Unidad 1. Estructura de los Materiales
1.1
Estado físico de los materiales
Materia: as algo que ocupa un lugar en el espacio, se encuentra en constante movimiento y transformación mediante fenómenos físicos y químicos. La materia se maniesta de dos formas: a) condensada. sustancia o cuerpo material que posee dos características imprescindi!les "masa y volumen#. !) $ispersa. energía. La materia se presenta en % estados diferentes, todos con características y propiedades diferentes. Estado sólido. las mol&culas se encuentran muy unidas entre sí de!ido a las fuer'as de co(esión que (ay entre ellos. ienen forma y volumen denido. Estado líquido. las mol&culas est*n +untas y las atracciones entre ellos no son tan grandes, tienen forma varia!le, volumen denido, uyen y no se pueden comprimir. Estado gaseoso. tiene la capacidad de ocupar todo el volumen que lo rodea. Estado de plasma. se produce cuando la materia es sometida a temperaturas mayores a 1- --- /, como las que alcan'an el sol y las estrellas.
1.0
solidos cristalinos
Los materiales se pueden clasicar en: Metales y aleaciones. incluyen aceros, aluminio, magnesio, (ierro, titanio, co!re y níquel. ienen !uena conductividad el&ctrica y t&rmica, tiene una resistencia relativamente alta, gran rigide', ductilidad y !uena resistencia a los c(oques t&rmicos. /er*micos, vidrios y vitroceramicos. os cer*micos se pueden denir como materiales cristalinos inorg*nicos. $e!ido a la porosidad no conducen !ien el calor y de!en calentarse a temperaturas muy altas para que se fundan, son resistentes y duros, pero muy fr*giles. El vidrio es un material amorfo y se o!tiene con frecuencia de la sílice fundida, son amorfos porque no tienen arreglo regular y periódico de sus *tomos. Los vidrios se pueden templar para (acerlos m*s resistentes. Los vitroceramicos se producen al moldear vidrios y nuclear pequeos cristales dentro de ellos con un proceso t&rmico especial. 2olímeros. son materiales org*nicos comunes, se producen con un proceso llamado polimeri'ación. Los polímeros tienen una resistencia el&ctrica muy !uena, a las sustancias corrosivas y son !uenos aislantes. 3emiconductores. a !ase de silicio, germanio y 4rsenio de galio son una parte de una clase m*s5 alta de los materiales electrónicos. La conductividad el&ctrica de los semiconductores es intermedia entre la de los aisladores cer*micos y los conductores met*licos.
Materiales compuestos. resultan de com!inar las propiedades de distintos materiales que pueden ser dos o m*s para o!tener propiedades que un solo material no tiene.
1.6
/eldas unitarias
7na red es una colección de puntos, llamados puntos de red, ordenados en un patrón periódico de tal modo que los alrededores de cada punto de la red son id&nticos. La celda unitaria es la su!división de una red que sigue conservado las características de la red. 4l aplicar celdas unitarias id&nticas se puede construir toda la red. 8ay 9 arreglos nicos, llamados sistemas cristalinos que llenan el espacio tridimensional: etragonal, ortorróm!ico, trigonal, (e;agonal, monoclínico y triclínico y aunque son estos siete arreglos los principales (ay 1% arreglos distintos de puntos de red. 3on arreglos nicos que se llaman arreglos de umero de coordinación. ?actor de empaquetamiento. $ensidad. La estructura (e;agonal.
1.%
@mperfecciones y defectos de los cristales
En todos los materiales el arreglo de los *tomos contiene imperfecciones que tienen efecto profundo so!re el comportamiento de los materiales. Mediante el control de las imperfecciones reticulares, creamos metales y aleaciones m*s resistentes. Los tres tipos !*sicos de imperfecciones de red son: defectos puntuales, defectos lineales Adislocaciones) y defectos de supercie. Las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma seria perfecta, generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidicación del material o al deformarlo. Estas est*n presentes en todos los materiales. E;isten dos tipos: la de tornillo y la de !orde. Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucra uno o qui'* varios *tomos. Estos defectos pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los *tomos al ganar energía por calentamiento durante el procesamiento del material, mediante la introducción de impure'as. Los defectos puntuales son las vacancias, defectos intersticiales y defectos sustitucionales.
Los defectos de supercie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalogr*cas diferentes.
1.B
2lanos de cliva+e
CDu& es el cliva+e Es el mecanismo de fractura transgranular y ocurre a trav&s del rompimiento de los cristales a lo largo de planos cristalogr*cos. Los arreglos característicos de una fractura por cliva+e son de caras planas, que usualmente e;(i!en marcas de rio. Estas son causadas por la grieta movi&ndose a trav&s del cristal a lo largo de un nmero de planos paralelos formando una serie de mesetas. Las caras de cliva+e a trav&s de los granos tienen una alta reectividad, lo cual da a la supercie de fractura una apariencia !rillante. CDu& es cuasicliva+e 3e o!serva principalmente en fracturas reali'adas a !a+as temperaturas en aceros templados. En esta forma de fractura las caras no son verdaderos planos de cliva+e, e;(i!en a menudo (uecos y colinas rasgadas alrededor de las caras Aplanos que no est*n muy !ien denidos). Es un tipo de fractura que ocurre a una muy na escala.
1.F
?ormación de granos
$urante la solidicación, el arreglo atómico de un orden de corto alcance a uno de largo alcance, es decir una estructura cristalina cam!ia a dos pasos que son la nucleación y crecimiento. La nucleación es cuando un material se solidica y el líquido se enfría +usto por de!a+o de su temperatura de fusión y el crecimiento es cuando un líquido !ien moculado se enfría al equili!rio.
1.9
@nuencia en la propiedades macroscópicas de los materiales
Las propiedades macroscópicas son las siguientes: Duímicas. se reere a los procesos de modicación química de un material. ?ísicas. se reere a las características de los materiales de!ido al ordenamiento de los *tomos. G;idación.cuando un material se com!ina con o;ígeno se dice que sufre una reacción de o;idación. /orrosión. cuando la o;idación se produce en am!ientes (medos o en presencia de otras sustancias.
$ensidad. es la relación e;istente entre la masa de un material y su volumen. 2eso especíco. es la relación entre el peso de un material y su volumen.
Unidad 2 materiales conductores
0.1 características el&ctricas, mec*nicas y sicoquímicas El&ctricas: resistencia, resistividad y conductividad Mec*nicas: peso, resistencia a la tracción. ?isicoquímicas: t&rmicas, electromagn&ticas y químicas.
0.0 reglas de Mat(iensen, >ord(eim y ley de Hiedeman ?ran' La =egla de Mat(iensen dice que la resistividad el&ctrica total de un metal es la suma de las contri!uciones que dependen de la temperatura. La regla de >ord(eim: r IJ /; A1/;) En la cual /; representa la concentración de impure'as y K es una constante, cuyo valor depende de los metales !ase y de las impure'as. Ley de Hiedeman ?ran' dice que el ratio entre la conductividad t&rmica y la conductividad el&ctrica de un metal, es proporcional a la temperatura.
0.6 Materiales conductores especícos: aluminio, co!re, plata, oro, níquel, etc. 4luminio: El aluminio puro es !lando y tiene poca resistencia mec*nica, pero puede formar aleaciones con otros elementos para aumentar su resistencia y adquirir varias propiedades tiles. Las aleaciones de aluminio son ligeras, fuertes, y de f*cil formación para muc(os procesos de metalistería son f*ciles de ensam!lar, fundir o maquinar y aceptan gran variedad de aca!ados. /o!re: Elemento químico, de sím!olo /u, con nmero atómico 0 uno de los metales de transición e importante metal no ferroso. 3u utilidad se de!e a la com!inación de sus propiedades químicas, físicas y mec*nicas, así como a sus propiedades el&ctricas y su a!undancia. Es uno de los metales que puede tenerse en estado m*s puro, es moderadamente duro, es tena' en e;tremo y resistente al desgaste. La fuer'a del co!re est* acompaada de una alta ducti!ilidad. Las propiedades mec*nicas y el&ctricas de un metal dependen en gran medida de las condiciones físicas, temperatura y tamao de grano del metal. 2lata: se alea con uno o m*s metales. La plata, que posee las m*s altas conductividades t&rmica y el&ctrica de todos los metales, se utili'a en puntos de contacto el&ctrico y electrónico.
Unidad 3 Materiales Dieléctricos
6.1 características el&ctricas, t&rmicas, mec*nicas y sicoquímicas 3e denomina diel&ctrico al material que es un mal conductor de la electricidad, es decir, son los contrarios a los materiales conductores. 4l igual que los conductores, los materiales diel&ctricos sufren modicaciones con la presencia de un campo el&ctrico. odo diel&ctrico es un aislante pero no todo asilaste es un diel&ctrico. Las mol&culas de un diel&ctrico se pueden clasicar en polares y no polares, las mol&culas como 80 y >0 son no polares y son sim&tricas y el centro de las cargas positivas coincide con el de las cargas negativas. Las mol&culas como 80G y >0G son polares y son asim&tricas y los centros de carga no coinciden.
6.0 clasicación segn la temperatura de servicio 4l aplicar una tensión a un diel&ctrico ocurrir*n los siguientes fenómenos: a) /irculara una corriente que cumplir* la ley de G(m. El valor de esta corriente depender* de la resistividad del aislante en las condiciones de tra!a+o. 3u paso producir* calentamiento por efecto +oule. !) 3e presentara tam!i&n una corriente de despla'amiento adelantada 2iN0 radianes en el plano de Oauss respecto a la tensión aplicada. La magnitud de esta corriente depender* de la constante diel&ctrica del material. Esta corriente no calentara el diel&ctrico. c) Las masas polares vi!raran siguiendo la e;citación a la que est*n sometidas. Este fenómeno producir* un calentamiento en el material que ree+ara el proceso energ&tico que ocurre en su interior.
6.6 Materiales diel&ctricos especícos: cer*micas, micas, vidrios, materiales celulósicos, pl*sticos, elastómeros y siliconas. /er*micas. La mayoría de los materiales cer*micos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Esto se de!e a que los enlaces iónico y covalente restringen la movilidad iónica y electrónica, es decir, son !uenos aislantes el&ctricos. /uando son com!inados con fuer'a, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. Micas. La mica se utili'a en aplicaciones de alta responsa!ilidad como aislamiento de m*quinas de alta tensión y gran potencia, tur!ogeneradores, motores el&ctricos, y algunos tipos de condensadores. $e!ido a que la mica mantiene sus propiedades el&ctricas cuando se calienta (asta varios centenares de grados, se le considera un material de la clase t&rmica alta Aclase / segn las normas).
Pidrio. El vidrio es un material inorg*nico duro, fr*gil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturale'a, aunque tam!i&n puede ser producido por el ser (umano. El vidrio articial se usa para (acer ventanas, lentes, !otellas y una gran variedad de productos. El vidrio es un tipo de material cer*mico amorfo. El vidrio se o!tiene a unos 1B-- / a partir de arena de sílice A3iG0), car!onato de sodio A>a0/G6) y cali'a A/a/G6). Materiales celulósicos. 2apel: En el proceso de fa!ricación del papel, la madera, procedente de pinos y eucaliptos en su mayoría, se tritura y se me'cla con agua y una serie de productos químicos para ser transformada en pasta de celulosa. Qsta es prensada y laminada mediante m*quinas (asta convertirla en una !anda de papel. E;isten gran cantidad de variedades de papel, con características distintas y apropiadas para diversos usos. /artón: El cartón est* formado por varias capas de papel superpuestas y ad(eridas formando una sola (o+a gruesa, o !ien por una planc(a gruesa de papel endurecida. El cartón presenta m*s dure'a, resistencia y grosor que el papel. 3uele utili'arse para fa!ricar ca+as, envases o em!ala+es 2l*stico. son sustancias químicas sint&ticas denominadas polímeros, de estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y cuyo componente principal es el car!ono. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimeri'ación. Los pl*sticos proporcionan el !alance necesario de propiedades que no pueden lograrse con otros materiales, por e+emplo: color, poco peso, tacto agrada!le y resistencia a la degradación am!iental y !iológica. Elastómeros. Los elastómeros son polímeros amorfos que se encuentran so!re su temperatura de transición vítrea o g, de a(í esa considera!le capacidad de deformación. 4 temperatura am!iente las gomas son relativamente !landas AER6M2a) y deforma!les. 3e usan principalmente para cierres (erm&ticos, ad(esivos y partes e;i!les. 3iliconas. La silicona es un polímero inorg*nico derivado del polisilo;ano, est* constituido por una serie de *tomos de silicio y o;ígeno alternados. Es inodoro e incoloro. =esistente a temperaturas e;tremas AF- a 0B- /). =esistente a la intemperie, el o'ono, la radiación y la (umedad.
Unidad 4 Materiales ferromagnéticos
%.1 /aracterísticas principales 2rimero CDue son los materiales ferromagn&ticos
Los materiales ferromagn&ticos, compuestos de (ierro y sus aleaciones con co!alto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magn&ticos m*s comunes y se utili'an para el diseo y constitución de ncleos de los transformadores y maquinas el&ctricas. 3us características son:
2ueden imanarse muc(o m*s f*cilmente que los dem*s materiales. Esta característica viene indicada por una gran permea!ilidad relativa m Nm r. ienen una inducción magn&tica intrínseca m*;ima muy elevada. 3e imanan con una facilidad muy diferente segn sea el valor del campo magn&tico. Este atri!uto lleva una relación no lineal entre los módulos de inducción magn&tica A<) y campo magn&tico. 7n aumento del campo magn&tico les origina una variación de u+o diferente de la variación que originaría una disminución igual de campo magn&tico. Este atri!uto indica que las relaciones que e;presan la inducción magn&tica y la permea!ilidad Am ) como funciones del campo magn&tico, no son lineales ni uniformes
%.0 /lasicación de los materiales ferromagn&ticos 7na clasicación de materiales, segn su comportamiento frente a un campo magn&tico, podría ser la siguiente: >o magn&tico: >o facilita o no permite el paso de las líneas de /ampo magn&tico. E+emplo: el Pacío. $iamagn&tico: Material d&!ilmente magn&tico. 3i se sita una !arra magn&tica cerca de &l, esta lo repele. E+emplo: íquel A>i), 4cero suave. 4nti ferromagn&tico: >o magn&tico a un !a+o acción de un campo magn&tico inducido. E+emplo: T;ido de Manganeso AMnG0). ?errimagn&tico: Menor grado magn&tico que los materiales ferromagn&ticos. E+emplo: ?errita de 8ierro.
3uperparamagn&tico: Materiales ferromagn&ticos suspendidos en una matri' diel&ctrica. E+emplo: Materiales utili'ados en cintas de audio y video. ?erritas: ?errimagn&tico de !a+a conductividad el&ctrica. E+emplo: 7tili'ado como ncleo inductores para aplicaciones de corriente alterna.
%.6 materiales ferromagn&ticos para campos continuos, alternos i imanes permanentes. Materiales ferromagn&ticos para campos continuos: 7n campo magn&tico continuo es aquel cuyo valor se mantiene constante en el tiempo. En los materiales ferromagn&ticos, las fuer'as entre los *tomos pró;imos, (ace que se creen pequeas regiones, llamadas dominios, en las que el campo magn&tico originado por el movimiento de rotación de los electrones est* alineado en la misma dirección. En ausencia de campo magn&tico e;terno, lo dominios est*n orientados al a'ar, pero al aplicar un campo magn&tico e;terno, estos dominios se alinean en la dirección del campo aplicado, (aciendo que este se intensique en el interior del material de forma considera!le. /ampos alternos. 7n campo magn&tico pulsante o alternativo es aquel cuya intensidad, invirtiendo su polaridad, cam!ia varias veces por segundo. E+emplo !o!ina o electroim*n alimentado por corriente alternada domiciliaria, que segn los países lo (ace B- ó F- veces por segundo. >o e;isten imanes naturales pulsantes. @manes permanentes. La composición típica de esta estructura guarda la siguiente proporción: F1U de (ierro, 0VU de cromo y 11U de /o!alto. Los valores de las propiedades magn&ticas son de 1,- a 1,6 de inducción remanente, de 1B- 4Ncm a F-- 4Ncm de coercitividad y de 1-JWNm6 a %BJW Nm6. 3e emplean en imanes permanentes para receptores telefónicos.
Unidad 5 materiales piezoeléctricos
B.1 Efecto pie'oel&ctrico El efecto pie'oel&ctrico es un fenómeno físico que se logra apreciar en los cristales minerales como por e+emplo en un cristal de cuar'o. 4cotaremos que el efecto pie'oel&ctrico es el que se da cuando ciertos cristales producen diferencia de potencial en su supercie de!ido a una tensión mec*nica Ael material es apretado o estirado) o que presente una alteración en su forma de!ido a un campo el&ctrico.
B.0 =esonadores pie'oel&ctricos 7n resonador es cualquier dispositivo o sistema que es capa' de entrar en resonancia o que tiene la capacidad de comportarse de manera resonante, lo cual quiere decir que oscila a unas determinadas frecuencias con una amplitud m*s grande que a las otras. 3in em!argo, (a!itualmente el t&rmino se utili'a para referirse a los o!+etos físicos que oscilan a una determinada frecuencia de!ido a que sus dimensiones son una integral mltiple de la longitud de onda a aquellas frecuencias.
Las oscilaciones u ondas a un resonador pueden ser electromagn&ticas o mec*nicas. Los resonadores se utili'an tanto para generar ondas de frecuencias determinadas como para seleccionar frecuencias especícas de una seal. Los instrumentos musicales utili'an resonadores acsticos que producen ondas sonoras de tonos especícos.
B.6 respuesta en frecuencia La respuesta en frecuencia de los micros electrost*ticos es muy irregular, por lo que su uso en *m!itos de audio profesional est* desaconse+ada. 3in em!argo, los componentes pie'oel&ctricos son apreciados para la construcción de guitarras el&ctricas, ya que consiguen un sonido cristalino de las cuerdas muy similar al de una guitarra acstica, para frases musicales sin distorsión, incluso con cuerdas de materiales no imanta!les como el !ronce y el nylon. Los pie'oel&ctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeas. 3i la temperatura es elevada lo suciente, punto /urie, estos materiales pueden perder sus propiedades. $e!e notarse que una limitación de los pie'oel&ctricos es que no tienen !uena respuesta a la aplicación de una fuer'a constante, pero su respuesta es adecuada para la medición de fuer'as mec*nicas cam!iantes. 3u respuesta en frecuencia va desde unos pocos 8ert' (asta el nivel de Mega 8ert'. Matem*ticamente puede esta!lecerse que la carga total inducida q es directamente proporcional a la fuer'a f que se aplica so!re el pie'oel&ctrico: qIJXf $onde J es una constante pie'oel&ctrica que depende del material. El cam!io de volta+e se puede encontrar "asumiendo# que el sistema acta parecido a un capacitor. Est* suposición tiene sentido, ya que un capacitor es un dispositivo que almacena energía.
B.% Especicaciones Los pie'oel&ctricos tienen una respuesta en frecuencia nita, así el interesado en calcular la frecuencia inferior de un sensor pie'oel&ctrico a 6 d< puede (acer uso de la siguiente ecuación: f cI 1 NA0. Y.=./ ) La ecuación 0 indica que para modicar la respuesta en frecuencia es posi!le valerse de dos varia!les: la capacitancia y la impedancia de entrada. 2ara ilustrar esta idea considere una capacitancia / I -.B n? y una impedancia de entrada = I B MZ, reempla'ando en la ecuación 0.16 se o!tendría f I F% 8'. >ótese que si se cam!ia el valor de = por un valor cualquiera, supóngase B-- KZ, la frecuencia aumentaría a F%-8'.
Unidad 6 Materiales Aislantes
F.1 /aracterísticas principales Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras Aaislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones el&ctricas Aaislamiento protector). La mayoría de los no metales son
apropiados para esto pues tienen resistividades muy grandes. Esto se de!e a la ausencia de electrones li!res. Los materiales aislantes de!en tener una resistencia muy elevada, requisito del que pueden deducirse las dem*s características necesarias. 2ara ello se (an normali'ado algunos conceptos y se (an +ado los procedimientos de medidas. =esistividad de paso 2$.Es la resistencia que presenta un cu!o de 1 cm de arista. =esistencia supercial y resistencia a las corrientes de fugas.En altas tensiones pueden aparecer corrientes el&ctricas como consecuencia de depósitos so!re la supercie de los aislantes. 4l ca!o de un cierto tiempo la corriente podría atacar a estos materiales. 2recisamente los pl*sticos son muy sensi!les a ello, pues al ser sustancias org*nicas contienen car!ono. =igide' diel&ctrica E$ en Jv N mm.3e mide la tensión a la que se produce una descarga disruptiva entre dos electrodos. La rigide' diel&ctrica no es una magnitud lineal, sino que depende de una serie de factores 2ermisividad relativa Er. Es importante que la permisividad relativa de los aislantes sea pequea, pero por otro lado los aislantes empleados como diel&ctricos en los condensadores de!er*n presentar una gran permisividad. 4dem*s para poder valorar las propiedades del material de!e sa!erse en qu& forma depende Er de la frecuencia. /omportamiento electroest*tico. La carga electrost*tica es posi!le de!ido a las altísimas resistencias de los pl*sticos
F.0 polímeros A2l*sticos) Los pl*sticos son sustancias químicas sint&ticas denominadas polímeros, de estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y cuyo componente principal es el car!ono. Las propiedades y características de la mayoría de los pl*sticos son f*ciles de tra!a+ar y moldear, tienen un !a+o costo de producción, poseen !a+a densidad, suelen ser impermea!les, !uenos aislantes el&ctricos, acepta!les aislantes acsticos.
F.6 cer*micos Los aislantes cer*micos se forman a partir de silicatos pulveri'ados y otros ó;idos y otros ó;idos met*licos, y se cuecen a continuación. 3e trata de un proceso de sinteri'ación. Luego se les suele proveer de un revestimiento vitricado para evitar la entrada de agua al desgastarse los poros. Los materiales cer*micos se clasican en distintos grupos su!divididos a su ve' segn sus materias primas. El rasgo característico que tienen en comn todos estos materiales es que son compuestos de metales y no metales. Los materiales cer*micos se caracteri'an por ser: $uros, muy fr*giles, resistentes a las roturas por cargas est*ticas, resistente a las le+ías, resistente a los *cidos, resistente a la tracción
F.% compuestos
Los 4islamiento agrupados !a+o el nom!re de compuestos est*n constituidos por materiales que se caracteri'an porque, mediante un proceso de vulcani'ación, se (ace desaparecer su plasticidad y se aumente su elasticidad y la consistencia mec*nica.
