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TIPOS DE MATERIALE ELÉCTRICOS MAS USADOS...

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Materiales Eléctricos Adolfo F. Gonzalez, Ricardo M. Césari, Rubén O. Vicioli Cátedra Tecnología Electrónica Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Mendoza Mendoza, Argentina [email protected] [email protected] [email protected]

I. INTRODUCCIÓN [1] ¿Qué son los materiales? Son sustancias de las cuales están hechas o compuestas las cosas. Los materiales de ingeniería son los materiales utilizados para construir nuestro mundo material: edificios, puentes, instalaciones para comunicaciones, dispositivos, sistemas de electricidad, fábricas, mobiliario, máquinas, cañerías, herramientas, etc. Los materiales han sido fundamentales para el crecimiento, prosperidad, seguridad y calidad de vida de los seres humanos. A través de la historia, el desarrollo de las civilizaciones humanas ha estado fuertemente ligado al de los materiales que fueron producidos y usados por la sociedad; a tal punto, que en la actualidad los niveles de civilización han sido llamados de acuerdo a los materiales utilizados en ese momento (edad de piedra, edad de cobre, edad de hierro, etc.). Científicos e ingenieros han logrado la capacidad de adaptar los materiales a escala atómica hasta obtener las propiedades deseadas (paradigma bootom-up). Estamos en presencia de una nueva era, la de los materiales a medida (o diseñados); se ha utilizado este término para describir los cambios revolucionarios en los materiales utilizados en la ciencia y en la ingeniería, y el impacto en nuestra sociedad. II. DISTINTOS TIPOS DE MATERIALES ELÉCTRICOS DE INTERÉS TÉCNICO: CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN [1] Son aquellos materiales utilizados en la industria eléctrica y electrónica. Son sustancias utilizadas para la fabricación de dispositivos electrónicos y circuitos integrados, y pueden ser usados, por ejemplo, en placas de circuitos impresos, cables de comunicación, pantallas, encapsulado, fibra óptica y varios dispositivos de control y monitoreo. De acuerdo a su aplicación, los materiales electrónicos pueden ser clasificados en dos grandes grupos: 



Materiales electrónicos estructurales. Son relativamente estables cuando son sometidos a presión, tienen buenas propiedades mecánicas, y pueden ser usados para cajas, encapsulados, sustratos y materiales para sellado. Materiales electrónicos funcionales, los cuales pueden ser utilizados para realizar funciones químicas, eléctricas, magnéticas, ópticas y térmicas.

De acuerdo a su composición pueden clasificarse en: 



Materiales inorgánicos, típicamente se incluyen en esta clasificación a los materiales metálicos y no metálicos (silicio, óxidos de metales, carburos y nitruros). Materiales orgánicos, son principalmente polímeros (compuestos de C, H, O, N, Cl y /o F) con características covalentes y enlaces moleculares.

III. ESPECTRO DE RESISTIVIDAD EN CORRIENTE CONTINUA [2] La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un material a la circulación de la corriente eléctrica a través de él, transformándola en efecto Joule ( ). Esta propiedad o su inversa, la conductancia, determinan las características eléctricas de los materiales. Así, tenemos que los materiales que tienen poca resistencia eléctrica son llamados conductores y los que presentan alta resistencia aislantes, como la goma, vidrio o madera seca. Si hacemos un espectro teniendo en cuenta la resistividad específica (), dada en ( ), se observa que en un extremo se encuentran los conductores en una banda que va de y en el otro extremo los hasta aislantes que van de a ( ). De esto se observa que hay una gran banda intermedia donde se encuentran los malos conductores y los malos aisladores, son los llamados semiconductores. Esta resistividad varía con factores externos como son la temperatura, presión y humedad. Así, por ejemplo: el mármol seco es buen aislante pero cuando absorbe humedad se convierte en un conductor superficial. Las porcelanas aumentan su conductividad con un incremento de temperatura.

Fig. 1. Espectro de resistividad.

La conducción también varía con el estado del material por ejemplo, la cera es buen aislante en estado sólido y se torna conductor en estado líquido. La conductividad también depende de la frecuencia de trabajo, definiéndose la llamada tangente del ángulo de pérdidas, siendo este ángulo ( ) el que forman las componentes reales e imaginarias de la permitividad compleja del material analizado. Si  es muy pequeño (tg < 10-2 ) se acepta que el material es buen aislante, mientras que si el ángulo de pérdidas es grande (tg < 102) se considera que es técnicamente un conductor (no perfecto). Se observa que la tg depende inversamente de la frecuencia, de allí que muchos materiales se comporten en alta frecuencia como aislantes y en baja frecuencia como conductores. Por ejemplo el agua dulce es un conductor por debajo de los 2.000 Hz. y es aislante por encima de los 20 MHz. IV. CONDUCTORES [3] Los conductores son en consecuencia aquellos que presentan una baja resistencia. A. Clasificación 1)

Según su procedencia: a) Naturales: Son los obtenidos de los refinamientos de los minerales. b) Artificiales: los obtenidos por tratamientos químicos. 2) Según la función que cumplen: a) Conductores propiamente dichos: Plata, cobre, aluminio, etc. b) Conductores para convertir corriente eléctrica en luz: Tungsteno, tantalio, galio, etc. c) Conductores que provocan una caída de tensión: aleaciones metálicas y compuestos no metálicos. Manganina, composición, etc. d) Conductores que convierten energía eléctrica en calor: nicrone, etc. 3) Según el estado físico en que se encuentran: a) Sólidos: Cobre, plata, hierro, aluminio, aleaciones. b) Líquidos: Mercurio, soluciones electrolíticas. c) Gaseosos: Gases ionizados. 4) Según las características mecánicas: a) Livianos: Aluminio y sus aleaciones. b) De alta resistencia mecánica : Hierro, acero, etc. c) Blandos: Plomo, estaño, etc. B. Propiedades Eléctricas 1) Resistividad o resistencia específica (): Es la mayor o menor capacidad de un material para conducir corriente eléctrica. Dentro de los materiales conductores la relación de resistividad es muy pequeña, así, por ejemplo, la relación de resistividad entre los conductores utilizados normalmente,

tomando al cobre como referencia, o sea 1, se tiene que para el aluminio es de 1,6 y de la plata es de 0,94. Como la plata es muy cara normalmente se utilizan el cobre y el aluminio como conductores. En la actualidad el aluminio está desplazando al cobre en la utilización como conductor debido al menor peso específico y a un menor costo. En efecto, la relación de resistividad entre el aluminio y el cobre es de 1,6 por lo tanto, para obtener la misma resistencia a igualdad de longitud es necesario utilizar un 60 % mayor sección con aluminio que con cobre, pero debido a que el peso específico del aluminio es 3,42 veces menor que el del cobre, se obtiene en definitiva menos de la mitad de peso en un conductor de aluminio que en uno de cobre a igualdad de resistencia y longitud. En líneas aéreas de energía eléctrica a veces se utilizan cables de acero recubierto con aluminio con lo cual se obtienen conductores de elevada resistencia mecánica y buena conductividad eléctrica. Un inconveniente del aluminio para uso electrónico es que no es soldable por soldaduras blandas (de bajo punto de fusión). El cobre y el aluminio, sin embargo, no se usan para fabricar resistencias por su baja resistividad; tampoco se usan para calentamiento eléctrico por su punto de fusión relativamente bajo (P Al = 670 ºC y PCu = 1.030 ºC), ni para conversión de energía eléctrica en luminosa. La resistencia eléctrica que presenta un material a la circulación de la corriente eléctrica es función de las dimensiones geométricas del material y de una constante que depende del material.

⁄

(1)

R: resistencia eléctrica. : resistividad del material. l: longitud del conductor. s: sección del conductor. )

(

⁄

Para el cobre recocido normalizado que es un cobre con pureza industrial (no pureza química) y sometido a un tratamiento térmico adecuado el valor de resistividad es: u

El valor de la resistividad en el cobre se ve muy afectado por la presencia de impurezas. Por ejemplo, un contenido del 1% puede aumentar en gran porcentaje el valor de la resistividad. Para el aluminio: -

Para la Manganina: -

O sea 25 veces más que para el cobre. La manganina es un material muy adecuado para ser usado en resistores de alta estabilidad, debido a su bajo coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura. Además su potencial termoeléctrico con el cobre es muy pequeño por lo cual no aparece fuerza electromotriz parásita. 2)

Fuerza electromotriz (FEM) de contacto: Debido a los distintos potenciales electroquímicos de los diferentes elementos, cuando se los une al efectuar una conexión eléctrica, aparece una FEM de contacto que si bien es despreciable, en algunos casos puede ser sumamente importante, sobre todo sí los distintos materiales se encuentran a temperaturas muy dispares. TABLA 1 Sustancia Bismuto Constantán Cobalto Níquel Paladio Sodio Torio Mercurio Platino Carbón Estaño Plomo Magnesio Aluminio Manganina Rodio

Termo tensión (mV/100 ºC) -6,50 -3,50 -1,70 -1,50 -0,50 -0,20 -0,10 ±0,00 ±0,00 +0,30 +0,40 +0,40 +0,40 +0,40 +0,60 +0,65

Sustancia Iridio Plata Cinc Oro Cobre Volframio Acero V 2 V Cadmio Latón Molibdeno Hierro Níquel cromo Antimonio Silicio Telurio

Termo tensión (mV/100 ºC) +0,63 +0,70 +0,70 +0,70 +0,75 +0,80 +0,80 +0,90 +1,10 +1,20 +1,80 +2,20 +4,50 +45,00 +50,00

Esta fuerza electromotriz de contacto generada térmicamente se denomina también potencial de SEEBECK. La tensión que aparece entre los materiales dados se obtiene como diferencia entre los valores correspondientes que figuran en la TABLA 1, así en el caso del cobre - constantán es: (

TABLA 2

Cu-Constantán Fe-Constantán NiCr-Constantán NiCr-Ni PtRh-Pt

Polo

Límite (°C)

± + + ±

400 600 700 900 1.300

[ ( - )]

Fuerza Electromotriz cada 100 ºC (mV) 4,25 5,30 5,70 3,70 0,60

Para temperaturas altas se usan termo cuplas de platino (90 %) y rodio (10 %), obteniéndose 9,5 mV a 1.000 ºC; de molibdeno y wolframio con 1 % de hierro obteniéndose 16 mV a 2.000 ºC; de carbón y silita con 54 mV a 1.800 ºC.

(2)

D de está puest p r d s tér s: u es e coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura (β) y e tr es el coeficiente de variación de la longitud con la te per tur (γ) y que vr r te per tur v rí s dimensiones del material conductor, por lo tanto: (3)

β γ -4

Dado que  es del orden de 10 y  del orden de 10-6 se hace generalmente  igual a . En la mayoría de los metales la relación [ ( - )] ( 2) es una buena aproximación lineal de la verdadera relación entre R y T, la cual no es lineal. En la Manganina esa relación no es acertada ya que esta se usa para obtener resistencias de alta precisión. Para la mayoría de los metales es positivo: ⁄

u

⁄ Para la Manganina no hay un valor típico ya que este varía con la dosificación de la composición, pero se acepta como cota superior. ⁄ C. Características Físicas de los conductores 1) Conductividad térmica: La conductividad térmica es el Calor que circula, en la unidad de tiempo entre dos caras opuestas de un volumen unitario por unidad de diferencia de temperatura entre las caras: (

)

La FEM termoeléctrica se aprovecha también para censar la temperatura siendo denominada a este tipo de juntura termo cupla.

Materiales

3) Coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura: La resistencia varía con la temperatura y podemos suponer una variación lineal del tipo:

⁄

)(

⁄

) (

⁄

)

Siendo el calor de conducción: -

⁄

(4)

Donde dT/dx es el gradiente de temperatura entre dos puntos del conductor. El signo menos indica que el calor fluye desde el punto de mayor temperatura al punto de menor temperatura. La conductividad térmica va acompañando a la conductividad eléctrica debido a que la transmisión de calor se debe principalmente a los electrones libres (no siempre, hay resinas buenas transmisoras de calor y buenas aislantes). En los conductores en los cuales no se desea su calentamiento se requiere altas conductividades térmicas pero en los usados para producir calor se requiere que presenten una elevada resistencia a la conducción del calor.

Otra propiedad térmica es el calor específico que es la energía calórica acumulada en la unidad de volumen por unidad de elevación de temperatura y se expresa en (Joule/cm3·ºC). Es importante este concepto en aquellos casos en que la totalidad del calor que se genera en el conductor es de naturaleza impulsiva y la masa térmica del conductor debe ser grande. TABLA 3 PROPIEDADES TÉRMICAS APROXIMADAS EN ALGUNOS MATERIALES

Material Cobre Aluminio Hierro Batido Chapa de Acero al carbón Hierro colado Acero al silicio (longitudinal) Chapas de acero al silicio (transversal) Mica (transversal) Batista Barnizada Goma Cartón prensado aceitado Ladrillo Cartón prensado, seco Tejido sin tratar o fieltro

0,28 0,76 1,3

3,6 1,3 0,79

Capacidad calorífica específica (J/cm3·ºC) 5,3 2,3 3,7

2,3

0,43

3,7

2,5

0,39

3,7

5,8

0,17

3,7

38-130

0,03-0,008

3,7

360 500

0,003 0,002

2,0 1,4

640 640 1000 1.000-1.300 150

0,002 0,002 0,001 0,0008-0,0001 0,00063

1,4 1,4 1,4 1,4 1,4

Resistividad Conductibilidad (ºC·cm/W) (W/ºC·cm)

2)

Punto de fusión: Tiene importancia de acuerdo a cual sea la temperatura de trabajo del conductor, porque cerca de la temperatura de fusión se pierden tanto las cualidades mecánicas como eléctricas. 3) Coeficiente de dilatación lineal: Tiene importancia en los casos en que sea necesario acoplar distintos materiales. En válvulas de vacío es especialmente importante porque se deben acoplar materiales conductores con la ampolla de vidrio estando sometidos a calentamiento durante el funcionamiento. D. Propiedades Mecánicas 1) Resistencia Mecánica (resistencia a la tracción, compresión, etc.): Es muy importante cuando se usa al material conductor como piezas estructurales. Estas propiedades en el cobre y el aluminio son sumamente afectadas por los tratamientos mecánicos y térmicos de fabricación. 2) Estiramiento a la rotura: Es sumamente importante cuando se desea efectuar arrollamiento del conductor. La diferencia entre el estiramiento a la rotura y resistencia a la tracción es la siguiente: en ambos casos se produce

tracción hasta que se rompe el material, la resistencia a la tracción es la tensión que hay que aplicar para que se rompa, mientras que el estiramiento a la rotura es el estiramiento relativo que ha tenido la muestra en el momento de romperse. En muchos casos este estiramiento es considerable, por ejemplo, en el cobre puede llegar hasta un 15 % a 20 %. Esta característica es importante cuando se realizan arrollamientos o bobinas porque para hacer el arrollamiento debe efectuarse una cierta tensión para guiar el alambre. Cuando la sección del alambre es pequeña, muy fácilmente se llega a tensiones que producen considerable estiramiento. En muchos casos este estiramiento debe mantenerse perfectamente controlado, no tanto por el alambre en sí mismo sino porque al estirarse el revestimiento aislador puede resquebrajarse o desprenderse. 3)

Módulo de elasticidad: Debe tenerse en cuenta cuando se desea que el conductor además de efectuar la conexión eléctrica posea características elásticas (interruptores y llaves selectoras). En ese caso para que la resistencia eléctrica entre los contactos sea pequeña es necesaria una cierta presión que debe mantenerse invariable durante largos períodos de tiempo y también con variaciones de temperatura que pueden ser bastante grandes cuando hay circulación de corrientes elevadas. En general cuando se desea que el módulo de elasticidad sea elevado conviene usar algunos compuesto de cobre que tiene elevado módulo de elasticidad y una aceptable conducción eléctrica. 4)

Maleabilidad y ductilidad: La maleabilidad es la capacidad de un material de ser trabajado en láminas muy finas, la ductilidad es la capacidad de ser trabajado en alambres finos. La plata tiene gran capacidad para ser trabajada en alambres muy finos La capacidad del aluminio de ser muy maleable es muy útil para la construcción de capacitores en los cuales se superponen láminas muy delgadas de aluminio y de algún material aislante. 5)

Soldabilidad: Dentro de la electrónica en la cual la mayor parte de las uniones dentro de un circuito se realizan por soldaduras de bajos puntos de fusión, la capacidad de un conductor de ser soldable es muy importante. Tanto es así que algunos materiales que no son fácilmente soldables es menester revestirlos con una capa de otro material que si sea soldable. Esto es lo que se hace con el hierro que se recubre de estaño o cadmio lo que además lo protege de la oxidación. Es muy importante que la soldadura se realice en forma sencilla y rápida, porque si el tiempo que se tarda en conseguir una buena unión es excesivo, se produce un calentamiento que en algunos casos puede ser sumamente perjudicial para el elemento que se está tratando de soldar. 6)

Invariabilidad de las características – Envejecimiento: Hay elementos que presentan un proceso de envejecimiento sumamente notable, por ejemplo, la manganina debe envejecerse por un procedimiento térmico, o si no, dejándola estabilizarse hasta que llegue a un valor

determinado y estable. De otro modo, las tensiones internas producidas durante el proceso de construcción del resistor determinan un valor de la resistencia, el cual al disiparse las mismas con el transcurso del tiempo, experimenta un cambio que puede ser apreciable. Esta variación ulterior de las características se minimiza con el proceso de envejecimiento acelerado ya que la mayor parta de la variación tiene lugar durante el mimo. 7) Resistencia a la oxidación y corrosión: Cuando se construye un equipo o componente hay que tener en cuenta el ambiente en que va a trabajar y por lo tanto se debe usar materiales adecuados. El cobre en uso doméstico no se deteriora, pero si lo hace al ser utilizado en ambiente salino. El aluminio soporta bastante bien el uso normal pero algunos agentes externos lo atacan muy fácilmente. El hierro es imposible usar sin protección. En los casos en que el elemento tiene que trabajar forzosamente sin protección hay que usar materiales más nobles como por ejemplo la plata o el oro. E. Materiales Conductores de uso electrónico Los materiales eléctricos conductores que se usan en electrónica pueden clasificarse en materiales de alta conductividad y materiales de baja conductividad. Los primeros se emplean fundamentalmente para transportar corriente eléctrica con baja pérdida como son la plata, cobre, aluminio y aleaciones como bronce y latón. F. Aislantes de los conductores Muchas veces es necesario aislar los conductores, para lo cual se los recubre con materiales especiales, que deben reunir ciertas condiciones, a saber: 1)

Eléctricas: a) Rigidez Dieléctrica: está dada por la máxima tensión por unidad de longitud que puede soportar sin que salte una chispa. b) Resistencia de Aislamiento: debe ser de varios cientos de ohm, para evitar que se perfore la cubierta por salto de chispa entre el conductor y un material a distinto potencial que pueda estar en contacto con él (conductorchasis). c) Factor de Pérdidas: está dado por la potencia que se pierde, debido al campo electromagnético que transporte el conductor y que está localiz...