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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL MENDOZA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

CÁTEDRA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

MATERIALES ELÉCTRICOS

PROFESOR TITULAR: ING. ADOLFO F. GONZÁLEZ PROFESOR ADJUNTO: ING. RICARDO M. CESARI AYUDANTE TRABAJOS PRÁCTICOS: ING. RUBÉN O. VICIOLI

2004

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N.

ÍNDICE

GENERALIDADES ________________________________________________________________________ 3

CONDUCTORES _________________________________________________________________________ 3

Propiedades Eléctricas _________________________________________________________________ 4

Resistividad o resistencia específica (ρ)____________________________________________________ 4

Coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura ___________________________________ 5

Fuerza electromotriz (FEM) de contacto __________________________________________________ 6

Características Físicas de los conductores _________________________________________________ 7

Conductividad térmica _________________________________________________________________ 7

Punto de fusión_______________________________________________________________________ 8

Coeficiente de dilatación lineal ___________________________________________________________ 8

Propiedades Mecánicas. ________________________________________________________________ 8

Resistencia Mecánica (resistencia a la tracción, compresión, etc.)._______________________________ 8

Estiramiento a la rotura. ________________________________________________________________ 8

Módulo de elasticidad. _________________________________________________________________ 8

Maleabilidad y ductilidad. _______________________________________________________________ 8

Soldabilidad. __________________________________________________________________________ 8

Invariabilidad de las características – Envejecimiento. _______________________________________ 9

Resistencia a la oxidación y corrosión. ____________________________________________________ 9

Materiales Conductores de uso electrónico. ________________________________________________ 9

Aislantes de los conductores.____________________________________________________________ 9

Cables ______________________________________________________________________________ 13

Cable LITZ._________________________________________________________________________ 14

Cable COAXIL. ______________________________________________________________________ 14

MATERIALES NO CONDUCTORES ________________________________________________________ 16

MATERIALES PARA FUSIBLES ____________________________________________________________ 16

Para 5 In corta a 3 segundos. _______________________________________________________________ 18

MATERIALES CONDUCTORES PARA SOLDADURA___________________________________________ 18

ESTUDIO PARTICULAR DEL COBRE _______________________________________________________ 19

CALIBRES _____________________________________________________________________________ 20

Calibres Decimales. ___________________________________________________________________ 20

Calibres NORTEAMERICANOS.__________________________________________________________ 21

Diámetro ____________________________________________________________________________ 22

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GENERALIDADES

La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece, un material a la circulación de la corriente eléctrica a través de él ( transformándola en efecto Joule I2 x R). Esta propiedad o su inversa es la que determina las características eléctricas de los materiales. Por eso no definimos al resistor por la caída de potencial entre sus extremos ya que también lo hacen los capacitores e inductores en c.a. y su reactancia también se mide en ohmios. El resistor se fabrica para que sea estable y su caída de tensión sea la misma para igual corriente, sea ésta c.c. ó c.a. o ambas superpuestas.

Así, tenemos que los materiales que tienen poca resistencia eléctrica son llamados conductores y los que presentan alta resistencia son aislantes; como la goma, vidrio o madera seca.

Si hacemos un espectro teniendo en cuenta la resistividad específica “ρ” dada en Ω.cm se observa que en un extremo se encuentran los conductores en una banda que va de 1,6x10-6 hasta 100x10-6 y en el otro extremo los Aislantes que tienen de 1012 a 1020 Ω.cm.

Figura 1

De esto se observa que hay una gran banda intermedia donde se encuentran los malos

conductores y los malos aisladores. En la zona central se encuentran los llamados semiconductores. Esta resistividad varía con factores externos como son la temperatura, presión, humedad. Así, por ejemplo: el mármol seco es buen aislante pero cuando absorbe humedad se

convierte en un conductor superficial. Las porcelanas aumentan su conductividad con un incremento de temperatura.

La conducción también varia con el estado del material por ejemplo, la cera es buen aislante en estado sólido y se torna conductor en estado líquido.

La conductividad también depende de la frecuencia de trabajo, definiéndose la llamada tangente del ángulo de pérdidas, siendo este ángulo “δ” el que forman las componentes reales e imaginarias de la permitividad compleja del material analizado.

Si “δ” es muy pequeño (tg δ <10-2) se acepta que el material es buen aislante, mientras que si el ángulo de pérdidas es grande (tg δ <102) se considera que es técnicamente un conductor (no perfecto)

Se observa que tg δ depende inversamente de la frecuencia, de allí que muchos materiales se comporten en alta frecuencia como aislantes y en baja frecuencia como conductores. Por ejemplo el agua dulce es un conductor por debajo de los 2.000 Hz. y es aislante por encima de los 20 MHz.

CONDUCTORES

Los conductores son en consecuencia aquellos que presentan una baja resistencia. Se clasifican en:

1. De acuerdo de donde provienen :

1.1. Naturales: Son los obtenidos de los refinamientos de los minerales.

1.2. Artificiales: los obtenidos por tratamientos químicos.

2. Según la función que cumplen: 2.1. Conductores propiamente dichos: Plata, cobre, aluminio, etc.

2.2. Conductores para convertir corriente eléctrica en luz: Tungsteno, tantalio, galio, etc.

- 3 –


2.3. Conductores que provocan una caída de tensión: aleaciones metálicas y compuestos no metálicos. manganina, composición,

2.4. Conductores que convierten energía eléctrica en calor: nicrone, etc.

3. Según el estado físico en que se encuentran:

3.1. Sólidos: Cu, Ag, Fe, Al, aleaciones. 3.2. Líquidos: Mercurio, soluciones electrolíticas. 3.3. Gaseosos: Gases ionizados.

4. Según las características mecánicas:

4.1. Livianos: Al y sus aleaciones. 4.2. De alta resistencia mecánica: Fe, Acero, etc. 4.3. Blandos: Pb, Sn, etc.

Propiedades Eléctricas

Resistividad o resistencia específica (ρ)

Es la mayor o menor capacidad de un material para conducir la corriente eléctrica.

Dentro de los materiales conductores la relación de resistividad es muy pequeña, así, por ejemplo la relación de resistividad entre los conductores utilizados normalmente tomando al Cu como referencia o sea 1, se tiene que para el Al es de 1,6 y de la Plata es de 0,94. Como la Ag es muy cara se usa el Cu y el Al como conductores normalmente.

En la actualidad el Al está desplazando al Cu en la utilización como conductor debido al menor peso específico y a un menor costo.

En efecto, la relación de resistividad entre el Al y el Cu es de 1,6 por lo tanto, para obtener la misma resistencia a igualdad de longitud es necesario utilizar un 60 % mayor sección con aluminio que con cobre, pero debido a que el peso específico del Al es 3,42 veces menor que el del cobre, se obtiene en definitiva menos de la mitad de peso en un conductor de Al que en uno de Cu a igualdad de resistencia y longitud.

En líneas aéreas de energía eléctrica a veces se utilizan cables de acero recubierto con Al con lo cual se obtienen conductores de elevada resistencia mecánica y buena conductividad eléctrica.

Un inconveniente del Al para uso electrónico es que no es soldable por soldaduras blandas (de bajo punto de fusión).

El Cu y el Al, sin embargo, no se usan para fabricar resistencias por su baja resistividad; tampoco se usan para calentamiento eléctrico por su punto de fusión relativamente bajo ( PAl = 670 ºC y PCu = 1030 ºC ), ni para conversión de energía eléctrica en luminosa.

La resistencia eléctrica que presenta un material a la circulación de la corriente eléctrica es función de las dimensiones geométricas del material y de una “constante" que depende del material.

slρR ×=

conductor del sección :sconductor del longitud :l

material del adresistivid :ρeléctricaa resistenci :R

[ ]cmΩρ o mmmΩρ

2

×=

×=

- 4 –


Los valores característicos de la resistividad de algunos materiales conductores son:

• Para el Cu recocido normalizado que es un cobre con pureza industrial (no pureza química) y sometido a un tratamiento térmico adecuado:

[ ]cmΩ101,724mmmΩ0,01724ρ 6

2

CU ××=

×= −

El valor de ρ en el Cu es muy afectado por la presencia de impurezas.

Por ejemplo, un contenido del 1 % puede aumentar en gran porcentaje el valor de la resistividad.

• Para el aluminio es:

[ ]cmΩ102,8mmmΩ0,028ρ 6

2

AL ××=

×= −

• Para la Manganina:

[ ]cmΩ1042mmmΩ0,42ρ 6

2

Manganina ××=

×= −

0 sea 25 veces más que para el Cu

La manganina es un material muy adecuado para ser usado en resistores de alta

estabilidad debido a su bajo coeficiente de variación con la temperatura. Además su potencial termoeléctrico con el Cu es muy pequeño por lo cual no aparece Fem. parásita. Coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura

La resistencia varia con la temperatura y podemos suponer una variación lineal del

tipo:

( )[ ] ( )1 TTα1RR 00T −⋅+×= donde (1) está compuesto por dos términos. uno es el coeficiente de variación de la resistividad β con la temperatura ya que:

( )[ ]00T TTβ1ρρ −×+×= y el otro es el coeficiente de variación de la longitud con la temperatura ( γ ) ya que al variar la temperatura varían las dimensiones del material conductor por lo tanto

γβα +=

Dado que β es del orden de 10 y γ del orden de 10 se hace generalmente α igual a β.

4− 6−

En la mayoría de los metales la relación (1) es una buena aproximación lineal de la verdadera relación entre R y T que no es lineal. En la Manganina esa relación no es acertada ya que esta se usa para obtener resistencias de alta precisión.

Para la mayoría de los metales es positivo:

- 5 –


×=

×=

−

−

Cº%1041α

Cº%1039,3α

4AL

4CU

Para la Manganina no hay un valor típico ya que este varía con la dosificación de la

composición, pero se acepta como cota superior

×= −

Cº%1010α 6

Manganina

Fuerza electromotriz (FEM) de contacto

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 que si bien es despreciable, en algunos casos pueden ser sumamente importante, sobre todo sí los distintos materiales se encuentran a temperaturas muy dispares.

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

Esta fuerza electromotriz de contacto generada térmicamente se denomina también

potencial de SEEBECK.

La tensión que aparece entre los materiales dados se obtiene como diferencia entre los valores correspondientes que figuran en la tabla, así en el caso del cobre- constantán es:

( ) 4,25mv0,75mV3,5mV −=+−−

La F.E.M. termoeléctrica se aprovecha también para censar la temperatura siendo denominada a este tipo de Juntura termocupla.

Materiales Polo Límite de °C Fuerza Electromotriz cada 100ºC 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 + - 1300 0,6 mV

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Para temperaturas altas se usan termocuplas de Platino (90 %) y Rodio (10%) y platino obteniéndose 9,5 mV a 1000ºC; de Molibdeno y Wolframio con 1 % de hierro obteniéndose 16 mV a 2000ºC; de Carbón y Silita con 54 mV a 1800 ºC.

Características Físicas de los conductores Conductividad térmica

La 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

cmCºcm

Wattsσ2

T ×=

×=

Siendo el calor de conducción

dxdTσQ T ×−=

Donde dT/dx es el gradiente de temperatura entre dos puntos del conductor.

El signo menos indica que el calor fluye desde el punto de mayor temperatura al

punto de menor temperatura.

La conductividad térmica va acompañando a la conductividad eléctrica debido a que la transmisión de calor se debe principalmente a los electrones libres (no siempre, hay Resinas buenas transmisoras de calor y buenas aislantes).

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.

Otra propiedad térmica es el calor específico que es la energía calórica acumulada

en la unidad de volumen por unidad de elevación de temperatura y se expresa en Joule/cm3.ºC

Es importante este concepto en aquellos casos en que la totalidad del calor que se

genera en el conductor es de naturaleza impulsiva y la masa térmica del conductor debe ser grande.

Propiedades térmicas aproximadas en algunos materiales:

Material Resistividad

ºC cm / W Conductibilidad

W/ºC cm Capacidad calorífica específica J / cm3ºC

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

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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.

En válvulas de vacío es especialmente importante porque se deben acoplar materiales conductores con la ampolla de vidrio estando sometidos a calentamiento durante el funcionamiento.

Propiedades Mecánicas.

Resistencia Mecánica (resistencia a la tracción, compresión, etc.).

Es muy importante cuando se usa al material conductor como piezas estructurales. Estas propiedades en el Cu y Al son sumamente afectadas por los tratamientos

mecánicos y térmicos de fabricación.

Estiramiento a la rotura.

Es sumamente importante cuando se desea efectuar arrollamiento del conductor. La diferencia entre el estiramiento a la rotura y resistencia a la tracción es la

siguiente: en ambos casos se produce tracción hasta que se rompe el material, la resistencia a la tracción es la tensión que hay que aplicar para que se rompa, mientras que el estiramiento a la rotura es el estiramiento relativo que ha tenido la muestra en el momento de romperse. En muchos casos este estiramiento es considerable, por ejemplo, en el Cu puede llegar hasta un 15% a 20%.

Esta característica es importante cuando se realizan arrollamientos o bobinas porque para hacer el arrollamiento debe efectuarse una cierta tensión para guiar el alambre.

Cuando la sección del alambre es pequeña, muy fácilmente se llega a tensiones que producen considerable estiramiento.

En muchos casos este estiramiento debe mantenerse perfectamente controlado, no tanto por el alambre en sí mismo sino porque al estirarse el revestimiento aislador puede resquebrajarse o desprenderse.

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). En ese caso para que la resistencia eléctrica entre los contactos sea pequeña es

necesaria una cierta presión que debe mantenerse invariable durante largos períodos de tiempo y también con variaciones de temperatura que pueden ser bastante grandes cuando hay circulación de corrientes elevadas. En general cuando se desea que el módulo de elasticidad sea elevado conviene usar algunos compuesto de Cu que tiene elevado módulo de elasticidad y una aceptable conducción eléctrica.

Maleabilidad y ductilidad.

La maleabilidad es la capacidad de un material de ser trabajado en láminas muy

finas. La ductilidad es la capacidad de ser trabajado en alambres finos. La Ag. tiene gran capacidad para ser trabajada en alambres muy finos La capacidad

del Al de ser muy maleable es muy útil para la construcción de capacitores en los cuales se superponen láminas muy delgadas de Al y de algún material aislante.

Soldabilidad.

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Dentro de la electrónica en la cual la mayor parte de las uniones circuitales se realizan por soldaduras de bajos puntos de fusión, la capacidad de un conductor de ser soldable es muy importante. Tanto es así que algunos materiales que no son fácilmente soldables es menester revestirlos con una capa que si sea soldable. Esto es lo que se hace con el Fe que se recubre de estaño o cadmio lo que además lo protege de la oxidación.

Es muy importante que la soldadura se realice en forma sencilla y rápida, porque si el

tiempo que se tarda en conseguir una buena unión es excesivo, se produce un calentamiento que en algunos casos puede ser sumamente perjudicial para el elemento que se está tratando de soldar.

Invariabilidad de las características – Envejecimiento.

Hay elementos que presentan un proceso de envejecimiento sumamente notable, por

ejemplo, la manganina debe envejecerse por un procedimiento térmico, o si no, dejándola estabilizarse hasta que llegue a un valor determinado y estable.

De otro modo, las tensiones internas producidas durante el proceso de construcción del

resistor determinan un valor de la resistencia, el cual al disiparse las mismas con el transcurso del tiempo, experimenta un cambio que puede ser apreciable. Esta variación ulterior de las características se minimiza con el proceso de envejecimiento acelerado ya que la mayor parta de la variación tiene lugar durante el mimo.

Resistencia a la oxidación y corrosión.

Cuando se construye un equipo o componente hay que tener en cuenta el ambiente en que va a trabajar y por lo tanto se debe usar materiales adecuados.

El Cobre en uso doméstico no se deteriora, pero si lo hace al ser asado en ambiente salino. El Al soporta bastante bien el uso normal pero algunos agentes externos lo atacan muy

fácilmente. El Fe es imposible usar sin protección. En los casos en que el elemento tiene que trabajar

forzosamente sin protección hay que usar materiales más nobles como por ejemplo la Plata o el Oro.

Materiales Conductores de uso electrónico.

Los materiales eléctricos conductores que se usan en electrónica pueden clasificarse en

materiales de alta conductividad y materiales de baja conductividad. Los primeros se emplean fundamentalmente para transportar corriente eléctrica con baja

pérdida como son la Plata, Cobre, Aluminio y Aleaciones como bronce y latón.

Aislantes de los conductores.

Otras veces es necesario aislarlos para lo cual se los recubre con materiales especiales, que deben reunir ciertas condiciones, a saber: 1. ELÉCTRICAS:

i. RIGIDEZ DIELÉCTRICA: que está dada por la máxima tensión por unidad de

longitud que puede soportar sin que salte una chispa. ii. RESISTENCIA DE AISLAMIENTO: debe ser de varios cientos de ohms, para

evitar que se perfore la cubierta por salto de chispa entre el conductor y un material a distinto potencial que pueda estar en contacto con él (conductor-chasis).

iii. FACTOR DE PÉRDIDAS: que está dado por la potencia que se pierde, debido al campo electromagnético que transporte el conductor y que está localizado en el aislamiento.

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iv. CONSTANTE DIELÉCTRICA: es un factor determinante de las características del conductor. (Permitividad).

v. UNIFORMIDAD: a lo largo de todo el conductor para que haya constancia en las características del mismo.

vi. FACTOR DE ESPACIO: importante, pues en algunos casos especiales,(bobinas, transformadores, etc.), se requieren buenas características del aislante con un mínimo de espesor.

2. QUÍMICAS:

i. ESTABILIDAD QUÍMICA: en el tiempo, para evitar que el material cambie de

estructura interna y con ello sus propiedades. ii. NO CONTAMINABLE: para que no sea atacado por los gases que puedan

existir en el ambiente. iii. NO ATAQUE: es decir que no perjudique el elemento que aísla y protege (Ag,

Cu, etc.) -

3. DE AMBIENTE:

i. TEMPERATURA: que pueda soportar sin variar sus características a altas y bajas temperaturas.

ii. ESTABILIDAD TÉRMICA: que las soporte sin variar su estructura. iii. RESISTENCIA A LA HUMEDAD: para que no se modifique la resistencia de

aislación. iv. RESISTENCIA AL FUEGO: que no sea combustible y que en caso de

producirse en un punto la ignición, que no se propague a lo largo del conductor.

v. RESISTENCIA A LA LUZ SOLAR: para no ser afectado por la misma. vi. RESISTENCIA A LOS AGENTES ORGÁNICOS: hongos, líquenes, etc.

4. MECÁNICAS:

i. RESISTENCIA A LA VIBRACIÓN Y CHOQUE. ii. FLEXIBILIDAD: para permitir que el conductor se adapte a las formas en

cada caso. iii. TENACIDAD: con el objeto de que no se cuartee. iv. ADHERENCIA: es decir que está suficientemente pegado al conductor.

5. ECONÓMICOS-INDUSTRIALES:

i. COSTO: Para obtener mayores rendimientos. ii. FACILIDAD: es decir que no se requiera procedimientos difíciles de realizar. iii. VIDA ÚTIL: debe ser por lo menos igual a la que se ha previsto para el equipo.

6. NORMAS: Estas especifican los ensayos a que deben ser sometidas las cubiertas.

Temperatura:

• Altas temperaturas: se indica la temperatura máxima del horno, tiempo de

duración del ensayo y ciclos si los hubiera. • Bajas temperaturas: en la misma forma anterior.

Deben especificarse también las mediciones y ensayos mecánicos a que

deben ser sometidos inmediatamente después del ensayo anterior. Abrasión:

Se utiliza para el mismo un dispositivo como el que se ilustra, se deben especificar el diámetro del alambre de acero que lleva el arco, presión que debe

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ejercer, etc. y por medio de un dispositivo mecánico se desplaza alternativamente hasta que suena la campanilla, contándose el número de desplazamientos hasta que esto ocurriese. Figura 2.

Flexibilidad:

Se arrolla el cable 5 vueltas sobre si mismo, luego se estira y no deben

haberse modificado sus características.

Fuego:

Se suspende el cable verticalmente y con ángulo determinado, se aplica un mechero tipo Bunsen hasta que alcance su temperatura de ignición, luego se retira el mechero y la llama no debe propagarse.-

Una de las características básicas que debe cumplir toda aislación, es la de

soportar la temperatura máxima de trabajo a que estará sometida. La norma IRAM 2180 clasifica los materiales en siete clases de acuerdo a la temperatura máxima de trabajo.

• Clase Y Temperatura máxima 90 ºC: algodón, seda, papel,

plásticos, ceras.

• Clase A Temperatura máxima 105 ºC: los mismos materiales

anteriores impregnados y esmaltes.

• Clase E Temperatura máxima 120ºC: ídem clase A.

• Clase B Temperatura máxima 130 ºC: mica, vidrio, amianto.

• Clase F Temperatura máxima 155ºC: mica, vidrio, asbestos,

aglomerantes.

• Clase H Temperatura máxima 180 ºC: mica, silicones, o

aglomerados especiales.

• Clase C Temperatura máxima mas de 180 ºC: mica, porcelana y

cuarzo.

Los recubrimientos pueden ser de distintos tipos:

a) Cubiertas textiles: algodón, seda, fibras sintéticas (nylon). Si están sin

impregnar pertenecen a las clases A o E, colocándose en el alambre una o dos capas, proceso éste que se realiza con máquinas especiales.

b) Cubiertas de pulpa: son las plásticas. Se aplican sobre el conductor con

el material en el punto de ablandamiento mediante boquillas especiales y a presión. También gomas.

c) Fibrosa: característico es el papel. Papel tipo Krupt, hasta tres capas

d) Cubierta de esmalte o barniz: los mas utilizados en nuestra técnica son

los esmaltes, que pueden ser: Oleosos, con alto contenido de aceite. Volátiles de tipo sintéticos: Se aplican mediante un dispositivo como

el ilustrado haciendo pasar el alambre hacia arriba 6 o 7 veces, para depositar una capa de espesor conveniente (para bobinas).

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Figura 2

Figura 3

e) Aceites: para tensiones muy elevadas, caso de cables de potencia. Como base de sostén se usa papel y se los termina con cubierta de plomo u otro material.

En nuestra técnica se utilizan normalmente: plásticos, cuando son para usos normales y de tipo económico. Cuando se busca calidad se utilizan cubiertas de algodón o seda. En Telefonía se usa el papel. En electrotecnia el algodón. Para usos especiales utilizamos también esmaltes o barnices. Con el objeto de distinguir las distintas secciones de un equipo se utilizan cubiertas coloreadas, que pueden ser de un solo color o combinaciones de colores.

Este procedimiento permite obtener una gran variedad, aproximadamente 140 distintas combinaciones con los colores primarios.

La norma IRAM 4041 indica los colores a utilizar para las distintas etapas de los radio - receptores.

Los colores primarios se indican con números y las distintas combinaciones con la combinación de sus números correspondientes. Por Ejemplo:

Tensión principal rojo .... 2 Reja rojo y negro ....20 Reja 3 rojo y naranja ....23

En la nomenclatura Americana a cada cable le corresponde una denominación de acuerdo a la tensión que soporta (tensión nominal). Para las pruebas de tensión de los conductores se deben aplicar tensiones 3 veces superior a la tensión nominal del mismo. Se dan también el valor mínimo de aislación de la cubierta en MΩ por 100 metros.

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También se da la capacidad de corriente que puede soportar el conductor en Amperes y en función de la temperatura, siendo el parámetro de la familia el del calibre del conductor.

Nomenclatura Americana, ejemplos. Cables WL 600 V aislación 31 MΩ por 100 m. SRIR 1000 V SRHV 2000 V

Cables

Están constituidos por diversos alambres de cobre, en general alrededor de 7, rodeados por una cubierta aislante.

Tienen ciertas ventajas con respecto a los alambres, a saber.

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.

Se caracterizan los cables por su sección y el número de hilos y se los designan de las

siguientes maneras: por ejemplo, un cable 7/18 esta constituido por 7 alambres de calibre 18 Estos cables pueden tener antes de constituir el cable algún tratamiento especial, como el estañado, pudiendo ser directamente cobre desnudo. Se lo protege luego por medio de cubiertas que pueden ser primarias o secundarias.

Las primarias son en general sustancias plásticas o polímeros

• Polímeros termoplásticos: vinílicos, vilita, PVC (poli cloruro de vinilo). • Derivados de celulosa: acetatos o etilatos. • Polietileno: teflón. • Poli - isobutilano: de aspecto semejante a la goma. • Caucho Natural: en general en aquellos conductores que transportan potencia. • Butil caucho: son artificiales como el Buna o Neoprene.

Cada uno de estos materiales tienen características especiales que los caracterizan: el

Teflón por ejemplo soporta temperaturas de 230 ºC, en cuanto a la respuesta en frecuencia dan mejores resultados las celulosas que los vinílicos.

Aislación secundaria: Aislantes secundarios: son en general a base de fibras:

• Fibra: Comunes: seda, algodón nylon, etc. • Base de vidrio: comunes y silicones. • Otros tipos. • Manguitos: es una especie de caño de distintas sustancias por donde pasa el

conductor con la cubierta primaria. Ejemplo de ello lo tenemos en los cables utilizados en electricidad del automóvil.

Cuando las secciones deben ser grandes se construyen los cables toronados que pueden

ser:

Torón concéntrico Haz concéntrico Otros tipos

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Este tipo de cables se utiliza para transporte de potencia y es conveniente en estos casos que los alambre que lo forman no sean extremadamente delgados, no menores de 0,5 mm de diámetro.

Cuando en el armado de un equipo el conexionado es denso es conveniente constituir mazos.

Para ello se reúnen varios cables que llevan la misma dirección, procurando llevarlos paralelos, sin retorcerlos, tampoco deben encintarse, sino que se los mantiene unidos por medio de ataduras cuya forma esta normalizada.

Cable LITZ.

Cuando se utilizan conductores en frecuencia muy elevada, la corriente circula por

la superficie de los conductores, por una película muy delicada, por lo tanto la parte interna del conductor no cumple ninguna finalidad eléctrica. Es por ello que las bobinas para tanques de radio frecuencia suelen estar construidas como un caño de cobre.

Al espesor útil se lo llama penetración y está dado por la siguiente fórmula:

( ) ε

scf

6,62cmPCU ==

ε = factor de penetración. Es decir que para una frecuencia de 1 Mc/s ε es de 6,6 micrones. Aprovechando esta ventaja es que puede utilizar materiales de más alta

conductividad, aunque resulten más caros, caso de la plata. Se utiliza para ello un alambre de cobre que hace el sostén mecánico, dando luego sucesivos baños de Plata hasta obtener el espesor requerido para una determinada aplicación.

La sección del cobre es:

εDπSCU ××=

Si la frecuencia es del orden de los 500 ó 100 Mc / s se toman los alambres de Cu cuyo diámetro es de 2ε.

Cuando se requiere una sección de pasaje relativamente importante, se reúne la cantidad de cable necesario, del espesor dado pero aislados entre sí por medio de esmaltes o barnices, para que todos los alambres sean utilizados.

Este mismo tipo de alambres se utiliza para la confección de bobinas de radio frecuencia con lo que se logra un elevado Q

Es necesario tener en cuenta que 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, dando esto una idea del pequeño diámetro que poseen, por lo tanto cuando es necesario hacer una soldadura deben hacerse en forma adecuada; previamente debe extraerse el esmalte para lo cual debe evitarse el raspado; lo correcto es sumergir el conductor en alcohol y una vez disuelto el esmalte proceder a la soldadura.

Otras veces se utilizan esmaltes especiales que funden a la temperatura de 100 ºC por lo que no es necesario disolverlos por cuanto al acercar el soldador funden dejando al cobre en condiciones para ser soldado. Cuando un cable de este tipo sufre varias cortaduras, no conviene soldarlo sino efectuar el reemplazo del mismo debido a las fuertes capacidades que pueden aparecer entre esos puntos, que varían las características de la línea. Cable COAXIL.

Es un cable especial que se utiliza para frecuencias superiores a los 100 Mc/s y

tensiones de 100 V.

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Esta constituido en la siguiente forma:

La impedancia característica, es decir aquella que presentaría el cable si su longitud fuera infinita es:

[ ]ΩZbalog

ε138Z

O

O

=

×=

y su capacidad distribuida:

[ ]mµFCbalog

ε24C

D

D

=

×

=

Variando convenientemente los valores de a y b se modifican sus características. En plaza se encuentran distintos tipos de cable coaxial que se caracterizan por una

variación discreta de Z0: 50, 100, 75, 500 ohms. Para que el material sea flexible, en lugar de efectuar la aislación entre conductores

por material en forma continua, se lo hace por medio de perlas aislantes como se indica en la figura; Este material es un dieléctrico y por lo tanto aumenta la capacidad del cable; para disminuir este efecto se trata de colocar la menor cantidad posible, para ello se mantiene la posición relativa mediante discos aislantes o mediante una lámina aislante helicoidal.

Para este caso se tiene ε = 1 considerando el aire. A su vez se recubra el cable con una malla conductora, que se conecta a tierra para

blindaje. Sobre este cable producen efectos inconvenientes la alta y la baja temperatura. En

el primer caso por ablandamiento del material y en el segundo por producción de fisuras en el material aislante; lo que hace que varíe la distancia entre los conductores, con la consiguiente modificación de las características del mismo.

Para que la humedad no ataque al Cu al penetrar se terminan con conectores especiales que lo hacen impermeables del tipo BNC o UHF con aislación de teflón.

- 15 –

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N. MATERIALES NO CONDUCTORES

Los materiales no conductores se utilizan:

• Para construir estructuras físicas que tengan por objeto evitar corrientes de

conducción, denominándose en estos casos aislantes. • Para modificar el valor del campo eléctrico, denominándose en estos casos

dieléctricos.

Aislante eléctrico es un material de conductividad prácticamente nula o muy baja, que idealmente no permite el paso de corriente. la pequeña corriente que, en la práctica, puede circular a través del mismo, se llama corriente de fuga.

Dieléctrico es, según definición de la ASA. 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. De lo anterior se deduce que las propiedades aislantes y las propiedades dieléctricas de un medio son distintas. Las propiedades aislantes están vinculadas a las corrientes de conducción, mientras las dieléctricas al campo y a las corrientes de desplazamiento.

Se da a continuación, una tabla de las propiedades de los materiales no conductores.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE ALEACIONES DE ALTA RESISTIVIDAD Aleación Densidad

en g / cm3 Temperatura de fusión en ºC

Límite de resistencia a la ruptura en Kgf/mm2

Resistencia específica en Ω.mm2/ m

Coeficiente térmico t/ºC

Termo-f.e.m. de aleación conjuntamente con cobre en Ω.V/ºC

Temperatura máxima de calentamiento en ºC

40 - 55 0,45 - 0,48 Constantán

8,7 - 8,9

1.200 - 1275 65 - 70 0,4 6- 0,52

5.10- 6

39 - 42

450 - 500

4 5- 55 0,42 - 0,48 Manganina 8,14 - 8,4

920 - 960 60 - 70 0,43 - 0,5

(3 - 6) .10 - 5

0,9 - 1,0

250 - 300

35 - 40 0,30 - 0,35 45 - 53

Plata Alemana 8,3 - 8,5

1050

55 - 60 0,40 - 0,45

(28-30).10-5

14-16

200-250

Nicromo aleación con 15% de cromo Y 60% de Níquel

8,2 - 8,25 1138 - 1390 55 - 65 1,02 - 1,18 0,17.10- 3

1000

Nicromo aleación con 20% de cromo y 80% de Níquel

8,4 1400 6 0- 70 1,02 - 1,27 0,15.10-3

1050

MATERIALES PARA FUSIBLES

Son materiales (metales o aleaciones metálicas) de no muy alto punto de fusión que tienen la

propiedad de que al pasar cierta corriente funden en forma neta (cortan rápidamente), es decir todo lo contrario de los materiales que pasan primeramente por un estado pastoso. En lo posible deben pasar directamente del estado sólido al estado de vapor.

Al circular corriente por un fusible, la resistencia del mismo provoca una disipación de energía con el correspondiente aumento de temperatura. Habría entonces un valor de corriente que fundirá el fusible y abrirá el circuito, siempre que apague el arco.

La corriente máxima que puede soportar en régimen continuo sin cortarse se denomina In, corriente nominal.

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La corriente a la cual el fusible se funde se llama intensidad de corriente nominal de fusión If. In debe ser del orden del 30 - 50% de If para intensidades pequeñas y del orden de 70 - 80% para

grandes corrientes. La corriente que determina la fusión de alambres largos, tensos y en ambientes calmos, es en

Amperes igual a:

23

daI ×=

Donde d es el diámetro en milímetros y a una constante que depende del material. Esta fórmula puede dar error porque supone que todo el calor se transmite por radiación. También se debe tener en cuenta la constante de tiempo que es el tiempo entre el momento en que se produce la lf y el momento en que se produce el corte efectivo, sin embargo el fusible puede resistir sobre corrientes de corta duración sin fundirse.

Esta constante de tiempo depende del metal usado, dependiendo de la inercia a la 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 La aleación plomo - estaño, conviene para corrientes de 5 a 30 amperios.

Con intensidades mayores, hay una gran proyección del material, durante la fusión, lo que puede resultar peligroso. Para intensidades bajas tampoco conviene esta aleación, ya que el hilo tendría que ser muy fino y se aplastaría con la presión de los tornillos.

El aluminio, de poca precisión, presenta un retraso muy grande para la fusión, lo cual puede representar una ventaja en las redes de distribución pública, ya que soporta perfectamente las sobrecargas instantáneas. Ni el estado ni el plomo son utilizables para corrientes intensas por su gran inercia de masa.

En general para fusibles se usan aleaciones de plata por ser este un material estable, no atacable y que funde en forma neta.

En base a la variación de contenido de Ag se obtienen distintas temperaturas de fusión. Existen distintos tipos de fusibles como ser el bayoneta, con alambres en los extremos, etc. Se

fabrican en estos tipos hasta capacidades de 4 a 5 Amperes. Cuando el fusible es de dimensiones reducidas hay que tener en cuenta que cuando se volatiliza el material puede depositarse sobre las paredes del vidrio cerrando el circuito, pero para evitar esto se introduce arena en el interior del fusible.

Otros tipos enchufables se fabrican hasta capacidades de 50 a 60 Ampares. De acuerdo a las formas de operación se los clasifica en:

- Fusibles rápidos (corte neto), siendo para estos fusibles la corriente de corte:

DFC I1,1II ×==

- Fusibles con retardo: A veces son necesarios fusibles de características, como en el

caso de los que se usan para protección de motores, pues hay que tener en cuenta que en la puesta en marcha de los mismos las corrientes pueden llegar a valores de hasta 10 veces la In, luego en estos la corriente de corte debe ser función del tiempo

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Se obtienen estas características mediante un fusible doble, una parte para que opere en función

del valor de la corriente y la otra en función del tiempo. Para estos tipos de fusibles se dan por ejemplo:

Para 1,35 In corta a 1 hora. Para 2 In corta a 25 minutos. Para 3 In corta a 8 minutos.

Para 5 In corta a 3 segundos.

En nuestra técnica los fusibles en general están comprendidos entre los 10 mA y los 2 A.

MATERIALES CONDUCTORES PARA SOLDADURA

Para soldaduras se usan en Electrónica una aleación de estaño y plomo en porcentaje variable. De acuerdo a este porcentaje varía la temperatura de fusión de la aleación según el siguiente gráfico.

Estas aleaciones no deben contener ni arsénico ni fósforo por cuanto atacan el material que se suelda.

Deben carecer también de antimonio pues aísla los materiales a soldar. Las impurezas que pueden contener deben estar perfectamente controladas para que el material sea apto. Por ejemplo el contenido de Fe debe ser menor del 0,2%, el del Cu del 0.3% o el de arsénico del 0,05%. El cobre aumenta notablemente la temperatura de fusión. En general la temperatura mínima que puede alcanzarse con este tipo de aleaciones es 140 ºC y en algunos casos hasta 120ºC especial para soldar materiales pequeños.

Hay distintas marcas de fábricas una de las más conocidas y de mejor calidad es "Multicore” de origen inglés. Los distintos tipos se reconocen en el comercio por el color de cubierta, así tenemos:

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Aleación Pb-Sn Color Temperatura de fusión Temperatura del soldador

60/40 Rojo 118 ºC 228 ºC

40/60 Verde 234 ºC 274 ºC

50/50 Amarillo 212 ºC 252ºC

El material viene preparado en carretes de alambre, con alma de resina que pueden ser en número

de 1 a 5 como en el caso del Multicore. Este agregado de resina tiene por finalidad que al fundir la resina limpie las superficies a soldar.

Es una resina especial de alto grado de purificación para librarla de sustancias que puedan atacar a los materiales a soldar o a la soldadura. Contiene un hidrocarburo volátil que se volatiliza al calentar dejando la resina fundida que facilita la fusión del material soldante y lo recubre protegiéndolo después de enfriar.

No deben ser tóxicas ni corrosivas, en lo posible incolora. Es conveniente el de 5 almas porque al estar la resina más cerca de la superficie fluye con más facilidad. Los alambres vienen de distintas diámetros, desde el 10 al 22. ESTUDIO PARTICULAR DEL COBRE

El cobre es un elemento muy difundido en la naturaleza; se lo encuentra formando parte de sulfuros,

óxidos o carbonatos y excepcionalmente se lo encuentra en estado nativo en Michigan EEUU. y en Chile. Para su obtención se separa al óxido de Cobre del mineral y luego por reducción química ó

electrolíticamente se extrae el Cobre. El Cu comercial se lo obtiene electrolíticamente lográndose purezas del orden del 99.9%.

Es un metal pesado, dúctil, maleable y no es atacado en ambiente seco. Puede ser fundido,

forjado, laminado, estirado y trabajado. El trabajo mecánico lo endurece pero el recocido lo vuelve a su estado dulce. Tiene una elevada resistencia a la tracción, una elevada estabilidad a la corrosión y es fácil de estañar y de soldar.

Su temperatura de fusión es de 1083 ºC y hierve a 2300 ºC. Es poco atacado por el ácido clorhídrico y sulfúrico a 20 ºC o menos, en cambio el ácido nítrico lo

disuelve a temperaturas mayores de 20 ºC. Además es atacado por el persulfato de Amonio y el percloruro de Fe a temperaturas mayores de 20 ºC.

El Cobre puro prácticamente no existe, se hace uso del cobre industrial con porcentajes pequeños

de impurezas controladas reduciendo la conductividad del Cu. Tomando a la conductividad σ del cobre puro a temperatura ambiente como 100%, se tabula la

variación de σ % de acuerdo al grado de impurezas.

Impurezas % Variación de σ en % C 0,05 78 S 0,18 92 P 0,13 70 0195 24 2,00 7

As rastros 60 2,8 13 5,5 6

Zn rastros 86 1,6 79 3,2 59

Sn 1,33 50 2,5 34 4,9 20

Ag 1,22 90 Al 0.1 12

Existen fórmulas empíricas que permiten determinar la pérdida de conductividad debida a las impurezas según esta fórmula: b = - a. β b: perdida de la conductividad del Cu en % a: porcentaje de una impureza dada. β : coeficiente que depende de la impureza.

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TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA F.R.M. - U.T.N. A los efectos eléctricos se considera puro al Cobre recocido obtenido por procedimientos industriales. La norma IRAM 2002 determina todas las características del mismo en base a los valores de sus constantes físicas, químicas y eléctricas. Este procedimiento tiene la ventaja que midiendo el valor de esas constantes, se puede determinar la calidad del cobre dado.

El Cobre recocido se lo encuentra en forma de láminas planchas, barras, alambres, cables, caños, etc.

A las láminas se las designa por calibres. Estos calibres se distinguen por dar el peso por unidad de superficie o bien en mm de espesor.

El calibre generalmente utilizado en Electrónica es de 14 al 18, chapas de alrededor de 1mm de espesor.

El cobre recocido tiene la ventaja de que puede ser pulido y luego barnizado, cromado, niquelado, etc., con lo cual se mejora su presentación. Las barras se caracterizan por su sección en cm2 o mm2.

En los caños se da su diámetro exterior y el espesor de la pared. El alambre de cobre se lo obtiene por medio de trafiladores mediante el siguiente procedimiento: Se

lleva el lingote a unos 800 ºC, se pasa luego por máquinas que reducen el diámetro a 1 cm y es arrollado en carretes después de refinados. Se pasa luego por las trafiladoras llevándolo al diámetro deseado.

En cada uno de los rodillos pueden dar hasta tres vueltas pasando a través de las boquillas por tirado, en ellas se reduce el diámetro. 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.

Las boquillas son de acero extra-duro y para diámetros muy pequeños se los hace de WIDIA o diamante.

Los diámetros varían en general entre 2 cm y 22 micrones. Obtenidos los alambres, se someten a un proceso posterior con el objeto de hacerlos aptos para

sus distintas aplicaciones: Barnizado, estañado o ambos tratamientos.

CALIBRES

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. La sección útil del alambre está dada por

4DπS

2×=

Si resistencia eléctrica en Ω / Km. es

S1000ρR ×=

El peso en Kg / Km es:

δ1000SG ××=

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Donde δ es el peso específico del cobre recocido. La distribución de los diámetros dentro de un calibre varía según una progresión

geométrica.

Calibres NORTEAMERICANOS. Los mas usados pon los calibres AWG. y B&C. Su distribución varía entre el Nº 0000000 y

el 50. La razón de la progresión según la cual varían los diámetros es siempre mayor que 1. Un aumento en el calibre significa una disminución del diámetro del alambre. Conociendo

el diámetro de un calibre se puede determinar todos los valores característicos de los demás componentes.

Sea dx el diámetro de un alambre cualquiera será.

( )[ ] ( )[ ] .........r2xdr1xddx 2 =×+=×+= Nº calibre:

El primer calibre será:

( 1ndrd n1 +×= )

donde n es la cantidad de calibres entre el alambre más fino y el más grueso. La razón r que se toma es

( )n 1

1nddr

+=

teniendo en cuenta la relación (1) se tiene:

( ) ( ) ( ) ( )x3d2x3d2dx

1,12256292r36

639

+×=+×=

===

Es decir que cada tres números el diámetro del alambre aumenta en un 41% y la sección en

un 100%. Ejemplos Para Nº 37 Φ = 0,1131 S = 0,01005 40 Φ = 0,0199 S = 0,005189 La sección está dada en CIRCULAR MIL siendo esta unidad el área que corresponde a un

círculo de 0,0011” de diámetro.

1000dS4

dxπSx

2

2

×=

×=

[CIRCULAR MIL]

( ) ( ) X2X

23X3X S2d2

4πd

4πS ×=××=×= −−

O sea que cada 3 calibres la sección se duplica.

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La resistencia SlρR ×= por lo tanto se tiene que la resistencia disminuye a la mitad cada

3 calibres. El peso del alambre G que es proporcional a la sección se duplica cada 3 calibres.

δlSG ××= Por lo tanto se puede tabular:

Número Diámetro Sección Resistencia Peso X-3 2dx × Sx2 × 2Rx Gx2 × X-2 Sx1,6 × X-1 Sx1,23× X dx Sx Rx Gx

X+1 X+2 X+3 2dx 2Sx 2Rx × 2Gx

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