SISTEMAS DE MANUFACTURA FLEXIBLE

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

13. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

3.1 PROPIEDADES ELECTRICAS Y MAGNETICAS.3.2 PROPIEDADES TERMICAS.3.3 PORPIEDADES QUIMICAS.3.4 PORPIEDADES MECANICAS.23.1 PORPIEDADES ELECTRICAS Y MAGNETICASEl comportamiento fsico de los materiales se encuentra descrito por una gran variedad de propiedades elctricas, magnticas, pticas y trmicas, que vienen determinadas, entre otras, por su estructura y ordenamiento atmico y la estructura cristalina.

Estas propiedades fsicas pueden ser modificadas cambiando el ordenamiento a corto y medio alcance de los tomos, introduciendo imperfecciones en la estructura atmica, variando el tamao de grano, modificando la microestructura, etc .

y por ello son tambin funcin del proceso de fabricacin y de su composicin, que pueden ser modificados para alcanzar unas determinadas propiedades fsicas finales.

3Conductividad elctrica En los materiales y dispositivos conductores, la propiedad esencial para su diseo es la resistividad, o su inversa, la conductividad, aunque no deben de olvidarse otro tipo de propiedades fsicas, qumicas o mecnicas que si se olvidasen en el diseo pueden limitar la puesta en servicio del material diseado.

Ley Ohm :El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito elctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensin o voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada.

V = I . RDonde: V= Voltaje (V Volts)I= Intensidad (A amperes)R= Resistensia ( Ohm Omegas)

El concepto opuesto al de Resistencia Elctrica, es decir la aptitud o facilidad para el paso de corriente por un material, es la Conductancia elctrica que se suele representar por el smbolo . 4habr materiales con mejor o peor conductividad, e incluso para el mismo material, diseos ms o menos apropiados para la conduccin. Al ingeniero le interesa utilizar unas magnitudes fsicas indicadoras de estas propiedades y comportamientos de manera que le permitan disear y calcular elementos o componentes con su apropiado valor de resistencia elctrica. Estos indicadores son la resistividad y su inversa, la conductividad elctrica.5Resistividad como la resistencia que opone un material al paso de corriente a travs de l por unidad de longitud y de seccin. (La conductividad es la inversa de la resistividad)

==100RSL. - es la resistividad medida en cm - es la conductividad medida en (cm)-1 - R es la resistencia en - S0 es la superficie en cm2 - L0 es la longitud en cm

Por convenio internacional, tambin se expresa la conductividad en trminos porcentuales, de manera que se toma como patrn con una conductividad del 100% IACS, al cobre recocido cuya resistividad es de 1,724 cm a la temperatura de 20C. Para la determinacin de la resistividad existen diferentes mtodos de ensayo que tienen por objeto determinar la resistencia elctrica del material y a partir de ella y conocida la geometra del mismo obtener el valor de su resistividad.

Existen mtodos indirectos basados en la determinacin de la resistividad a partir de la verificacin de la ley de Ohm sobre el material que se ensaya, o bien directamente midiendo la resistencia del material en un puente de Wheastone.6Semiconductividad y Materiales semiconductores En los materiales semiconductores, el rango de conductividad es menor que en los metales aunque su aplicabilidad como material base en los dispositivos semiconductores para la industria electrnica es muy importante, ya que sus valores de conductividad son lo suficientemente elevados para una gran parte de las condiciones de funcionamiento (intensidad, voltaje y temperatura de trabajo) que se dan en los equipos electrnicos actuales. Ejemplo de conductividad variable . Los diodos: A qu se debe diferente comportamiento entre las dos zonas del diodo? las dos zonas del diodo estn constituidas del mismo semiconductor (p.e silicio), pero tienen una diferencia en cuanto a su composicin qumica. Se dice que ambas zonas estn dopadas. El tipo y magnitud del dopado ser determinante en las propiedades elctricas del semiconductor y el dispositivo que se elabore con l.7PROPIEDADES DIELCTRICAS Y AISLANTES La importancia del estudio de las propiedades dielctricas de los materiales es tan importante como las conductoras. En los materiales aisladores de la corriente elctrica, al igual que con los materiales conductores, son varios los ndices que cuantifican y cualifican su eleccin: resistividad, constante dielctrica, rigidez dielctrica, factores de prdidas y calidad.

Indicadores del aislamiento elctrico a) Resistividad elctrica es la resistencia que ofrece un cuerpo a que el flujo de electrones o corriente elctrica pase a travs de su constitucin fsica y qumica.

b) Rigidez dielctrica Entendemos por rigidez dielctrica origidez electrostticael valor lmite de laintensidaddelcampo elctricoen el cual un material pierde su propiedadaislantey pasa a ser conductor. Se mide en voltios por metro V/m (en elSI). Tambin podemos definirla como la mximatensinque puede soportar unaislantesin perforarse. A esta tensin se la denominatensin de roturade undielctrico.

8 Indicadores del comportamiento dielctrico a) Constante dielctrica El nombre proviene de los materiales dielctricos, que son materiales aislantes, no conductores por debajo de una cierta tensin elctrica llamada tensin de ruptura. El efecto de la constante dielctrica se manifiesta en la capacidad total de un condensador elctrico. Cuando entre los conductores cargados o placas que lo forman se inserta un material dielctrico diferente del aire (cuya permitividad es prcticamente la del vaco), la capacidad de almacenamiento de la carga del condensador aumenta. De hecho, la relacin entre la capacidad inicial Ci y la final Cf vienen dada por la constante dielctrica

b) Factor de disipacinCuando aplicamos una corriente alterna a un dielctrico perfecto, la corriente adelantar al voltaje en 90, sin embargo debido a las prdidas, la corriente adelanta el voltaje en solo 90-, siendo el ngulo de prdida dielctrica. Cuando la corriente y el voltaje estn fuera de fase en el ngulo de prdida dielctrica se pierde energa o potencia elctrica generalmente en forma decalor.El factor de disipacin est dado por FD=Tan y el factor de prdida dielctrica es FP=KTan .

9Propiedades MagnticasEl campo de aplicaciones donde se exigen propiedades magnticas a los materiales es enorme. Desde los clsicos motores y generadores elctricos a discos de ordenadores, cintas de audio y vdeo o cabezas de grabacin y reproduccin. El magnetismo es un fenmeno fsico por la que los materiales ejercen fuerzas de atraccin o repulsin sobre otros.. Los electrones, son, por as decirlo, pequeos imanes. En un imn todos los electrones tienen la misma orientacin creando una fuerza magntica. Un material magntico, es aquel que presenta cambios fsicos al estar expuesto a un campo magntico.

10Comportamiento materiales magnticos

En ausencia de un campo magntico la mayor parte de la materia no manifiesta propiedades magnticas; eso es debido a que internamente, los campos magnticos generados por el movimiento de los electrones estn compensados unos con otros.

Sin embargo al someter a un material, sea el que sea, a la accin de un campo magntico exterior, se produce unadistorsindel movimiento electrnico lo que provoca la aparicin de un momento magntico opuesto al campo exterior. Adems, se da el caso de materiales que poseen de antemano un momento magntico y al ser sometidos a la accin del campo se produce una alineacin de dichos momentos, lo que favorece la propagacin del campo magntico.11Si el concepto de momento magntico te la un poco, podemos hacer una cosa: pensemos que a cualquier material magntico o susceptible de ser magnetizado, pudiramos dividirlo en tantos trozos o partes tan pequeas como quisiramos. Cada una de esas diminutas partes seguira conservando las propiedades originales del material y podramos llamarlos imanes elementales. En realidad esos mini imanes son la causa del movimiento de los electrones, as si la distribucin es aleatoria, como ocurre en los materiales no magnticos, unos campos son neutralizados por los dems quedando el material en su conjunto magnticamente neutro, pero si el material es magntico entonces se produce unaalineacin

12Diamagnticos: Cuando un material diamagntico es sometido a la accin de un campo magntico, las lneas de fuerza de ste son repelidas hacia el exterior, o dicho de otro modo, un material diamagntico sera repelido permanentemente por cualquier polo de un imn. La permeabilidad magntica de estos materiales es inferior que la del vaco, pues ofrecen mayor resistencia que ste a la propagacin del campo magntico. Son diamagnticos el bismuto, el hidrgeno, los gases nobles, cloruro de sodio, germanio, grafito, etc.

Paramagnticos: Estos materiales son dbilmente atrados por los campos magnticos, es decir que si colocamos un material paramagntico dentro de un campo magntico atraer hacia s las lneas de fuerza del campo. Si retiramos el cuerpo de la accin del campo no conserva propiedades magnticas. La permeabilidad magntica en estos materiales es superior a la del vaco. Son paramagnticos el aluminio, magnesio, titanio, wolframio, etc.

Ferromagnticos: Son materiales que cuando se introducen dentro de un campo magntico, distorsionan muchsimo las lneas de flujo. Esto es debido a que se produce un ordenamiento de los momentos magnticos del material en la misma direccin que el campo exterior. Si retiramos el material de la accin del campo conservar propiedades magnticas durante un tiempo. Aqu la permeabilidad magntica es claramente superior a la del vaco. Los tres materiales ferromagnticos por excelencia son hierro, cobalto y nquel, as como sus aleaciones.13Representacin campo magntico o comportamiento magntico

Las grficas muestran el comportamiento de los materiales que se acaba de describir.Propagacin de lneas de fuerza en el vacoPropagacin de lneas de fuerza sobre un cuerpo paramagnticoPropagacin de lneas de fuerza sobre un cuerpo ferromagnticoPropagacin de lneas de fuerza sobre un cuerpo diamagntico14Tipos de materiales MagnticosLos materiales magnticos ms importantes desde un punto de vista comercial, son los derivados del hierro, aunque hoy en da, la ciencia de materiales investiga con nuevos materiales magnticos como por ejemplo la cermica. Tambin es importante la aplicacin que queremos dar a esos imanes, pues en unos casos nos interesar que posean un gran campo magntico remanente y en otros que ese campo magntico pueda ser muy variable. As pues podemos distinguir:

Materiales magnticos metlicos: son los ferromagnticos ya mencionados que se pueden clasificar en blandos y duros.Los materiales magnticosblandosson aquellos que tienen una baja remanencia magntica, es decir se pueden desmagnetizar con ms facilidad y se suelen emplear en electroimanes, para poder variar en ellos el flujo magntico y controlar as la corriente inducida en bobinas, ncleos de transformadores, generadores, etc; Los ms comunes son aleaciones de hierro con un 3-4 % de silicio y aleaciones Fe-Ni con nombres comerciales como Permalloy y Supermalloy.Los materiales magnticosdurosson, como puedes imaginar, aquellos que tienen un campo magntico remanente grande, es decir, conservan inicialmente un gran campo magntico y son aptos para imanes permanentes. Se usan, por ejemplo, para separar ganga no magntica de mena magntica en la extraccin de minerales; se suelen utilizar aleaciones de Fe, Al, Ni, Co; y aleaciones Fe, Cr, Co entre otras.

Materiales magnticos cermicos: son los denominados materialesferrimagnticos.Aunque su origen es cermico, presentan algunas particularidades en su estructura atmica, de tal forma que tienen un emparejamiento particular de los spines de los electrones, por lo que se pueden magnetizar. Algunos de estos materiales son las denominadasespinelas, que son aleaciones de Mn, Ni, Zn, Mg y Co; se suelen utilizar como elementos pasivos para suprimir interferencias en circuitos electrnicos, como transpondedor en circuitos de radiofrecuencia, que pueden usarse para identificar animales, llaves de automvil, etc.15

Llave automvil con transpondedor.

Identificacin de transpondedor canino.

163.2 propiedades Trmicas de los materiales

Algunas aplicaciones industriales importantes requieren la utilizacin de materiales con propiedades trmicas especficas, imprescindibles para el correcto funcionamiento del dispositivo o equipo en cuestin. As ocurre, por ejemplo, en un intercambiador de calor, cuyo rendimiento depende directamente de la conductividad trmica del material empleado en su construccin. En otros casos, estas propiedades no son tan determinantes, pero debern ser tenidas en cuenta a la hora de seleccionar el material idneo. As, por ejemplo, un coeficiente de dilatacin alto puede dar lugar a tensiones trmicas importantes en piezas con responsabilidad mecnica.

Las propiedades trmicas como el calor especfico o los coeficientes de dilatacin son importantes en piezas sometidas a fuertes gradientes de temperatura, como la estructura y recubrimiento de los hornos. Tanto el calor especfico como el coeficiente son prcticamente invariantes con la estructura policristalina, dependiendo fundamentalmente del tipo de enlaces y de las caractersticas de la red cristalina bsica.

La conductividad trmica, en cambio, s se ve notablemente afectada por la estructura policristalina. La conductividad trmica es un parmetro fundamental en dispositivos donde la transmisin de calor sea determinante de su eficacia, como ocurre con los ya citados intercambiadores de calor o, en el caso contrario, en los sistemas de aislamiento trmico.

En esta unidad se efecta una revisin de las propiedades trmicas ms importantes desde el punto de vista de sus aplicaciones en ingeniera. Como en unidades anteriores, se estudia la influencia que la naturaleza y estructura de los materiales sobre stas propiedades y se presentan algunas aplicaciones importantes en conexin con las caractersticas requeridas de los materiales.17Propiedades trmicas de los materiales. (Indicadores)La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta a prcticamente todas las caractersticas de los materiales. Las propiedades mecnicas, elctricas o magnticas sufren importantes cambios cuando la temperatura vara, por lo que los efectos trmicos sobre estas propiedades debern tenerse en cuenta siempre a la hora de dimensionar o seleccionar el material idneo.

En este tema nos ocuparemos de tres fenmenos o caractersticas trmicas propias del material e importantes por s mismas para numerosas aplicaciones ingenieriles. En efecto, cuando un slido recibe energa en forma de calor, el material absorbe calor, lo transmite y se expande. Estos tres fenmenos dependen respectivamente de tres propiedades caractersticas del material: la capacidad calorfica o su equivalente calor especfico, de su conductividad trmica y de su coeficiente de dilatacin. Analizaremos por separado cada uno de ellos.

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