breve descripción de materiales cerámicos aplicados a ingeniería.

1. CONTENIDO DEL CAPÍTULO
Densidad
4.1.2 Expansión térmica
4.1.3 Características de fusión
4.2 Propiedades térmicas
4.2.1 Calor específico y conductividad térmica
4.2.2 Propiedades térmicas en la manufactura
4.3 Difusión de masa
4.4 Propiedades eléctricas
4.4.1 Resistividad y conductividad
4.4.2 Clases de materiales según sus propiedades eléctricas
4.5 Procesos electroquímicos
Laspropiedadesfísicas,estetérminoesusadocomúnmenteparadefinirelcomportamiento
de los materiales en respuesta a fuerzas físicas distintas de las mecánicas. Incluyen las
propiedades volumétricas, térmicas, eléctricas y electroquímicas. Los componentes de
un producto deben hacer más que tan sólo soportar los esfuerzos mecánicos. Deben
conducir la electricidad (o impedir su conducción), permitir la transferencia de calor
(o su escape), transmitir la luz (o bloquear su transmisión), y satisfacer muchas otras
funciones.
Las propiedades físicas son importantes en la manufactura porque es frecuente que
influyan en el rendimiento del proceso. Por ejemplo, las propiedades térmicas del material
de trabajo en el maquinado determinan la temperatura de corte, lo que afecta el tiempo
que puede usarse la herramienta antes de que falle. En la microelectrónica, las propiedades
eléctricas del silicio y la forma en la que lo alteran distintos productos químicos y procesos
físicos, forman la base de la manufactura de los semiconductores.
En este capítulo se estudian las propiedades físicas más importantes para la manu-
factura —propiedades que se encontrarán en capítulos posteriores del libro—. Se dividen
en categorías grandes tales como volumétricas, térmicas, eléctricas, etcétera. También se
relaciona estas propiedades con la manufactura, como en el capítulo anterior se hizo con
las propiedades mecánicas.
4.1 Propiedades volumétricas y de fusión
4.1.1
PROPIEDADES FÍSICAS
DE LOS MATERIALES

2. 4.1 PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS Y DE FUSIÓN
Estas propiedades se relacionan con el volumen de los sólidos y la manera en que las afecta
la temperatura. Incluyen la densidad, expansión térmica y punto de fusión. Se explican a
continuación y en la tabla 4.1 se da una lista de valores típicos para materiales seleccionados
de la ingeniería.
4.1.1 Densidad
En la ingeniería,la densidad de un material es su peso por unidad de volumen.Su símbolo es
r, y las unidades comunes son g/cm3
(lb/in3
). La densidad de un elemento está determinada
por su número atómico y otros factores tales como el radio atómico y la manera en la
que sus átomos se compactan. El término gravedad específica expresa la densidad de un
material en relación con la densidad del agua y por tanto es una razón adimensional.
La densidad es una consideración importante en la selección de un material para
una aplicación dada, pero generalmente no es la única propiedad de interés. La resistencia
también es importante, y con frecuencia las dos propiedades se relacionan con una razón
resistencia a peso, que es la resistencia a la tensión del material dividida entre su densidad.
La razón es útil para comparar materiales para aplicaciones estructurales en los aviones,
automóviles y otros productos en los que el peso y la energía importan.
TABLA 4.1 Propiedades volumétricas en unidades tradicionales de Estados Unidos para materiales
seleccionados de la ingeniería.
Coeficiente de expansión
térmica, αDensidad, ρ, Punto de fusión, Tm
Material g/cm3
lb/in3
°C− 1
× 10− 6
°F− 1
× 10− 6
°C °F
Metales
Aluminio 2.70 0.098 24 13.3
Cobre 8.97 0.324 17 9.4
Fierro 7.87 0.284 12.1 6.7
Plomo 11.35 0.410 29 16.1
Magnesio 1.74 0.063 26 14.4
Níquel 8.92 0.322 13.3 7.4
Acero 7.87 0.284 12 6.7 a a
Estaño 7.31 0.264 23 12.7
Tungsteno 19.30 0.697 4.0 2.2
Zinc 7.15 0.258 40 22.2
Cerámicos
Vidrio 2.5 0.090 1.8–9.0 1.0–5.0
Alúmina 3.8 0.137 9.0 5.0 ND ND
Sílice 2.66 0.096 ND ND
Polímeros
Resinas fenólicas 1.3 0.047 60 33
Nailo 1.16 0.042 100 55
Teflón 2.2 0.079 100 55
Caucho natural 1.2 0.043 80 45
Polietileno:
Baja densidad 0.92 0.033 180 100
Alta densidad 0.96 0.035 120 66
Poliestireno 1.05 0.038 60 33
Compilado de las referencias [2], [4], [5], [6] y otras fuentes.
a Las características de fusión del acero dependen de su composición.
b Se ablandan a temperaturas elevadas y no tienen un punto de fusión bien definido.
c
Se degradan químicamente a temperaturas elevadas. ND = no disponible; el valor de la propiedad para este material podría no ser obtenido.
660
1 083
1 220
1 981
1 539 2 802
327 621
650 1 202
1 455 1 651
232 449
3 410 6 170
420 787
b b
b b
c c
b b
b b
b b
b b
b b
b b

3. 4.1.2 Expansión térmica
La densidad de un material es función de la temperatura. La relación general es que la
densidad disminuye con el aumento de temperatura. Dicho de otra forma, el volumen por
unidad de peso se incrementa con la temperatura. Expansión térmica es el nombre que se
da a este efecto que la temperatura tiene sobre la densidad. Por lo general se expresa como
coeficiente de expansión térmica,que mide el cambio de longitud por grado de temperatura,
como mm/mm/°C (in/in/°F). Es una razón de longitud en vez de una de volumen, debido
a que es más fácil de medir y aplicar. Es consistente con la situación habitual en el diseño
en la que los cambios de dimensión tienen más interés que los volumétricos. El cambio de
longitud correspondiente a un cambio dado de temperatura lo da la ecuación:
L2
– L1
= aL1
(T2
– T1
) (4.1)
donde α es el coeficiente de expansión térmica, °C–1
(°F–1
); y L1
y L2
son longitudes, mm (in),
que corresponden, respectivamente, a las temperaturas T1
y T2
, °C (°F).
Los valores del coeficiente de expansión térmica dados en la tabla 4.1 sugieren que
éste tiene una relación lineal con la temperatura. Eso únicamente es una aproximación.
No sólo la longitud es afectada por la temperatura, sino que el coeficiente de expansión
térmica en sí también se ve afectado. Para ciertos materiales, se incrementa con la tempera-
tura; para otros, disminuye. En general, esos cambios no son lo bastante significativos para
prestarles mucha atención, y valores como los de la tabla son muy útiles en los cálculos del
diseño para el rango de temperaturas de servicio. Los cambios en el coeficiente son más
sustanciales cuando el metal pasa por una fase de transformación, por ejemplo de sólido a
líquido, o de una estructura cristalina a otra.
En las operaciones de manufactura, la expansión térmica tiene un buen uso en el
ajuste por contracción y en los ensambles de ajuste por expansión (véase la sección 33.3.2),
en los que un elemento se calienta para incrementar su tamaño o se enfría para disminuir-
lo, a fin de permitir su inserción en alguna otra parte. Cuando el elemento regresa a la tem-
peratura ambiente, se obtiene un ensamble con ajuste muy estrecho. La expansión térmica
puede ser un problema en el tratamiento térmico (véase el capítulo 27) y en las soldaduras
por fusión (véase la sección 31.6.1) debido a las fuerzas térmicas que se presentan en el
material durante esos procesos.
4.1.3 Características de fusión
Para un elemento puro, el punto de fusión, Tm
, es la temperatura a la que el material pasa
del estado sólido al líquido. La transformación inversa, de líquido a sólido, ocurre a la mis-
ma temperatura y se denomina punto de enfriamiento. Para elementos cristalinos, como
los metales, las temperaturas de fusión y enfriamiento son las mismas. A esa temperatura,
con objeto de efectuar la transformación de sólido a líquido se requiere cierta cantidad de
energía calorífica, llamada calor de fusión.
La fusión de un elemento metálico a una temperatura específica, como se ha descrito
aquí, supone condiciones de equilibrio. En la naturaleza hay excepciones; por ejemplo,
cuando se enfría un metal fundido, permanece en estado líquido por debajo de su punto de
enfriamiento si la formación de núcleos de cristales no se inicia de inmediato. Cuando esto
pasa, se dice que el líquido está superfrío.
Hay otras variaciones en el proceso de fusión, para materiales distintos, hay diferen-
cias en la forma de fusión. Por ejemplo, a diferencia de los metales puros, la mayor parte de
aleaciones metálicas no tienen un solo punto de fusión. En vez de ello, la fusión comienza
a cierta temperatura, llamada solidus, y continúa conforme la temperatura aumenta hasta
que por último se convierten por completo al estado líquido a una temperatura denominada li-
quidus.Entre las dos temperaturas,la aleación es una mezcla de metales sólidos y fundidos,la

4. cantidad de cada uno de los cuales es inversamente proporcional a sus distancias relativas
a cada uno de los puntos. Aunque la mayoría de aleaciones se comportan de esta manera,
las excepciones son las aleaciones eutécticas que se funden (y congelan) a una temperatura
única. En el capítulo 6 se estudian estos temas en el análisis de los diagramas de fase.
Otra diferencia en la fusión ocurre en los materiales no cristalinos (vidrios). En ellos
hay una transición gradual de los estados sólidos a los líquidos. El material sólido se suavi-
za en forma gradual conforme la temperatura aumenta, por último se hace líquido en el
punto de fusión. Durante el ablandamiento, el material tiene una consistencia de plastici-
dad creciente (cada vez más como un fluido) según se acerca al punto de fusión.
En la figura 4.1 se ilustran estas diferencias en las características del punto de fusión
para los metales puros, aleaciones y vidrio. Las gráficas muestran cambios en la densidad
como función de la temperatura para tres materiales hipotéticos: un metal puro, aleación y
vidrio. En la figura está graficado el cambio volumétrico, que es el recíproco de la densidad.
Es obvia la importancia que tiene la fusión en la manufactura. En la fundición de me-
tal (véanse los capítulos 10 y 11), el metal se funde y luego se vierte en la cavidad de un mol-
de. Los metales con puntos de fusión bajos por lo general son más fáciles de fundir, pero si
la temperatura de fusión es demasiado baja, el metal pierde su aplicabilidad como material
de ingeniería. Las características de fusión de los polímeros son importantes en el moldeo de
plásticos y otros procesos de dar forma a polímeros (véase el capítulo 13). El sinterizado
de metales y cerámicas pulverizados requiere el conocimiento de los puntos de fusión. El
sinterizado no funde los materiales, pero las temperaturas que se usan en el proceso deben
acercarse al punto de fusión a fin de lograr la unión requerida de los polvos.
4.2 PROPIEDADES TÉRMICAS
Gran parte de la sección anterior tiene que ver con los efectos de la temperatura sobre
las propiedades volumétricas de los materiales. Ciertamente, la expansión térmica, fusión
y temperatura de fusión son propiedades térmicas porque la temperatura determina el
nivel de energía térmica de los átomos, lo que lleva a cambios en los materiales. En esta
sección se examinan varias propiedades térmicas adicionales —las que se relacionan con el
almacenamiento y flujo del calor dentro de una sustancia.Las propiedades usuales de interés
son el calor específico y la conductividad térmica, algunos de cuyos valores se encuentran
en la tabla 4.2, para materiales seleccionados.
Temperatura
Volumenespecífico
(Densidad)1
Temperatura de
transición vítrea
Vidrio
Aleación
sólida
Metal puro sólido
Líquido
Liquidus (aleación)
Mezcla de aleación
sólida y líquida
Solidus (aleación)
Punto de fusión (metal puro)
FIGURA 4.1 Cambios de
volumen por unidad de peso
(1/densidad) como función
de la temperatura para
un metal puro hipotético,
aleación y vidrio; todos
muestran características
similares de expansión
térmica y fusión.

5. 4.2.1 Calor específico y conductividad térmica
El calor específico C de un material se define como la cantidad de energía calorífica reque-
rida para incrementar la temperatura de una unidad de masa del material en un grado. En
la tabla 4.2 se enlistan algunos valores comunes.A fin de determinar la cantidad de energía
necesaria para calentar cierto peso de metal en un horno a una temperatura alta dada, se
emplea la ecuación siguiente:
H = C W(T2
−T1
) (4.2)
donde H es la cantidad de energía calorífica, J (Btu); C es el calor específico del material,
J/kg °C (Btu/lb °F); W es su peso, kg (lb) y (T2
– T1
) es el cambio de temperatura, °C (°F).
Es frecuente que sea de interés la capacidad de almacenamiento calorífico volumétri-
co de un material. Ésa es tan sólo la densidad multiplicada por el calor específico, ρC.Así,
el calor específico volumétrico es la energía calorífica que se requiere para elevar en un
grado la temperatura de una unidad de volumen del material, J/mm3
°C (Btu/in3
°F).
La conducción es un proceso fundamental de transferencia de calor. Incluye la trans-
ferencia de energía térmica dentro de un material de molécula a molécula sólo por medio
de movimientos térmicos; no hay transferencia de masa. Por tanto, la conductividad tér-
mica de una sustancia es su capacidad para transferir calor a través de sí misma por este
mecanismo físico. Se mide con el coeficiente de conductividad térmica, k, cuyas unidades
comunes son J/s mm °C (Btu/in h °F). Generalmente, el coeficiente de conductividad tér-
mica es elevado en los metales y bajo en los cerámicos y los plásticos.
En el análisis de la transferencia de calor es frecuente encontrar la razón de con-
ductividad térmica a calor específico volumétrico. Se denomina difusión térmica, K y se
determina con
K
k
C
=
ρ
(4.3)
Se hace uso de ésta para calcular las temperaturas de corte en el maquinado (véase la
sección 21.5.1).
TABLA 4.2 Valores de propiedades térmicas comunes para materiales seleccionados. Los valores son para la temperatura
ambiente, y cambian para temperaturas diferentes.
Calor específico
Cal/g °Ca
o Conductividad térmica
Material Btu/lbm °F J/s mm °C Btu/hr in °F
Metales
Aluminio
Hierro colado
Cobre
Hierro
Plomo
Magnesio
Níquel
Acero
Acero inoxidableb
Estaño
Zinc
Compilada de las referencias [2], [3], [6] y otras fuentes.
a
El calor específico tiene el mismo valor numérico en Btu/lbm-F o Cal/g-C. 1.0 caloría = 4.186 Joule.
b
Acero inoxidable austenítico (18-8).
0.21 0.22 9.75
0.11 0.06 2.7
0.092 0.40 18.7
0.11 0.072 2.98
0.031 0.033 1.68
0.25 0.16 7.58
0.105 0.070 2.88
0.11 0.046 2.20
0.11 0.014 0.67
0.054 0.062 3.0
0.091 0.112 5.41
Calor específico
Cal/g °Ca
o Conductividad térmica
Material Btu/lbm °F J/s mm °C Btu/hr in °F
Cerámicas
Alúmina
Concreto
Polímeros
Fenólicos
Polietileno
Teflón
Caucho natural
Otros
Agua (líquida)
Hielo
0.18 0.029 1.4
0.2 0.012 0.6
0.4 0.00016 0.0077
0.5 0.00034 0.016
0.25 0.00020 0.0096
0.48 0.00012 0.006
1.00 0.0006 0.029
0.46 0.0023 0.11

6. 4.2.2 Propiedades térmicas en la manufactura
Las propiedades térmicas juegan un papel importante en la manufactura debido a que en
muchos de sus procesos es común que se genere calor. En ciertas operaciones, el calor es
la energía que lleva a cabo el proceso; en otros, el calor se genera como consecuencia del
proceso.
El calor específico es de interés por varias razones. En procesos que requieren el
calentamiento del material (por ejemplo, fundición, tratamiento térmico y forja de metales
calientes), el calor específico determina la cantidad de energía calorífica necesaria para
elevar la temperatura al nivel deseado, de acuerdo con la ecuación (4.2).
En muchos procesos que se efectúan a temperatura ambiente, la energía mecánica
que ejecuta la operación se convierte en calor, lo que eleva la temperatura del elemento que
se trabaja. Esto es común en el maquinado y forjado en frío de los metales. El aumento de
temperatura es función del calor específico del metal. Es frecuente que en el maquinado se
utilicen refrigerantes para reducir dichas temperaturas, y en este caso es crítica la capaci-
dad calorífica del fluido. Casi siempre se emplea agua como la base de esos fluidos debido
a su gran capacidad de absorción de calor.
La conductividad térmica funciona para disipar el calor de los procesos de manu-
factura, unas veces en forma benéfica y otras no. En los procesos mecánicos tales como la
forja y maquinado de metal, gran parte de la potencia requerida para operar el proceso
se convierte en calor. En esos procesos es muy deseable que el material de trabajo y las
herramientas tengan la capacidad de conducir el calor.
Por otro lado, la conductividad térmica elevada del metal de trabajo no es deseable
en los procesos de soldadura por fusión,como la soldadura por arco eléctrico.En estas ope-
raciones, la entrada de calor debe concentrarse en la ubicación de la junta de modo que el
metal pueda fundirse. Por ejemplo, en general el cobre es difícil de soldar debido a que su
elevada conductividad térmica permite que el calor pase con demasiada rapidez de la fuen-
te de energía al resto del elemento, lo que inhibe su acumulación para fundir la unión.
4.3 DIFUSIÓN DE MASA
Además de la transferencia de calor en un material,también existe la transferencia de masa.
La difusión de masa involucra el movimiento de átomos o moléculas dentro de un material
o a través de una frontera entre dos materiales en contacto. Quizá sea más comprensible
para la intuición que ese fenómeno ocurra en líquidos y gases, pero también se da en los
sólidos. Ocurre en los metales puros, en aleaciones y entre los materiales que comparten
una interfase común. Debido a la agitación térmica de los átomos de un material (sólido,
líquido o gas), los átomos se mueven en forma continua. En los líquidos y gases, donde el
nivel de agitación térmica es alto, es un movimiento aleatorio. En los sólidos (en particular
en los metales), el movimiento atómico se facilita por los vacíos y otras imperfecciones de
la estructura cristalina.
Para el caso de dos metales que entran en contacto cercano de súbito, la difusión se
ilustra por medio de la serie de dibujos de la figura 4.2.Al principio, ambos metales tienen
su propia estructura atómica; pero con el tiempo hay un intercambio de átomos, no sólo a
través de la frontera sino dentro de las piezas por separado. Con tiempo suficiente, el en-
samble de las dos piezas alcanzará al final una composición uniforme en todo el conjunto.
La temperatura es un factor importante en la difusión.A temperaturas altas, la agita-
ción térmica es mayor y los átomos se mueven con más libertad. Otro factor es el gradiente
de concentración dc/dx, que indica la concentración de los dos tipos de átomos en una
dirección de interés definida por x. En la figura 4.2b) está graficado el gradiente de concen-
tración, para corresponder con la distribución instantánea de los átomos del ensamble. La

7. relación que se emplea con frecuencia para describir la difusión de masa es la primera ley
de Fick:
dm D
dc
dt
A dt= −
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟ (4.4)
donde dm es la pequeña cantidad de material transferido, D es el coeficiente de difusión
del metal, que se incrementa con rapidez con la temperatura, dc/dx es el gradiente de
concentración,A es el área de la frontera, y dt representa un incremento pequeño de tiempo.
Una expresión alternativa de la ecuación (4.4) da la tasa de difusión de masa:
dm
dt
D
dc
dt
A= −
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟ (4.5)
Aunque estas ecuaciones son difíciles de utilizar en los cálculos debido al problema de
evaluar D, son de utilidad para comprender la difusión y las variables de las que de-
pende D.
La difusión de masa se utiliza en varios procesos. Cierto número de tratamientos
de endurecimiento de la superficie se basan en ella (véase la sección 27.4), incluyendo
la carburización y la nitruración. Entre los procesos de soldadura por fusión, la que es
por difusión (véase la sección 31.5.2) se emplea para unir dos componentes por medio de
comprimirlos y permitir que ocurra la difusión a través de la frontera para crear una unión
permanente. La difusión también se utiliza en la manufactura electrónica para alterar la
química de la superficie de un chip semiconductor en regiones muy localizadas, a fin de
crear detalles del circuito (véase la sección 35.4.3).
FIGURA 4.2 Difusión de masa: a) modelo de átomos en dos bloques sólidos en contacto: 1) al principio, cuando las dos piezas se
juntan, cada una tiene su composición individual; 2) después de cierto tiempo ha ocurrido un intercambio de átomos; y 3) finalmente,
sucede una condición de concentración uniforme. El gradiente de concentración dc/dx para el metal A, está graficado en el inciso
b) de la figura.
Interfase
A, puro B, puro A y B Mezcla uniforme de A y B
ConcentracióndeA
1) 2)
a)
b)
3)
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 x
0 0 x 0
0 0 0 x
0 0 0 0
0 0 x x
0 0 0 0
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
0 x x x
x x x x
0 0 x x
x x x x
0 x x x
x 0 x x
0 0 0 0x x x x
x x x x
x x x x
0 0 0 0x x x x
0 0 0 0
0 0 0 0
x x x x0 0 0 0
x x x x0 0 0 0
0 0 0 0x x x x
A B
1.0 1.0 1.0
0.5

8. 4.4 PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Los materiales de ingeniería muestran mucha variación en su capacidad de conducir la
electricidad. En esta sección se definen las propiedades físicas por medio de las cuales se
mide dicha capacidad.
4.4.1 Resistividad y conductividad
El flujo de una corriente eléctrica involucra el movimiento de portadores de carga —es
decir, partículas infinitesimalmente pequeñas que poseen carga eléctrica. En los sólidos,
esos portadores de carga son los electrones. En una solución líquida, los portadores de
carga son los iones positivos y negativos. El movimiento de los portadores de carga está
favorecido por la presencia de voltaje eléctrico,y se le oponen las características inherentes
del material, tales como la estructura atómica y los límites entre los átomos y moléculas. La
siguiente es la relación familiar definida por la ley de Ohm:
I
E
R
= (4.6)
donde I es la corriente,A; E es el voltaje,V; y R es la resistencia eléctrica, Ω. La resistencia
en una sección uniforme de material (por ejemplo, un conductor) depende de su longitud
L, área de la sección transversal, A, y la resistividad del material, r; así,
R r
L
A
= o r R
A
L
= (4.7)
donde la resistividad tiene las unidades de Ω-m2
/m o Ω-m (Ω-in). La resistividad es la pro-
piedad básica que define la capacidad que un material tiene para oponerse al flujo de la
corriente. La tabla 4.3 enlista los valores de resistividad para materiales seleccionados.
La resistividad no es constante; por el contrario, varía, como tantas otras propiedades, con
la temperatura. Para los metales, aumenta con la temperatura.
Con frecuencia, es más conveniente considerar a un material como conductor de la
energía eléctrica más que como si se opusiera a su flujo. La conductividad de un material
es tan sólo el recíproco de la resistividad:
Concavidad eléctrica =
1
r
(4.8)
donde la conductividad se expresa en las unidades de (Ω-m)–1
[(Ω-in)–1
].
4.4.2 Clases de materiales según sus propiedades eléctricas
Los metales son los mejores conductores de la electricidad, debido a sus enlaces metálicos.
Tienen la resistividad más baja (véase la tabla 4.3). La mayoría de las cerámicas y los polí-
meros,cuyoselectronestienenenlacesestrechoscovalentesoiónicos,sonmalosconductores.
Muchos de esos materiales se emplean como aislantes porque poseen resistividades ele-
vadas.
En ocasiones, a un aislante se le denomina dieléctrico, porque ese término significa
que no es conductor de corriente directa. Es un material que se puede colocar entre dos
electrodos sin que conduzca la corriente entre ellos. Sin embargo, si el voltaje es suficiente-
mente alto, la corriente pasará de súbito a través del material, por ejemplo en forma de un
arco. La resistencia dieléctrica de un material aislante es, entonces, el potencial eléctrico
que se requiere para romper el aislamiento por unidad de espesor. Las unidades apropia-
das son volts/m (volts/in).
Además de los conductores y aislantes (o dieléctricos), también hay superconducto-
res y semiconductores. Un superconductor es un material que tiene una resistividad igual a

9. cero. Es un fenómeno que se ha observado en ciertos materiales a temperaturas bajas que
se acercan al cero absoluto. Podría esperarse la existencia de este fenómeno debido al efec-
to tan significativo que tiene la temperatura sobre la resistividad. La existencia de dichos
superconductores tiene gran interés científico. Si pudieran desarrollarse materiales con
esa propiedad a temperaturas más normales, habría implicaciones prácticas significativas
para la transmisión de la energía, las velocidades de conexión electrónica, y aplicaciones
del campo magnético.
Los semiconductores ya han probado su utilidad práctica, pues sus aplicaciones van
desde computadoras grandes a aparatos electrodomésticos y controladores de motores au-
tomotrices. Como puede suponerse, un semiconductor es un material cuya resistividad está
entre la de los aislantes y la de los conductores. En la tabla 4.3 se presenta el rango normal.
El material semiconductor más utilizado hoy día es el silicio (véase la sección 7.5.2), sobre
todo debido a su abundancia en la naturaleza, su relativo bajo costo y facilidad de proce-
samiento. Lo que hace únicos a los semiconductores es su capacidad de alterar de manera
significativa las conductividades en sus químicas superficiales, en áreas muy localizadas
para fabricar circuitos integrados (véase el capítulo 35).
Las propiedades eléctricas desempeñan un papel muy importante en varios proce-
sos de manufactura. Algunos de los no tradicionales usan energía eléctrica para eliminar
material. El maquinado con descarga eléctrica (véase la sección 26.3.1) emplea el calor
generado por la energía eléctrica en forma de chispas para eliminar material de los metales.
La mayor parte de los procesos importantes de soldadura por fusión (véase el capítulo 31)
utilizan energía eléctrica para fundir la unión metálica.Y como ya se mencionó, la capaci-
dad que tienen los materiales semiconductores para alterar las propiedades eléctricas es la
base de la manufactura microelectrónica.
4.5 PROCESOS ELECTROQUÍMICOS
Laelectroquímicaeselcampodelacienciaquetienequeverconlarelaciónentrelaelectricidad
y los cambios químicos, y con la conversión de las energías eléctrica y química.
En una solución acuosa, las moléculas de un ácido, base o sal, están disociadas en
iones con carga positiva y negativa. Estos iones son los portadores de carga en la solución,
permiten la conducción de energía eléctrica, desempeñan el mismo papel que los electro-
nes en la conducción metálica. La solución ionizada se denomina electrolito; y la conduc-
TABLA 4.3 Resistividad de materiales seleccionados.
Resistividad Resistividad
Material -m -in Material -m -in
Conductores 10− 6
− 10− 8
10− 4
− 10− 7
Aluminio 2.8 × 10− 8
1.1 × 10− 6
Aleaciones de aluminio 4.0 × 10− 8
a 1.6 × 10− 6
a
Hierro colado 65.0 × 10− 8
a 25.6 × 10− 6
a
Cobre 1.7 × 10− 8
0.67 × 10− 6
Oro 2.4 × 10− 8
0.95 × 10− 6
Hierro 9.5 × 10− 8
3.7 × 10− 6
Plomo 20.6 × 10− 8
8.1 × 10− 6
Magnesio 4.5 × 10− 8
1.8 × 10− 6
Níquel 6.8 × 10− 8
2.7 × 10− 6
Plata 1.6 × 10− 8
0.63 × 10− 6
Conductores (continúa)
Acero, bajo C 17.0 × 10− 8
6.7 × 10− 6
Acero, inoxidable 70.0 × 10− 8
a 27.6 × 10− 6
Estaño 11.5 × 10− 8
4.5 × 10− 6
Zinc 6.0 × 10− 8
2.4 × 10− 6
Carbono 5000 × 10− 8
b 2000 × 10− 6
b
Semiconductores 101
− 105
102
− 107
Silicio 1.0 × 103
Aislantes 1012
− 1015
1013
− 1017
Caucho natural 1.0 × 1012
b 0.4 × 1014
b
Polietileno 100 × 1012
40 × 1014
b
Compilada a partir de varias fuentes estándar.
a
El valor varía con la composición de la aleación.
b
El valor es aproximado.
b

10. ción electrolítica requiere que la corriente entre y salga de la solución por los electrodos.
El electrodo positivo se denomina ánodo, y el negativo cátodo. El conjunto del arreglo se
denomina celda electrolítica. En cada electrodo ocurre cierta reacción química, como la
deposición o disolución de material, o la descomposición de un gas de la solución. El nom-
bre que reciben los cambios químicos que ocurren en la solución es electrólisis.
Considere el lector un caso específico de la electrólisis: la descomposición del agua,
que se ilustra en la figura 4.3. Para acelerar el proceso, se emplea ácido sulfúrico diluido
(H2
SO4
) como electrolito, y como electrodos platino y carbono (ambos son químicamente
inertes). El electrolito se disocia en los iones H+
y SO4
=
. Los iones H+
son atraídos al cátodo
con carga negativa; al hacerlo, adquieren un electrón y se combinan en moléculas de gas
hidrógeno:
2 2 2H H gas+
+ →e ( ) (4.9a)
Los iones SO4
=
son atraídos hacia el ánodo, le transfieren electrones para formar ácido
sulfúrico adicional y liberar oxígeno:
2 4 2 24 2 2 4 2SO e H O H SO O= − + → + (4.9b)
El producto H2
SO4
se disocia en iones de H+
y SO4
=
de nuevo, y el proceso continúa.
Además de la producción de gases hidrógeno y oxígeno, como se ilustró en el ejem-
plo, la electrólisis también se utiliza en varios procesos industriales. Dos ejemplos son 1) la
galvanoplastia (véase la sección 29.1.1), operación que agrega una capa delgada de cierto
metal (por ejemplo, cromo) a la superficie de otro (por ejemplo, acero) para propósitos
decorativos o de otra índole; y 2) el maquinado electroquímico (véase la sección 26.2),
proceso en el que se retira material de la superficie de una pieza metálica. Ambas opera-
ciones se basan en la electrólisis, ya sea para agregar o quitar material de la superficie de
un elemento metálico. En la galvanoplastia, la pieza que se trabaja se coloca en el circuito
electrolítico como cátodo, de modo que los iones positivos del metal de recubrimiento se
ven atraídos a la pieza con carga negativa. En el maquinado electroquímico, la pieza
de trabajo es el ánodo, y una herramienta con la forma adecuada es el cátodo. La acción de
la electrólisis en este arreglo es eliminar metal de la superficie del elemento en regiones
determinadas por la forma de la herramienta conforme penetra (avanza) con lentitud en el
trabajo.
Las dos leyes físicas que determinan la cantidad de material que se deposita o retira
de una superficie metálica fueron enunciadas por el científico británico Michael Faraday:
1. La masa de una sustancia liberada en una celda electrolítica es proporcional a la
cantidad de electricidad que pasa a través de la celda.
Electrones Electrones
Ánodo Cátodo
O2 H2
SO4
2Ϫ
SO4
2Ϫ
SO4
2Ϫ
Hϩ
Hϩ
Hϩ
Ϫϩ
ϩ Ϫ
FIGURA 4.3 Ejemplo de electrólisis:
la descomposición del agua.