materiales elÉctricos

MATERIALES ELÉCTRICOSMatos Vargas, Ricardo A. 1213110245TECNOLOGÍA DE MATERIALES ELÉCTRICOSIng. Walter Raúl Calderón Cruz

INTRODUCCIÓN Hoy en día nuestra tecnología es mucho más avanzada comparar con

la tecnología de hace 50 años y es en esta época en la que debemos aprovechar al máximo todos nuestros conocimientos y experiencias en la mano, de eso se trata la tecnología de materiales, es aplicar una tecnología (la más avanzada, tecnología de punta) a un cierto material, mediante procesos lógicos, exactos y bajo a lo que llamamos Normas Técnicas para poder obtener un producto deseado y eficiente.

Los materiales a usar, son productos de otros procesos también regidos mediante otras Normas Técnicas, por ejemplo, el cobre (Cu) para es obtenido mediante un proceso llamado refinamiento de ahí a este material se le aplica la tecnología para tener algunos productos tales como cables eléctricos, cables desnudos, bobinas, etc.

A los materiales los podemos dividir en tres clases: Los Materiales Eléctricos Conductores, tales como el cobre (Cu), el aluminio (Al), también pueden ser soluciones, gases; también están Los Materiales Eléctricos Aislantes, donde se encuentran resinas, cerámicas, mica, aceites de otros materiales; por último están Los Materiales Eléctricos Magnéticos.

1- MATERIALES ELÉCTRICOS CONDUCTORES. Materiales cuya resistencia al paso de la

corriente es muy baja. Un material aislante posee una

resistencia de hasta veces que un buen material conductor.

Sus propiedades generales son: las eléctricas, las mecánicas y las fisico-químicas.

Se subdividen en conductores, semiconductores y superconductores.

A) Propiedades Eléctricas de los Materiales Conductores Resistencia eléctrica.

Constituye un índice de la oposición que ofrece ante el paso de la corriente eléctrica. Resistividad eléctrica.

Es la medida de una cantidad de unidad de material dado. Conductividad eléctrica.

Es la inversa de la resistividad.

B) Propiedades Mecánica de los Materiales Conductores

Por estar sometidos a esfuerzos mecánicos, están las siguientes propiedades: Coeficiente de trabajo a la tracción. Coeficiente de trabajo a la compresión. Coeficiente de trabajo a la flexión. Coeficiente de trabajo a la cortadura. Módulo de elasticidad. Dureza.

C) Propiedades Fisico-químicas de los Materiales Conductores Calor específico.

Es la cantidad de calor necesaria para elevar la unidad del cuerpo de la temperatura t1 a la temperatura t2. Conductividad térmica.

Facilidad que el material presenta al paso de calor. Coeficiente de conductividad térmica.

Es el número de calorías gramos que atraviesan perpendicularmente, en un segundo, una superficie de un centímetro cuadrado de una lámina que tenga un centímetro de espesor y cuyas caras se mantengan a temperaturas que difieran entre sí, un grado centígrado. Coeficiente de dilatación lineal.

Conductores. Es un cuerpo que presenta alta

conductividad y puede ser utilizado como portador de corriente eléctrica.

Los conductores se ven afectados por la variación de la temperatura y por las variaciones de esfuerzos mecánicos durante el servicio.

Pueden ser conductores sólidos, líquidos (soluciones) o gaseosos.

Conductores-sólidosCaracterísticas Físicas.

Opacos a espesores normales. Buena conductividad térmica y eléctrica. Buena dureza o resistencia a ralladuras. Resistencia longitudinal a la rotura. Elasticidad. Maleabilidad. Resistencia a la fatiga. Ductilidad.

Conductores-sólidosCaracterísticas Químicas.

Forman óxidos básicos. Baja energía de ionización.

Características Eléctricas. Posee resistencia al flujo de electricidad. Elevada conductividad térmica.

Conductores-líquidosEn general el agua con sales tales

como cloruros, sulfuros y carbonatos, etc., son buenos conductores, debido a que las sales actúan como agente reductores, donante de electrones.

Conductores-gaseososEn los gases la condición que

implica el paso de una corriente se conoce como el fenómeno de descarga o "ruptura" eléctrica del gas, paso de un comportamiento no conductor (baja corriente) a conductor.

Tienden a adquirir electrones. Tienden a formar óxidos ácidos.

Conductores-Principales Materiales

Conductor de Cobre. Cobre electrolítico. Cobre recocido. Cobre semiduro. Cobre duro.

Aleaciones de Cobre. Latón. Bronce.

TABLA 1-Comparación del tipo de cobre. Características generales a 20 °C.

MATERIAL COBRE

Conductividad

Resistencia absoluta

Resistencia

mecánica a la

tracción

Módulo de elasticida

d

Alargamiento a la rotura

Densidad

Duro 96.5 0.01787 35 a 47 13.000 0.85 a 3.75 8.89

Recocido 100 0.017241 22 a 28 13.000 20 a 30 8.89


Conductor de Aluminio. Los conductores de aluminios son

ampliamente utilizados hoy en día en sistemas aéreos de transmisión y distribución, así como en barras livianas y en menos escala todavía, en sistemas de baja tensión.

TABLA 2-Norma IRAM 2189

Elemento

Limite

Aluminio. Mínimo 99.50

Hierro. Máximo 0.10

Cobre. Máximo 0.02

Silicio. Máximo 0.30

Titanio. Máximo 0.03

Otras impurezas. Máximo 0.03


Conductor de Aluminio. Aleaciones de Aluminio.

TABLA 3-Aleaciones de Aluminio.

Designación IRAM

Silicio Hierro Cobre Manganeso Magnesio

1601 0.30-0.60 0.50 0.10 0.03 0.35-0.80

1606 0.50-0.90 0.50 0.10 0.03 0.60-0.90


Conductores de Aluminio-Acero. Aceros para uso eléctrico.

Se lo emplean como alma mecánica de conductores tipo aluminio-acero y, en menor escala, en conductores aleación de aluminio-acero y cobre-acero, siendo más bien estos últimos de uso excepcional.


Conductores de Aluminio-Acero. Aceros para uso eléctrico.

TABLA 4-Características del cobre y aluminio. Aluminio Cobre

A IGUAL CONDUCTIBIDAD ELECTRICA

Relación de las secciones 1.64 1

Relación de los diámetros 1.28 1

Relación de los pesos 0.50 1

Relación de las cargas a la rotura 0.781

A IGUAL CALENTAMIENTORelación de las secciones 1.405 1


A IGUAL SECCIONRelación de las conductividades 0.61 1


SemiconductoresEn el grupo 4B de la tabla periódica se

encuentran los semiconductores elementales entre los cuales está el germanio y el silicio.

Los semiconductores compuestos están formados por elementos de los grupos 2B y 6B de la tabla periódica (CdS, CdSe, CdTe, HgCdTe, etc.) y se conocen como semiconductores II-VI (dos seis).

También pueden formarse al combinar elementos de los grupos 3B y 5B de la tabla periódica (GaN, GaAs, AlAs, Alp, Inp, etc.). Estos se conocen como semiconductores III-V (tres cinco).

TABLA 5-Propiedades de semiconductores de uso común a temperatura ambiente

Semiconductor

Brecha de

banda

Movilidad de

electrones

Movilidad de

orificios

Constante dieléctrica

Resistividad

Densidad

Temperatura de fusión

Silicio (Si) 1.11 1350 480 11.8 2.5x105 2.33 1415

Silicio amorfo(a:Si:H)

1.70 1 10-2 11.8 1010 2.30 -

Germanio (Ge)

0.67 3900 1900 16.0 43 5.32 936

SiC () 2.86 500 - 10.2 1010 3.21 2830

Arseniuro de galio (GaAs)

1.43 8500 400 13.2 4x108 5.31 1238

Diamante 5.50 1800 1500 5.7 1018 3.52 3550

SemiconductoresSemiconductores extrínsecos.

Al agregar intencionalmente un pequeño número de átomos de impurezas al material (procedimiento conocido como dopado o adulteración), es posible producir un semiconductor extrínseco.

La conductividad del semiconductor extrínseco depende principalmente de número de átomos de impurezas, o dopante, y en cierto margen de temperatura es independiente de la temperatura, es la razón por la que casi siempre se usan semiconductores extrínseco es para fabricar dispositivos.

SemiconductoresSemiconductores de tipo n.

Suponga que el silicio o que al germanio se agrega un átomo de impurezas, por ejemplo de antimonio, que contiene una valencia y cinco. Cuadro de los electrones del átomo de antimonio participan en el proceso de enlace covalente, en tanto que del electrón adicional entra a un nivel de energía justo por debajo de la banda de conducción.

Como del electrón adicional no está enlazado fuertemente a los átomos, sólo se requiere de un pequeño aumento de energía, , para que el electrón entre a la banda de conducción. Un dopante tipo n “dona” un electrón libre de cada impureza agregada. La brecha de energía que controla la conductividad es ahora en lugar de .

No se crearon orificios correspondientes cuando los electrones donantes entrada a la banda de conducción. Será el caso de que pares electrón-orificio son creados cuando la energía térmica hace que los electrones sean promovidos a la banda de conducción desde la banda de valencia; no obstante, el número de pares de electrón-orificio es de importancia sólo de altas temperaturas.

SemiconductoresSemiconductores de tipo p.

Cuando al Si o al Ge se le agrega una impureza de galio pode boro, y tienen una valencia de tres, no hay suficientes electrones para completar el proceso de enlace covalente. Se crea un orificio en la banda de valencia a quien puede ser llamado por electrones desde otros lugares de la banda.

Los orificios a actuar como “aceptantes” de electrones. Estos lugares de orificios tienen una energía un poco más alta de lo normal y crear un nivel aceptable de posibles energías de electrones justo arriba de la banda de valencia.

Un electrón debe ganar un energía de sólo para crear un orificio que la banda de valencia. El orificio entonces porta energía. Éste se conoce como semiconductor tipo p.

Semiconductores-Aplicaciones Fabricación de diodos, transistores, láseres,

LED’s.

2- MATERIALES ELÉCTRICOS AISLANTES Se denomina material aislante eléctrico

a toda sustancia de tan baja conductividad eléctrica, que el paso a través de ella puede ser despreciado. La pequeña corriente que pasa a través del aislante se denomina corriente de fuga y la intensidad de esta que puede ser tolerada, determinará la clase de material que puede utilizarse.

También se les denomina dieléctricos.

2- MATERIALES ELÉCTRICOS AISLANTES

Cumplen 2 misiones fundamentales: Permitir aislar eléctricamente los

conductores entre sí y estos mismos conductores respecto a tierra o a una masa metálica.

Modificar, en gran proporción el campo eléctrico que los atraviesa.

Tipos de Materiales Aislantes Materiales cerámicos. Materiales aislantes a base de mica. Materiales aislantes celulósicos y textiles. Elastómeros. Siliconas. Aceites. Plásticos (Polímero). Baquelita (Polímero). Lubricantes.

Clasificación de los Materiales Aislantes Un criterio muy interesante para clasificar los

materiales aislantes y que ha sido adoptado universalmente, es el que hace referencia a la temperatura máxima de funcionamiento continuo que puede alcanzar un material aislante determinado.

Iniciada en Estados Unidos por la A.I.E.E (American Institute of Electrical Engineers) y de adoptada posteriormente por la C.E.I. (Comisión Electrotecnia Internacional), estableciendo varias clases térmicas.

Clasificación de los Materiales Aislantes

Clase Y (trabajo bajo los 90 °C) Algodón. Seda. Papel sin impregnación. Polietileno reticulado. Cartones aislantes sin impregnar fibra

vulcanizada. Madera, etc.

Clase A (trabajo bajo los 105 °C) Algodón, seda, papel, impregnados o

sumergidos en dieléctrico líquido. Materiales moldeados o estratificados con

relleno de celulosa. Láminas y hojas de acetato de celulosa y

otros derivados de celulosa de propiedades semejantes.

Fibra vulcanizada y madera, convenientemente impregnadas.

Policloruro de vinilo. Barnices aislantes a base de resinas

naturales, asfaltos naturales y fenólicos modificados.

Clase E (trabajo bajo los 120 °C) Esmaltes a base de acetato de polivinilo,

esmaltados cubiertos con fibras naturales o artificiales.

Papel baquelizado, películas de tereftalato de polietileno. Fenólicas u otras resinas de características semejantes.

Moldeados y estratificados con base de algodón o papel y resinas.

Barnices de resinas alquidicas.

Clase B (trabajo bajo los 130 °C) Esmaltes a base de resinas de poliuretanos. Tejidos de vidrio y de amianto impregnados

con barnices de resinas sintéticas y de aceite. Mica y papel de mica aglomerada con goma

laca, compuestos asfálticos y resinas alquidicas.

Aislamiento de caucho etileno-propileno. Moldeados y estratificados de amianto y fibra

de vidrio con resinas fenólicas, de melanina, epoxidicas o de poliéster.

Tejidos de vidrio-amianto. Arniches de resinas de melanina, epoxidicas

y de poliéster.

Clase F (trabajo bajo los 155 °C) Tejido de fibra de vidrio al tratado con

resinas de poliéster. Militar y papel de mica, aglomerada con

resinas de poliéster o con resinas epoxidicas.

Estratificados a base de tejido de vidrio y resinas epoxidicas de gran resistencia térmica.

Estratificado amianto-vidrio.

Clase H (trabajo bajo los 180 °C) Aislamiento de elastómeros de siliconas. Tejidos de fibra de vidrio, aglomerados con

resinas de siliconas. Unidad y papel de mica, aglomerados con

siliconas. Estratificados de fibra de vidrio y resinas de

siliconas. Barnices es aislantes a base de resinas

siliconas.

Clase C (trabajo superior a los 180 °C) Aislamiento de elastómeros de siliconas. Tejidos de fibra de vidrio, aglomerados con

resinas de siliconas. Unidad y papel de mica, aglomerados con

siliconas. Estratificados de fibra de vidrio y resinas de

siliconas. Barnices es aislantes a base de resinas

siliconas.

TABLA 6-CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES AISLANTES UTILIZADOS EN ELECTROTECNIA

Clases de aislamiento Y A E B F H C

Temperatura ambiente °C 40 40 40 40 40 40 40

Sobre elevación máxima de temperatura °C

45 60 75 80 100 125 Mayor a 125

Diferencia máxima entre el punto más caliente y el bobinado o sistema conductor

5 5 5 10 15 15 15

Temperatura límite °C 90 105 120 130 155 180 Mayor a 180

Especificaciones Técnicas de los Materiales Aislantes

Especificaciones Técnicas Mecánicas. Resistencia a la tracción. Resistencia a la compresión. Resistencia a la flexión. Resistencia a la cortadura. Resistencia al choque. Dureza. Límite elástico. Maquinabilidad.

Especificaciones Técnicas Térmicas. Calor específico. Conductividad térmica. Inflamabilidad. Temperatura de seguridad.

Especificaciones Técnicas Físicas. Peso específico. Porosidad. Higroscopicidad.

Especificaciones Técnicas Químicas. Resistencia al Ozono. Resistencia a la luz solar. Resistencia a los ácidos alcalinos. Resistencia a los aceites.

3- MATERIALES ELÉCTRICOS MAGNÉTICOS Estrictamente hablando, no existe ningún

material “no magnético”. Todo está formado por átomos; los átomos están formados por electrones que giran alrededor de los átomos, igual que una espira portadora de corriente que genera un campo magnético.

Entonces, toda la materia responde a un campo magnético. La forma en que se mide la escala de esta respuesta de electrones y átomos de un material determina si éste es muy magnético o poco magnético.

Clasificación de los Materiales Magnéticos Diamagnetismo.

Un átomo magnético que actúa sobre cualquier átomo induce polo magnético para todo el átomo, al influir en el campo magnético causado por los electrones órbitas. Estos dipolos se oponen al campo magnético haciendo que la magnetización sea menor a cero.

Paramagnetismo.Cuando los materiales que de

electrones impares, a cada átomo se asocia un momento magnético neto debido al giro de los electrones. Al aplicarse en campo magnético, los dipolos quedan alineados con el campo, causando una magnetización positiva. Cuando los dipolos no interactúan, se requieren campos magnéticos extremadamente grandes para alinear todos dipolos. Además, el efecto se pierde tan pronto como se retira de campo magnético.

Ferromagnetismo.Es causado por los niveles de energía no

totalmente ocupados en el nivel 3d del hierro, el níquel y el cobalto. También se observa un comportamiento similar en otros materiales, incluyendo el gadolinio (Gd). En materiales ferromagnéticos, los dipolos impares permanentes quedan alineados con facilidad con el campo magnético impuesto debido a la interacción de intercambio, por refuerzo mutuo de los dipolos. Se obtienen grandes magnetizaciones, incluso para campos magnéticos pequeños, dando grandes susceptibilidades que se aproximan a 106.

Antiferromagnetismo.En materiales como el manganeso, el

cromo, el MnO y el NiO, los momentos magnéticos producidos en dipolos acá nos quedan alineados en oposición a algún otro en el campo magnético, incluso sin la fuerza de cada dipolo es muy alta.

Ferrimagnetismo.En materiales cerámicos, diferentes iones tienen

distintos momentos magnéticos. En un campo magnético, los dipolos del catión A pueden alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del catión B se oponen al campo. Pero, debido a que la intensidad o el número de dipolos no son iguales, resulta una magnetización neta.

Los materiales ferrimagnéticos pueden dar buena amplificación del campo impuesto. La mayor parte de los materiales ferrimagnéticos son cerámicos y buenos aislantes de la electricidad. Entonces, en estos materiales, las pérdidas eléctricas (conocidas como pérdidas por corrientes parásitas) son mucho menores en comparación con las de los materiales ferromagnéticos metálicos. Es por esto que las ferritas se utilizan en numerosas aplicaciones de alta frecuencia.

Superparamagnetismo.Cuando el tamaño de grano de los

materiales ferromagnéticos y de los ferrimagnéticos disminuye por debajo de cierto tamaño crítico, estos materiales se comportan como si fueran paramagnéticos. La energía del dipolo magnético de cada partícula se vuelve comparable a la energía térmica. Este pequeño momento magnético cambia su dirección de manera aleatoria (como resultado de la energía térmica). Es por eso que el material se comporta como si no tuviera un momento magnético neto.

Aplicaciones de los Materiales Magnéticos Materiales magnéticos blandos.

Los materiales ferromagnéticos se utilizan con frecuencia para mejorar la densidad del flujo magnético (B) producida cuando se hace pasar una corriente eléctrica por el material. Entonces espera que el campo magnético realice trabajo. Entre sus aplicaciones se deben mencionar los núcleos para electroimanes, los motores eléctricos, los transformadores, los generadores y otros equipos eléctricos.

TABLA 7-Propiedades de materiales magnéticos blando seleccionadosNombre Composición Permeabilidad Coercitividad Retentividad Resistividad

Inicial Máxima

Hierro en lingotes 99.8% Fe 150 5 000 80 0.77 2.14 0.10

Acero al bajo carbono

99.5% Fe 200 4 000 100 2.14 1.12

Hierro al silicio, sin orientación

Fe-3% Si 270 8 000 60 2.01 0.47

Hierro al silicio, de grano orientado

Fe-3% Si 1 400 50 000 7 1.20 2.01 0.50

Aleación 4750 Fe-48% Ni 11 000 80 000 2 1.55 0.48

Permalloy 4-79 Fe-4% Mo-79% Ni 40 000 200 000 1 0.80 0.58

Superalloy Fe-5% Mo-80% Ni 80 000 450 000 0.4 0.78 0.65

Permendur 2-V Fe-2% V-49% Co 800 450 000 0.4 0.78 0.65

Supermendur Fe-2% V-49% Co 100 000 16 2.00 2.30 0.40

Metglasa 2650SC Fe81B13.5Si3.5C2 300 000 3 1.46 1.61 1.35

Metglasa 2650S-2 Be78B13S9 600 000 2 1.35 1.56 1.37

Ferrita MnZn H5C2b 10 000 7 0.09 0.40 1.5x105

Ferrita MnZn H5Eb 18 000 3 0.12 0.44 5x104

Ferrita NiZn K5b 290 80 0.25 0.33 2x1012

aMarca registrada de Allied Corporation.bCódigo de ferrita TDK.

Materiales para almacenamiento de datos.Los materiales magnéticos utilizan para

el almacenamiento de datos. Se almacena la memoria magnitud Santo un material incierta dirección. Por ejemplo, si el polo “norte” está activo, el bit de información almacenada es igual a 1. Si el polo “norte” no está activo, entonces lo que se almacena es un 0. Para es la aplicación, son preferibles los materiales con un ciclo de histéresis cuadrado, una permanencia baja, una magnetización por saturación también baja y un campo coercitivo reducido.

Imanes permanentes.Los materiales magnéticos utilizan para

la fabricación de imanes permanentes de gran potencia. Los imanes permanentes poderosos, ya veces se denominan imanes duros, requiriendo siguiente:

1. Al remanencia (dominios estables).2. Alta permeabilidad.3. Alto campo coercitivo.4. Ciclo de histéresis grande.5. Alta potencia (o elevado productor

BH).

TABLA 8-Propiedades de materiales magnéticos seleccionados duros, o permanentes.

Material Nombre común

Fe-Co Acero Co 1.07 0.02 6 887

Fe-Co-Al-Ni Alnico-5 1.05 0.06 44 880

BaFe12O19 Ferrita 0.42 0.31 34 469

SmCo5 Sm-Co 0.87 0.80 144 723

Nd2Fe14B Nd-Fe-B 1.23 1.21 290-445 312

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