UNIDAD 3 Y
Propiedades de los materiales
Asignatura: Propiedades de los materiales Estudiante: José Ricardo Rico Santos Facilitador: Emilio Campos Mendoza Grupo: “D”
CONTENIDO
Propiedades eléctricas Pág. 1
Propiedades Químicas Pág. 6
Propiedades térmicas Pág. 5
Propiedades Mecánicas Pág. 7
Propiedades Eléctricas y Magnéticas.
¿Cómo se clasifican los materiales?
ILUSTRACIÓN: MCLELUN LEE
CONDUCTORES: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. Los mejores conductores eléctricos son metales, como el cobre, el oro, el hierro, la plata y el aluminio, y sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y solucio nes salinas (por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material en estado de plasma.
SEMICONDUCTORES: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica energía exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cerámicos. es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
AISLANTES O DIELÉCTRICOS: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y, por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo que integran una gran cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros. El aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento con un material que no es conductor de la electricidad,
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La conductividad elĂŠctrica es la capacidad de un medio o espacio fĂsico de permitir el paso de la corriente elĂŠctrica a su travĂŠs. TambiĂŠn es definida como la propiedad natural caracterĂstica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por ĂŠl. Conductimetria de los materiales Un mĂŠtodo sencillo para medir la conducciĂłn elĂŠctrica, estĂĄ relacionado con la Ley de Ohm: đ?‘‰ đ?‘–= đ?‘…
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DĂłnde: i= La magnitud del flujo de corriente (A=C/s) R= Resistencia a travĂŠs del circuito (Ohms) V= Voltaje (volts)
Potencia elĂŠctrica Es la cantidad de energĂa entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el SI es el vatio o watt. Potencia en corriente continua Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia elĂŠctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a travĂŠs del dispositivo. Por esta razĂłn la potencia es proporcional a la corriente y a la tensiĂłn. Esto es: đ?‘ƒ=
đ?‘‘đ?‘¤ đ?‘‘đ?‘¤ đ?‘‘đ?‘ž = ∗ đ?‘‘đ?‘Ą đ?‘‘đ?‘ž đ?‘‘đ?‘Ą = đ?‘‰âˆ—đ??ź
Donde: • đ??ź es el valor instantĂĄneo de la corrienteď ˝ •đ?‘‰ es el valor instantĂĄneo del voltaje. Si đ??ź se expresa en amperios y đ?‘‰ en voltios, đ?‘ƒ estarĂĄ expresada enď ˝ watts (vatios). Igual definiciĂłn se aplica cuando se consideran valores promedio para đ??ź, đ?‘‰ y đ?‘ƒ. Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia tambiĂŠn puede calcularse como: đ?‘‰2 đ?‘ƒ = đ?‘… ∗ đ??ź2 = đ?‘…
ConducciĂłn PolĂmeros
en
Los polĂmeros tienen una estructura de banda con una gran brecha de energĂa, lo cual indica que su conductividad elĂŠctrica es bien baja.
Esto se debe a que los electrones de valencia en estos tupos de materiales toman parte en enlaces covalentes. Conductividad en los cerámicos: Propiedades dieléctricas
La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos son usados para la pérdida progresiva de di electricidad de alta frecuencia. Teoría de superconductividad: Materiales metálicos y cerámicos Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas
que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin colisiones y en zigzag). Materiales cerámicos superconductores Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una razón estequiometria de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también típicamente mezclas de muchos diferentes metales. Por ejemplo, un caso es el superconductor Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7, en el cual los metales presentes son el Itrio, Bario y Cobre. Polarización y piezoelectricidad: Metales semiconductores y cerámicos Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico
dichos dipolos se alinean causando una polarización. Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. Piezoelectricidad propiedad eléctrica de los cerámicos Los materiales piezoeléctricos transforman la energía mecánica (o energía sonora) en energía eléctrica (efecto piezoeléctrico directo), y así lo que ocurre es que, al someter el material a la acción mecánica de la compresión o tracción, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga; o puedo ocurrir lo opuesto (efecto piezoeléctrico inverso). Esta polarización es la causante de que salten las chispas.
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Ferromagnetismo El ferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo. Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos. Paramagnetismo El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo o ferromagnetismo. Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo
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externo tiende fortalecerlo.
a
Diamagnetismo El diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos tanto el polo norte como el sur. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera vez en septiembre de 1845 por Michael Faraday. Generalmente, el diamagnetismo se justifica por la circulación de los electrones en los orbitales doblemente ocupados. Como en un cable de un material conductor, la circulación de los electrones se produce en el sentido en el que el campo magnético que generan se opone al campo aplicado, generando una repulsión (efecto Hall). Por este mismo mecanismo, los superconductores presentan un diamagnetismo extraordinariamente alto. Materiales diamagnéticos son, por ejemplo: bismuto, grafito, plata, agua.
Susceptibilidad magnética
La susceptibilidad magnética es el grado de magnetización de un material, en respuesta a un campo magnético En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través suyo los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material. Permeabilidad magnética En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través suyo los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material.
PROPIEDADES TÉRMICAS La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta a prácticamente todas las características de los materiales. Las propiedades mecánicas, eléctricas o magnéticas sufren importantes cambios cuando la temperatura varía, por lo que los efectos térmicos sobre estas propiedades deberán tenerse en cuenta siempre a la hora de dimensionar o seleccionar el material idóneo. Capacidad calórica y calor específico Se define la capacidad calorífica o capacidad térmica molar desde el punto de vista de la ingeniería de materiales es más usual trabajar con el concepto de calor específico a presión constante Ce, que se define como la energia necesaría para hacer variar en 1 K la temperatura de un gramo
del material. Energía necesaria para hacer variar en 1 K la temperatura de un mol de material. Dilatación térmica Al aumentar la temperatura, los átomos vibran con mayor amplitud alrededor de su posición de equilibrio, provocando un incremento en la distancia interatómica d0 de equilibrio, y por tanto haciendo aumentar las dimensiones del material. El cambio de dimensión dL por unidad de longitud y por grado centígrado (o absoluto) de temperatura está dado por la expresión:
de máxima importancia en aplicaciones que involucren la transferencia de calor: moldes de solidificación, intercambiadores, pantallas aislantes, etc.
Conductividad térmica La conductividad térmica k es una propiedad de los materiales que determina la velocidad a la que el calor se transmite en el material, siendo un factor
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Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la alteración química que puede experimentar en procesos de oxidación o corrosión. Oxidación Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación. De una forma esquemática, se puede representar el proceso de oxidación de la siguiente manera: Material + Oxígeno = Óxido del material ± energía Corrosión Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión.
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Propiedades químicas de la madera La composición química de la pared celular de las fibras de madera es de mucha importancia, especialmente en maderas duras, por el efecto que tiene en la calidad de la pulpa y papel. La composición química de la madera en sus principales componentes holocelulosa, lignina y extraíbles Propiedades químicas de los metales Sus átomos tienen 1, 2, o 3 electrones en su último nivel de energía. Los elementos que forman los grupos IA(Alcalinos), IIA(Alcalinotérreos), IIIA(Térreos) son metálicos, por lo tanto los elementos del grupo IA tienen en su último nivel de energía un electrón, los del grupo IIA tienen dos electrones y los del IIIA tienen tres electrones. Todos los metales, excepto el Au, la Ag y el
Pt (metales nobles ), se oxidan a la temperatura más o menos elevada en el oxígeno o en el aire seco. Propiedades químicas de los polímeros Las propiedades químicas de los polímeros se manifiestan a través de la afinidad que tengan los elementos constitutivos del polímero con el medio al cual están expuestos Todos los átomos de los polímeros están combinados Propiedades químicas de los petreros Las rocas se deben clasificar por su composición química, mineralogía, estructura, yacimiento y origen. La clasificación adoptada en la construcción es la geológica o modo de formación. Las rocas se denominan simples o compuestas, según estén formadas.
PROPIEDADES MECÁNICAS Las propiedades mecánicas de los materiales refierente a la capacidad de cada material en estado sólido a resistir acciones de cargas o fuerzas Las propiedades mecánicas principales son: Elasticidad: se refiere a la propiedad que presentan los materiales de volver a su estado inicial cuando se aplica una fuerza sobre él. La deformación recibida ante la acción de una fuerza o carga no es permanente, volviendo el material a su forma original al retirarse la carga. Plasticidad: Capacidad de un material a deformarse ante la acción de una carga, permaneciendo la deformación al retirarse la misma. Es decir es una deformación permanente e irreversible. La plasticidad es la propiedad mecánica de
un material inelástico, natural, artificial, biológico o de otro tipo, de deformarse permanente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico Fragilidad: La fragilidad se relaciona con la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad. Aunque técnicamente la fragilidad se define más propiamente como la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación. Por el contrario, los materiales dúctiles o tenaces se rompen tras sufrir acusadas deformaciones, generalmente de tipo deformaciones plásticas, tras superar el límite elástico.
La maleabilidad es la propiedad de un material en estado sólido de adquirir una deformación mediante descompresió n sin romperse. A diferencia de la ductilidad, que permite la obtención de hilos, la maleabilidad favorece la obtención de delgadas láminas de material.1 El elemento conocido más maleable es el oro, que se puede malear hasta láminas de una diezmilésima de milímetro de espesor. También presentan esta característica otros metales como el platino, la plata, el cobre, el hierro y el aluminio.
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