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PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
LEY DE OHM Y CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
V= IR
V = VOLTIOS
I = CORRIENTE EN AMPES
R = LA RESISTENCIA EN OMHS
Donde la (R) d de un resistor es una característica del tamaño, forma y propiedades de los materiales
R= ρ(l/A) = (l / σA)
l = longitud del resistor
A= área transversal del resistor
ρ= resistencia eléctrica de cada resistor
σ = reciproco de la ρ
La resistencia es una propiedad sensible a la microestructura
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
MetalesConductividad Eléctrica
(S·m-1)Temperatura(°C)
Plata 6,30 × 107 20
Cobre 5,96 × 107 20
Cobre Recocido 5,80 × 107 20
Oro 4,55 × 107 20-25
Aluminio 3,78 × 107 20
Wolframio 1,82 × 107
Hierro 1,53 × 107
SemiconductoresConductividad Eléctrica
(S·m-1)Temperatura(°C)
Carbono 2,80 × 104
Germanio 2,20 × 10-2
Silicio 1,60 × 10-5
En componentes diseñados para conducir energía
eléctrica , es importante minimizar las perdidas , no solo
para conservar la energía sino para minimizar el
calentamiento . La energía eléctrica (P , en watts )
perdida cando fluye una corriente a través de una
resistencia esta dada por :
P= VI = IR¨2
COBRE PURO
TEORÍA DE LAS BANDAS
El principio de exclusión de Paulini permite que cada
nivel de energía solo contenga dos electrones. Cuando
se unen N átomos para producir un solido se sigue
requiriendo que solo dos electrones en todo el solido
tengan la misma energía . Cada nivel de energía se
ensancha en una banda conforme se incrementa el
numero de electrones agrupados.
ESTRUCTURA DE LAS BANDAS DEL SODIO
La figura muestra una imagen idealizada de la disposición de
las bandas en el sodio. Las energías dentro de las bandas
dependen del espaciamiento entre los átomos; la línea
vertical representa el espaciamiento interatómico al equilibrio
de los átomos en el solido.los niveles de energía de energía
3s forman la banda de valencia . Los niveles de energía 3p
no ocupados ,separados de la banda 3s por un hueco de
energía forman la banda de conducción.
oEl sodio y otros metales alcalinos de la columna I4
solo tienen un electrón en el nivel mas externo.
oCuando se incrementa la temperatura del metal , algunos
electrones
adquieren energía , se excitan y pasan a niveles de
energía desocupados
en la banda de valencia . Lo cual crea un numero igual de
niveles de energía vacios llamados huecos .lo que permite
que una carga puede ser conducida tanto por los
electrones excitados como por los huecos recién creados.
ESTRUCTURAS DE LAS BANDAS EN EL MAGNESIO
El magnesio y otros metales tienen dos electrones
en su banda (s) mas externa . Estos metales tienen
una elevada conductividad debido a que la banda
(p) se superpone sobre la bandas en el espacio
interatómico de equilibrio .
Esta superposición permite que los electrones se
existen hacia el gran numero de niveles de energía
no ocupados de las bandas combinadas 3s y 3p .
En el espacio interatómico de equilibrio ,los niveles
de energía ocupados 3s y no ocupados 3p
“enciman”
ESTRUCTURAS DE LAS BANDAS EN
SEMICONDUCTORES Y EN MATERIALES AISLANTES
Los elementos del grupo 4 con tiene dos electrones
en su capa externa ( p) , con una valencia de cuatro
.
Estos metales están unidos de manera covalente.
Lo cual produce un cambio complejo en la
estructura de las bandas ; es decir , una
hibridación.
Estructura de las bandas del carbono y el diamante . Los niveles 2s y 2p
Se combinan para formar dos bandas hibridas , separadas por una brecha
de Energía (Eg)
CONTROL DE CONDUCTIVIDAD DE LOS METALES
La conductividad de un metal puro , libre de
defectos queda determinada por la estructura
electrónica de sus átomos . Pero se puede cambiar
esta conductividad influyendo en la movilidad µ de
los portadores. La cual es proporcional al velocidad
de desplazamiento, la cual será baja si los
electrones chocan con imperfecciones de la red. La
trayectoria libre media es la distancia promedio
entre colaciones. Lo cual una trayectoria larga
permite altas conductividades.
EFECTO DE TEMPERATURA:
Cuando se incrementa la temperatura de un material la
energía térmica hace que sus átomos vibren lo que
reducirá la trayectoria libre media y la movilidad de los
electrones.
Efecto de imperfecciones de red
Los defectos reticulares dispersan los electrones,
reduciendo la movilidad y la conductividad del metal
Efecto del procesamiento y del endurecimiento.
En el endurecimiento se obtienen buenas resistencias
mecánicas pero no de conductividad debido a que las
trayectorias libres medias de los electrones son muy
cortas debido a la distribución aleatoria de los átomos
intersticiales o sustitucionales.
SUPERCONDUCTIVIDAD
Se denomina superconductividad a la capacidad
intrínseca que poseen ciertos materiales para
conducir corriente eléctrica sin resistencia ni
pérdida de energía en determinadas condiciones.
La superconductividad ocurre en una gran variedad
de materiales, incluyendo elementos simples como
el estaño y el aluminio, diversas aleaciones
metálicas y algunos semiconductores fuertemente
dopados. La superconductividad no ocurre en
metales nobles como el oro y la plata, ni en la
mayoría de los metales ferromagnéticos.
Comportamiento eléctrico
La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía.
BIBLIOGRAFÍA
Ciencia e ingeniería de los materiales
3 edición DONALD R. ASKELAND
