madera enchapada, aleaciones de

aluminio, plsticos reforzados con fibras, titanio, acero, etc., y en el

ncleo se pueden usar polmeros espumosos, cauchos sintticos,

cementos inorgnicos, madera, papel, etc. Las funciones del ncleo son:

separar las caras externas, resistir la deformacin perpendicular al plano

de la cara, y dar cierto grado de resistencia a la cizalladura a lo largo de

los planos perpendiculares a las caras.

6.4. Ley de Ohm y conductividad elctrica. Conductividad de metales y aleaciones

En materiales conductores, p.ej. metales (hilo de cobre), se precisa una alta conductividad elctrica

para transportar corriente elctrica y energa sin prdidas.

En materiales aislantes, p.ej. cermicos o polmeros, se precisa una conductividad elctrica muy

baja (dielectricidad) para impedir la ruptura dielctrica del material y los arcos elctricos entre

conductores

En materiales semiconductores: Por ejemplo: dispositivos fotoelctricos. Se necesita optimizar sus

propiedades elctricas para que con ellos se puedan fabricar fuentes prcticas y eficientes de energas

alternativas P. ej. Transistores, circuitos lgicos, etc. El estudio y posterior mejora de sus propiedades

elctricas permite la fabricacin de chips y ordenadores ms rpidos y pequeos. Hay

una relacin fundamental entre las tres magnitudes bsicas de todos los circuitos, y es:

Es decir, la intensidad que recorre un circuito es directamente proporcional a la tensin de la fuente

de alimentacin e inversamente proporcional a la resistencia en dicho circuito.

Esta relacin se conoce como Ley de Ohm. Es importante apreciar que:

1. podemos variar la tensin en un circuito, cambiando la pila, por

ejemplo;

2. podemos variar la resistencia del circuito, cambiando una bombilla,

por ejemplo;

3. no podemos variar la intensidad de un circuito de forma directa,

sino que para hacerlo tendremos que recurrir a variar la tensin o la

resistencia obligatoriamente. Tener en cuenta que:

Cuando resolvemos problemas de la ley de Ohm tendremos que saber despejar cada una de las

variables en funcin de cul sea la incgnita que nos pregunten. El siguiente grfico te servir para

hacer esto: tapa la variable que deseas despejar y si las que te quedan a la vista est, a la misma altura,

pon entre ellas un signo de multiplicar; si quedan una sobre la otra, pon un signo de dividir.

Cuando se considera un conductor metlico de longitud L(en cm), rea de seccin transversal A (en

cm2), por el que pasa una corriente i perpendicular al rea A su resistencia elctrica, R,

puede expresarse a travs de la propiedad intrnseca del conductor conocida como

resistencia especfica o resistividad ( , en ohm-cm):

La teora de orbitales moleculares puede emplearse para explicar

las propiedades de los slidos (inicos, metlicos y moleculares).

Un slido se puede considerar formado por una serie de tomos

unidos entre s mediante enlaces de tipo covalente. Esta idea tiene

la ventaja, desde un punto de vista qumico, de tratar al slido

como una especie no muy diferente a las pequeas molculas

covalentes. La aproximacin es aceptable para describir el enlace en slidos metlicos as como para

explicar las propiedades que presentan estos compuestos como el brillo, la maleabilidad y las

conductividades trmicas y elctricas. Todas estas propiedades son el resultado de la contribucin de

los electrones de cada tomo en la formacin de un mar de electrones.

La teora de orbitales

La teora de orbitales moleculares puede emplearse para explicar las propiedades de los slidos

(inicos, metlicos y moleculares). Un slido se puede considerar formado por una serie de tomos

unidos entre s mediante enlaces de tipo covalente. Esta idea tiene la ventaja, desde un punto de vista

qumico, de tratar al slido como una especie no muy diferente a las pequeas molculas covalentes.

La aproximacin es aceptable para describir el enlace en slidos metlicos as como para explicar las

propiedades que presentan estos compuestos como el brillo, la maleabilidad y las conductividades

trmicas y elctricas. Todas estas propiedades son el resultado de la contribucin de los electrones de

cada tomo en la formacin de un mar de electrones.

En un metal puro la conductividad elctrica est determinada por su estructura de bandas. El valor de

depende del nmero de portadores y de la movilidad de los mismos, .

El valor de depende a su vez de la velocidad de desplazamiento de las cargas elctricas dentro del

material. En un metal real (con defectos) la movilidad y velocidad de las cargas elctricas depende

crticamente del nmero y tipo de defectos estructurales. A mayor nmero de defectos, menor

distancia entre colisiones, menor movilidad y menor conductividad elctrica.

Factores que afectan a la conductividad elctrica:

- La temperatura

- Las imperfecciones de la red cristalina

- El procesamiento y endurecimiento del material

Los electrones se desplazan por el material como ondas electromagnticas que ajustan su

periodicidad a la de la red cristalina. Cualquier irregularidad en esta red cristalina provoca una

dispersin (colisin) de dicha onda electrnica y, por tanto, una disminucin de su movilidad y

velocidad (disminucin de la conductividad elctrica).

La temperatura: Un aumento de la temperatura del material supone un aumento de la energa de

vibracin de los tomos de la red cristalina. Los tomos oscilan en torno a sus posiciones de equilibrio

y dispersan a las ondas electrnicas. Disminucin de la movilidad de los electrones y de la

conductividad elctrica. Aumento lineal de la resistividad elctrica con la temperatura.

Las imperfecciones de la red: Los defectos reticulares (vacantes, impurezas, dislocaciones, fronteras

de grano,) son irregularidades de la red cristalina y, por tanto, dispersan las ondas electrnicas.

Aumento de la resistividad del material: dependiente del nmero de imperfecciones e independiente

de la temperatura Ejemplo: resistividad, D, debida a una fraccin atmica de tomos de solucin

slida o de impurezas presentes en el material, x.

El procesamiento y endurecimiento de un material: Todos los mecanismos de procesamiento de un

material destinados a aumentar su resistencia mecnica se basan en la creacin de irregularidades

cristalinas en el material. Por tanto, todos estos mtodos de procesamiento aumentan a su vez la

resistividad elctrica.

Endurecimiento por solucin slida: introduccin de impurezas o vacantes

Endurecimiento por dispersin o envejecimiento: introduccin de precipitados en el material

Endurecimiento por deformacin en fro: creacin de dislocaciones

Endurecimiento por control del tamao de grano: creacin o aumento de fronteras de grano

Los mtodos de endurecimiento del material son ms o menos perjudiciales para la conductividad

elctrica del material segn sean las distancias entre las irregularidades introducidas: distancias

pequeas, menor movilidad de los electrones y mayor resistividad elctrica. Los mtodos de

reblandecimiento de los materiales (templados) disminuyen las irregularidades internas del material

y mejoran sus propiedades elctricas conductoras.

6.5. Semiconductores. Aplicaciones

La gran mayora de los dispositivos de estado slido que actualmente hay en el mercado, se fabrican

con un tipo de materiales conocido como semiconductores. De ah que vamos a empezar nuestro

estudio examinando las propiedades fsicas de dichos elementos. Estudiaremos las caractersticas de

los materiales que nos permiten distinguir un semiconductor de un aislante y de un conductor.

Veremos, adems, el dopado de un semiconductor con impurezas para controlar su funcionamiento.

El estudio anterior puede abordarse desde dos puntos de vista:

Basndonos en la estructura cristalina de los semiconductores y, ms concretamente, en el enlace

covalente.

Desde el punto de vista energtico, es decir, a travs del modelo de las bandas de energa.

En los semiconductores ms usuales (Si, Ge) su estructura cristalina (disposicin atmica que se

repite peridicamente en tres dimensiones) es la que aparece reflejada en la figura y se denomina

estructura diamantina. Para comprenderla, hay que tener en cuenta que tanto el Si como el Ge

poseen cuatro e- de valencia, esto es, 4 e- externos.

Pues bien, en la estructura

diamantina, cada tomo

est rodeado de 4 tomos

vecinos y adems cada

tomo tiende a compartir

uno de sus 4 e- de

valencia con cada uno de

los 4 tomos vecinos de

los que toma otra e- en

proceso anlogo. Las

barras de conexin de la

figura pueden

considerarse como pistas a lo largo de cada una de las cuales se mueven dos e- en uno y otro sentido

entre los tomos asociados. Esta disposicin de pares de e- compartidos es lo que se denomina enlace

covalente. Como ya se ha comentado anteriormente, en un metal todos los e- exteriores (e-de

valencia) se encuentran compartidos por todos los tomos de la red cristalina. Estos e- constituyen

una nube electrnica pudindose mover libremente a travs de todo el cristal. Estadsticamente, en

su movimiento, el nmero de e- que se mueven en un sentido ser el mismo que los que lo hacen en

sentido contrario, es decir, no habr un

movimiento neto de carga y por lo tanto no

habr corriente elctrica. Si ahora aplicamos un

campo elctrico exterior aparecer una

corriente de desplazamiento.

6.6. Aisladores y propiedades dielctricas.

El diseo ptimo de un componente no conductor de la corriente elctrica requiere el compromiso de

una buena conformacin, de acuerdo a las funciones especficas para la que se destina, y el buen

dimensionamiento, de acuerdo con la adecuada seleccin del material. La importancia del estudio de

las propiedades dielctricas de los materiales es tan importante como las conductoras. A nuestro

alrededor podemos ver cables elctricos de alta y baja tensin protegidos por materiales polimricos,

al igual que cables coaxiales blindados contra interferencias, tarjetas y soportes de circuitos impresos

e integrados hbridos, aislantes exteriores de componentes: resistencias, condensadores, diodos,

transistores, varistores, circuitos integrados; revestimientos de elementos de contacto con lneas de

tendido elctrico y tomas de instrumentacin electrnica, proteccin aislante del bobinado de motores

y transformadores de energa elctrica.

Los materiales cermicos ms utilizados en la fabricacin de aisladores elctricos son la porcelana y

el vidrio. Otros materiales cermicos, con aplicaciones especficas, clasificados como cermica para

electrotecnia incluyen: Porcelana silcea, utilizada para aisladores de baja y alta tensin.Esteatita,

para uso en aplicaciones a alta frecuencia. Mullita, utilizada para aisladores refractarios y

termocuplas. Titanato de Bario y de magnesio, para condensadores con alta

permitividad. Cermica de alta Almina, para aisladores de bajas prdidas, substratos y partes

metalizadas; y para aisladores de alta tensin y alta resistencia mecnica. Nitruro de Silicio, utilizado

en aisladores resistentes al choque trmico. Nitruro de Aluminio, utilizado en substratos

aislantes. Vidrio de Borosilicato, para aisladores de alta tensin.

La funcin primaria del aislamiento en circuitos elctricos es la separacin fsica de los conductores

entre s y de estos con respecto a la lnea de tierra, y la regulacin o prevencin del flujo de corriente

entre ellos. Otras funciones son proveer el soporte mecnico, disipacin de calor y proteccin

ambiental a los conductores.

La principal ventaja de los aisladores cermicos consiste en su capacidad para operar a altas

temperaturas sin degradarse en sus propiedades qumicas, mecnicas, o dielctricas. Estos aisladores

pertenecen a la clase de materiales conocidos como Dielctricos lineales. En estos materiales, el

desplazamiento elctrico (D) aumenta en proporcin directa al campo elctrico en el dielctrico (E),

siendo la constante dielctrica relativa (K) la constante de proporcionalidad.

La resistividad elctrica tambin es otro de los parmetros investigados para la cualificacin de un

material aislante. Son dos los indicadores de resistividad: transversal o volumtrica y la superficial.

Si sobre una superficie se colocan dos electrodos a diferente potencial, circular una corriente

elctrica por esa superficie y por el interior del material. Esta resistencia comprende tanto la que

ofrece la superficie como la del interior del material. Dicha resistencia aumenta al disminuir el espesor

de la probeta, la anchura de los electrodos o el voltaje entre stos. Los datos de resistividad superficial

son comparables cuando el ensayo se realiza en iguales condiciones. Dicho

indicador, rS viene dado por la ecuacin:

Siendo RS la resistencia superficial, dM y g el dimetro y anchura del electrodo, respectivamente,

definidos segn la norma DIN 50014-23. La mayora de los materiales plsticos muestran

resistividades superficiales de 1010 y 1016 .

El concepto de resistividad transversal o volumtrica, ya definido en otras unidades, haca referencia

a la resistividad interna de un material. En el caso de aislantes para ingeniera, la resistividad de stos

vara entre 1010 y 1020 cm

En los criterios tcnicos de cualificacin de los materiales aislantes est la magnitud

rigidez dielctrica ER. Expresa la resistencia de un material a ser perforado por una

corriente cuando es sometido a una tensin elctrica.

De la ecuacin en la que VR es la mayor diferencia de potencial soportada antes de ruptura y d el

espesor de dielctrico, se desprende que ER es el mximo gradiente de potencial que resiste sin que

se genere en su interior un flujo elctrico. Este indicador es inversamente proporcional al espesor, por

lo que materiales gruesos manifiestan menores valores de rigidez dielctrica. Los materiales aislantes

industriales tienen una rigidez dielctrica superior a 10KV/cm, tomndose como muy buenos a partir

de 100 KV/cm.

6.7. Electrostriccin, piezoelectricidad y ferroelectricidad

Propiedad de algunos materiales dielctricos basada en la estrecha relacin entre su estructura

cristalina y la polarizacin. a) Electrostriccin b) Piezoelectricidad

ELECTROSTRICCIN: Al aplicar una diferencia de potencial o campo elctrico, el material se

polariza, sus tomos y molculas se distorsionan y el material en su conjunto cambia de tamao. Esto

puede ocurrir como resultado de los enlaces entre los iones que varan en longitud o de las distorsiones

debidas a la orientacin de los dipolos permanentes en el material.

PIEZOELECTRICIDAD: El prefijo piezo- proviene de la palabra griega presin. Al aplicar una

presin sobre el material dielctrico, este se contrae, sus tomos y molculas cambian de tamao y se

forman dipolos elctricos. Esta polarizacin produce, a su vez, una diferencia de potencial entre los

extremos del material, que es lo que denominamos piezoelectricidad. Los materiales dielctricos que

muestran este comportamiento reversible son piezoelctricos. Los materiales que estn

permanentemente polarizados, como el bario, el titanio y cuarzo, muestran este efecto. Esta habilidad

para convertir energa elctrica en energa mecnica, y viceversa, es un buen ejemplo de transductor

(dispositivo para convertir una forma de energa en otra).

EFECTO

PIEZOELCTRICO:

Figura a) Ilustracin esquemtica

de dipolos elctricos dentro de un

material piezoelctrico. En este

material habr un exceso de carga

positiva en un extremo y de carga

negativa en el otro en la direccin

de la polarizacin.

Figura b) Muestra el efecto piezoelctrico directo, en el cual esfuerzos de compresin sobre el material reducen

la distancia entre los dipolos unitarios, por lo que, reduce el momento dipolar global por unidad de volumen del

material. Este cambio en el material hace que vare la densidad de carga en los extremos de la muestra y as

cambia la diferencia de potencial entre estos extremos, si estn aislados uno del otro.

Figura c) Muestra el efecto piezoelctrico inverso, aqu aplicamos un campo elctrico a travs de los extremos

de la muestra, la densidad de carga en cada uno de los extremos de la misma cambiar. Este cambio de la

densidad de carga obligar a la muestra a variar las dimensiones en la direccin del campo aplicado. La muestra

sufre un ligero alargamiento, debido al incremento de la carga positiva que en uno de sus extremos atrae a los

polos negativos de los dipolos, con un comportamiento contrario en el otro extremo de la muestra.

De este modo, el efecto piezoelctrico es un efecto electromecnico por el cual fuerzas mecnicas

sobre un material ferroelctrico pueden producir una respuesta elctrica o bien fuerzas elctricas una

respuesta mecnica. Algunos materiales PIEZOELCTRICOS: El titanato de bario (BaTiO3) y otros

materiales cermicos exhiben este efecto. Aunque el BaTiO3 se utiliza comnmente ha sido

ampliamente reemplazado por materiales cermicos fabricados a partir de disoluciones slidas de

circonato de plomo (PbZrO3) y titanato de plomo (PbTiO3) debido a que presentan una temperatura

crtica notablemente ms alta. Las aplicaciones ms usuales de los materiales piezoelctricos son

como transductores ultrasnicos. El efecto piezoelctrico es el responsable del funcionamiento del

telfono, grabadoras, equipos estereofnicos, as como en otros dispositivos electroacsticos.

Tambin se usa en sintonizadores para radios.

El efecto piezoelctrico directo es la generacin de un desplazamiento elctrico en

un slido linealmente proporcional a una tensin mecnica.

El efecto piezoelctrico inverso es la deformacin lineal de un slido

bajo la aplicacin de un campo elctrico. El efecto electroconstrictivo

es la deformacin no lineal de un slido bajo la aplicacin de un campo

elctrico.

Ambos efectos estn ntimamente ligados con la existencia de acoplo entre polarizacin y la

deformacin, de manera que se puede describir, quizs de forma ms fundamental.