Propiedades Termicas, Elctricas y Opticas de Los Materiales

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN EN INGENIERÌA DE MATERIALES INDUSTRIALES INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA DE PUERTO CABELLO Ruth Aguiar C.I.: 22.727.107 Sección: 5-21 Ministerio del Poder Popular Para la Educación Universitaria INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DE PUERTO CABELLO Propi edade s Térmi cas, Eléct

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Propiedades de los materiales

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REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMinisterio del Poder PopularPara la Educacin UniversitariaINSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DE PUERTO CABELLO

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIN UNIVERSITARIAPROGRAMA NACIONAL DE FORMACINEN INGENIERA DE MATERIALES INDUSTRIALES INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGA DE PUERTO CABELLO

Propiedades Trmicas, Elctricas y pticas de los Materiales

Ruth Aguiar C.I.: 22.727.107Seccin: 5-21

Puerto Cabello, Junio del 2015PROPIEDADES TRMICAS DE LOS MATERIALES

Se sabe que los materiales cambian sus propiedades con la temperatura. En la mayora de los casos las propiedades mecnicas y fsicas dependen de la T a la cual el material se usa o de la T a la cual se somete el material durante su procedimiento.

Densidad (): masa de material por unidad de volumen: = m / V (kg/m3).

Calor especfico (C): cantidad de energa necesaria para aumentar en 1 C la temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor especfico sern buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/(kgK), aunque tambin se suele presentar como kcal/(kgC); siendo 1 cal = 4,184 J. Por otra parte, el producto de la densidad de un material por su calor especfico ( C) caracteriza la inercia trmica de esa sustancia, siendo esta la capacidad de almacenamiento de energa.

Conductividad trmica (k): capacidad de un material para transferir calor. La conduccin trmica es el fenmeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad trmica en el Sistema Internacional son W/(mK), aunque tambin se expresa como kcal/(hmC), siendo la equivalencia: 1 W/(mK) = 0,86 kcal/(hmC).

Difusividad trmica (): caracteriza la rapidez con la que vara la temperatura del material ante una solicitud trmica, por ejemplo, ante una variacin brusca de temperatura en la superficie. Se puede calcular mediante la siguiente expresin:

* = k / ( C) (m2/s)

PROPIEDADES ELECTRICAS DE LOS MATERIALES

Es importante establecer entonces a partir de los tres tipos ms referenciales de materiales clasificados de acuerdo a su comportamiento elctricos: conductores, semiconductores y dielctricos; los cuales podemos analizar de acuerdo a las propiedades antes mencionadas y vincularlos con la clasificacin de acuerdo a su estructura cristalina: metlicos, cermicos y polmeros. Entonces a continuacin se explica brevemente tal clasificacin de los materiales: CONDUCTORES: Son aquellos con gran nmero de electrones en la Banda de Conduccin, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros.

SEMICONDUCTORES: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fcilmente de la Banda de Valencia a la de Conduccin, si se les comunica energa exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cermicos.

AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones estn fuertemente ligados al ncleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el polister; en lo que integran una gran cantidad de materiales cermicos y materiales polmeros.

COMPORTAMIENTO ELECTRICO Y CONDUCTIVIDAD

Las propiedades elctricas de un material describen su comportamiento elctrico -que en muchas ocasiones es ms crtico que su comportamiento mecnico- y describen tambin su comportamiento dielctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente elctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga elctrica (por deficiencia o exceso de los mismos) e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante. En los compuestos inicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. Adicional a esto la facilidad de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atmicos, las dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su micro-estructura, y de las velocidades de difusin (compuestos inicos). Para esto es necesario antes especificar que el comportamiento elctrico de cualquier material, el cual se deriva a partir de propiedades como la conductividad elctrica. Por eso la conductividad elctrica abarca un gran rango dependiente del tipo de material. Los electrones son precisamente los portadores de la carga en los materiales conductores (como los metales), semiconductores y muchos aislantes, por ello al observar la tabla siguiente podemos observar que dependiendo de su tipo y estructura electrnica la conductividad es alta o baja.

COMPORTAMIENTO ELECTRONICO DEBIDO A NIVELES DE ENERGA

Los electrones en los metales se hallan en una disposicin cuntica en la que los niveles de baja energa disponibles para los electrones se hallan casi completamente ocupados, a este concepto se lo conoce como "teora de banda". En esta teora se dice que los grupos de electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de orbitales. Cada banda tiene un margen de valores de energa, los cuales poseen electrones pero en defecto (pocos). En el caso de los metales, es el paso de electrones (electrones libres) a estas bandas con defecto de electrones lo que data sus elevadas conductividades tanto trmicas como elctricas.

Adicionalmente, dicha banda se conforma de bandas menores:banda de valenciaybanda de conduccin.La banda de valenciaes un nivel de energa en el que se realizan las combinaciones qumicas. Los electrones situados en ella, pueden transferirse de untomoa otro, formando iones que se atraern debido a su diferente carga, o sern compartidos por varios tomos, formando molculas. La banda de conduccin es un nivel de energa en el cual los electrones estn an ms desligados del ncleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda) estn compartidos por todos los tomos del slido, y pueden desplazarse por este formando una nube electrnica. Cuando un electrn situado en la banda de valencia se le comunica exteriormente energa, bien sea elctricamente, por temperatura, luz, etc. puede (al ganar energa) saltar a la banda de conduccin, quedando en situacin depoderdesplazarse por el slido.

Entre ambas bandas existe una regin de valores de energa que no pueden ser adquiridos por los electrones. Esta regin de valores prohibidos se denomina energy gap es decir brecha de energa.

Cuando aplicamos uncampo elctricoa un slido, los electrones se mueven a estados ligeramente superiores en energa, siempre que dichos estados existan. Esto significa que dichos estados deben estar vacos y permitidos. Esto significa mientras mayores sean los espacios vacos y permitidos -y menor la brecha de energa-, mayor ser la conductividad de un material.

Los materiales entonces suelen comportarse elctricamente dependiendo de los espacios vacos permitidos que haya en la banda de energa a la que se mueven. En ciertos casos, comnmente en aislantes y semiconductores, por ejemplo el diamante, estos tienen una brecha de energa grande la cual separa a los electrones de la banda de conduccin. Pocos de los electrones de tales materiales tienen la energa suficiente para poder pasar por este espacio prohibido, y en consecuencia la conductividad elctrica de los mismos es baja (alrededor de 10-18 ohm-1*cm-1). Sin embargo, al aumentarle la temperatura o aplicarle un voltaje aun material, a este se le suministra energa (trmica o elctrica) con lo cual los electrones pueden ganar la energa necesaria para poder pasar a travs de la brecha de energa. Por ejemplo, el nitruro de borio al aumenta su temperatura desdeambientehasta 800C, aumenta su conductividad desde 10-13 hasta 10-4 ohm-1*cm-1.

No obstante, los metales o conductores se comportan de otra manera. Al aumentarle la temperatura a un conductor, algunos de los electrones adquieren la energa que les falta para subir a los niveles de energa desocupados. Pese a que elgapde energa es alto, los espacios desocupados de energa estn cercanos y son amplios, por lo que el incremento de temperatura para que los electrones puedan emigrar, es mnimo. Una vez que los electrones pasan a niveles de energa desocupados en la banda de valencia, se ha dejado niveles de energa menores desocupados denominadoshuecos. De esta forma, la carga elctrica puede ser conducida por los electrones excitados (electrones que ganaron energa para pasar por la brecha) y por los huecos recin creados. Es as como no es necesario incrementos altos de temperatura para aumentar la conductividad de un material conductor considerablemente.

CONDUCTIVIDAD EN LOS METALES

TEMPERATURA Y ESTRUCTURA: PARAMETROS QUE AFECTAN LA CONDUCTIVIDAD

Como se especific anteriormente, la conductividad de un material se ve afectado por su estructura de bandas de energa a nivel atmico. Sin embargo, la conductividad es afectada tambin por elcambiode la energa cintica de los tomos o molculas debido al amplio incremento o disminucin de temperatura. De igual manera se afecta la conductividad por efecto del cambio o tipo de su estructura debido a las imperfecciones a nivel cristalino de la misma.

En el caso de los metales cuando se incrementa bastante la temperatura de este, la energa trmica hace que los tomos vibren mucho ms, incrementando su energa interna (energa cintica de los tomos). Ya con esto, la movilidad de los electrones al igual que el recorrido libre medio (distancia promedio entre colisiones) se reduce, no as aumenta la resistividad del metal. La resistividad enfuncinde la temperatura podra estimarse por medio de la siguiente ecuacin:

Donde se observa una relacin entre la resistividad debido a la vibracin trmica por efecto de la nueva temperatura y la resistividad a temperatura ambiente, la cual se ve afectada por el cambio de temperatura y elcoeficiente trmico de la resistividad.

Por otro lado, al existir defectos reticulares, es decir imperfecciones de laredcristalina, los electrones se dispersan, de este modo la movilidad de ellos disminuye y con ello la conductividad.

Como se observara en la figura anterior, en el caso de un cristal perfecto(a), el electrn no tiene mayor problema para poder pasar a travs de la red de tomos. Contrario a esto, al aumentarle la temperatura a un material(b), los electrones aumentan sus vibraciones por lo que la facilidad del electrn de poder desplazarse por la red es mucho menor. Adicional a esto, si la red tuviere imperfecciones como tomos sustitucionales(c)(generalmente en metales impuros), el electrn es dispersado causando una dificultad en la movilizacin a travs de la misma.

PROPIEDADES PTICAS DE LOS MATERIALES

LA LUZ Y EL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

La luz visible es una forma de radiacin electromagntica con longitudes de onda que se extienden desde aproximadamente 0.40 a 0.75 pm. La luz visible contiene bandas de color que van del violeta hasta el rojo. La regin ultravioleta cubre el rango de aproximadamente 0.01 a 0.4 pm y el infrarrojo va desde 0.75 a 100 pm.

La luz puede considerarse como una entidad que tiene comportamiento de onda y que consta de partculas llamadas fotones. La energa (E), la longitud de onda (l) y la frecuencia () de los fotones se relacionan por la siguiente ecuacin:

CDE = hv = h

Donde:h es la constante de Planck (6.62 x 10 -34 J.s)C es la velocidad de la luz en el vaco (3 x 108 m/s)

PROPIEDADES GENERALES QUE DEPENDEN DE LA LUZ BRILLO

El aspecto general de la superficie de un material cuando se refleja la luz se conoce como BRILLO. El brillo de los materiales puede ser de dos tipos generales: Metlico y No metlico.

Un material que tenga el aspecto brillante de un metal tiene un brillo metlico. Adems estos materiales son completamente opacos a la luz.Un material sin aspecto metlico tienen, como su nombre lo implica, un brillo no metlico. Son materiales que o bien son transparentes o translcidos

COLOR

Cuando la luz incide en la superficie de un mineral, parte de ella se refleja y parte se refracta. Si la luz no sufre absorcin, el material es incoloro. Los materiales son coloreados porque absorben ciertas longitudes de onda de la luz y el color es el resultado de una combinacin de aquellas longitudes de onda que llegan al ojo. Algunos materiales exhiben diferentes colores cuando la luz se transmite en direcciones cristalogrficas diferentes. Esta absorcin selectiva es conocida con el nombre de pleocrosmo.

En algunos casos, el color es debido a cantidades apreciables de un elemento como el hierro, que tiene un algo poder de pigmentacin. Los iones de ciertos elementos absorben la luz muy intensamente y su presencia en cantidades pequeas, aun en trazas, puede ser la causa de que el material tenga un color intenso. Estos elementos son denominados cromforos. Algunos de ellos son el Fe, Mn, Cu, Cr, Co, Ni y V.

TRANSPARENCIA.

Segn el comportamiento ante la luz, los materiales pueden clasificarse como:

Materiales transparentes:Son los que dejan pasar la luz a travs de ellos sin ninguna dificultad. Un objeto visto a travs de un material transparente, puede observarse perfectamente con todos sus detalles (Ej. Vidrio de ventana).

Materiales translcidos:Son los que dejan pasar la luz a travs de l, pero transmiten una imagen difusa. Un objeto visto a travs de un material transparente, es probable que solo se le distingan los contornos.

Materiales opacos: Son los que no dejan pasar la luz a travs de ellos.

LUMINISCENCIA

La luminiscencia puede definirse como cualquier emisin de luz por un material que no es el resultado directo de la incandescencia. Normalmente la luminiscencia suele ser dbil y puede observarse nicamente en la oscuridad. Dentro de la luminiscencia se destacan:

FLUORESCENCIA Y FOSFORESCENCIA

Los materiales que se hacen luminiscentes al ser expuestos a la accin de los rayos ultravioletas, rayos X o rayos catdicos, son fluorescentes. Si la luminiscencia contina despus de haber sido cortada la excitacin, se dice entonces que el material es fosforescente. La fosforescencia se observ en algunos materiales naturales que haban estado expuestos a la accin de los rayos del sol, y que daban luz al ser introducidos en una habitacin oscura. No existe una clara diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia, ya que algunos materiales que a primera vista parecen solamente fluorescentes, usando mtodos finos se comprueba que siguen dando luz durante una fraccin de segundo, despus de haber sido separados de los rayos excitadores. Por consiguiente, el fenmeno se considera por algunos como el mismo.

La fluorescencia est muy asociada con la presencia de ciertas impurezas en los materiales. Se produce cuando la energa de la radiacin de corta longitud de onda es absorbida por los iones de la impureza y emitida como radiacin de mayor longitud de onda (luz visible). Algunos materiales fluorescen solo en ondas ultravioletas cortas, mientras que otros pueden fluorescer solo en ondas ultravioletas largas y algunos otros fluoreseran bajo ambas longitudes de onda ultravioleta. El color de la luz emitida vara considerablemente con las longitudes de onda o fuente de luz ultravioleta.

La fluorescencia es una propiedad que no puede ser predicha, ya que algunos materiales pueden presentarla y otros, aparentemente iguales, no la poseen. No solo vara enormemente el color de la fluorescencia sino que ni siquiera guardan alguna relacin con el color natural de aquellos.

Actualmente, se hacen muchos objetos fluorescentes gracias al desarrollo de los fsforos sintticos. Es as como podemos observar telas, pinturas, cintas y lmparas fluorescentes.

TERMOLUMINISCENCIA

Es la propiedad que poseen algunos materiales de producir luz visible cuando se calientan a una temperatura por debajo del rojo. Es frecuente, que cuando un material exhiba esta propiedad, la luz visible inicial se acente en un rango de temperaturas relativamente bajas, 50 a 100 C y tambin es frecuente que la luz cese de ser emitida a temperaturas superiores a los 475 C.

TRIBOLUMINISCENCIA

Es la propiedad que poseen algunos materiales de hacerse luminosos al ser molidos, rayados o frotados. El cuarzo es un buen ejemplo de un material triboluminiscente.

NDICE DE REFRACCIN

Cuando un haz de luz pasa de un medio a otro, o sea que atraviesa un segundo medio, pierde algo de su energa y, en consecuencia, cambia su velocidad y por ello, cambia de direccin.

La velocidad relativa de la luz que pasa a travs de un medio se expresa por medio de una propiedad ptica llamada ndice de Refraccin (n). El valor del ndice de refraccin se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vaco, C, y la velocidad de la luz en el medio considerado, v

Cn = v

Los ndices de refraccin para la luz que pasa de un medio con ndice n a otro con ndice n2 estn relacionados con los ngulos de incidencia y refraccin segn la ley de Snell,

Ntese que si la luz pasa de un medio de mayor ndice de refraccin a uno de menor ndice de refraccin, el ngulo de refraccin se hace ms pequeo.

Cuando la luz pasa de un medio a otro con ndice de refraccin ms bajo, existe un ngulo crtico de incidencia c, que si aumenta, da lugar a una reflexin interna total. Este ngulo crtico c, corresponde a un ngulo de refraccin r = 90.

La apariencia del material es una consecuencia de la magnitud del ndice de refraccin, n. El centelleo caracterstico asociado a los diamantes y a ciertas piezas de arte de vidrio es el resultado de un elevado valor de n, lo cual permite que se produzcan mltiples reflexiones internas de la luz. La adicin de xido de plomo (n = 2,60) a los vidrios de silicato eleva el ndice de refraccin, proporcionndoles esa apariencia caracterstica de cristal fino.

BIRREFRINGENCIA Y DOBLE REFRACCIN

Bartholinus en 1669 dio a conocer que un punto en un papel (rayo luminoso) da lugar, cuando se ve a travs de un romboedro transparente de calcita a dos imgenes

As un rayo que incide normalmente produce no solo un rayo OPo (Rayo ordinario), que no se desva, sino tambin un segundo rayo OPe (Rayo extraordinario). Ambos rayos siguen trayectorias diferentes dentro del cristal.

El Rayo OPo cumple la ley de Snell y el rayo OPe no la cumple. En 1811 Fresnel y Arago, demostraron adems que este par de rayos estaban polarizados en direcciones mutuamente perpendiculares.

Cada uno de estos rayos que se generan a partir de un rayo incidente, presenta una velocidad y una direccin caractersticas dentro del cristal, por ello cada uno de ellos tiene un ndice de refraccin diferente.

La posesin de ms de un ndice de refraccin por parte de un material, se conoce como DOBLE REFRACCIN O BIRREFRINGENCIA.

REFLECTIVIDAD

No toda la luz que llega a un material transparente entra en el material y se refracta, como se ha descrito hasta ahora. Una parte de esta luz es reflejada en la superficie, con un ngulo de reflexin igual al ngulo de incidencia.

La reflectividad se define como la fraccin de luz reflejada en una entrecara y est relacionada con el ndice de refraccin a travs de la frmula de Fresnel.

Esta ecuacin es estrictamente vlida en el caso de incidencia normal 0i = 0), pero es una buena aproximacin en un amplio intervalo de 0i. Los materiales con un alto ndice de refraccin son tambin altamente reflectantes. Hay aplicaciones en las cuales esta caracterstica es altamente deseable tal como en los recubrimientos con esmaltes vtreos. Hay otras aplicaciones, en cambio, en las que una alta reflectividad produce una perdida de luz no deseada, tal como en los lentes o en los vidrios que cubren algunos cuadros. Por esta razn se desarrollaron recubrimientos antireflectivos que minimizan este problema. En este caso, el recubrimiento produce una onda reflejada que anula la producida por la superficie del material.

POLARIZACION DE LA LUZ

La luz puede ser considerada como un movimiento ondulatorio cuyas vibraciones tienen lugar en todas las direcciones que forman ngulo recto con la direccin de propagacin. Cuando el movimiento ondulatorio se reduce a vibraciones en un solo plano, se dice que la luz est polarizada en un plano.

Hay tres formas principales de polarizar la luz, que son por doble refraccin, por absorcin y por reflexin.

Luz polarizada por doble refraccin:Cuando la luz atraviesa un cristal anisotrpico se divide en dos rayos polarizados. El principio sobre el que se bas el primer polarizador eficiente fue la eliminacin de uno de estos rayos por mtodos fsicos. Se utiliz la calcita en su variedad transparente y el polarizador resultante fue llamado prisma de Nicol gracias a su inventor.

Luz polarizada por absorcin:Los rayos polarizados en los que se divide la luz al atravesar cristales anisotrpicos pueden ser absorbidos diferencialmente. Si un rayo sufre casi absorcin completa y otro muy poca, el rayo emergente ser polarizado en un plano. Este fenmeno lo exhiben algunos materiales naturales tales como la turmalina. La luz que atraviesa el cristal formando angulo recto con el plano [001] emerge esencialmente polarizada en un plano, con vibraciones paralelas al eje c.El otro rayo, que vibra perpendicularmente al primero, es casi completamente absorbido. Lminas polarizantes como las Polaroid, se fabrican alineando cristales de turmalina en una base de acetato de celulosa.

Luz polarizada por reflexin

La luz reflejada por una superficie lisa no metlica est parcialmente polarizada con las direcciones de vibracin paralelas a la superficie reflectante.

El grado de polarizacindepende del ngulo de incidencia y del ndice de refraccin de la superficie reflectante. Est casi completamente polarizada cuando el ngulo entre los rayos reflejado y refractado es de 90 (ley de Brewster). El hecho de que la luz reflejada est polarizada puede demostrarse fcilmente mirndola a travs de un filtro polarizante. Cuando la direccin del filtro es paralela a la superficie reflectante, la luz pasa a travs del filtro con solo un ligera reduccin de intensidad; cuando el filtro se gira 90, solo un pequeo porcentaje de la luz llega al ojo.