Descubre las sorprendentes propiedades eléctricas de los materiales y cómo influyen en nuestro día a día. Desde los conductores hasta los aislantes, adéntrate en el fascinante mundo de la electricidad y aprende cómo los materiales pueden ser la clave para entender y mejorar nuestras tecnologías actuales y futuras. ¡Prepárate para quedar electrificado con todas las maravillas que estos materiales tienen por ofrecer!
Una de las propiedades eléctricas más importantes del material es su capacidad para conducir corriente eléctrica. Esto se decide por un conjunto de propiedades que se denominan colectivamente Propiedades eléctricas del material.
Hay varios materiales que se utilizan en la producción de un determinado artículo en una industria o unidad de producción. Por ello, el conocimiento de las diversas propiedades físicas y químicas de estos materiales es de suma importancia.
Fundamentalmente, hay dos tipos de materiales cuando se clasifican según su conductividad eléctrica: Conductores y No Conductores o Aislantes. Hay un tercer tipo conocido como semiconductores que tienen una conductividad eléctrica situada entre la de los conductores y los no conductores. Se puede juzgar si un material determinado es un conductor o un aislante en función de las propiedades eléctricas del material.
Las propiedades eléctricas también nos dan una idea sobre la acumulación atómica de un material. Los metales, por ejemplo, tienen electrones libres en su estructura atómica. Los electrones son portadores de carga y, por lo tanto, los metales son buenos conductores de electricidad. Entonces, sabemos que si algo es un buen conductor de electricidad, eso significa que tiene electrones libres en la capa exterior de su configuración atómica. Del mismo modo, podemos sacar varias conclusiones sobre un material determinado y compararlas para encontrar la mejor para nuestras propias necesidades.
Analicemos algunas de las propiedades eléctricas importantes de un material.
Propiedades eléctricas de los materiales
Los siguientes son los Propiedades eléctricas de los materiales de ingeniería..
- Resistividad
- Conductividad
- Brecha de banda
- Constante dieléctrica
- Permeabilidad magnética
- Permeabilidad
- Coeficiente de temperatura de resistencia
- Termoelectricidad
- Superconductividad
- Piezoelectricidad
Ahora, discutiremos cada propiedad en detalle.
1. Resistividad
La resistividad es una de las propiedades eléctricas más importantes y fundamentales de un material. Se puede definir como una medida del poder de resistencia de un material dado al flujo de una cierta cantidad de corriente eléctrica. Cuanto mayor es la resistividad, peor se vuelve el material en términos de conductividad eléctrica. Por lo tanto, no hace falta decir que los buenos conductores tienen una resistividad más baja en comparación con los malos conductores o aislantes.
Matemáticamente, la resistividad está dada por
Donde R es la resistencia en ohmios, A es el área de la sección transversal en m^2 y l es la longitud en m del material. Así podemos decir que la resistividad de un material es la resistencia ofrecida al flujo de corriente eléctrica por el material que tiene unidad de longitud y unidad de área de sección transversal.
La resistividad de un material es constante para una temperatura dada. Depende de la naturaleza del material y de su temperatura. A continuación se muestra una tabla de la resistividad de diferentes materiales eléctricos a una temperatura determinada.
| Material | Resistividad (Ohm-m) a 20 grados C |
| Plata | 1,5×10-8 |
| Cobre | 1,68×10-8 |
| Oro | 2,24×10-8 |
| Aluminio | 2,82×10-8 |
| Calcio | 3,36×10-8 |
| Tungsteno | 5,60×10-8 |
| Zinc | 5,90×10-8 |
| Níquel | 6,99×10-8 |
| Hierro | 1,00×10-7 |
| Dirigir | 2,20×10-7 |
| nicromo | 1,10×10-6 |
| Carbono (Grafito) | 2,50×10-6 |
| Germanio | 4,60×10-1 |
| Agua potable | 2,00×10-1 |
| Silicio | 6,40×102 |
| madera mojada | 1,00×103 |
| Goma | 1,00×1013 |
| Aire | 1,30×10dieciséis |
2. Propiedades eléctricas de los materiales– Conductividad
La conductividad es la propiedad eléctrica recíproca de la resistividad, que es una medida de la facilidad de flujo de la corriente eléctrica a través de un material determinado. Se mide en Siemens o Mho/metro (Mho=1/Ohm) y viene dado por
Los buenos conductores de electricidad tienen una conductividad más alta, mientras que es baja para los malos conductores.
3. Brecha de banda
La banda prohibida es una propiedad eléctrica importante de un material que nos informa sobre la naturaleza del material a nivel atómico. Una banda prohibida se puede definir como la cantidad mínima de energía que se requiere para liberar un electrón en el material para que pueda participar en el proceso de conducción.
Cualquier material tiene dos bandas de energía: La banda de valencia y La banda de conducción. La banda de valencia es la banda de baja energía donde los electrones están limitados por sus respectivos núcleos. La brecha de banda es la cantidad mínima de energía externa que se requiere para que el electrón salte al nivel más alto de energía más cercano en la banda de conducción y, por lo tanto, participe en el proceso de conducción.
Según la propiedad de la energía de la banda prohibida, los materiales eléctricos se pueden separar en conductores, semiconductores y aislantes. Los conductores tienen la banda prohibida más baja en comparación con los semiconductores, seguidos de los aisladores.
4. Propiedades eléctricas de los materiales–Constante dieléctrica
La constante dieléctrica es una propiedad eléctrica del material y también se conoce como la permitividad relativa de un material. Se define como la relación entre la permitividad de la sustancia y la del espacio libre. Es una medida de la capacidad de un material para retener el flujo eléctrico dentro de sí mismo.
Matemáticamente, la constante dieléctrica viene dada por
Donde ε es la permitividad del material dado y ε0 es la permitividad del espacio libre.
La constante dieléctrica es una relación y, por lo tanto, no tiene unidad ni dimensión en sí misma. Su medida es importante para que un material se utilice para crear capacitancia en un circuito o para la formación de un material aislante para un voltaje determinado o un rango de voltaje.
A continuación se muestra una tabla de la constante dieléctrica de varios materiales.
5. Permeabilidad magnética
La permeabilidad magnética es una propiedad eléctrica importante de un material que cuantifica o define cómo responde el material en cuestión a un campo magnético. Es la medida de la facilidad con la que un material puede ser magnetizado por un campo magnético en su vecindad.
Según la propiedad de permeabilidad magnética, los materiales eléctricos se pueden clasificar como materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos.
Los materiales ferromagnéticos son los que son fácilmente atraídos por los imanes. Estos materiales son buenos conductores del flujo del campo magnético ya que el flujo de fuga a través de estos materiales es muy pequeño. Hierro, Níquel, Cobalto, Acero CRGO, etc. son algunos ejemplos. Los materiales ferromagnéticos se utilizan en la fabricación del núcleo magnético de una máquina como un transformador o un motor.
Materiales paramagnéticos se sienten atraídos por los imanes, pero su afinidad con los imanes es débil en comparación con los materiales ferromagnéticos. Estos materiales tienen electrones dañados. A saber: litio, magnesio, molibdeno, etc.
Los materiales diamagnéticos son los que repelen ambos polos de un imán. Ejemplos: Zinc, Plata, Vidrio, Cloruro de Sodio, Antimonio, etc.
6. Voltaje de ruptura
El voltaje de ruptura de un material es la diferencia de potencial en la que el material comienza a conducir corriente eléctrica. Esto no tiene mucha importancia en el caso de los materiales conductores, pero es una propiedad importante a tener en cuenta en el caso de los materiales aislantes. Porque los materiales aislantes pueden resistir el flujo de corriente eléctrica a través de ellos solo hasta un cierto rango de voltaje. Este rango se puede determinar conociendo el voltaje de ruptura del material. Cuanto mayor sea el voltaje de ruptura, mejor será el material en términos de capacidad aislante.
7. Coeficiente de temperatura de resistencia
La resistencia eléctrica de un material depende de la temperatura de su entorno. El coeficiente de temperatura de resistencia de un material es un valor constante que indica la tasa de cambio de la resistencia con respecto a la temperatura. Se denota por α.
Para un material consideremos que la resistencia es R1 a una temperatura de t1 grado C y R2 en t2 grado.C. Si el coeficiente de temperatura de resistencia del material es α entonces,
La unidad del coeficiente de temperatura de la resistencia es por grado C. La siguiente tabla muestra el valor del coeficiente de temperatura de resistencia de ciertos materiales. a 20 grados C.
Estas son algunas de las propiedades eléctricas importantes de un material en función de las cuales se determina su uso para una determinada aplicación.
8. Termoelectricidad
Cuando la unión formada por la unión de dos metales se calienta, el voltaje se induce en los extremos abiertos de los metales. Este fenómeno se denomina efecto termoeléctrico. Los termopares, los pequeños generadores de energía y algunos transductores funcionan según el mismo principio.
9. Superconductividad
Cuando el material se encuentra por debajo de la temperatura crítica, ofrece cero resistencia eléctrica. Esta propiedad del material se llama superconductividad. La conductividad eléctrica de los materiales se vuelve infinita cuando algunos materiales se operan en una zona de temperatura particular.
10. Piezoelectricidad
Cuando el material experimenta una tensión o presión, genera voltaje. La propiedad del material que convierte la presión o la tensión en energía eléctrica se denomina piezoelectricidad. Ejemplos de materiales piezoeléctricos son celdas de carga, micrófonos, parlantes, etc.
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