Resumen de todas las Unidades de la Experiencia de Materiales ElectrotécnicosAlumno: Cuauhtémoc Leano Morales

Profesor: Pedro Aguilar Canseco

2015

Unidad 1. Estructura de los Materiales

1.1 Estado físico de los materiales

Materia: as algo que ocupa un lugar en el espacio, se encuentra en constante movimiento y transformación mediante fenómenos físicos y químicos.

La materia se manifiesta de dos formas:

a) condensada.- sustancia o cuerpo material que posee dos características imprescindibles “masa y volumen”.

b) Dispersa.- energía.

La materia se presenta en 4 estados diferentes, todos con características y propiedades diferentes.

Estado sólido.- las moléculas se encuentran muy unidas entre sí debido a las fuerzas de cohesión que hay entre ellos. Tienen forma y volumen definido.

Estado líquido.- las moléculas están juntas y las atracciones entre ellos no son tan grandes, tienen forma variable, volumen definido, fluyen y no se pueden comprimir.

Estado gaseoso.- tiene la capacidad de ocupar todo el volumen que lo rodea.

Estado de plasma.- se produce cuando la materia es sometida a temperaturas mayores a 10 000 °C, como las que alcanzan el sol y las estrellas.

1.2 solidos cristalinos

Los materiales se pueden clasificar en:

Metales y aleaciones.- incluyen aceros, aluminio, magnesio, hierro, titanio, cobre y níquel. Tienen buena conductividad eléctrica y térmica, tiene una resistencia relativamente alta, gran rigidez, ductilidad y buena resistencia a los choques térmicos.

Cerámicos, vidrios y vitroceramicos.- os cerámicos se pueden definir como materiales cristalinos inorgánicos. Debido a la porosidad no conducen bien el calor y deben calentarse a temperaturas muy altas para que se fundan, son resistentes y duros, pero muy frágiles. El vidrio es un material amorfo y se obtiene con frecuencia de la sílice fundida, son amorfos porque no tienen arreglo regular y periódico de sus átomos. Los vidrios se pueden templar para hacerlos más resistentes. Los vitroceramicos se producen al moldear vidrios y nuclear pequeños cristales dentro de ellos con un proceso térmico especial.

Polímeros.- son materiales orgánicos comunes, se producen con un proceso llamado polimerización. Los polímeros tienen una resistencia eléctrica muy buena, a las sustancias corrosivas y son buenos aislantes.

Semiconductores.- a base de silicio, germanio y Arsenio de galio son una parte de una clase más} alta de los materiales electrónicos. La conductividad eléctrica de los semiconductores es intermedia entre la de los aisladores cerámicos y los conductores metálicos.

Materiales compuestos.- resultan de combinar las propiedades de distintos materiales que pueden ser dos o más para obtener propiedades que un solo material no tiene.

1.3 Celdas unitarias

Una red es una colección de puntos, llamados puntos de red, ordenados en un patrón periódico de tal modo que los alrededores de cada punto de la red son idénticos.

La celda unitaria es la subdivisión de una red que sigue conservado las características de la red. Al aplicar celdas unitarias idénticas se puede construir toda la red. Hay 7 arreglos únicos, llamados sistemas cristalinos que llenan el espacio tridimensional: Tetragonal, ortorrómbico, trigonal, hexagonal, monoclínico y triclínico y aunque son estos siete arreglos los principales hay 14 arreglos distintos de puntos de red. Son arreglos únicos que se llaman arreglos de Bravais.

Algunas características de las celdas unitarias son:

Parámetro de red.

Cantidad de átomos por celda.

Radio atómico vs parámetro de red.

Numero de coordinación.

Factor de empaquetamiento.

Densidad.

La estructura hexagonal.

1.4 Imperfecciones y defectos de los cristales

En todos los materiales el arreglo de los átomos contiene imperfecciones que tienen efecto profundo sobre el comportamiento de los materiales. Mediante el control de las imperfecciones reticulares, creamos metales y aleaciones más resistentes. Los tres tipos básicos de imperfecciones de red son: defectos puntuales, defectos lineales (dislocaciones) y defectos de superficie.

Las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma seria perfecta, generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidificación del material o al deformarlo. Estas están presentes en todos los materiales. Existen dos tipos: la de tornillo y la de borde.

Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucra uno o quizá varios átomos. Estos defectos pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento durante el procesamiento del material, mediante la introducción de impurezas. Los defectos puntuales son las vacancias, defectos intersticiales y defectos sustitucionales.

Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas diferentes.

1.5 Planos de clivaje

¿Qué es el clivaje?

Es el mecanismo de fractura transgranular y ocurre a través del rompimiento de los cristales a lo largo de planos cristalográficos. Los arreglos característicos de una fractura por clivaje son de caras planas, que usualmente exhiben marcas de rio. Estas son causadas por la grieta moviéndose a través del cristal a lo largo de un número de planos paralelos formando una serie de mesetas. Las caras de clivaje a través de los granos tienen una alta reflectividad, lo cual da a la superficie de fractura una apariencia brillante.

¿Qué es cuasi-clivaje?

Se observa principalmente en fracturas realizadas a bajas temperaturas en aceros templados. En esta forma de fractura las caras no son verdaderos planos de clivaje, exhiben a menudo huecos y colinas rasgadas alrededor de las caras (planos que no están muy bien definidos). Es un tipo de fractura que ocurre a una muy fina escala.

1.6 Formación de granos

Durante la solidificación, el arreglo atómico de un orden de corto alcance a uno de largo alcance, es decir una estructura cristalina cambia a dos pasos que son la nucleación y crecimiento. La nucleación es cuando un material se solidifica y el líquido se enfría justo por debajo de su temperatura de fusión y el crecimiento es cuando un líquido bien moculado se enfría al equilibrio.

1.7 Influencia en la propiedades macroscópicas de los materiales

Las propiedades macroscópicas son las siguientes:

Químicas.- se refiere a los procesos de modificación química de un material.

Físicas.- se refiere a las características de los materiales debido al ordenamiento de los átomos.

Oxidación.-cuando un material se combina con oxígeno se dice que sufre una reacción de oxidación.

Corrosión.- cuando la oxidación se produce en ambientes húmedos o en presencia de otras sustancias.

Densidad.- es la relación existente entre la masa de un material y su volumen.

Peso específico.- es la relación entre el peso de un material y su volumen.

Unidad 2 materiales conductores

2.1 características eléctricas, mecánicas y fisicoquímicas

Eléctricas: resistencia, resistividad y conductividad

Mecánicas: peso, resistencia a la tracción.

Fisicoquímicas: térmicas, electromagnéticas y químicas.

2.2 reglas de Mathiensen, Nordheim y ley de Wiedeman Franz

La Regla de Mathiensen dice que la resistividad eléctrica total de un metal es la suma de las contribuciones que dependen de la temperatura.

La regla de Nordheim:

r =k Cx (1-Cx)

En la cual Cx representa la concentración de impurezas y K es una constante, cuyo valor depende de los metales base y de las impurezas.

Ley de Wiedeman Franz dice que el ratio entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica de un metal, es proporcional a la temperatura.

2.3 Materiales conductores específicos: aluminio, cobre, plata, oro, níquel, etc.

Aluminio: El aluminio puro es blando y tiene poca resistencia mecánica, pero puede formar aleaciones con otros elementos para aumentar su resistencia y adquirir varias propiedades útiles. Las aleaciones de aluminio son ligeras, fuertes, y de fácil formación para muchos procesos de metalistería; son fáciles de ensamblar, fundir o maquinar y aceptan gran variedad de acabados.

Cobre: Elemento químico, de símbolo Cu, con número atómico 29; uno de los metales de transición e importante metal no ferroso. Su utilidad se debe a la combinación de sus propiedades químicas, físicas y mecánicas, así como a sus propiedades eléctricas y su abundancia. Es uno de los metales que puede tenerse en estado más puro, es moderadamente duro, es tenaz en extremo y resistente al desgaste. La fuerza del cobre está acompañada de una alta ductibilidad. Las propiedades mecánicas y eléctricas de un metal dependen en gran medida de las condiciones físicas, temperatura y tamaño de grano del metal.

Plata: se alea con uno o más metales. La plata, que posee las más altas conductividades térmica y eléctrica de todos los metales, se utiliza en puntos de contacto eléctrico y electrónico.

Unidad 3 Materiales Dieléctricos

3.1 características eléctricas, térmicas, mecánicas y fisicoquímicas

Se denomina dieléctrico al material que es un mal conductor de la electricidad, es decir, son los contrarios a los materiales conductores. Al igual que los conductores, los materiales dieléctricos sufren modificaciones con la presencia de un campo eléctrico. Todo dieléctrico es un aislante pero no todo asilaste es un dieléctrico. Las moléculas de un dieléctrico se pueden clasificar en polares y no polares, las moléculas como H2 y N2 son no polares y son simétricas y el centro de las cargas positivas coincide con el de las cargas negativas. Las moléculas como H2O y N2O son polares y son asimétricas y los centros de carga no coinciden.

3.2 clasificación según la temperatura de servicio

Al aplicar una tensión a un dieléctrico ocurrirán los siguientes fenómenos:

a) Circulara una corriente que cumplirá la ley de Ohm. El valor de esta corriente dependerá de la resistividad del aislante en las condiciones de trabajo. Su paso producirá calentamiento por efecto joule.

b) Se presentara también una corriente de desplazamiento adelantada Pi/2 radianes en el plano de Gauss respecto a la tensión aplicada. La magnitud de esta corriente dependerá de la constante dieléctrica del material. Esta corriente no calentara el dieléctrico.

c) Las masas polares vibraran siguiendo la excitación a la que están sometidas. Este fenómeno producirá un calentamiento en el material que reflejara el proceso energético que ocurre en su interior.

3.3 Materiales dieléctricos específicos: cerámicas, micas, vidrios, materiales celulósicos, plásticos, elastómeros y siliconas.

Cerámicas.- La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Esto se debe a que los enlaces iónico y covalente restringen la movilidad iónica y electrónica, es decir, son buenos aislantes eléctricos. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión.

Micas.- La mica se utiliza en aplicaciones de alta responsabilidad como aislamiento de máquinas de alta tensión y gran potencia, turbogeneradores, motores eléctricos, y algunos tipos de condensadores. Debido a que la mica mantiene sus propiedades eléctricas cuando se calienta hasta varios centenares de grados, se le considera un material de la clase térmica alta (clase C según las normas).

Vidrio.- El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza, aunque también puede ser producido por el ser humano. El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio es un tipo de material cerámico amorfo. El vidrio se obtiene a unos 1500 °C a partir de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3).

Materiales celulósicos.-

Papel: En el proceso de fabricación del papel, la madera, procedente de pinos y eucaliptos en su mayoría, se tritura y se mezcla con agua y una serie de productos químicos para ser transformada en pasta de celulosa. Ésta es prensada y laminada mediante máquinas hasta convertirla en una banda de papel.

Existen gran cantidad de variedades de papel, con características distintas y apropiadas para diversos usos.

Cartón: El cartón está formado por varias capas de papel superpuestas y adheridas formando una sola hoja gruesa, o bien por una plancha gruesa de papel endurecida. El cartón presenta más dureza, resistencia y grosor que el papel. Suele utilizarse para fabricar cajas, envases o embalajes

Plástico.- son sustancias químicas sintéticas denominadas polímeros, de estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y cuyo componente principal es el carbono. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización. Los

plásticos proporcionan el balance necesario de propiedades que no pueden lograrse con otros materiales, por ejemplo: color, poco peso, tacto agradable y resistencia a la degradación ambiental y biológica.

Elastómeros.- Los elastómeros son polímeros amorfos que se encuentran sobre su temperatura de transición vítrea o Tg, de ahí esa considerable capacidad de deformación. A temperatura ambiente las gomas son relativamente blandas (E~3MPa) y deformables. Se usan principalmente para cierres herméticos, adhesivos y partes flexibles.

Siliconas.- La silicona es un polímero inorgánico derivado del polisiloxano, está constituido por una serie de átomos de silicio y oxígeno alternados. Es inodoro e incoloro.

Resistente a temperaturas extremas (-60 a 250 °C).Resistente a la intemperie, el ozono, la radiación y la humedad.Buena resistencia al fuego.Excelentes propiedades eléctricas como aislador.

Unidad 4 Materiales ferromagnéticos

4.1 Características principales

Primero ¿Que son los materiales ferromagnéticos?

Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de núcleos de los transformadores y maquinas eléctricas.

Sus características son:

Pueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales. Esta característica viene indicada por una gran permeabilidad relativa m /m r.

Tienen una inducción magnética intrínseca máxima muy elevada. Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el valor del campo magnético. Este atributo

lleva una relación no lineal entre los módulos de inducción magnética (B) y campo magnético. Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente de la variación que

originaría una disminución igual de campo magnético. Este atributo indica que las relaciones que expresan la inducción magnética y la permeabilidad (m ) como funciones del campo magnético, no son lineales ni uniformes

4.2 Clasificación de los materiales ferromagnéticos

Una clasificación de materiales, según su comportamiento frente a un campo magnético, podría ser la siguiente:

No magnético: No facilita o no permite el paso de las líneas de Campo magnético. Ejemplo: el Vacío.

Diamagnético: Material débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de él, esta lo repele.

Ejemplo: Bismuto (Bi), Plata (Ag), Plomo (Pb), Agua.

Paramagnético: Presenta un magnetismo muy poco significativo. Atraído por la barra magnética.

Ejemplo: Aire, Aluminio (Al), Paladio (Pd), Magneto Molecular.

Ferromagnético: Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética.

Paramagnético: por encima de la temperatura de Curie (La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 ºC).

Ejemplo: Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni), Acero suave.

Anti ferromagnético: No magnético a un bajo acción de un campo magnético inducido. Ejemplo: Óxido de Manganeso (MnO2).

Ferrimagnético: Menor grado magnético que los materiales ferromagnéticos. Ejemplo: Ferrita de Hierro.

Superparamagnético: Materiales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica. Ejemplo: Materiales utilizados en cintas de audio y video.

Ferritas: Ferrimagnético de baja conductividad eléctrica. Ejemplo: Utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de corriente alterna.

4.3 materiales ferromagnéticos para campos continuos, alternos i imanes permanentes.

Materiales ferromagnéticos para campos continuos: Un campo magnético continuo es aquel cuyo valor se mantiene constante en el tiempo. En los materiales ferromagnéticos, las fuerzas entre los átomos próximos, hace que se creen pequeñas regiones, llamadas dominios, en las que el campo magnético originado por el movimiento de rotación de los electrones está alineado en la misma dirección. En ausencia de campo magnético externo, lo dominios están orientados al azar, pero al aplicar un campo magnético externo, estos dominios se alinean en la dirección del campo aplicado, haciendo que este se intensifique en el interior del material de forma considerable.

Campos alternos.- Un campo magnético pulsante o alternativo es aquel cuya intensidad, invirtiendo su polaridad, cambia varias veces por segundo. Ejemplo bobina o electroimán alimentado por corriente alternada domiciliaria, que según los países lo hace 50 ó 60 veces por segundo. No existen imanes naturales pulsantes.

Imanes permanentes.- La composición típica de esta estructura guarda la siguiente proporción: 61% de hierro, 28% de cromo y 11% de Cobalto. Los valores de las propiedades magnéticas son de 1,0T a 1,3T de inducción remanente, de 150 A/cm a 600 A/cm de coercitividad y de 10kJ/m3 a 45kJ /m3. Se emplean en imanes permanentes para receptores telefónicos.

Unidad 5 materiales piezoeléctricos

5.1 Efecto piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico es un fenómeno físico que se logra apreciar en los cristales minerales como por ejemplo en un cristal de cuarzo. Acotaremos que el efecto piezoeléctrico es el que se da cuando ciertos

cristales producen diferencia de potencial en su superficie debido a una tensión mecánica (el material es apretado o estirado) o que presente una alteración en su forma debido a un campo eléctrico.

5.2 Resonadores piezoeléctricos

Un resonador es cualquier dispositivo o sistema que es capaz de entrar en resonancia o que tiene la capacidad de comportarse de manera resonante, lo cual quiere decir que oscila a unas determinadas frecuencias con una amplitud más grande que a las otras. Sin embargo, habitualmente el término se utiliza para referirse a los objetos físicos que oscilan a una determinada frecuencia debido a que sus dimensiones son una integral múltiple de la longitud de onda a aquellas frecuencias.

Las oscilaciones u ondas a un resonador pueden ser electromagnéticas o mecánicas. Los resonadores se utilizan tanto para generar ondas de frecuencias determinadas como para seleccionar frecuencias específicas de una señal. Los instrumentos musicales utilizan resonadores acústicos que producen ondas sonoras de tonos específicos.

5.3 respuesta en frecuencia

La respuesta en frecuencia de los micros electrostáticos es muy irregular, por lo que su uso en ámbitos de audio profesional está desaconsejada. Sin embargo, los componentes piezoeléctricos son apreciados para la construcción de guitarras eléctricas, ya que consiguen un sonido cristalino de las cuerdas muy similar al de una guitarra acústica, para frases musicales sin distorsión, incluso con cuerdas de materiales no imantables como el bronce y el nylon. Los piezoeléctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeñas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estosmateriales pueden perder sus propiedades. Debe notarse que una limitación de los piezoeléctricos es que no tienen buena respuesta a la aplicación de una fuerza constante, pero su respuesta es adecuada para la medición de fuerzas mecánicas cambiantes. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz. Matemáticamente puede establecerse que la carga total inducida q es directamenteproporcional a la fuerza f que se aplica sobre el piezoeléctrico:q=k*f Donde k es una constante piezoeléctrica que depende del material. El cambio de voltajese puede encontrar “asumiendo” que el sistema actúa parecido a un capacitor. Estásuposición tiene sentido, ya que un capacitor es un dispositivo que almacena energía.

5.4 Especificaciones

Los piezoeléctricos tienen una respuesta en frecuencia finita, así el interesado en calcularla frecuencia inferior de un sensor piezoeléctrico a -3 dB puede hacer uso de la siguienteecuación: f c= 1 /(2. ∏.R.C ) La ecuación 2 indica que para modificar la respuesta en frecuencia es posible valersede dos variables: la capacitancia y la impedancia de entrada. Para ilustrar esta ideaconsidere una capacitancia C = 0.5 nF y una impedancia de entrada R = 5 MΩ,reemplazando en la ecuación 2.13 se obtendría f = 64 Hz. Nótese que si se cambia el valorde R por un valor cualquiera, supóngase 500 KΩ, la frecuencia aumentaría a 640Hz.

Unidad 6 Materiales Aislantes

6.1 Características principales

Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector). La mayoría de los no metales son apropiados para esto pues tienen resistividades muy grandes. Esto se debe a la ausencia de electrones libres. Los materiales aislantes deben tener una resistencia muy elevada, requisito del que pueden deducirse las demás características necesarias. Para ello se han normalizado algunos conceptos y se han fijado los procedimientos de medidas.

Resistividad de paso PD.-Es la resistencia que presenta un cubo de 1 cm de arista.

Resistencia superficial y resistencia a las corrientes de fugas.-En altas tensiones pueden aparecer corrientes eléctricas como consecuencia de depósitos sobre la superficie de los aislantes. Al cabo de un cierto tiempo la corriente podría atacar a estos materiales. Precisamente los plásticos son muy sensibles a ello, pues al ser sustancias orgánicas contienen carbono.

Rigidez dieléctrica ED en kv / mm.-Se mide la tensión a la que se produce una descarga disruptiva entre dos electrodos. La rigidez dieléctrica no es una magnitud lineal, sino que depende de una serie de factores

Permisividad relativa Er.- Es importante que la permisividad relativa de los aislantes sea pequeña, pero por otro lado los aislantes empleados como dieléctricos en los condensadores deberán presentar una gran permisividad. Además para poder valorar las propiedades del material debe saberse en qué forma depende Er de la frecuencia.

Comportamiento electroestático.- La carga electrostática es posible debido a las altísimas resistencias de los plásticos

6.2 polímeros (Plásticos)

Los plásticos son sustancias químicas sintéticas denominadas polímeros, de estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y cuyo componente principal es el carbono. Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos son fáciles de trabajar y moldear, tienen un bajo costo de producción, poseen baja densidad, suelen ser impermeables, buenos aislantes eléctricos, aceptables aislantes acústicos.

6.3 cerámicos

Los aislantes cerámicos se forman a partir de silicatos pulverizados y otros óxidos y otros óxidos metálicos, y se cuecen a continuación. Se trata de un proceso de sinterización. Luego se les suele proveer de un revestimiento vitrificado para evitar la entrada de agua al desgastarse los poros. Los materiales cerámicos se clasifican en distintos grupos subdivididos a su vez según sus materias primas. El rasgo característico que tienen en común todos estos materiales es que son compuestos de metales y no metales. Los materiales cerámicos se caracterizan por ser: Duros, muy frágiles, resistentes a las roturas por cargas estáticas, resistente a las lejías, resistente a los ácidos, resistente a la tracción

6.4 compuestos

Los Aislamiento agrupados bajo el nombre de compuestos están constituidos por materiales que se caracterizan porque, mediante un proceso de vulcanización, se hace desaparecer su plasticidad y se aumente su elasticidad y la consistencia mecánica.