Este documento describe las propiedades dieléctricas y magnéticas de los materiales cerámicos. Explica que los cerámicos son buenos aislantes eléctricos y discute los diferentes tipos de polarización que ocurren en los materiales dieléctricos cuando se aplica un campo eléctrico. También resume las aplicaciones de los cerámicos piezoeléctricos, ferroeléctricos y piroeléctricos en áreas como la transducción ultrasónica y la detección de presión.

1. Comportamiento Óptico
Magnético y Dieléctrico.
Cerámicos
I.I. Erick Uriel Morales Cruz
Maestría en Ciencias de los Materiales
CERAMICOS
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2. Propiedades Dielectricas
• Los materiales cerámicos son
especialmente conocidos
como buenos aislantes. Eso
significa que estos materiales
no conducen corriente
eléctrica cuando un campo
eléctrico es aplicado.
• Esto no significa que los
cerámicos son insensibles al
campo eléctrico.
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3. Polarización
• El fenómeno en el que un polo
dieléctrico es formado, se conoce
como POLARIZACION.
• Existen 4 tipos de polarización:
1.-Polarizacion electrónica
2.-Polarizacion Orientada
3.-Polarizacion por Cargas
Espaciadas
4.-Polarizacion Iónica/Atómica
La Polarización Electrónica ocurre cuando
una superficie de átomos deforman un poco
la geometría de los mismos por la ley de
atracción de cargas. No es una polarización
de alto grado.
La polarización Orientada ocurre cuando las
moléculas de elementos con moléculas no
simétricas (las cuales ya contienen dipolos
eléctrico permanentes) Ejemplo H2O, HCl,
CH3Br.
Polarización por Cargas Espaciadas las cargas
en el espacio son cargas ocurridas al azar
causadas por la radiación cósmica o la
deterioración térmica atrapada en el
material durante el proceso de fabricación.
La polarización iónica atómica involucra un
desplazamiento de átomos u iones en una
estructura cristalina cuando un campo
eléctrico es aplicado.
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4. 1.-Constante Dielectrica (Permeabilidad Relativa)
• El grado de polarización o la
Capacidad de almacenamiento
de carga de un material es
conocido como “Constante
Dielectrica Relativa”
8.85𝑋10−14
𝑓𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠
𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
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5. Tabla de Constantes
Dielectricas
• El valor de la constante dieléctrica
en el vacío es igual a 1.
• Para una atmosfera seca a 0°C y
una presión de 1.0006 atm.
• Ejemplo: Un material con una K´ =
5 tiene una constante dieléctrica
cinco veces mayor que la
constante en el vacio.
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6. 2.-Resistencia Dielectrica
• Es la capacidad de un material de
soportar la corriente eléctrica sin
fallar (romperse) y permitir el paso
de la misma.
• Sus unidades son:
𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠
𝑚𝑖𝑙 (𝑚𝑖𝑙𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎)
•
𝑣𝑜𝑡𝑠
𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
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7. 2.-Resistencia Dielectrica
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8. 3.-Perdida Dielectrica
• Un material dieléctrico ideal no
permitiría un flujo de corriente
eléctrica, solo un desplazamiento de
carga vía polarización. Si una lamina
delgada de cierto material ideal se
coloca paralelamente entre
electrodos para formar un capacitor
y si un cierto campo eléctrico es
aplicado la corriente convertirá al
voltaje en un ángulo de fase π/2
(90°) Bajo estas circunstancias no
existirá energía absorbida y el
capacitor tendrá cero perdida.
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9. 4.-Capacitancia
• Un material dieléctrico entre dos
electrodos conductores es conocido
como CAPACITOR.
• Q = CV
• Q= Cantidad de Carga
• C= Capacitancia
• V= Voltaje aplicado
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10. Unidad de Capacitancia
• 𝐶 =
𝐸0 𝑘′ 𝐴
𝑡
• A = el área total de los electrodos
• t = grosor de el material dieléctrico
• 𝐸0= permeabilidad en el vacio
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11. Funciones de un Capacitor
• Los capacitores pueden ser empleados para diferentes propósitos:
• 1.-Almacenamiento de Energía: acumulamiento de carga
• 2.-Bloqueo: CD vs CA la corriente directa en un capacitor lo polariza e impide
el paso de la corriente alterna
• 3.-Como acoplamiento o desacoplamiento: aislar voltaje especifico a
diferentes áreas del circuito
• 4.-Bipass: mezcla de bloqueo y acoplamiento
• 5.-Filtro: usar un capacitor para separar señales de corriente alterna a
diferentes frecuencias
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12. Historia de los Capacitores
•
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Época Material Extras
Principios de 1900´s Papel encerado, mica (debajo de
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Condensador variable con un
electrodo fijo y uno móvil.
1930´s TiO2 – 80 a 100 Materiales con alta constante
dieléctrica (algunos cerámicos)
1943 BaTiO3 1200-1500 Agregar Titanato de bario
Zirconato de Calcio 10% mas
Zirconato de Manganeso
5000 aprox
1943-actualidad Radio , Rutilo Estos elementos con alta
constante dieléctrica reducen los
costos de los dispositivos
eléctricos lo cual permite asi
mismo ahorrar en espacios.

13. Mecanismo de la Constante dielectrica
• El titanato de bario empleado en
los cerámicos es el resultado de
la estructura de el mismo
conocida como perovskita.
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14. • La temperatura tiene
un efecto muy fuerte
en la estructura
cristalina y por lo
tanto en las
propiedades
eléctricas.
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15. Comportamiento con la Temperatura
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16. Tipos de Capacitores
• Cerámicos y Polímeros son empleados para la mayoría de los capacitores
• Ceramicos: Simple capa (capacidad baja debido a el grosor de la capa) y
Multicapa
•
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Algunos capacitores de alta
capacitancia son conocidos como
capacitores de Tántalo y Aluminio.

17. 5.-Piezoelectricidad
• Cuando la polarización ocurre en algunos monocristales al aplicarles un
esfuerzo. Un lado de el cristal deriva en una carga positiva así mismo el otro
lado se carga negativamente.
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18. Piezoelectricidad
• Pierre and Jaques Curie 1880
• Cristales al crecer (cuarzo, zinc, esfalerita, boracita….)
• Carecen de un centro de simetría
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19. 6.-Piroelectricidad
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• Cristales piroelectricos son una clase de
cristales piezoeléctricos. Contienen en su
estructura una polarización espontanea
preexistente y al calentarse de deforman
mecánicamente lo que causa una
transformacion,.
• 20 clases de cristales piezoeléctricos 10 son
piroelectricos.

20. 6.-Piroelectricidad
• Titanato de Litio-extremadamente exactos intervalos- 10exp-6°C
pueden ser detectados.
• Sensores Opticos, Bolometros Termicos, Rayos infrarojos y flujo de
gas.
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21. 7.-Ferroelectricidad
• Es una subclase de cristales piroelectricos. También contienen una
polarización espontanea. Mantienen un dipolo después de removerles el
voltaje.
• En ellos se puede revertir la dirección de la polarización.
• Depende de la estructura cristalina; cristal NO centrido y debe de contener
orientaciones moleculares que le permitan revertirse.
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22. Curva de Histeresis
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Saturación
Saturación

23. Titanato de Bario
• Estructura Cubica 120-
1460°C (No ocurre nada)
• Tetragonal <120°C Esto
resulta en histéresis y una
polarización reversible.
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24. Tipos de Cristales Ferroelectricos
• Pese a que han sido clasificados en la
literatura de distintas maneras, una
aproximación muy empleada es: Duros
y Suaves.
• Los Ferroelectricos suaves se
disuelven en agua, mecánicamente
suaves y ambos puntos de
descomposición y fusión son bajos.
• Sal Rochelle, KDP, Potasio Dihidrogeno
Fosfato, algunos sulfatos, sulfitos,
nitratos y nitritos.
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25. Cristales Ferroelectricos
• Muchos involucran enlaces de hidrogeno. A la temperatura de
Curie de transforman de una estructura de desorden paraelectrica
a una estructura ferroelectrica ordenada.
• Los ferroelectricos duros: Incluyen oxidos formados a altas
temperaturas, BaTiO3, KNbO3 ….
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26. Policristalinos Ferroelectricos
• Por muchos años los materiales ferroelectricos fueron preparados de *rebanadas*
de cristales. Despues de el descubrimiento de el BaTiO3 el método fue
optimizado.
• 1.-Fabricar la forma requerida por poder normal de compactación y sinterizado
• 2.-Aplicar eléctricamente electrodos conductores en las dos superficies
perpendiculares en la dirección de polarización deseada.
• 3.-Calentar por encima de 120°C y aplicar un campo eléctrico suficiente entre los
electrodos para forzar a la mayoría de los dominios a alinearse paralelamente en
la dirección de el campo aplicado
• 4.-Enfriar la parte por debajo de la temperatura de Curie y remover el campo
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27. Aplicaciones
• 1.-Aplicación de una entrada eléctrica para estimular una una vibración
ultrasónica (alta frecuencia); transductores , micrófonos, limpiadores
ultrasónicos , relojes de cuarzo …
• 2.-Detectar y caracterizar una presión y/o movimiento generando una salida
eléctrica; hidrófono, acelerómetro, transductor ….
• 3.-Combinar 1 y 2 en un modo de eco para enviar vibraciones en cierto
material y recibir las deflectadas; sonar, imagen de ultrasonido, monitoreo de
sangre, mapeo de el suelo de los oceanos
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28. Aplicaciones
• 4.-Aplicar y controlar eléctricamente una entrada para causar la vibración de
un material a una frecuencia resonante; alarmas y tarjetas musicales
• 5.-Aplicar una fuerza mecánica y obtener alto voltaje para después
descargarlo en forma de chispa
• 6.-Aplicar una entrada eléctrica y obtener una deflexión o movimiento muy
sensible; tablas de rayos x, impresoras de tinta, microswitches, válvulas
sensitivas a la presión y compensación por distorsión térmica empleados en
las lentes de Telescopios
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29. Aplicaciones
• 7.-Decrecer la vibración convirtiéndola en una salida eléctrica ( control de
vibración activa) ; skies
• 8.-Otras; Transformadores, motores pizoelectricos (autofoco en las cámaras)
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