MATERIALES ELÉCTRICOS

MATERIALES
ELÉCTRICOS
Matos Vargas, Ricardo A.
1213110245
TECNOLOGÍA DE MATERIALES
ELÉCTRICOS
Ing. Walter Raúl Calderón
Cruz

INTRODUCCIÓN
 Hoy en día nuestra tecnología es mucho más avanzada comparar
con la tecnología de hace 50 años y es en esta época en la que
debemos aprovechar al máximo todos nuestros conocimientos y
experiencias en la mano, de eso se trata la tecnología de
materiales, es aplicar una tecnología (la más avanzada,
tecnología de punta) a un cierto material, mediante procesos
lógicos, exactos y bajo a lo que llamamos Normas Técnicas para
poder obtener un producto deseado y eficiente.
 Los materiales a usar, son productos de otros procesos también
regidos mediante otras Normas Técnicas, por ejemplo, el cobre
(Cu) para es obtenido mediante un proceso llamado refinamiento
de ahí a este material se le aplica la tecnología para tener algunos
productos tales como cables eléctricos, cables desnudos, bobinas,
etc.
 A los materiales los podemos dividir en tres clases: Los Materiales
Eléctricos Conductores, tales como el cobre (Cu), el aluminio (Al),
también pueden ser soluciones, gases; también están Los
Materiales Eléctricos Aislantes, donde se encuentran resinas,
cerámicas, mica, aceites de otros materiales; por último están Los
Materiales Eléctricos Magnéticos.

1- MATERIALES ELÉCTRICOS
CONDUCTORES.
 Materiales cuya resistencia al paso de la
corriente es muy baja.
 Un material aislante posee una resistencia
de hasta 1024
veces que un buen
material conductor.
 Sus propiedades generales son: las
eléctricas, las mecánicas y las fisico-
químicas.
 Se subdividen en conductores,
semiconductores y superconductores.

A) Propiedades Eléctricas de
los Materiales Conductores
 Resistencia eléctrica.
Constituye un índice de la oposición
que ofrece ante el paso de la corriente
eléctrica.
 Resistividad eléctrica.
Es la medida de una cantidad de
unidad de material dado.
 Conductividad eléctrica.
Es la inversa de la resistividad.

B) Propiedades Mecánica de
los Materiales Conductores
Por estar sometidos a esfuerzos
mecánicos, están las siguientes
propiedades:
 Coeficiente de trabajo a la tracción.
 Coeficiente de trabajo a la compresión.
 Coeficiente de trabajo a la flexión.
 Coeficiente de trabajo a la cortadura.
 Módulo de elasticidad.
 Dureza.

C) Propiedades Fisico-químicas
de los Materiales Conductores
 Calor específico.
Es la cantidad de calor necesaria para elevar la
unidad del cuerpo de la temperatura t1 a la temperatura t2.
 Conductividad térmica.
Facilidad que el material presenta al paso de calor.
 Coeficiente de conductividad térmica.
Es el número de calorías gramos que atraviesan
perpendicularmente, en un segundo, una superficie de un
centímetro cuadrado de una lámina que tenga un
centímetro de espesor y cuyas caras se mantengan a
temperaturas que difieran entre sí, un grado centígrado.
 Coeficiente de dilatación lineal.

Conductores.
 Es un cuerpo que presenta alta
conductividad y puede ser utilizado
como portador de corriente eléctrica.
 Los conductores se ven afectados por la
variación de la temperatura y por las
variaciones de esfuerzos mecánicos
durante el servicio.
 Pueden ser conductores sólidos, líquidos
(soluciones) o gaseosos.

Conductores-sólidos
Características Físicas.
 Opacos a espesores normales.
 Buena conductividad térmica y eléctrica.
 Buena dureza o resistencia a ralladuras.
 Resistencia longitudinal a la rotura.
 Elasticidad.
 Maleabilidad.
 Resistencia a la fatiga.
 Ductilidad.

Conductores-sólidos
Características Químicas.
 Forman óxidos básicos.
 Baja energía de ionización.
Características Eléctricas.
 Posee resistencia al flujo de electricidad.
 Elevada conductividad térmica.

Conductores-líquidos
En general el agua con sales tales
como cloruros, sulfuros y carbonatos, etc.,
son buenos conductores, debido a que las
sales actúan como agente reductores,
donante de electrones.

Conductores-gaseosos
En los gases la condición que implica
el paso de una corriente se conoce como
el fenómeno de descarga o "ruptura"
eléctrica del gas, paso de un
comportamiento no conductor (baja
corriente) a conductor.
 Tienden a adquirir electrones.
 Tienden a formar óxidos ácidos.

Conductores-Principales
Materiales
Conductor de Cobre.
 Cobre electrolítico.
 Cobre recocido.
 Cobre semiduro.
 Cobre duro.
Aleaciones de Cobre.
 Latón.
 Bronce.

TABLA 1-Comparación del tipo de cobre. Características
generales a 20 °C.
MATERIAL
COBRE
Conductivid
ad
%
Resistencia
absoluta
Ω ∙ 𝑚𝑚2
𝑚
Resistencia
mecánica
a la
tracción
𝐾𝑔
𝑚𝑚2
Módulo
de
elasticida
d
𝐾𝑔
𝑚𝑚2
Alargamien
to a la
rotura
%
Densidad
𝑔
𝑐𝑚3
Duro 96.5 0.01787 35 a 47 13.000 0.85 a 3.75 8.89
Recocido 100 0.017241 22 a 28 13.000 20 a 30 8.89

Materiales
Conductor de Aluminio.
 Los conductores de aluminios son
ampliamente utilizados hoy en día en
sistemas aéreos de transmisión y
distribución, así como en barras livianas y
en menos escala todavía, en sistemas de
baja tensión.

TABLA 2-Norma IRAM 2189
Elemento
Limite (%)
Aluminio. Mínimo 99.50
Hierro. Máximo 0.10
Cobre. Máximo 0.02
Silicio. Máximo 0.30
Titanio. Máximo 0.03
Otras impurezas. Máximo 0.03

Materiales
Conductor de Aluminio.
 Aleaciones de Aluminio.
TABLA 3-Aleaciones de Aluminio.
Designación
IRAM
Silicio (%) Hierro (%) Cobre (%)
Manganeso
(%)
Magnesio (%)
1601 0.30-0.60 0.50 0.10 0.03 0.35-0.80
1606 0.50-0.90 0.50 0.10 0.03 0.60-0.90

Materiales
Conductores de Aluminio-Acero.
 Aceros para uso eléctrico.
Se lo emplean como alma mecánica
de conductores tipo aluminio-acero y, en
menor escala, en conductores aleación de
aluminio-acero y cobre-acero, siendo más
bien estos últimos de uso excepcional.

Materiales
Conductores de Aluminio-Acero.
 Aceros para uso eléctrico.
TABLA 4-Características del cobre y aluminio.
Aluminio Cobre
A IGUAL CONDUCTIBIDAD ELECTRICA
Relación de las secciones 1.64 1
Relación de los diámetros 1.28 1
Relación de los pesos 0.50 1
Relación de las cargas a la rotura 0.78
1
A IGUAL CALENTAMIENTO
Relación de las secciones 1.405 1
A IGUAL SECCION
Relación de las conductividades 0.61 1

Semiconductores
En el grupo 4B de la tabla periódica se
encuentran los semiconductores elementales entre
los cuales está el germanio y el silicio.
Los semiconductores compuestos están
formados por elementos de los grupos 2B y 6B de la
tabla periódica (CdS, CdSe, CdTe, HgCdTe, etc.) y
se conocen como semiconductores II-VI (dos seis).
También pueden formarse al combinar
elementos de los grupos 3B y 5B de la tabla
periódica (GaN, GaAs, AlAs, Alp, Inp, etc.). Estos se
conocen como semiconductores III-V (tres cinco).

TABLA 5-Propiedades de semiconductores de uso común a temperatura ambiente
Semiconductor
Brecha
de
banda
(𝑒𝑉)
Movilidad
de
electrones
(𝜇 𝑛)
(
𝑐𝑚2
𝑉 − 𝑠
)
Movilidad
de
orificios
(𝜇 𝑝)
(
𝑐𝑚2
𝑉 − 𝑠
)
Constante
dieléctrica
(𝑘)
Resistividad
(Ω ∙ 𝑐𝑚)
Densidad
(
𝑔
𝑐𝑚2
)
Temperatura
de fusión
(°𝐶)
Silicio (Si) 1.11 1350 480 11.8 2.5x105 2.33 1415
Silicio amorfo
(a:Si:H)
1.70 1 10-2 ~11.8 1010 ~2.30 -
Germanio (Ge) 0.67 3900 1900 16.0 43 5.32 936
SiC (𝛼) 2.86 500 - 10.2 1010 3.21 2830
Arseniuro de
galio (GaAs)
1.43 8500 400 13.2 4x108 5.31 1238
Diamante ~5.50 1800 1500 5.7 >1018 3.52 ~3550

Semiconductores
Semiconductores extrínsecos.
 Al agregar intencionalmente un pequeño número
de átomos de impurezas al material
(procedimiento conocido como dopado o
adulteración), es posible producir un
semiconductor extrínseco.
 La conductividad del semiconductor extrínseco
depende principalmente de número de átomos
de impurezas, o dopante, y en cierto margen de
temperatura es independiente de la temperatura,
es la razón por la que casi siempre se usan
semiconductores extrínseco es para fabricar
dispositivos.

Semiconductores
Semiconductores de tipo n.
 Suponga que el silicio o que al germanio se agrega un átomo de
impurezas, por ejemplo de antimonio, que contiene una valencia y
cinco. Cuadro de los electrones del átomo de antimonio participan
en el proceso de enlace covalente, en tanto que del electrón
adicional entra a un nivel de energía justo por debajo de la banda
de conducción.
 Como del electrón adicional no está enlazado fuertemente a los
átomos, sólo se requiere de un pequeño aumento de energía, 𝐸 𝑑,
para que el electrón entre a la banda de conducción. Un dopante
tipo n “dona” un electrón libre de cada impureza agregada. La
brecha de energía que controla la conductividad es ahora 𝐸 𝑑 en
lugar de 𝐸𝑔.
 No se crearon orificios correspondientes cuando los electrones
donantes entrada a la banda de conducción. Será el caso de que
pares electrón-orificio son creados cuando la energía térmica hace
que los electrones sean promovidos a la banda de conducción
desde la banda de valencia; no obstante, el número de pares de
electrón-orificio es de importancia sólo de altas temperaturas.

Semiconductores
Semiconductores de tipo p.
 Cuando al Si o al Ge se le agrega una impureza de galio
pode boro, y tienen una valencia de tres, no hay
suficientes electrones para completar el proceso de
enlace covalente. Se crea un orificio en la banda de
valencia a quien puede ser llamado por electrones
desde otros lugares de la banda.
 Los orificios a actuar como “aceptantes” de electrones.
Estos lugares de orificios tienen una energía un poco
más alta de lo normal y crear un nivel aceptable de
posibles energías de electrones justo arriba de la banda
de valencia.
 Un electrón debe ganar un energía de sólo 𝐸 𝑎 para
crear un orificio que la banda de valencia. El orificio
entonces porta energía. Éste se conoce como
semiconductor tipo p.

Semiconductores-Aplicaciones
 Fabricación de diodos, transistores, láseres,
LED’s.

AISLANTES
 Se denomina material aislante eléctrico a
toda sustancia de tan baja conductividad
eléctrica, que el paso a través de ella puede
ser despreciado. La pequeña corriente que
pasa a través del aislante se denomina
corriente de fuga y la intensidad de esta que
puede ser tolerada, determinará la clase de
material que puede utilizarse.
 También se les denomina dieléctricos.

AISLANTES
Cumplen 2 misiones fundamentales:
 Permitir aislar eléctricamente los conductores
entre sí y estos mismos conductores respecto
a tierra o a una masa metálica.
 Modificar, en gran proporción el campo
eléctrico que los atraviesa.

Tipos de Materiales Aislantes
 Materiales cerámicos.
 Materiales aislantes a base de mica.
 Materiales aislantes celulósicos y textiles.
 Elastómeros.
 Siliconas.
 Aceites.
 Plásticos (Polímero).
 Baquelita (Polímero).
 Lubricantes.

Clasificación de los Materiales
Aislantes
 Un criterio muy interesante para clasificar los
materiales aislantes y que ha sido adoptado
universalmente, es el que hace referencia a
la temperatura máxima de funcionamiento
continuo que puede alcanzar un material
aislante determinado.
 Iniciada en Estados Unidos por la A.I.E.E
(American Institute of Electrical Engineers) y
de adoptada posteriormente por la C.E.I.
(Comisión Electrotecnia Internacional),
estableciendo varias clases térmicas.

Aislantes
Clase Y (trabajo bajo los 90 °C)
 Algodón.
 Seda.
 Papel sin impregnación.
 Polietileno reticulado.
 Cartones aislantes sin impregnar fibra
vulcanizada.
 Madera, etc.

Clase A (trabajo bajo los 105 °C)
 Algodón, seda, papel, impregnados o
sumergidos en dieléctrico líquido.
 Materiales moldeados o estratificados con
relleno de celulosa.
 Láminas y hojas de acetato de celulosa y
otros derivados de celulosa de propiedades
semejantes.
 Fibra vulcanizada y madera,
convenientemente impregnadas.
 Policloruro de vinilo.
 Barnices aislantes a base de resinas naturales,
asfaltos naturales y fenólicos modificados.

Clase E (trabajo bajo los 120 °C)
 Esmaltes a base de acetato de polivinilo,
esmaltados cubiertos con fibras naturales o
artificiales.
 Papel baquelizado, películas de tereftalato
de polietileno. Fenólicas u otras resinas de
características semejantes.
 Moldeados y estratificados con base de
algodón o papel y resinas.
 Barnices de resinas alquidicas.

Clase B (trabajo bajo los 130 °C)
 Esmaltes a base de resinas de poliuretanos.
 Tejidos de vidrio y de amianto impregnados
con barnices de resinas sintéticas y de aceite.
 Mica y papel de mica aglomerada con
goma laca, compuestos asfálticos y resinas
alquidicas.
 Aislamiento de caucho etileno-propileno.
 Moldeados y estratificados de amianto y fibra
de vidrio con resinas fenólicas, de melanina,
epoxidicas o de poliéster.
 Tejidos de vidrio-amianto.
 Arniches de resinas de melanina, epoxidicas y
de poliéster.

Clase F (trabajo bajo los 155 °C)
 Tejido de fibra de vidrio al tratado con resinas
de poliéster.
 Militar y papel de mica, aglomerada con
resinas de poliéster o con resinas epoxidicas.
 Estratificados a base de tejido de vidrio y
resinas epoxidicas de gran resistencia térmica.
 Estratificado amianto-vidrio.

Clase H (trabajo bajo los 180 °C)
 Aislamiento de elastómeros de siliconas.
 Tejidos de fibra de vidrio, aglomerados con
resinas de siliconas.
 Unidad y papel de mica, aglomerados con
siliconas.
 Estratificados de fibra de vidrio y resinas de
siliconas.
 Barnices es aislantes a base de resinas
siliconas.

Clase C (trabajo superior a los 180 °C)
 Aislamiento de elastómeros de siliconas.
 Tejidos de fibra de vidrio, aglomerados con
resinas de siliconas.
 Unidad y papel de mica, aglomerados con
siliconas.
 Estratificados de fibra de vidrio y resinas de
siliconas.
 Barnices es aislantes a base de resinas
siliconas.

TABLA 6-CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES AISLANTES UTILIZADOS EN
ELECTROTECNIA
Clases de aislamiento Y A E B F H C
Temperatura ambiente °C 40 40 40 40 40 40 40
Sobre elevación máxima de temperatura °C 45 60 75 80 100 125 Mayor
a 125
Diferencia máxima entre el punto más
caliente y el bobinado o sistema conductor
5 5 5 10 15 15 15
Temperatura límite °C 90 105 120 130 155 180 Mayor
a 180

Especificaciones Técnicas de
los Materiales Aislantes
Especificaciones Técnicas Mecánicas.
 Resistencia a la tracción.
 Resistencia a la compresión.
 Resistencia a la flexión.
 Resistencia a la cortadura.
 Resistencia al choque.
 Dureza.
 Límite elástico.
 Maquinabilidad.

Especificaciones Técnicas Térmicas.
 Calor específico.
 Conductividad térmica.
 Inflamabilidad.
 Temperatura de seguridad.
Especificaciones Técnicas Físicas.
 Peso específico.
 Porosidad.
 Higroscopicidad.

Especificaciones Técnicas Químicas.
 Resistencia al Ozono.
 Resistencia a la luz solar.
 Resistencia a los ácidos alcalinos.
 Resistencia a los aceites.

MAGNÉTICOS
 Estrictamente hablando, no existe ningún
material “no magnético”. Todo está formado
por átomos; los átomos están formados por
electrones que giran alrededor de los átomos,
igual que una espira portadora de corriente
que genera un campo magnético.
 Entonces, toda la materia responde a un
campo magnético. La forma en que se mide
la escala de esta respuesta de electrones y
átomos de un material determina si éste es
muy magnético o poco magnético.

Magnéticos
 Diamagnetismo.
Un átomo magnético que actúa sobre
cualquier átomo induce polo magnético para
todo el átomo, al influir en el campo
magnético causado por los electrones órbitas.
Estos dipolos se oponen al campo magnético
haciendo que la magnetización sea menor a
cero.

 Paramagnetismo.
Cuando los materiales que de electrones
impares, a cada átomo se asocia un momento
magnético neto debido al giro de los
electrones. Al aplicarse en campo magnético,
los dipolos quedan alineados con el campo,
causando una magnetización positiva. Cuando
los dipolos no interactúan, se requieren campos
magnéticos extremadamente grandes para
alinear todos dipolos. Además, el efecto se
pierde tan pronto como se retira de campo
magnético.

 Ferromagnetismo.
Es causado por los niveles de energía no
totalmente ocupados en el nivel 3d del hierro,
el níquel y el cobalto. También se observa un
comportamiento similar en otros materiales,
incluyendo el gadolinio (Gd). En materiales
ferromagnéticos, los dipolos impares
permanentes quedan alineados con facilidad
con el campo magnético impuesto debido a la
interacción de intercambio, por refuerzo mutuo
de los dipolos. Se obtienen grandes
magnetizaciones, incluso para campos
magnéticos pequeños, dando grandes
susceptibilidades que se aproximan a 106.

 Antiferromagnetismo.
En materiales como el manganeso, el
cromo, el MnO y el NiO, los momentos
magnéticos producidos en dipolos acá nos
quedan alineados en oposición a algún otro en
el campo magnético, incluso sin la fuerza de
cada dipolo es muy alta.

 Ferrimagnetismo.
En materiales cerámicos, diferentes iones
tienen distintos momentos magnéticos. En un
campo magnético, los dipolos del catión A pueden
alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del
catión B se oponen al campo. Pero, debido a que
la intensidad o el número de dipolos no son iguales,
resulta una magnetización neta.
Los materiales ferrimagnéticos pueden dar
buena amplificación del campo impuesto. La
mayor parte de los materiales ferrimagnéticos son
cerámicos y buenos aislantes de la electricidad.
Entonces, en estos materiales, las pérdidas eléctricas
(conocidas como pérdidas por corrientes parásitas)
son mucho menores en comparación con las de los
materiales ferromagnéticos metálicos. Es por esto
que las ferritas se utilizan en numerosas aplicaciones
de alta frecuencia.

 Superparamagnetismo.
Cuando el tamaño de grano de los
materiales ferromagnéticos y de los
ferrimagnéticos disminuye por debajo de cierto
tamaño crítico, estos materiales se comportan
como si fueran paramagnéticos. La energía del
dipolo magnético de cada partícula se vuelve
comparable a la energía térmica. Este
pequeño momento magnético cambia su
dirección de manera aleatoria (como resultado
de la energía térmica). Es por eso que el
material se comporta como si no tuviera un
momento magnético neto.

Aplicaciones de los Materiales
Magnéticos
 Materiales magnéticos blandos.
Los materiales ferromagnéticos se utilizan
con frecuencia para mejorar la densidad del
flujo magnético (B) producida cuando se hace
pasar una corriente eléctrica por el material.
Entonces espera que el campo magnético
realice trabajo. Entre sus aplicaciones se
deben mencionar los núcleos para
electroimanes, los motores eléctricos, los
transformadores, los generadores y otros
equipos eléctricos.

TABLA 7-Propiedades de materiales magnéticos blando seleccionados
Nombre Composición Permeabilidad 𝜇 𝑟 Coercitividad
𝐻𝑐(𝐴 ∙ 𝑚−1)
Retentividad
𝐵𝑟(𝑇)
𝐵 𝑚á𝑥
(𝑇)
Resistividad (𝜇Ω ∙
𝑚)
Inicial Máxima
Hierro en lingotes 99.8% Fe 150 5 000 80 0.77 2.14 0.10
Acero al bajo
carbono
99.5% Fe 200 4 000 100 2.14 1.12
Hierro al silicio, sin
orientación
Fe-3% Si 270 8 000 60 2.01 0.47
Hierro al silicio, de
grano orientado
Fe-3% Si 1 400 50 000 7 1.20 2.01 0.50
Aleación 4750 Fe-48% Ni 11 000 80 000 2 1.55 0.48
Permalloy 4-79 Fe-4% Mo-79% Ni 40 000 200 000 1 0.80 0.58
Superalloy Fe-5% Mo-80% Ni 80 000 450 000 0.4 0.78 0.65
Permendur 2-V Fe-2% V-49% Co 800 450 000 0.4 0.78 0.65
Supermendur Fe-2% V-49% Co 100 000 16 2.00 2.30 0.40
Metglasa 2650SC Fe81B13.5Si3.5C2 300 000 3 1.46 1.61 1.35
Metglasa 2650S-2 Be78B13S9 600 000 2 1.35 1.56 1.37
Ferrita MnZn H5C2b 10 000 7 0.09 0.40 1.5x105
Ferrita MnZn H5Eb 18 000 3 0.12 0.44 5x104
Ferrita NiZn K5b 290 80 0.25 0.33 2x1012
aMarca registrada de Allied Corporation.
bCódigo de ferrita TDK.

 Materiales para almacenamiento de datos.
Los materiales magnéticos utilizan para el
almacenamiento de datos. Se almacena la
memoria magnitud Santo un material incierta
dirección. Por ejemplo, si el polo “norte” está
activo, el bit de información almacenada es
igual a 1. Si el polo “norte” no está activo,
entonces lo que se almacena es un 0. Para es
la aplicación, son preferibles los materiales con
un ciclo de histéresis cuadrado, una
permanencia baja, una magnetización por
saturación también baja y un campo
coercitivo reducido.

 Imanes permanentes.
Los materiales magnéticos utilizan para la
fabricación de imanes permanentes de gran
potencia. Los imanes permanentes poderosos,
ya veces se denominan imanes duros,
requiriendo siguiente:
1. Al remanencia (dominios estables).
2. Alta permeabilidad.
3. Alto campo coercitivo.
4. Ciclo de histéresis grande.
5. Alta potencia (o elevado productor
BH).

TABLA 8-Propiedades de materiales magnéticos seleccionados duros, o
permanentes.
Material Nombre común 𝜇0 𝑀𝑟
(𝑇)
𝜇0 𝐻𝑐
(𝑇)
(𝐵𝐻) 𝑚á𝑥
(𝐾𝐽 ∙ 𝑚−3
)
𝑇𝑐
(°𝐶)
Fe-Co Acero Co 1.07 0.02 6 887
Fe-Co-Al-Ni Alnico-5 1.05 0.06 44 880
BaFe12O19 Ferrita 0.42 0.31 34 469
SmCo5 Sm-Co 0.87 0.80 144 723
Nd2Fe14B Nd-Fe-B 1.23 1.21 290-445 312

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