Unidad 7. Materiales eléctricos y magnéticos

1. 7.1 CONDUCCIÓN ELÉCTRICA

2. La conducción eléctrica es el movimiento de
partículas eléctricamente cargadas a través de un (conductor
eléctrico). El movimiento de las cargas constituye una corriente
eléctrica. El transporte de las cargas puede ser a consecuencia de la
existencia de un campo eléctrico, o debido a un gradiente de
concentración en la densidad de carga, o sea, por difusión. Los
parámetros físicos que gobiernan este transporte dependen del
material en el que se produzca.
La conducción en metales y resistencias está bien descrita por
la Ley de Ohm, que establece que la corriente es proporcional al
campo eléctrico aplicado.

3. La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de
algunas partículas subatómicas que se manifiesta
mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de
campos electromagnéticos.
La materia cargada eléctricamente es influida por los campos
electromagnéticos, siendo, a su vez, generadora de ellos.
La denominada interacción electromagnética entre carga y campo
eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de
la física.

4. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga
eléctrica es una medida de la capacidad que posee una
partícula para intercambiar fotones.
Una de las principales características de la carga eléctrica es
que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema
aislado siempre se conserva.
Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y
negativas no varía en el tiempo.

5. En un átomo, los electrones están girando alrededor del
núcleo formando capas. En cada una de ellas, la energía que
posee el electrón es distinta. En efecto; en las capas muy
próximas al núcleo, la fuerza de atracción entre éste y los
electrones es muy fuerte, por lo que estarán fuertemente
ligados.
Ocurre lo contrario en las capas alejadas, en las que los
electrones se encuentran débilmente ligados, por lo que
resultará más fácil realizar intercambios electrónicos en las
últimas capas.

6. En un átomo, los electrones están girando alrededor del núcleo
formando capas. En cada una de ellas, la energía que posee el
electrón es distinta. En efecto; en las capas muy próximas al núcleo,
la fuerza de atracción entre éste y los electrones es muy fuerte, por
lo que estarán fuertemente ligados.
Ocurre lo contrario en las capas alejadas, en las que los electrones
se encuentran débilmente ligados, por lo que resultará más fácil
realizar intercambios electrónicos en las últimas capas.

7. El hecho pues, de que los electrones de un átomo tengan
diferentes niveles de energía, nos lleva a clasificarlos por el
nivel energético (o banda energética) en el que se
encuentra cada uno de ellos, Las bandas que nos interesa a
nosotros para entender mejor el comportamiento del
átomo son:
La Banda de Valencia.
La Banda de Conducción.

8. La Banda de Valencia es un nivel de energía en el que se realizan
las combinaciones químicas. Los electrones situados en ella,
pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se
atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por
varios átomos, formando moléculas.
La Banda de conducción es un nivel de energía en el cual los
electrones están aún más desligados del núcleo, de tal forma que,
en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda)
están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden
desplazarse por este formando una nube electrónica.

9. Los conductores de electricidad son aquellos materiales que
transportan la energía de un lugar a otro.
Estos materiales son el metal, agua, árboles, tierra húmeda
y piel humana (especialmente cuando está mojada).

10. Un aislante eléctrico, es un material que impide el paso de
la electricidad. Esto es posible ya que el material en
cuestión no conduce la electricidad (rechaza el flujo de la
corriente).
En un aislante eléctrico, las cargas tienen dificultades para
movilizarse; en los conductores eléctricos, en cambio,
dichas cargas se desplazan con gran facilidad.

11. Un semiconductor es un material aislante que, cuando se le
añaden ciertas sustancias o en un determinado contexto, se
vuelve conductor. Esto quiere decir que, de acuerdo a
determinados factores, el semiconductor actúa a modo de
aislante o como conductor.
Los semiconductores pueden ser:
Intrínsecos o Extrínsecos.

12. Los semiconductores intrínsecos (que también se conocen
como semiconductores extremadamente puros) son
cristales que, a través de enlaces covalentes entre los
átomos, desarrollan una estructura de tipo tetraédrico A
temperatura de ambiente, estos cristales tienen electrones
que absorben la energía que necesitan para pasar a la
banda de conducción, quedando un hueco de electrón en la
banda de valencia.

13. Los semiconductores extrínsecos, por su parte, son
semiconductores intrínsecos a los que les agregan
impurezas para lograr su dopaje (así se conoce el resultado
del proceso que se lleva a cabo para modificar las
propiedades eléctricas de un semiconductor).

14. Un material compuesto es aquel formado por dos o más
componentes, de forma que las propiedades del material final sean
superiores que las de los componentes por separado.
Este tipo de materiales se componen de:
 Matriz: configura geométricamente la pieza, da cohesión al
material, suele ser flexible y poco resistente y transmite los
esfuerzos de unas fibras a otras.
 Refuerzo: aporta rigidez y resistencia

15. El comportamiento óptico de los materiales se relaciona
con la interrelación entre un material y las radiaciones
electromagnéticas en forma de ondas o partículas de
energía, conocidas como fotones.
Estas radiaciones pueden tener características que entren
en nuestro espectro de luz visible, o ser invisibles para el
ojo humano. Esta interacción produce una diversidad de
efectos, como absorción, transmisión, reflexión, refracción y
comportamiento electrónico.

16. La luz visible es una de las formas como se desplaza la energía. Las
ondas de luz son el resultado de vibraciones de campos eléctricos y
magnéticos, y es por esto que son una forma de radiación
electromagnética (EM). La luz visible es tan sólo uno de los muchos
tipos de radiación EM, y ocupa un pequeño rango de la totalidad
del espectro electromagnético.
Sin embargo, podemos percibir la luz directamente con nuestros
ojos, y por la gran importancia que tiene para nosotros, elevamos
la importancia de esta pequeña ventana en el espectro de rayos
EM.

17. Las propiedades ópticas de los materiales son las que se
ponen de manifiesto al incidir sobre ellos la
luz. Las propiedades ópticas y/o estéticas se pueden definir
también como aquellas que se perciben con el sentido de la
vista.

18. Se denomina sistema óptico a un conjunto de superficies
que separan medios con distintos índices de refracción.
Estas superficies pueden ser refractantes o espejos, pero no
tienen por qué ser de revolución ni presentar ningún tipo
de alineación.
Con frecuencia nos encontramos con sistemas formados
por superficies esféricas,1​con sus centros de curvatura
situados sobre una misma recta llamada eje del
sistema o eje óptico.

19. A estos sistemas se les denomina sistemas ópticos centrados,
aunque con frecuencia se omite este último adjetivo al referirse a
ellos.
Los sistemas ópticos pueden clasificarse en:
 Dióptricos, si están formados sólo por superficies refractantes.
 Catóptricos, si lo están sólo por espejos.
 Catadióptricos, si están formados por unos y otros.

20. Los semiconductores son elementos que tienen una
conductividad eléctrica inferior a la de un conductor
metálico pero superior a la de un buen aislante.
El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el
elemento más abundante en la naturaleza, después del
oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el
selenio.

21. Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un
aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la
energía térmica.
En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos,
aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la
energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo
tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es
cero.
La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la
derecha (del terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la
izquierda.

22. La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones
libres a circular hacia la derecha (del terminal negativo de la
pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.

23. Los semiconductores extrínsecos se obtienen mediante un proceso
conocido como dopaje y que consiste en la introducción de
impurezas (dopantes) de forma controlada en semiconductores
intrínsecos.
En función del dopante utilizado se puede obtener
semiconductores tipo P (positivos) o semiconductores tipo N
(negativos)

24. Se definen como aquellos compuestos iónicos que pueden
impurificarse o doparse con átomos aniónicos siendo un
tipo p, o con átomos en exceso catiónico siendo uno n.

25. Son fuertemente covalentes, consiste en elementos
dispuestos en forma simétrica en el grupo IV de la tabla
periódica.
También los comprenden algunos elementos entre los
grupos IV y VI, como los PbS, PbTe, PbSe y entre los grupos
II y IV, como los de CdS, ZnS, CdTe y ZnO.

26. El magnetismo o energía magnética es un fenómeno natural por el cual los
objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay
algunos materiales conocidos que tienen propiedades magnéticas detectables
fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se
llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o
menor forma, por la presencia de un campo magnético.
El magnetismo se da particularmente en los cables de electromatización. Líneas
de fuerza magnéticas de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro
sobre papel.
El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente
como uno de los 2 componentes de la radiación electromagnética, como por
ejemplo, la luz.

28. El magnetismo o energía magnética es un fenómeno natural por el
cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre
otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que tienen
propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel,
hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman
imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o
menor forma, por la presencia de un campo magnético.
El magnetismo se da particularmente en los cables de electro
matización. Líneas de fuerza magnéticas de un imán de barra,
producidas por limaduras de hierro sobre papel.

29. Son aquellos materiales que pueden ser magnetizados
permanentemente al aplicarle un campo magnético externo tal
como un imán natural o un electro imán.
El ferromagnetismo es un fenómeno que no se debe sólo a
propiedades atómico-moleculares sino que es un efecto colectivo
que requiere una estructura sólida.
Los materiales ferromagnéticos son elementos de transición, con
una configuración en sus átomos que favorece la interacción entre
los dipolos magnéticos, los cuales se alinean paralelamente dentro
de zonas que se llaman dominios.

30. El ferrimagnetismo es un fenómeno físico en el que se
produce ordenamiento magnético de los momentos magnéticos de
una muestra de modo que todos los momentos magnéticos están
alineados en la misma dirección pero no en el mismo sentido. Así
que algunos de ellos están opuestos y se anulan entre sí, en parte o
completamente.
Sin embargo estos momentos magnéticos que se pueden anular
están distribuidos aleatoriamente y no consiguen anular por
completo la magnetización espontánea.

31. Imanes metálicos producidos mediante fundición compuestos de
una aleación de Aluminio (Al)-Níquel (Ni)-Cobalto (Co). Son
magnetizados aniso trópicamente con lo cual se consigue que
todas las partículas cristalinas que los forman estén orientadas en
la misma dirección, obteniendo elevados valores magnéticos.
Características:
 Elevada inducción.
 Capacidad para trabajar a elevadas temperaturas.
 Difícil mecanizado a causa de su gran dureza.

32. El imán cerámico está compuesto de óxido de hierro, ferrita de
estroncio así como pequeñas cantidades de otros óxidos metálicos.
Características de los imanes metálicos:
 Bajo coste, material ligero, de alta energía
 No conductor, material duro y quebradizo
 Trabaja mejor a temperaturas inferiores a 249ºC
 Sólo se puede cortar con un disco de diamante
 La tolerancia de +/- 2% en D.E. Largo y ancho. +/- 0.1 mm en el
espesor.