Propiedades Eléctricas y Magnéticas
Propiedades eléctricas de los materiales
Los materiales exhiben
una amplia gama de propiedades eléctricas, las cuales son determinadas por su
estructura, composición y características específicas. Estas propiedades
eléctricas son de suma importancia para comprender y aprovechar las
aplicaciones tecnológicas y científicas de los materiales.
Algunas
de las propiedades eléctricas más comunes de los materiales son las siguientes:
Conductividad eléctrica
La
conductividad eléctrica es la capacidad de un material para permitir el flujo
de corriente eléctrica a través de él. Los materiales conductores, como el
cobre y el aluminio, tienen una alta conductividad eléctrica y permiten que la
corriente fluya fácilmente. Los materiales aislantes, como el vidrio y la
cerámica, tienen una baja conductividad eléctrica y evitan el flujo de
corriente.
Resistividad eléctrica
La
resistividad eléctrica es la medida de la oposición de un material al flujo de
corriente eléctrica. Se define como la resistencia eléctrica de un material de
un metro de longitud y un metro cuadrado de sección transversal. Los materiales
con baja resistividad tienen una alta conductividad eléctrica, mientras que los
materiales con alta resistividad tienen baja conductividad.
Superconductividad
Algunos
materiales exhiben superconductividad a temperaturas muy bajas, cercanas al
cero absoluto (-273.15°C). En estado superconductor, el material no tiene
resistencia eléctrica y permite el flujo de corriente sin pérdida de energía.
La superconductividad tiene aplicaciones en campos como la generación y
transmisión de electricidad, la medicina y la electrónica.
Capacitancia
Permitividad
La
permitividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material para
almacenar energía eléctrica en un campo eléctrico. Es una propiedad importante
en el estudio de los campos eléctricos y magnéticos en los materiales.
Dieléctricos
Los
materiales dieléctricos son aislantes eléctricos que no permiten el flujo de
corriente, pero pueden polarizarse bajo la influencia de un campo eléctrico. Se
utilizan en condensadores y otros dispositivos para almacenar carga eléctrica.
Bandas de energía
La
definición de banda de energía establece que la cantidad de átomos en una
piedra de cristal puede estar más cerca entre si y una cantidad de electrones
pueden interactuar entre ellos. Los cambios de energía en sus niveles de
energía dentro de su capa pueden inducir cambios en sus niveles de energía.
Esta
presente la Teoría de la Banda De Energía, la cual según la hipótesis de
Bohr la capa de cada átomo tiene una cantidad diferente de energía en los
distinta niveles energéticos. El enfoque principal de esta teoría está en la
comunicación de Electrones entre las capas interior y exterior, las bandas de
energía se suelen clasificar en 3 categorías.
Según la presente teoría esta el siguiente grafico:
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la electricidad. Está determinada por su contenido en iones, que actúan como portadores de cargas eléctricas, y por la resistencia de los enlaces entre los átomos.
Los materiales con alta conductividad eléctrica se utilizan en aplicaciones que requieren un rápido flujo de corriente, como los cables, interruptores, generadores y motores eléctricos. Los materiales con baja conductividad eléctrica se usan en aplicaciones donde el control de la corriente es importante, como las resistencias, transistores, líneas telefónicas y antenas.
Fórmula de la Conductividad eléctrica
Esta propiedad, indica la
facilidad con la que un material en específico permite el flujo de electrones a
través de sí mismo. La fórmula de la conductividad eléctrica indica que, a
menor resistividad, la conductividad eléctrica será mayor. Y a mayor
resistividad ocurre lo contrario.
Donde la conductividad es igual
a la inversa de la resistividad, y a la vez es igual al producto de la densidad
de carga, movilidad electrónica y la carga eléctrica. Y las unidades de la
conductividad es Siemens/metro (S/m)
σ = Conductividad Eléctrica
ρ = Resistividad Eléctrica
n = densidad de carga (es decir, a la cantidad de electrones que existen
por área de sección transversal)
q = Indica la carga de cada elemento. En caso de los electrones es – 1.
µ = Indica la movilidad de los electrones, es decir la rapidez con la que un electrón se mueve a través de un material específico.
Estructura de bandas semiconductoras
La Estructura de Bandas Semiconductora detalla los niveles de energía del material, así como las capacidades de conducción de electrones.
Los semiconductores están
formados por una estructura de bandas formadas por niveles electrónicos de
energía. Estos niveles están dispuestos de una forma que permite la conducción
eléctrica entre los electrones excitados. La estructura de bandas de un
semiconductor está determinada por varios factores, como el material de su
estructura, la temperatura y la concentración de sus impurezas.
Semiconductores Intrínsecos
Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por ser materiales puros, en los cuales, por otros efectos, como lo pueden ser el cambio de temperatura, puede darse un movimiento de electrones en el mismo. Esto se llega a lograr gracias a que hay un aumento de temperatura en el material semiconductor, o cuando incide radiación, provocando la liberación de electrones de la red y originándose los huecos que inmediatamente son ocupados por electrones de enlaces covalentes de átomos vecinos hacia el espacio vacante.
Un ejemplo de un semiconductor intrínseco es el Ge (Germanio), en donde la unidad estructural repetitiva de este cristal es un átomo de Ge, que tiene 4 electrones de valencia, con los cuales se encuentran formando cuatro enlaces covalentes con otros cuatro átomos de Ge. A bajas temperaturas esta unidad se comporta como un aislante, pero a mayor temperatura los átomos de Ge vibran y parte de la vibración adquirida alcanza a los electrones de valencia logrando que rompa el enlace covalente, dejando un espacio vacío.
Semiconductores Extrínsecos
Los semiconductores extrínsecos son
semiconductores puros a los que se les agregan pequeñas cantidades de impurezas
intencionalmente. El propósito de esto es modificar su comportamiento eléctrico
al cambiar la cantidad de portadores de carga libres en el material. Estas
impurezas, llamadas dopantes, se introducen en el semiconductor puro.
Dependiendo del tipo de dopante utilizado, obtendremos dos tipos de
semiconductores dopados: tipo p y tipo n.
Conceptos generales del magnetismo
El magnetismo es un fenómeno físico por el que los
objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.
Algunos de los conceptos implicados en este fenómeno son:
Campo magnético, flujo magnético e intensidad de campo magnético
Se puede describir a un campo magnético como la agitación que produce un imán en la región que lo rodea. Como se ha visto, esta es representada con líneas de campo que parten desde el polo norte hacia el polo sur por el exterior del imán, y del polo sur al norte en su interior.
Imanes
Los imanes son materiales que presentan propiedades magnéticas
ya sea natural o artificialmente (a través de la magnetización).
Dentro de los segundos se encuentran además los imanes
temporales y permanentes (como su nombre lo dice, con un campo magnético permanente
o temporal) según el material con el que son fabricados y/o la intensidad del campo
magnético al que son sometidos.
Las zonas del imán donde se manifiestan mayormente las fuerzas de atracción son sus extremos conocidos como polo norte y sur, donde polos iguales se repelen, y polos opuestos se atraen de acuerdo con la dirección de las líneas del campo magnético.
Cabe mencionar que los polos norte y sur de un imán no se pueden separar, es decir, que si se rompe un imán en 2 partes no se obtiene un polo norte y un polo sur sino dos imanes cada uno con sus respectivos polos.
Magnetorresistencia
La magnetorresistencia es una propiedad que describe la variación de la resistencia eléctrica de un material en respuesta a un campo magnético aplicado. Algunos materiales, como las aleaciones de hierro y níquel, exhiben una magnetorresistencia significativa, lo que los hace útiles en aplicaciones como sensores de campo magnético o en la lectura de datos en discos duros.
Tipos de comportamiento magnético
Si bien las líneas de un campo magnético atraviesan
todos los materiales, estos presentan diferentes reacciones según sus características.
Ferromagnetismo
Los materiales ferromagnéticos además de ser fácilmente atraídos por un imán, tienen la capacidad de ser imantados permanentemente al ser expuestos a un campo magnético, es decir, ocurre un ordenamiento de sus momentos magnéticos en la misma dirección y sentido.
Algunos de ellos son:
Paramagnetismo
Por su parte, los materiales paramagnéticos tienen poca
susceptibilidad positiva hacia los campos magnéticos (10-6 – 10-2),
siendo débilmente atraídos por ellos.
Se
magnetizan débilmente cuando se exponen a un campo magnético, pero no retienen
la magnetización una vez que se retira el campo. Esto se da debido a que poseen átomos
o moléculas con momentos magnéticos individuales que se alinean en la dirección
del campo magnético aplicado, pero su interacción térmica es suficiente para
desordenarlos una vez que este se elimina.
Algunos de ellos son:
- Magnesio- Molibdeno- Litio- Tántalo
Diamagnetismo
Los materiales diamagnéticos, a diferencia de los ferromagnéticos,
son repelidos por las líneas de flujo de un campo magnético externo, presentando
susceptibilidades magnéticas negativas muy pequeñas (-10-6), es decir,
Algunos de los materiales que presentan este comportamiento son:
Materiales magnéticos duros y blandos
La
inducción magnética es la conversión de un material magnético en un imán. En
tales procesos de magnetización se utilizan materiales magnéticos duros y
blandos.
Los
materiales magnéticos Blandos pueden ser simplemente magnetizado y
desmagnetizado. Esto se debe a que sólo se necesita una pequeña energía para
ello, tienen un campo coercitivo muy pequeño que es menos de 1000A/m. Se
utilizan principalmente para aumentar el flujo o/y para hacer un camino para el
flujo creado por la eléctrica actual.
Los materiales Magnéticos Blandos se grafican de la siguiente manera:
Los
materiales magnéticos Duros, como lo menciona su nombre son muy duros en la
base de que es muy difícil de magnetizar. La razón es que las paredes del
dominio están inmóviles debido a los defectos e imperfecciones de los
cristales. Pero si se magnetiza, se magnetizará permanentemente. Por eso;
también se le llama material magnético permanente. Tienen una fuerza coercitiva
superior a 10kA/m y tienen una alta retentividad. Cuando exponemos un imán duro
a un campo magnético externo por primera vez, el dominio crece y gira para
alinearse con el campo aplicado en la magnetización de saturación.
Se
puede graficar de la siguiente manera los materiales magnéticos Duros.
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