Características generales de los materiales conductores

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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA I

DOCENTE: BERGER, DAMIÁN R.

Tema: Características generales de los materiales conductores Introducción: Se denomina conductor a todo material que permite el paso continuo de una corriente eléctrica, cuando está sometido a una diferencia de potencial eléctrico. Para una diferencia de potencial determinada, cuanto mayor es la densidad de la corriente, tanto más eficiente es el conductor. Definición de material conductor: Se denomina conductor a todo material que permite el paso continuo de una corriente eléctrica, cuando está sometido a una diferencia de potencial eléctrico. Para una diferencia de potencial determinada, cuanto mayor es la densidad de la corriente, tanto más eficiente es el conductor. Virtualmente, todos los materiales en estado sólido o líquido tienen propiedades conductoras, pero ciertos materiales son relativamente mejores desde este punto de vista, mientras que otros están casi totalmente desprovistos de esta propiedad. Por ejemplo, los metales son los mejores conductores, mientras que otras sustancias como óxidos y sales metálicas, minerales, materias fibrosas, etc., tienen conductividad relativamente baja que, no obstante, es afectada favorablemente por la absorción de la humedad. Hay ciertos materiales poco conductores, como el carbón y determinada aleaciones, que también tienen interés electrotécnico.

Conducción eléctrica Se puede definir la conducción eléctrica como el movimiento de cargas eléctricas en el espacio. La conductividad eléctrica de los materiales varía entre amplios límites: para un material considerado buen conductor, como la plata, vale 106 siemens-cm La conductividad eléctrica puede ser de dos clases: a) Conducción electrónica. En este caso, los portadores de cargas son los electrones libres. En ausencia de campo electromagnético exterior, el movimiento electrónico es desordenado, la superposición de un campo electromagnético exterior provoca una orientación de los electrones hacia el polo positivo del campo aplicado. b) Conducción iónica. En este caso, los portadores de cargas son los átomos ionizados, es decir, átomos a los que faltan electrones (carga positiva) o a los que sobran electrones (carga negativa). En ausencia de campo electromagnético exterior, el movimiento de los iones es el resultado de la agitación térmica y, por lo tanto, entre ellos se producen choques y frenados, en movimiento desordenados. Al aplicar un campo electromagnético exterior, el movimiento de los iones queda orientado en el sentido de un polo, según sea su carga. La conductividad iónica aumenta con la temperatura ya que ésta aumenta la movilidad de los iones; el campo electromagnético es la causa de la orientación de los movimientos iónicos. Naturalmente, la orientación de los movimientos, electrónicos o iónicos, serán tanto más acusados cuando más intenso sea el campo electromagnéticos exterior aplicado. Los movimientos electrónicos serán mucho más rápido que los iónicos, ya que el electrón tiene una masa mucho menor que la del átomo ionizado y, por lo tanto, una inercia que es también mucho menor. MATERIALES ELECTROTECNICOS. (ENCICLOPEDIA CEAC DE ELECTRICIDAD)

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Propiedades generales de los materiales conductores Se pueden clasificar en tres grupos:  Propiedades eléctricas.  Propiedades mecánicas.  Propiedades físico-químicas. Naturalmente, las propiedades eléctricas son las más interesantes para el electrotécnico. Pero no deben olvidarse las restantes propiedades citadas, ya que de nada servirá un material buen conductor de la corriente eléctrica si no pudiera resistir los esfuerzos mecánicos sin romperse, o los calentamientos sin descomponerse.

Propiedades eléctricas de los materiales conductores Las propiedades eléctricas que han de tenerse en cuenta para determinar la calidad de los materiales conductores, son las siguientes: a) Resistencia eléctrica. b) Resistividad. c) Conductividad. Resistencia eléctrica de los materiales conductores La resistencia eléctrica R, de un material conductor constituye un índice de la oposición que ofrece el paso de la corriente eléctrica. Se define como la relación entre la tensión constante U, aplicada a sus extremos y la corriente permanente I que circula por el conductor, es decir, que se trata de un coeficiente de proporcionalidad entre ambas magnitudes, expresado por Para un material conductor determinado, la resistencia R es, en general, independiente de la tensión aplicada U y de la corriente I que pasa por el circuito formado con ese conductor; es, en realidad, un parámetro que depende de la naturaleza y dimensiones del material considerado. En conductores de sección uniforme, relativamente pequeña respecto a su longitud, la resistencia es directamente proporcional a la longitud I e inversamente proporcional a la sección s, de forma que puede expresarse por

En la que es el coeficiente de proporcionalidad, distinto para cada material conductor y denominado resistividad, como se verá más adelante. La unidad práctica de resistencia es el ohmio , definido como la resistencia eléctrica de un circuito recorrido por la corriente de 1 amperio, con la diferencia de potencial de 1 voltio. Para resistencias muy pequeñas, se emplea un submúltiplo, denominado microhmio siendo.

Para resistencias muy grandes, se emplea el múltiplo denominado megohmio, siendo

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La magnitud inversa de la resistencia se denomina conductancia, y está definida por Siendo su unidad el siemens, o conductancia de un circuito recorrido por la corriente de 1 amperio, bajo la diferencia de potencial de 1 voltio. En los países anglosajones, la unidad de conductancia es el mho, siendo Resistividad eléctrica La resistividad eléctrica o resistencia específica es la medida de la resisitencia eléctrica de una cantidad unidad de un material dado. Si la resistividad se refiere a las unidades de superficie y de longitud, se trata de resistividad volumétrica, que es la más utilizada como característica típica de los materiales conductores. La expresión de la resistividad volumétrica se deduce de la fórmula que expresa la resistencia eléctrica.

De donde Si R se mide en ohmios, s en milímetros cuadrados y l en metros, la resistividad queda expresada en ohmios por milímetros cuadrado y por metro, es decir

Esta expresión de la resistividad volumétrica es la generalmente empleada para conductores metálicos. Volviendo a la expresión general de la resistencia y adoptando las unidades anteriores:

Se deduce que la resistividad al a la resistencia en de un hilo de 1 m de longitud y 1 mm2 de sección. Para los cuerpos muy buenos conductores, de superficie bastante grande (por ejemplo, los electrolitos), la resistencia R se mide en microhmios, s en centímetro cuadrados y l en centímetros; en este caso, la resistividad expresada en microhmios por centímetro cuadrado por centímetro, es decir.

Volviendo a la expresión general de la resistencia y aplicando las correspondientes unidades } Resulta que, en este caso, es la resistencia en resistividades, exist la siguiente relación:

de un cubo de 1 cm de arista. En ambas

Por ejemplo, la resistividad del cobre es

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o también

Algunas veces se utiliza también la resistividad de masa referida a unidades de masa y expresada por

R = Resistencia m = masa l = longitud Generalmente, la resistividad de masa se expresa en ohmios por gramo y por centímetro cuadrado, es decir Conductividad Eléctrica La conductividad eléctrica x es la inversa de la resistividad, definida anteriormente, y está expresada por A la unidad de resistividad

Corresponde como unidad de conductividad Y es la que normalmente se emplea para esta magnitud. Para los materiales conductores usuales, el orden de esta magnitud es de varias decenas: por ejemplo, la resistividad del cobre a 200 C es:

Y su conductividad vale

A veces, resulta muy práctico escribir el valor de la resistividad como expresión inversa de la conductividad ( por ejemplo, para el cálculo de líneas eléctricas) . Así, para el cobre a 200 C

Variación de la resistencia con la temperatura Según la clase de materiales empleados, la resistencia eléctrica varia de distinta forma al aumentar la temperatura: La resistividad del cobre, del aluminio y, en general, de casi todos los materiales metálicos aumenta, si aumenta la temperatura.

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Industrialmente, se consiguen ciertas aleaciones de cobre y níquel, algunas veces con adición de otras sustancias (por ejemplo, manganeso), cuya resistividad es prácticamente independiente de la temperatura (nombres comerciales de estos materiales: constantan, advance, manganina, etc.). El carbono, sus derivados y casi todos los materiales aislantes en estado seco, presentan el fenómeno inverso, es decir, que su resistividad disminuye al aumentar la temperatura. Dada la influencia que tiene la temperatura t, sobre los valores de la resistividad y de la conductividad, se acostumbra a hacer constar aquélla mediante un subíndice añadido al símbolo correspondiente: así significa la resistividad a 200 C Propiedades mecánicas de los materiales conductores Además de sus propiedades eléctricas, los materiales conductores empleados en Electrotecnia han de poseer cierto número de propiedades mecánicas, que permitan un empleo adecuado a los fines propuestos con su utilización entre los que, a continuación, se definen los más importantes. Los materiales conductores están sometidos a esfuerzos mecánicos de tracción, compresión, flexión y cortadura. Se define: Coeficiente de trabajo a la tracción Ft = esfuerzo o carga de tracción que el material puede resistir con seguridad, en Kg s= sección normal a la carga, en Coeficiente de trabajo a la compresión Fe = esfuerzo o carga de compresión que el material puede resistir con seguridad en kg s = sección normal a la carga, en Coeficiente de trabajo a la flexión Ff = esfuerzo o carga de flexión que el material puede resistir con seguridad, en kg s = sección normal a la carga, en Coeficiente de trabajo a la cortadura Fco= esfuerzo o carga de cortadura que el material puede resistir con seguridad, en kg s = sección normal a la carga, en Todos los materiales se deforman en mayor o menor grado cuando se someten a estos esfuerzos mecánicos. Estas deformaciones pueden ser elásticas y permanentes. La deformación se llama elástica cuando el material vuelve a su forma y dimensiones originales, una vez suprimido el esfuerzo, y permanente, en caso contrario. MATERIALES ELECTROTECNICOS. (ENCICLOPEDIA CEAC DE ELECTRICIDAD)

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El esfuerzo que produce la aparición de una deformación permanente, se denomina limite elástico de trabajo o limite de elasticidad; por debajo de este valor, el material es elástico y, en general, la deformación resulta proporcional al esfuerzo. El limite elástico acostumbra a expresarse en kg/ . Si se siguen aplicando a un material esfuerzo cada vez mayores por encima del limite elástico, llega un momento en que el material se rompe; el esfuerzo mínimo que produce la rotura se denomina limite de rotura o carga de rotura y se expresa también en kg/ . Como los materiales conductores se emplean generalmente en forma de alambres y de cables, las deformaciones producidas en estos materiales por los esfuerzos mecánicos, son alargamientos y acortamientos. La ley de Hooke expresa que, por debajo del limite elástico, hay proporcionalidades entre los alargamientos (o acortamientos), y los esfuerzos. Cuando se somete un material a esfuerzos de tracción hasta la rotura, el alargamiento que sufre el material se denomina alargamiento a la rotura y constituye un índice de la ductilidad del material; está expresado por

l = longitud a la que se produce la rotura, en mm l0 = longitud inicial, en mm. s = sección transversal, en El módulo de elasticidad, llamado también módulo de Young, es la relación entre el esfuerzo de tracción y el alargamiento producido por este esfuerzo. Es una característica propia del material, y está expresado por

F = esfuerzo de tracción, en kg s = sección transversal inicial, en l = longitud inicial, en mm Otra propiedad mecánica importante que debe considerarse en los materiales conductores es la dureza definida como la resistencia que ofrece un material a ser penetrado por otro cuerpo más duro que se obliga a penetrar en el metal de que se trate (por una fuerza de 3000 kg para metales duros y de 500 kg para metales blandos), en dirección normal a la superficie d ensayo. Se llama número de Brinell o coeficiente de dureza a la relación P/s entre la carga o esfuerzo ejercido y la superficie del casquete esférico de penetración (huella de bolita), expresada en También se utiliza el método de Rockwell en el que no se mide la superficie de la huella sino la profundidad de ésta; expresada en Propiedades físico-químicas de los materiales conductores Entre estas propiedades, cabe definir y aclarar los siguientes conceptos: Peso específico y densidad. En un material cualquiera, el peso específico es el peso de la unidad de volumen, y densidad es la masa de la unidad de volumen. Entre el peso especifico p y la densidad , existe la relación

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Siendo g, la aceleración de la gravedad El peso específico y la densidad están expresados por el mismo número, pero en el caso del peso específico nos referimos a unidades de peso y en el caso de la densidad se hace referencia a unidades de masa. Por ejemplo, el cobre tiene un peso especifico de 8,89 gramos-peso/cm3. El peso especifico se expresa generalmente en gramos-peso/cm3, en kilogramos-peso/dm3 o en toneladas/m3; algunas veces se emplean también los kilogramos-peso/m3. La densidad se expresa casi siempre en gramos-masa/cm3. Las unidades de peso especifico y de densidad se refieren a una temperatura de 200 C. Calor especifico. El calor especifico medio ( Cm) de un material, entre dos limites de temperatura t1 y t2 es la relación que existe entre la cantidad de calor necesario Q, para elevar la unidad de masa del cuerpo de la temperatura t1 a la temperatura t2 y la elevación de temperatura (t2-t1), es decir, que está definido por la expresión

El calor específico verdadero cv de un cuerpo a la temperatura t, es el limite a que tiende el calor especifico medio Cm cuando t2 tiende a t, es decir Por consiguiente, puede decirse que el calor especifico verdadero de un cuerpo a t grados C, es la cantidad de calor necesaria para calentar 1 grado, a partir de la temperatura t, un gramo (o un kilogramo) de este cuerpo. Si la temperatura está expresada en grados centígrados, el calor específico se expresa en calorías-gramo o en calorías-Kilogramo. Para los materiales conductores simples el calor especifico es constante entre limites de temperatura, a veces muy distantes entre sí; generalmente, el calor especifico aumenta con la temperatura. En todos estos materiales, el calor especifico es menor que el del agua; el calor especifico del agua, entre las temperaturas de 00 C a 600 C, vale 1 caloría-gramo. La determinación del calor especifico de las aleaciones metálicas conductoras, es muy complicada y depende, principalmente, de la composición de estas aleaciones. Si esta composición es conocida y, sobre todo, si se sabe la proporción entre las masas de los diversos componentes de la aleación y la masa total de ésta, es posible determinar con suficiente precisión el calor especifico de la aleación. En efecto, si una aleación está constituida por un metal M1, de calor específico C1, y por un metal M2 de calor específico C2, el calor específico de la aleación vale: = proporción del metal M1 en tanto por uno Por ejemplo, sea una aleación plomo-estaño, con una proporción de plomo Calor especifico del plomo C1 = 0,0314 Calor especifico del estaño C2 = 0,0562 El calor específico de la aleación vale

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Calor y temperatura de fusión. Se denomina calor de fusión de un cuerpo, a una temperatura t, a la cantidad de calor que ha de comunicar a la unidad de masa de este cuerpo, supuesto en estado sólido y a dicha temperatura t, para que pase al estado liquido a esta misma temperatura. La temperatura t se denomina temperatura de fusión y, también, punto de fusión, y se expresa en . Conductividad térmica. Se denomina así a la facilidad que un material presenta al paso del calor; la conductividad térmica se produce cuando todos los puntos de un material no están a la misma temperatura; entonces, el calor se propaga de molécula a molécula, desde los puntos más calientes a los más fríos. Si se considera una placa de caras paralelas, de espesor finito y de dimensiones transversales infinitas, donde cada cara se mantenga a temperatura constante, se produce un paso de calor a través de la masa de la placa. Cuando se ha establecido el régimen permanente, la cantidad de calor que atraviesa, durante un tiempo muy corto, una pequeña sección paralela a las caras, depende de la temperatura de éstas últimas y del coeficiente de conductividad térmica del material que constituye la placa. El coeficiente de conductividad térmica es el número de calorías gramo que atraviesa 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 C. La conductividad térmica de un material es un índice de la mayor o menor dificultad con que este material permitirá la transmisión del calor, generado por efecto Joule, a los cuerpos próximos y al ambiente que le rodea. Cuando mayor sea el coeficiente de conductividad térmica, tanto más fácilmente se evacuará el calor producido. Al clasificar los materiales conductores por su conductividad térmica, se puede observar que esta clasificación coincide sensiblemente con la que corresponde a la conductividad eléctrica: es decir, que cuando mejor conductor de la corriente eléctrica es un material, tanto mejor conductor del calor es. La relación entre la conductividad calorífica y la conductividad eléctrica es independiente de la naturaleza del metal y aumenta proporcionalmente a la temperatura absoluta. Normalmente, la conductividad térmica de un material se expresa en calorías-gramo por grado centígrado, por cm2 y por cm, es decir, calorías-gramo/C0/cm2/cm. Coeficiente de dilatación lineal. Cuando se calienta un material solido, aumentan sus dimensiones en todos los sentidos, aumentando, por lo tanto su superficie y su volumen: se dice que el material se dilata. La dilatación lineal es el aumento de longitud en una determinada dirección. Y el coeficiente de dilatación lineal es el aumento que experimenta la unidad de longitud de un determinado material, al aumentar un grado centígrado su temperatura. Entre los límites normales de empleo industrial (generalmente de o0 C a 1000 C) puede admitirse que este coeficiente es constante y distinto para cada material. Por consiguiente si se llama:

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Tendremos que si se conoce previamente la longitud lt1, a cierta temperatura t1, la longitud a la temperatura t2 será: En el caso en que t1= 00 C, se tiene

Resistividad

o

t1

Temperatura

t

t2 t3

Fig.1. Variación lineal de la resistividad con la temperatura

Tabla 1. Características eléctricas de algunos materiales conductores Materiales

Aluminio extrapuro (99.9 %) Aluminio templado Aldrey (0,987 Al; 0,05 Mg;0,05 Si;0,03 Fe Plata Bismuto Cobre electrolítico Cobre recocido normalizado

Resistividad temperatura de

0,028 0,02703 0,0325 0,015 0,11 0,0154 0,01724

a la

20 20 0 0 0 0 20

Conductividad Relativa respecto al cobre a 20

0,615 0,600 0,550 1,060 0,140 1,060 1,000

Coeficiente aparente de temperatura

41X10-4 40X10-4 36X10-4 40X10-4 45X10-4 41X10-4 39,3X10-4

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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA I Cobre recocido industrial Duraluminio Estaño Hierro dulce Fundición de Hierro Mercurio Molibdeno Níquel Osmio Platino Plomo Tántalo Tungsteno Zinc Acero al cromo ( 0,13 Cr;0,002 C) Acero al níquel (0,30 Ni;0,001 C) Acero al silicio ( 0,04 Si) Acero al manganeso (0,13 Mn; 0,01 C ) Bronce al aluminio ( 0,98 Cu 0,10 Al) Bronce fosforoso (0,98 Cu; 0,02 Sn) Bronce silicioso (0,99 Cu; 0,01 Sn) Constantán ( 0,60 Cu;0,40 Ni ) Ferroníquel (0,74 Fe, 0,25 Ni;0,008 Cr) Latón ( 0,60 Cu; 0,40 Zn) Maillechort (0,60 Cu; 0,15 Ni; 0,25 Zn) Manganina (0,84 Cu; 0,12 Mn; 0,04 Ni ) Nicrom (0,60 Cu; 0,12 Cr; 0,28 Fe) Niquelina( 0,62 Cu; 0,18 Ni; 0,20 Zn ) Niquelina(0,55 Cu;0,25 Ni;0,20 Zn ) Platino-rodio (0,90 Pt; 0,10 Rh) Reotán (0,53 Cu;0,25 Ni;0,17 Zn;0,05 Fe)

0,018 0,45 0,11 0,11 0,80 0,94076 0,49 0,10 0,095 0,11 0,195 0,15 0,07 0,957 0,60 0,82 0,62 0,66 0,126 0,055 0,018 0,49 0,80 0,0815 0,30 0,42 1,37 0,33 0,45 0,27 0,535

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20 15 0 0 0 0 0 20 0 0 20 20 0 20 20 20 20 20 0 0 18 20 15 0 18 0 0 0 0 0

0,940 0,360 0,140 0,140 0,021 0,018 0,035 0,160 0,160 0,140 0,082 0,115 0,246 0,302 0,028 0,021 0,028 0,026 0,137 0,313 0,940 0,035 0,021 0,212 0,057 0,041 0,013 0,052 0,038 0,064 0,033

40X10-4 43X10-4 55X10-4 75X10-4 8,87X10-4 60X10-4 42X10-4 38X10-4 42X10-4 27X10-4 39X10-4 40X10-4 8X10-4 12,7X10-4 3,2X10-4

+/- 0,1X10-4 9X10-4 10X10-4 3,6X10-4 +/- 0,1X10-4 0,002X10-4 3X10-4 3X10-4 13X10-4 4X10-4

Cuestionario. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Cómo se denomina a un conductor eléctrico. Qué materiales tienen conductividad relativamente baja. Cómo puede definirse la conducción eléctrica. Cuál es la diferencia entre conducción electrónica y conducción iónica. Cuáles son las propiedades generales de los materiales conductores Por qué el coeficiente de proporcionalidad es diferente en cada conductor eléctrico Cuáles son las propiedades mecánicas de los materiales conductores Cuáles son las propiedades físico-químicas de los materiales electrotécnicos

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9. Cómo se comporta la conductividad del cobre al aumentar la temperatura 10. Por qué el aluminio tiene menor conductividad que el cobre.

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