Unidad 2 Tecnología de los Materiales

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Unidad 2

Conducción eléctrica de los materiales

2.1 El papel de los electrones

2.2 Movimiento electrónico

2.3 Dependencia estructural de la resistencia

Desde antigüedad, los fenómenos eléctricos han maravillado, sorprendido y preocupado a toda la humanidad. Muchas veces, los fenómenos eléctricos se atribuían a la ira de algunos dioses, como por ejemplo, en la antigua Grecia se creía que los rayos eran manifestaciones del grandioso Zeus.

Con el avance de los tiempos y los progresos tecnológicos, se hizo fundamental el estudio y control de la electricidad. Con eso se consiguió crear artefactos que nos facilitan la vida.

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La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo o medio para conducir

la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de las partículas

cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de carga en conductores

metálicos o semimetálicos, o iones, los que transportan la carga en disoluciones

de electrolitos.

Tarea: Investigar la ley de Ohm (Teoría, formulas y aplicaciones) Voltaje,

corriente y resistencia.

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2.1 El papel de los electrones

Todos los cuerpos o materias que podemos encontrar en el universo, están constituidos por átomos; éstos a su vez están compuestos por un núcleo, alrededor del cual, giran un número de pequeñas partículas denominadas electrones. El núcleo está formado por dos clases de pequeñas partículas los protones y los neutrones. Los electrones giran alrededor del núcleo unos en órbitas cercanas a él y otros en órbitas más alejadas. Los electrones tienen carga negativa Los protones tienen carga positiva. Los neutrones no tienen carga eléctrica.

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Conducción eléctrica Quien se encargó de la electricidad fue Michael Faraday, fue el físico y químico británico que se encargó de estudiar el electromagnetismo y la electroquímica. Además fue discípulo del químico Humphry Davy, y pasó a ser conocido con el descubrimiento de la inducción electromagnética, ya que esto ha permitido la construcción de generadores y motores eléctricos, motivo por el cual pasó a ser considerado como el verdadero fundador del electromagnetismo y de la electroquímica. En los materiales conductores de la electricidad, los electrones más alejados del núcleo, sometidos a condiciones adecuadas, se desprenden con facilidad y pueden circular por el material. La corriente eléctrica es un movimiento de electrones a través de un conductor. Para que se produzca esa corriente de electrones, es necesario que algo los impulse.

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Se le llama corriente eléctrica a aquella magnitud física que nos indica la cantidad

de electricidad que recorre un conductor, durante una unidad de tiempo

determinada.

El mencionado flujo de intensidad eléctrica, de acuerdo a lo establecido por

el Sistema Internacional de Unidades, que es aquel sistema que en este sentido

adoptan la mayor parte de los países del planeta, se mide en lo que se denomina

amperios.

La corriente eléctrica es la consecuencia del movimiento que presentan los

electrones que se hayan dispuestos en el interior del material en cuestión. En

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tanto, por este movimiento de cargas que provoca, es habitual que la corriente

eléctrica desencadene lo que se conoce como campo magnético.

Campo magnético: Magnitud vectorial que representa la intensidad de la fuerza magnética. El campo magnético está relacionado con el movimiento de cargas eléctricas, es decir, la corriente. Así, un elemento diferencial de corriente experimentara una fuerza al colocarse en las cercanías de otro elemento de corriente. En la región donde se manifiestan estas fuerzas se dice que existe un campo magnético.

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Diferencia de potencial o voltaje La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un campo, representa el trabajo (W) requerido para mover una unidad positiva de carga, desde un punto al otro contra la dirección del campo (o fuerza), o también, el trabajo realizado por la unidad de carga, que se mueve desde un punto al otro en la dirección del campo. Las cargas positivas siempre se mueven convencionalmente desde un punto de potencial mayor a un punto de potencial menor. La diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico, se dice que es de 1 volt, cuando debe realizarse 1 joule de trabajo sobre 1 coulomb de carga, para moverla de un punto de bajo potencial a otro de potencial mayor.

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Diferencia de potencial V (Voltios) = Trabajo W (Joules)/Carga Q (Coulombs)

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2.2 Movimiento electrónico

La movilidad de un electrón es un factor que nos indica la magnitud de la energía

cinética que pierde cuando atraviesa el sólido.

En su camino, el electrón es desviado por impurezas, vacantes, dislocaciones e

incluso por las vibraciones de la red. Por este motivo la distancia que recorre es

mucho mayor que su recorrido neto, y el flujo menor de lo esperado.

El conjunto de estos factores constituye la llamada resistividad eléctrica (y su

inversa conductividad eléctrica).

La resistividad aumenta linealmente con la temperatura, así como el aumento

del número de vacantes y otras irregularidades que puedan producirse. Este

aumento es especialmente importante en metales ligeros como el berilio, dado

que las vibraciones de sus átomos son más importantes.

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La presencia de defectos como vacantes, dislocaciones o bordes de grano

también dificulta la movilidad y por tanto disminuye la conductividad. Y lo que

resulta de mayor importancia, el mismo efecto también los elementos aleantes

se utilizan para mejorar las propiedades mecánicas de los metales.

También los tratamientos de procesado y endurecimiento a que son sometidas

las aleaciones afectan fuertemente a su conductividad. Pero no todos lo hacen

en la misma medida. Así, el endurecimiento precipitación o envejecimiento

disminuyen la conductividad, pero menos de lo que hacen los endurecimientos

por solución sólida.

En otras ocasiones interesa por el contrario que los materiales, aun siendo

conductores, presenten una resistividad eléctrica elevada. Este es el caso de las

resistencias empleadas como elementos calefactores en los hornos y estufas. La

energía eléctrica es convertida en calorífica gracias a la dispersión y choques de

los electrones. Estos materiales precisan también de un elevado punto de fusión

y una buena resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas.

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2.3 Dependencia estructural de la resistencia

No todos los materiales conducen la electricidad de la misma forma. Para diferenciarlos, decimos que algunos presentan mayor “resistencia” que otros a conducir la electricidad.

Las propiedades eléctricas de los materiales pueden a veces ser en muchas

ocasiones tan importantes como sus propiedades mecánicas.

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Hay que tener en cuenta que todos los tipos de respuestas eléctricas son

importantes para determinar aplicaciones. Así, la transferencia de energía

eléctrica a grandes distancias precisa de materiales con una alta conductividad

para evitar pérdidas por calentamiento. Con el mismo objetivo, se precisan

también materiales que sean perfectamente aislantes para evitar cortocircuitos

y procesos de arco entre los conductores.

La resistencia eléctrica es una medida cuantitativa respecto de cuán buen

conductor es un material.

La resistencia eléctrica se mide en ohmios, en honor a Georg Simón Ohm (1787-

1854), que desarrolló los principios agrupados en la ley de Ohm.

Los materiales que presentan baja resistencia eléctrica se les llama buenos

conductores eléctricos. A su vez, aquellos que poseen alta resistencia eléctrica

se les denominan malos conductores eléctricos.

¿Qué puede hacer cambiar la resistencia eléctrica en un material conductor?

¿Cuál es el comportamiento de la resistencia eléctrica en la longitud de un

conductor y en el área de sección transversal de este mismo?

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Ley de Ohm

La resistencia de cualquier objeto depende de su geometría y de su coeficiente

de resistividad el cual está definido por el material del que está hecho a

determinada temperatura.

Aumenta conforme es mayor su longitud y disminuye conforme aumenta su

sección transversal.

Puede definirse como la razón entre la caída de tensión y la corriente en dicha

resistencia.

𝑹 =𝑽

𝑰

Donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e

I es la intensidad de corriente o amperios.

Resistencias en serie

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Resistencias en paralelo

Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en

conductores, aislantes y semiconductores.

Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica.

Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes, pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no. (Diodos y transistores)

Los aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica.

Existen además ciertos materiales en lo que, en determinadas condiciones de

temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad.

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La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo ℓ en metros,

de su sección transversal S en 𝑚2, del tipo de material y de la temperatura. Si

consideramos la temperatura constante de 20°C, la resistencia viene dada por la

siguiente expresión.

𝑅 = 𝜌ℓ

𝑆

En la que la 𝜌 es la resistividad que es una característica propia de cada material.

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EJERCICIO 1. Calcular la corriente eléctrica que circula en el siguiente circuito,

con las siguientes consideraciones.

V= 50 Volts

R= 10 Ohms

EJERCICIO 2. Calcular la corriente eléctrica que circula en el circuito siguiente, si

se tiene un conductor de cobre a 20°C con longitud de 75 metros, aplicando una

diferencia de potencial de 100 volts de corriente directa.

El radio del conductor es de 0.2 cm.

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EJERCICIO 3. Cuál es la corriente eléctrica para el caso anterior si el radio del

conductor se triplica.

Comparar las corrientes de los ejercicios 1 y 2.

¿A qué se debe?

¿Qué sucedió con la resistencia cuando se aumentó la sección transversal?

Ejercicio 4. Reducir el siguiente circuito

Ejercicio 5. Reducir el siguiente circuito

Comparar las resistencias equivalente así como sus corrientes.

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Ejercicio 5. Reducir el circuito y obtener la corriente eléctrica de la fuente de

corriente directa.