UNIDAD 1

PROPIEDADES DE LOS MATERIALESPARA INGENIERÍA ELÉCTRICA

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1.1 Clasificación general de los materialeseléctricos

Los materiales se clasifican en:

Conductores: permiten el paso de la corriente fácilmentepor ellos.

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Semiconductores: se comportan como conductores o aislantes en determinadas circunstancias. Se utilizan frecuentemente en la electrónica.

Aislantes: no permiten fácilmente el paso de la corriente por ellos

Conductores

Son materiales cuya resistencia al paso de laelectricidad es muy baja. Los mejores conductoreseléctricos son metales, como el cobre, el oro, el hierroy el aluminio, y sus aleaciones, aunque existen otrosmateriales no metálicos que también poseen la propiedadde conducir la electricidad, como el grafito o lasdisoluciones y soluciones salinas (por ejemplo, el aguade mar) o cualquier material en estado de plasma.

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Semiconductores

Se comportan como conductores o aislantes en determinadas circunstancias. Algunos materiales, como elaire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones

pero no para otras. El aire, por ejemplo, es aislante a temperatura ambiente pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.

Componentes semiconductores

También denominados como componentes de estado sólido, son los componentes "estrella" en casi todos los circuitos electrónicos.

Se obtienen a partir de materiales semiconductores, especialmente del silicio aunque para determinadas aplicaciones aún se usa germanio.

Aislantes

Son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes.

Algunos ejemplos de este tipo de materiales son:

Vidrio, cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita.

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1.2 Proceso de obtención de los principalesmateriales eléctricos

De los elementos que figuran en la tabla periódica,alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales.Todos ellos tienen en común que sus electrones másexternos en un átomo neutro son cedidos fácilmente. Estacaracterística es la causa de su conductividad, tantoeléctrica como térmica, de su brillo y maleabilidad.

El uso de metales puros es limitado, pues son blandos otienden a corroerse. Sin embargo, toleran unaconsiderable cantidad de elementos en estado sólido olíquido. Así, la mayor parte de los materiales metálicoscomúnmente usados son mezclas de dos o más metaleselementales. Es posible realizar estas mezclas de variasmaneras, pero casi siempre se obtienen por la unión demetales por arriba de su punto de fusión. Esa mezclasólida de metales o metaloides se denomina aleación.

ALEACIONES FÉRREAS.Son las sustancias férreas que han sufrido

un proceso metalúrgico. También llamados productossiderúrgicos, pueden clasificarse en: Hierro. Aceros.Fundiciones. Ferroaleaciones. Aleaciones férreasespeciales. Conglomerados férreos.

De todos estos productos siderúrgicos, son losaceros y fundiciones los empleados por excelencia en lafabricación mecánica y ya en menor proporción, losconglomerados no férreos. De estos últimos hablaremos deforma más amplia en capítulos posteriores.

Hierro

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El hierro puro carece de una gran variedad de usosindustriales debido a sus bajas característicasmecánicas y la dificultad de su obtención. Encuentraaplicaciones en la industria eléctrica dadas suscualidades de permeabilidad magnética.

Acero

Es una aleación de hierro y carbono, que puedecontener otros elementos, el carbono es el elementoprincipal que modifica las características mecánicas delacero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayoresserán la resistencia y la dureza del acero, pero tambiénserá más frágil y menos dúctil. El acero que se empleapara la construcción mecánica y metálica tiene tresformas usuales: barras, perfiles y palastros.

Tungsteno

Forma con el hierro carburos muy complejos estables ydurísimos, soportando bien altas temperaturas. Enporcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidoscon los que es posible triplicar la velocidad de cortede loa aceros al carbono para herramientas.

Cromo

Forma carburos muy duros y comunica la mayor dureza,resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo oaleado con otros elementos, proporciona a los aceroscaracterísticas de inoxidables y refractarios.

Aluminio

Es un metal de color blanco plateado, siendo suprincipal característica su ligereza que lo hace muyMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 6

útil en variadas aplicaciones. Es dúctil y maleable,buen conductor de la electricidad y del calor. Laspropiedades mecánicas del aluminio mejoranconsiderablemente si se alea con otros metales, talescomo el cobre, magnesio, silicio, zinc, plomo.

Cobre

Este metal puede encontrarse en estado nativo enla naturaleza, principalmente formandocompuestos minerales: pirita de cobre, cobre oxidado,etc. Su obtención a partir de estos minerales es posiblea través de tres procedimientos:

Reduciendo el óxido de cobre en hornos apropiados,teniendo como producto el cobre metalúrgico.

Por medio del tratamiento con disolventes adecuados,lo que da un cobre muy impuro al que hay querefinar.

Por vía electrolítica, con lo que se obtiene uncobre muy puro.

El cobre es muy maleable pudiendo laminarse en hojashasta de 0.02 mm de espesor, también permite estirarloen hilos finísimos. Sus principales aplicaciones son:fabricación de hilos, cables, láminas, en instalacioneseléctricas, en la construcción de recipientes y útilesdiversos, además de en la fabricación de múltiplesaleaciones.

Zinc

Metal de color blanco azulado, de aspecto brillante enel corte reciente que pronto se empaña al contacto conel aire, formándose una capa de superficial dehidrocarbonato cíncico de aspecto mate, pero que servirá

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de protección al resto de la masa contra una alteraciónmás profunda.

Estaño

Metal mucho menos denso que el plomo, pero más que elzinc, es dúctil y brillante, de color blanco plata.Su estructura es cristalina, cuando se dobla en varillasse oye un crujido especial, llamado grito de estaño. Elestaño es muy maleable, pudiendo ser laminado en hojasde papel de estaño de algunas milésimas de milímetro deespesor. No se altera en frío al aire seco o húmedo, esatacado por los ácidos y por las bases, por lo que hayque evitar el traslado de estos productos en recipientesestañados de hojalata.

Plomo

Metal gris azulado, pesado, dúctil, maleable, blando,muy fusible, en contacto con el aire se toma y empañacon facilidad, los compuestos son muy venenosos. Elestaño puro se utiliza en planchas, empleadas encubiertas; en recipientes resistentes a ciertosreactivos ácidos; como elemento impermeable a laradiación; en placas de baterías y acumuladores; comotubos para conducción de agua; en forma de alambres,fusibles, perdigones, postas, etc.Como elemento de aleación participa en la fabricación deaceros al plomo, soldaduras blandas, metalesantifricción además de bronces y latones especiales.También encuentra aplicaciones en forma de óxidos, parala obtención de pinturas de protección anticorrosiva.

Magnesio

Metal de color y brillo semejantes a los de la plata, esmaleable, poco tenaz y ligero como el aluminio. Lasaleaciones de magnesio debido a su ligereza (nunca

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sobrepasan 1.8 Kg/dm3) son muy utilizadas en laindustria aeronáutica.

1.3 Propiedades físicas, mecánicas,térmicas, eléctricas, magnéticas,electromagnéticas, químicas, físico-químicas, ópticas, radio-activas y decomportamiento.

Propiedades físicas:

Dependen de la estructura y procesamiento delmaterial. Describen características como color,conductividad eléctrica o térmica, magnetismo ycomportamiento óptico, generalmente no se alteran porfuerza que actúan sobre el material. Pueden dividirseen: eléctricas, magnéticas y ópticas.

En capítulos posteriores estudiaremos por separado estosgrupos y las definiciones de las distintas propiedadesque los conforman.

Propiedades eléctricas

Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cualen muchas ocasiones es más crítico que su comportamientomecánico. Existe también el comportamiento dieléctrico,propio de los materiales que impiden el flujo decorriente eléctrica, que va más allá de simplementeproporcionar aislamiento.

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La aplicación de un campo magnético genera la formacióny el movimiento de dipolos contenidos en el material.Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienencarga desequilibrada. Dentro de un campo eléctricoaplicado los dipolos se alinean causando polarización.Existen cuatro mecanismos de polarización:

Polarización electrónica. Consiste en laconcentración de los electrones en el lado delnúcleo más cercano al extremo positivo del campo.Esto implica una distorsión del arreglo electrónico,en la que el átomo actúa como un dipolo temporalinducido. Este efecto, que ocurre en todos losmateriales es pequeño y temporal.

Polarización iónica. Los enlaces iónicos tienden adeformarse elásticamente cuando se colocan en uncampo eléctrico. En consecuencia la carga seredistribuye minúsculamente dentro del material. Loscationes y aniones se acercan o se alejandependiendo de la dirección de campo. Estos dipolostemporalmente inducidos causan polarización ytambién pueden modificar las dimensiones generalesdel material.

Polarización molecular. Algunos materiales contienendipolos naturales, que, al aplicárseles un campogiran, hasta alinearse con él. En algunosmateriales, como el titanato de bario, los dipolosse mantienen alineados a pesar de haberse eliminadola influencia del campo externo.

Propiedades magnéticasEl comportamiento magnético está determinado por lasinteracciones entre dipolos magnéticos, estos dipolos asu vez están dados por la estructura electrónica delmaterial. Por lo tanto, al modificar la micro

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estructura, la composición o el procesamiento se puedenalterar las propiedades magnéticas.

Los conceptos que definen los efectos de un campomagnético en un material son:

Concepto DefiniciónMomentomagnético.

Intensidad de campo magnético asociadocon el electrón.

Permeabilidadmagnética.

El material amplifica o debilita elefecto del campo magnético.

Magnetización. Representa el incremento en lainducción magnética debida al materialdel núcleo.

Susceptibilidadmagnética.

Es la relación entre la magnetización yel campo aplicado, proporciona laamplificación dada por el material.

Así, cuando se acerca un campo magnético a un conjuntode átomos es posible observar diversas reacciones:

Diamagnetismo: El campo magnético influye en losmomentos magnéticos de los electrones dentro delátomo y produce un dipolo para todos los átomos.Estos dipolos se oponen al campo magnético, haciendoque la magnetización sea menor a cero.

Paramagnetismo: Debido a la existencia de electronesno apareados, a cada átomo se le asocia un momentomagnético neto, causado por el giro de loselectrones. Cuando se aplica un campo magnético, losdipolos se alinean con él, resultando unamagnetización positiva. Pero, dado que los dipolosno interactúan, para alinearlos se requieren camposmagnéticos extremadamente grandes. Además, en cuantose elimina el campo, el efecto se pierde.

Ferromagnetismo: Es causado por los niveles deenergía parcialmente ocupados del nivel 3d del

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hierro, el níquel y el cobalto. Consiste en lafácil alineación de los dipolos permanente noapareado con el campo magnético aplicado, debido ala interacción de intercambio o al refuerzo mutuo delos dipolos. Esto significa que aún con camposmagnéticos pequeños se obtienen magnetizacionesimportantes, con permeabilidad relativa de hasta106.

Anti ferromagnetismo: Los momentos magnéticosproducidos en dipolos vecinos se alinean en elcampo magnético oponiéndose unos a otros, aún cuandola intensidad de cada dipolo sea muy alta. Estoproduce una magnetización nula.

Ferri magnetismo: Se da principalmente en materialescerámicos, donde diferentes iones crean momentosmagnéticos distintos, causando que, en un campomagnético los dipolos de ion A pueden alinearse conel campo, en tanto que los dipolos del ion B puedenoponérsele. Como las intensidades de los dipolos sondistintas, el resultado será una magnetización neta.Así, los materiales con este tipo de comportamientopueden dar una buena intensificación del campoaplicado.

Propiedades ópticasSe relacionan con la interrelación entre un material ylas radiaciones electromagnéticas en forma de ondas opartículas de energía, conocidas como fotones. Estasradiaciones pueden tener características que entren en nuestro espectro de luz visible, o ser invisibles parael ojo humano. Esta interacción produce una diversidadde efectos, como absorción, transmisión, reflexión,refracción y un comportamiento electrónico.

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Refracción. Cuando un fotón es transmitido provocala polarización de electrones en el material y, alinteractuar con el material polarizado, pierde partede su energía. La velocidad de la luz se puederelacionar con la facilidad con la cual un materialse polariza tanto eléctricamente (permisividad) comomagnéticamente (permeabilidad).

Reflexión. Cuando un haz de fotones golpea unmaterial, éstos interactúan con los electrones devalencia y ceden su energía. Cuando las bandas devalencia no están totalmente ocupadas, cualquierradiación, de casi cualquier longitud de onda,excita a los electrones hacia niveles superiores deenergía. Podría esperarse que, si los fotones sontotalmente absorbidos, no se reflejara luz y elmaterial aparecería de color negro. Sin embargo,cuando fotones de longitud casi idéntica vuelven aser emitidos, mientras que los electrones excitadosregresan a sus niveles inferiores de energía, ocurrela reflexión. Dado que la totalidad del espectrovisible se refleja, los materiales con estapropiedad tienen un color blanco o plateado (en losmetales).La reflectividad R da la fracción del hazincidente que se refleja y está relacionada con elíndice de refracción.

Absorción. La porción de haz incidente que no esreflejada por el material es absorbida o transmitidaa través del mismo. La fracción de luz absorbidaestá relacionada con el espesor del material y laforma en la cual los fotones interactúan con suestructura.

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Transmisión. La fracción del haz que no ha sidoreflejada ni absorbida se transmite a través delmaterial.

Propiedades químicasAl hablar de las propiedades químicas de un material, engeneral nos referimos a dos conceptos básicos: lareactividad de los materiales, es decir, como se afectaun material ante la presencia de otro en condiciones depresión volumen y temperatura específicas; y laestabilidad de los materiales, donde se mide que tantotiempo un material se mantiene sin sufrir cambioestructural alguno; esto dependerá en muchos casos nosolo del tiempo, sino de las condiciones ambientales alas que esté sometido dicho material. En el caso deelementos puros, la posición de estos en la tablaperiódica nos permitirá conocer a priori dichaspropiedades. Ambas propiedades se encuentranrelacionadas con los siguientes conceptos:Potencial iónico. Es la energía que se requiere paraquitar un electrón de la capa más externa (energía paraformar cationes).

Electronegatividad. Esta cuantifica la capacidad deun elemento para atraer un electrón y compartirlocon otro elemento.

Valencia. Es el número de electrones que un átomo escapaz de ceder o aceptar, por lo que puede ser unvalor positivo o negativo.

Radio iónico. Se deduce a partir de la distancia delenlace cuando un átomo está enlazado con otro ycontrola las sustituciones en las redes cristalinasy la solubilidad de los elementos.

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Propiedades electromagnéticas

La característica electromagnética de los materialesestá en función del tipo de elementos que contengancarga eléctrica. En los metales, por ejemplo, loselectrones son las partículas cargadas y que puedenmoverse a través de la estructura cristalina; mientrasque, en los materiales iónicos es la carga neta del iónla que le da propiedades eléctricas y en los materialescon enlace covalente las imperfecciones y la microestructura le dan, o no, al material propiedadeseléctricas.

Sin embargo, en general, los electrones son losportadores de la carga en los materiales, por lo quedependiendo de su tipo y estructura electrónica laconductividad eléctrica de un material es alta o baja.Que tan llena o no esté una capa electrónica y que tanfácil sea para un electrón migrar de una capa a otra sonlos factores que determinan dicha conductividad.

La teoría de bandas se basa en la existencia de saltospermitidos y “prohibidos”, determinados a través de lasreglas de la mecánica cuántica. De cada átomo existenestas capas que se van traslapando hasta formar dosbandas, una en la que se encuentran los electrones de lacapa de valencia que se denomina "banda de valencia" yotra que se llama "banda de conducción" que es laprimera capa vacía.

En los metales, la banda de valencia está llena oparcialmente llena pero la diferencia energética entrela banda de valencia y la de conducción es nula; esdecir están traslapadas, por lo que los electronespueden moverse a lo largo de los orbitales vacíos yMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 15

conducir la corriente eléctrica al aplicar unadiferencia de potencial. Por esta razón los metales sonlos conductores eléctricos por excelencia.

Propiedades térmicas

En función de cambios de temperatura, aumento odisminución, algunas propiedades físicas de losmateriales pueden cambiar. Es por eso que al fabricarlos materiales se tenga un control muy estricto de latemperatura.La capacidad calórica C es una propiedad indicativa dela habilidad de un material para absorber calor de losalrededores. Representa la cantidad de energía requeridapara producir un aumento de la unidad de temperatura(1°C ó 1°K).C = dQ

Donde dQ energía requerida para producir un diferencial(dT) o cambio de temperatura.Sin embargo, el termino más usado es el calor especificoc, que representa la capacidad calórica por unidad demasa (J/kg°K) ó (cal/kg°K). Se mide de dos formas: avolumen constante cv, y a presión exterior constante,cp. Se sabe que cp > cv, pero esta diferencia es muypequeña para la mayoría de sólidos a temperaturaambiente y por debajo de ella, así que en general sereporta cp y se escribe únicamente c.

Las temperaturas que comúnmente se reportan son las decambio de fase sólido, líquido y gas (Figura 6.3.).Estas son la temperatura de fusión (T1), la deebullición (evaporación, T2), el punto triple (B), latemperatura de condensación (T2 en sentido inverso) y lade sublimación (T3).

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Propiedades mecánicas

Describen la forma en que un material soporta fuerzasaplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión,impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altastemperaturas. A continuación, se definen las quemencionaremos más adelante:

Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertosmateriales de soportar, sin deformarse ni romperse,los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunosmateriales para recobrar su forma y dimensionesprimitivas cuando cesa el esfuerzo que habíadeterminado su deformación.

Dureza: Es la resistencia que un material opone a lapenetración.

Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompefácilmente por la acción de un choque.

Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidosde adquirir deformaciones permanentes, bajo la

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acción de una presión o fuerza exterior, sin que seproduzca rotura.

Ductibilidad: Considerada una variante de laplasticidad, es la propiedad que poseen ciertosmetales para poder estirarse en forma de hilosfinos.

Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad,consiste en la posibilidad de transformar algunosmetales en láminas delgadas.

Comportamiento

El fenómeno de emisión conocido como luminiscencia noocurre en los metales. Los electrones simplemente sonexcitados para pasar a niveles superiores de energía dela banda de valencia no totalmente ocupada y, cuando elelectrón excitado regresa al nivel inferior de energía,el fotón producido tiene una energía muy pequeña y unalongitud de onda superior a la de nuestro espectro deluz visible.

En cuanto a reflectividad, en los metales es típicamentedel orden de 0.9 a 0.95. Esta alta reflectividad es unade las razones por las cuales son opacos, es decir, queno transmiten la luz.

En los metales, el coeficiente de absorción tiende a sergrande, particularmente en el espectro de luz visible.Dado que en los metales no hay brecha de energía,cualquier fotón tiene la potencia suficiente como paraexcitar un electrón para ocupar un nivel superior deenergía, absorbiendo la del fotón excitado.

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1.4 Medición de propiedades ycaracterísticas de materiales enIngeniería.

Las principales propiedades y características de losmateriales conductores son:

1. Conductividad eléctrica (Resistividad eléctrica).2. Coeficiente térmico de resistividad.3. Conductividad térmica.4. Fuerza electromotriz.5. Resistencia mecánica.

1. Conductividad Eléctrica (Resistividad Eléctrica)

La conductividad eléctrica es una propiedad vinculada ala corriente eléctrica que puede fluir por un materialcuando este está sometido a un campo eléctrico

Generalmente la densidad de corriente J es proporcionalal campo eléctrico:

La constante de proporcionalidad es la conductividadeléctrica; y su recíproca es la resistividadeléctrica.

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La resistencia eléctrica es una función de la geometríadel elemento, pero la resistividad es una constante delmaterial. La resistencia se mide en ohmios. Laresistividad se mide en:

2. Coeficiente Térmico de Resistividad α

El coeficiente térmico de resistividad es una magnitud(o característica) que caracteriza la variación de laresistencia en función de la temperatura.

El coeficiente térmico de resistividad es el aumento deresistencia por unidad de resistencia y por grado devariación de temperatura.En los metales, el coeficiente térmico de resistividades positivo

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La conductividad térmica es el calor que circula, en launidad de tiempo, entre dos caras opuestas de un volumen(de dimensiones unitarias) por unidad de diferencia detemperatura entre las caras.

3. Conductividad Térmica σθ

El elemento tiempo se halla incluido en la unidad demedida de potencia [watt], que es la energía por unidadde tiempo.La conductividad térmica σθ y el gradiente detemperatura ∂T/∂x son los factores que determinan elrégimen de transmisión de calor a través de un sólido.

La resistividad térmica es la recíproca de laconductividad, y se expresa en [ºC· cm3/watt].La capacidad calórica específica de un material es laenergía calórica acumulada en la unidad de volumen porunidad de elevación de temperatura y puede expresarse en[Joule·/ºC]

4. Fuerza Termoelectromotríz

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Se denomina fuerza termoelectromotríz a una fuerzaelectromotriz que se genera en circuitos formados pordos conductores de distintos materiales a y b cuando loscorrespondientes puntos de unión 1 y 2 se encuentran adiferentes temperaturas.

Esta fuerza electromotriz inducida térmicamente sedenomina también potencial de Seebeck.

5. Resistencia Mecánica

Al seleccionar un conductor, además de considerarsus propiedades eléctricas, muchas veces es necesariotener en cuenta la resistencia mecánica del mismo.Por efecto de una fuerza convenientemente aplicada, unmaterial se alarga. Si se designa con l1 la longitudinicial, y con l2 la longitud final, la diferencia:

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Donde ∆l se llama alargamiento absoluto y e es alalargamiento relativo. –La fuerza que provoca la ruptura se llama carga deruptura, y la relación entre esta carga y la seccióntransversal se llama resistencia límite a la ruptura.

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UNIDAD 2

ESTRUCTURAS ELECTROMAGNÉTICAS YCARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES

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2.1 Estructura atómica. Estructuramolecular. Estructura cristalina.

El campo magnético está formado por líneas de fuerza quese extienden en el espacio partiendo del polo N del imány dirigiéndose al polo S. Estás líneas de fuerza no secruzan y se van apartando al alejarse del imán. Cuantomás cercanas sean las líneas de fuerza y sea mayor elnúmero de ellas más intenso será el campo magnético.Es la forma en que la energía se transmite a través decampos eléctricos y magnéticos simultáneos.

OndasSon la consecuencia de la aplicación de la RadiaciónElectromagnética. Se caracterizan por tres elementos: a)L (longitud), igual a la distancia entre dos puntosidénticos de dos ondas sucesivas, b) L (frecuencia),

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igual al número de L que pasa por un punto fijo en unsegundo, c) A (amplitud), igual a la distancia entre elpico y el eje de propagación.La velocidad de la onda queda determinada por:

V=λv

La luzLa luz es una RE conformada por un campo eléctrico yotro magnético perpendiculares, simultáneos y en unamisma fase, cuyos puntos de unión son los nodos de lasondas y se alinean siguiendo la dirección de la luz.Como toda RE, la luz cumple 1.1, siendo v unaconstante llamada velocidad de la luz en elvacío, v = c = 2.998.108 m.s-1.Si variamos la L de 1.1, y al ser c constante, variaráinversamente L. Es decir que a mayor longitud de onda,existe una frecuencia más alta. Al conjunto delongitudes de onda se denomina EspectroElectromagnético. Éste está dividido en regiones dediferentes usos humanos, según su L. El ojo humano solodetecta (400 nm; 700 nm), o equivalentemente (4,3.1014Hz; 7,5.1014 Hz) a lo que se llama Espectro Visible. A Lmenores, atravesamos el infrarrojo, las microondas, ylas ondas de radio, y para valores mayores, los rayosultravioletas, los rayos X y los rayos L.La luz visible forma un espectro continuo, en el quecada L corresponde a un color determinado, sin huecosentre ellos. Sin embargo, cuando aplicamos unadiferencia de voltaje en un gas atómico, los átomosexcitados producen una RE que genera un espectrodiscontinuo o espectro de líneas, característico del gasen cuestión. Si el prisma se coloca entre el gasradiante y la placa fotográfica, se produce el espectrode emisión atómica; y si se coloca el gas entre la

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fuente de luz y el prisma, se produce el espectro deabsorción atómica que coincide con el primero (Ley deKrichhoff).Los espectros continuos son de sólidos, losdiscontinuos, de gases.2.1. Espectros del hidrógeno. Ecuación de Rydberg.El Espectro del Hidrógeno está formado por cinco gruposde líneas (Lyman, Balmer, Paschen y otras), donde desdeuna L mayor, se ven líneas cada vez más cercanas hastaformar una gruesa. Johanes Rydberg, basándose en previasinvestigaciones de Balmer, dedujo la ecuación que llevasu nombre:

Donde n1 y n2 son números naturales siendosiempre n2>n1, y R es la constante de Rydberg, R =

1,097.107 m-1.Reemplazando n1 por un valor, y n2 por todos losnaturales mayores a él, se obtiene una serie de líneasde espectro.

2.2 Conductividad eléctrica, resistividad. Resistencia eléctrica.

Conductividad eléctrica.La conductividad eléctrica de un medio, se define comola capacidad que tienen el medio (que por lo generalcontiene las sales inorgánicas en solución oelectrolitos) para conducir la corriente eléctrica. Elagua pura, prácticamente no conduce la corriente, sin

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embargo el agua con sales disueltas conduce la corrienteeléctrica. Los iones cargados positiva y negativamenteson los que conducen la corriente, y la cantidadconducida dependerá del número de iones presentes y desu movilidad. En la mayoría de las soluciones acuosas,entre mayor sea la cantidad de sales disueltas, mayorserá la conductividad.

Las unidades de la conductividad eléctrica son elSiemens/cm (las unidades antiguas, eran los ohm/cm queson numéricamente equivalentes al S/cm).

Resistividad

La resistividad es una característica propia de unmaterial y tiene unidades de ohmios–metro.La resistividad indica que tanto se opone el material alpaso de la corriente. La resistividad [ρ] (rho) sedefine como:

ρ=R∗A /L

Donde:ρ= es la resistividad medida en ohmios-metroR= es el valor de la resistencia eléctrica en OhmiosL= es la longitud del material medida en metrosA= es el área transversal medida en metros2

De la anterior fórmula se puede deducir que el valor deun resistor, utilizado normalmente en electricidad yelectrónica, depende en su construcción, de

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la resistividad (material con el que fue fabricado), sulongitud, y su área transversal.

R=ρ∗L /S

A mayor longitud y menor área transversal delelemento, más resistencia.

A menor longitud y mayor área transversal delelemento, menos resistencia.

Los valores típicos de resistividad de varios materialesa 23 °C son:

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La resistividad depende de la temperatura.La resistividad de los metales aumenta al aumentar latemperatura al contrario de los semiconductores endonde este valor decrece.

El inverso de la resistividad se llama conductividad (σ)[sigma]

σ=1/ρ

Resistencia eléctrica.

Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra lacorriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado,atenuando o frenando el libre flujo de circulación de lascargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo oconsumidor conectado a un circuito eléctrico representa en síuna carga, resistencia u obstáculo para la circulación de lacorriente eléctrica.

A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, queofrece baja resistencia. B.- Electrones fluyendo por un malconductor.eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso.En ese caso los electrones chocan unos contra otros al nopoder circular libremente y, como consecuencia, generan calor

2.3 Permeabilidad eléctrica y magnética.

Las expresiones para los campos eléctrico y magnético enel vacío, contienen la permitividad eléctrica ε0 y la

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permeabilidad magnética μ0 del vacío. Como se indicó enla sección sobre las constantes eléctrica y magnética,estas dos cantidades no son independientes sino queestán relacionadas con "c", la velocidad de la luz yotras ondas electromagnéticas.

La permitividad eléctrica estáconectada con la energía almacenada enun campo eléctrico. Está relacionada enla expresión de la capacidad porqueafecta a la cantidad de carga que sedebe almacenar en un condensador paraalcanzar un determinada campo eléctriconeto. En presencia de un mediopolarizable, toma más cargas paraalcanzar un determinado campo eléctriconeto. El efecto del medio se establecea menudo en términos de permitividadrelativa.

La permeabilidad magnética estáconectada con la energía almacenada enun campo magnético. Está relacionada enla expresión de la inductancia porqueen presencia de un medio magnetizable,se puede almacenar una mayor cantidadde energía en el campo magnético parauna determinada corriente en la bobina.El efecto del medio se establece a

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menudo en términos de permeabilidadrelativa.

2.4 Polarización eléctrica. En el electromagnetismo clásico, la polarizacióneléctrica (también llamada densidad de polarización osimplemente polarización) es el campo vectorial queexpresa la densidad de los momentos eléctricos dipolarespermanentes o inducidos en un material dieléctrico. Elvector de polarización P se define como el momentodipolar por unidad de volumen. La unidad de medida en elSI es coulomb por metro cuadrado.

La polarización eléctrica es uno de los tres camposeléctricos macroscópicos que describen el comportamientode los materiales. Los otros dos son el campoeléctrico E y el desplazamiento eléctrico D.

2.5 Tangente del ángulo de pérdidas.Pérdidas por Conductividad

Están vinculadas a las corrientes relativamente pequeñasque pueden circular por los materiales llamados noconductores, cuando están sometidos a campos eléctricos(generalmente continuos). El fenómeno de conducción enestos materiales es relativamente complejo (sobre todoen los sólidos), pues a los fenómenos de conducciónelectrónica (asociados a los electrones de conducción)hay que agregar la conducción iónica, la conduccióndebido a las impurezas y muchas veces hay que tener en

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cuenta la acumulación de cargas que modifican el campointerno.

Las pérdidas por conductividad songeneralmente despreciables en corrientes alternas. Acontinuación se analizarán cada uno de los factores queintervienen en la conducción:

1) Los electrones de conducción: Están presentes en casitodos los materiales no conductores, y aún los mejoresaislantes adquieren bajo la influencia de radiaciones delongitud de onda adecuada, cierta conductividad que sólopuede ser electrónica (Ej.: conductividad del cuarzobajo la influencia de los Rayos X).

2) Los iones: La conducción iónica puede tenerimportancia en los líquidos, y también en las sales. Enéstas últimas, las moléculas pueden descomponerse eniones, y si bien las sales pueden comportarse comobuenos aislantes a temperatura ambiente, esto se debesimplemente a una gran viscosidad que hace que los ionessólo pueden moverse con extrema lentitud. Un aumento detemperatura disminuye la viscosidad aumentando laconductividad. Por ejemplo el vidrio (por su naturalezaquímica una sal; silicato), al rojo, es tan conductorcomo un metal.

3) Las impurezas: Aumentan notablemente laconductividad de los llamados no conductores, un 1% deimpurezas puede aumentar en varios cientos de veces, enmuchos casos la gran resistividad de un material es uníndice de su pureza.

4) Las cargas acumuladas en el dieléctrico: Modifican elcampo interno pudiendo provocar una disminución de lacorriente que atraviesa un material. La acumulación de

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cargas provoca el llamado fenómeno de absorción deldieléctrico.

La absorción dieléctrica puede definirse como lapropiedad de ciertos dieléctricos en los cuales seproducen acumulación de cargas eléctricas en elmaterial, cuando el mismo está sujeto a la acción decampos eléctricos y se manifiestan en un capacitor, porej. durante el proceso de carga, por una lentadisminución de la corriente hasta el valor finalcorrespondiente a la corriente de conducción, y en elproceso de descarga por una lenta disminución de lacorriente hasta el valor nulo correspondiente a lacompleta descarga del dieléctrico; es decir que ladescarga total de un capacitor no es instantánea.

2.6 Perdidas dieléctricas.Las perdidas dieléctricas están vinculadas, en muchoscasos, a los fenómenos de polarización, también puedenser debido a impurezas, pero aún las sustanciasrigurosamente puras presentan pérdidas considerables,sobre todo en un determinado rango de frecuencia. Estaspérdidas se deben en gran parte, a una imperfectaelasticidad eléctrica de los dieléctricos, de manera quela tensión aplicada tiene que vencer, además de lasfuerzas elásticas, cierta especie de rozamientomolecular o viscosidad (pérdidas por orientación dedipolos). Muchas veces se observa también un retraso dela polarización respecto a la intensidad del campoaplicado con la consecuente pérdida de energía (pérdidaspor histéresis dieléctricas).

La histéresis dieléctrica está vinculada al fenómeno deabsorción del dieléctrico.

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Las pérdidas dieléctricas no son muy apreciables encorrientes continuas o de baja frecuencia.

2.7 Rigidez dieléctrica.Máximo campo eléctrico que puede soportar un dieléctricosin perder sus propiedades aislantes. Los campos eléctricos moderados son los que no arrancanelectrones ligados de los átomos. Por tanto no producencorrientes importantes en los dieléctricos, pues solomueven los electrones libres que pueda haber en eldieléctrico. Pero si se aumenta el valor del campo,puede llagar a arrancar un gran número de electronesligados. Entonces la corriente en el dieléctrico crecebruscamente y suele dañarlo por elevación de sutemperatura. El mayor valor del campo eléctrico que noproduce este incremento brusco de corriente es larigidez dieléctrica. La rigidez dieléctrica del aire seco es 30 kV/cm. Porencima de este valor se produce arco eléctrico.

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UNIDAD 3

MATERIALES CONDUCTORES Y DERIVADOS

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3.1 Materiales conductores de bajaresistividad.

Los materiales de alta conductividad o baja resistividadmás típicos son: la plata (ρ=0,016), cobre (ρ=0,0172 a0,0175) y el aluminio (ρ=0,026 a 0,028).

Cobre (ρ=0,072–0,0175 ; α=0,0036)

El cobre es el material de uso más generalizadocomo conductor eléctrico, debido a su conductividadelevada y a su costo moderado. Es un elemento muydifundido en la naturaleza, corrientemente se encuentrabajo la forma de: sulfuros, óxidos o carbonatos,excepcionalmente como cobre nativo (USA). El cobre puro(cobre electrolítico), se obtiene por refinadoelectrolítico. El cobre es un metal altamente maleable ydúctil, que puede ser fundido, forjado, laminado,

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estirado y trabajado. El trabajo mecánico lo endurece,pero el recocido lo devuelve a su estado dulce. Tieneuna elevada resistencia a la tracción, una granestabilidad a la corrosión, y es fácil de estañar y desoldar.

Con el objeto de mejorar las cualidades mecánicas delcobre, se le adicionan otros elementos formandoaleaciones, como el bronce y el latón.

Plata (ρ=0,016 ; α=0.036)

La plata es, de los materiales conocidos, elmás conductor (un 10% más que el cobre que ocupa elsegundo lugar), pero su uso como material eléctrico esmuy limitado debido a su elevado costo. Se encuentra enla naturaleza bajo la forma de: sulfuros, cloruros oplata nativa; para obtener plata químicamente pura, unavez elaborada, se la refina por vía generalmenteelectrolítica.

La plata es un material muy maleable y dúctil, que puedesoldarse a sí misma por martilleo (batido), a unatemperatura inferior a la de fusión (temperatura defusión: 960ºC); su dureza no es muy elevada, y se hayacomprendida entre la del oro y el cobre.Como material conductor se emplea: en fusibles (paracortocircuitos eléctricos), fundamentalmente por su altaconductividad, su inoxibilidad y su precisión para lafusión; en contactos de interruptores o relevadores parabajas intensidades, por su alta conductividad eléctricay térmica; en instrumentos médico eléctricos(termocauterio); etc.

Aluminio (ρ=0,026–0,028 ; α=0,00403–0,00429)

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El aluminio ocupa el tercer lugar por su conductividad,después de la plata y el cobre. La conductividad delaluminio es sólo un 63% de la conductividad del cobre,pero a igualdad de longitud y peso tiene el doble deconductancia.Se lo obtiene de la bauxita, mineral abundante y muydistribuido en el globo. El aluminio es un material másblando que el cobre. Su resistencia a la tracción esmucho menor, y su soldadura presenta dificultades, peroes un material dúctil que puede ser trabajado fácilmentepor laminado, estirado, hilado, extrusión y forjado.Está siempre cubierto por una capa delgada e invisiblede óxido, que es impermeable y protectora. El aluminioexpuesto a la atmósfera ordinaria, tiene estabilidad ylarga vida.

Para aumentar su resistencia mecánica se le agregasilicio, magnesio, hierro, etc., obteniéndose diversasvariaciones de uso eléctrico.

El bronce

Es una aleación de cobre y estaño (generalmente con un80% a un 95% de Cu), que se caracteriza por su tenacidady dureza).

Suele usarse como conductor eléctrico, pese a que suconductividad eléctrica es inferior a la del cobre. Losbronces modernos, son frecuentemente aleacionesternarias o cuaternarias (otros elementos componentes dela aleación suelen ser: el fósforo, el silicio, elmagnesio, el berilio, el cadmio, etc.); algunos broncesllevan el nombre del elemento que se les adiciona(ejemplo: bronce fosforoso, bronce al silicio, etc.).

El latón

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Es una aleación de cobre (50% a 70%) y zinc (30% a 50%),a los que se les agrega, a veces, otros materiales(estaño, plomo, hierro), pero en pequeñas cantidades. Secaracteriza por la facilidad con que puede ser estiradoy estampado y se usa como material conductor, pese a quesu conductividad eléctrica es inferior a la del cobre.Cuando se requieren conductores de elevada resistenciamecánica, se suelen utilizar el hierro o el acero,recubiertos de una película protectora y muy conductorade cobre; poseen como ventaja la gran resistencia propiadel hierro o el acero, combinada con la elevadaconductividad del cobre. Ejemplo:“Copper–Weld”.

3.2 Materiales conductores de altaresistividad

Este grupo está compuesto de aleaciones de altaresistividad. Estas aleaciones tienen composiciones muyvariadas y se encuentran en el mercado bajo distintasdenominaciones. Los principales elementos empleados enestas aleaciones son: cobre, cromo, hierro, níquel,manganeso, aluminio, zinc, silicio, etc.

Las principales aleaciones de alta resistividad son:

Aleaciones de cobre y níquel

Son aleaciones que poseen coeficientes de resistividadrelativamente bajos respecto a otras aleaciones(alrededor de 0,5 W·mm²/m).Una aleación de este tipo es el constan (60%cobre –40%níquel). Esta aleación tiene una elevada f.e.m.respecto al cobre, por lo que no es adecuada parainstrumentos de medida de precisión, pese a tener unbajo coeficiente de temperatura.

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Añadiendo zinc a la aleación cobre–níquel, se obtiene elargentan que tiene 0,37W·mm²/m, y un elevado coeficientede temperatura.Con la adición de manganeso, se obtiene la niquelina(67%Cu–31%Ni-2% Mn aproximadamente), que tiene0,40W·mm²/m y coeficiente de temperatura y f.e.m.respecto al Cu, prácticamente despreciables, por lo quese emplean en los instrumentos de precisión.

Aleaciones de níquel y cromo

Son aleaciones que poseen coeficientes de resistividadmás elevados (alrededor de 1W·mm²/m), coeficientes detemperatura bajos y pequeñas f.e.m. con respecto al Cu.Son aleaciones adecuadas para trabajar a temperaturaselevadas (1.000ºC o algo más), pues el conductor serecubre de una capa de óxido que lo protege del ulteriorataque del oxígeno.Las aleaciones níquel-cromo se encuentran en el mercadocon distintas denominaciones comerciales. Con la adiciónde hierro, se obtiene un aumento de la resistividad ymenor costo, pero los conductores no son aptos paratrabajar a temperaturas superiores a los 800ºC, y aveces presentan fenómenos de oxidación.Para temperaturas de hasta 1.350ºC se fabricanaleaciones de hierro, aluminio, cromo y cobalto(kanthal).

Del análisis de las aleaciones estudiadas se observa queel cobre interviene en la mayor parte de las aleacionesempleadas a temperatura ordinaria; que el níquel lesconfiere mayor resistividad y que el cromo les aseguraresistencia a la oxidación a temperaturas elevadas yprotección contra los ataques de los agentes químicos.

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3.3 Conductores de Cobre, Aluminio,Hierro y Acero.

AceroLa principal razón para utilizar el cobre es suexcelente conductividad eléctrica o, en otras palabras,su baja resistencia eléctrica. La resistencia esindeseable, pues produce pérdidas de calor cuando elflujo eléctrico circula a través del material. El cobretiene la resistencia eléctrica más baja de todos losmetales no preciosos. El cobre se utiliza tanto con ungran nivel de pureza, cercano al 100%, como aleado conotros elementos. El cobre puro se emplea principalmenteen la fabricación de cables eléctricos.

Cable eléctrico de cobre.

El cobre es el metal no precioso con mejor conductividadeléctrica. Esto, unido a su ductilidad y resistenciamecánica, lo han convertido en el material más empleadopara fabricar cables eléctricos, tanto de uso industrialcomo residencial. Asimismo se emplean conductores decobre en numerosos equipos eléctricoscomo generadores, motores y transformadores. Laprincipal alternativa al cobre en estas aplicaciones esel aluminio. También son de cobre la mayoría de los cablestelefónicos, los cuales además posibilitan el accesoa Internet. Las principales alternativas al cobre paratelecomunicaciones son la fibra óptica y los sistemasinalámbricos. Por otro lado, todos los equiposinformáticos y de telecomunicaciones contienen cobre en

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mayor o menor medida, por ejemplo en sus circuitosintegrados, transformadores y cableado interno.

Medios de transporte

El cobre se emplea en varios componentes de coches ycamiones, principalmente los radiadores (gracias a sualta conductividad térmica y resistencia a lacorrosión), frenos y cojinetes, además naturalmente delos cables y motores eléctricos. Un coche pequeñocontiene en total en torno a 20 kg de cobre, subiendoesta cifra a 45 kg para los de mayor tamaño. También los trenes requieren grandes cantidades de cobreen su construcción: 1 - 2 toneladas en los trenestradicionales y hasta 4 toneladas en los de altavelocidad. Además las catenarias contienen unas 10toneladas de cobre por kilómetro en las líneas de altavelocidad. Por último, los cascos de los barcos incluyen a menudoaleaciones de cobre y níquel para reducir elensuciamiento producido por los seres marinos.

Otras aplicaciones

El cobre participa en la materia prima de una grancantidad de diferentes y variados componentes de todotipo de maquinaria, tales como casquillos, cojinetes,embellecedores, etc. Forma parte de los elementosde bisutería, bombillas y tubosfluorescentes, calderería, electroimanes,monedas, instrumentos musicales de viento, microondas,sistemas de calefacción y aire acondicionado. El cobre,el bronce y el latón son aptos para tratamientosde galvanizado para cubrir otros metales.

AluminioMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 43

Están formados por alambres de aluminio, en estado duro,cableado en capas concéntricas. El sentido de la hélicedel cableado es contrario en cada capa, pero el de lacapa exterior debe de ser siempre a la derecha.Se dice que una capa esta cableada a la derecha, cuandoel sentido de los alambres corresponde al de la partecentral de la letra Z, cuando el cable está en posiciónvertical.Las principales características son:

Resistividad a 201 C........... 28,264 /km. Carga de rotura................15/21 Kgf/mm2. Modulo de elasticidad....6.300/7.000 Kgf/mm2. Modulo de dilatación lineal... 23x10-61C.

Los cables de aluminio- almalec están formados poralambres de aluminio en estado duro cableados conalambres de almalec, siendo las características dedichos alambres las que se han señalado anteriormentefigura 1.

Fig.1

Para la determinación teórica de la carga de rotura y deresistencia eléctrica, se considera tanto el aluminiocomo almalec.

Hierro

Un cable de acero es un conjunto de alambres de acero ohilos de hierro que forman un cuerpo único como elementode trabajo. Estos alambres pueden estar enrollados de

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forma helicoidal en una o más capas, generalmentealrededor de un alambre central, formando los cablesespirales.

Estos cables, a su vez, pueden estar enrolladoshelicoidalmente alrededor de un núcleo o alma, formandolos cables de cordones múltiples. Estos cables se puedenconsiderar como elementos y también se pueden enrollarhelicoidalmente sobre un alma, formando los cablesguardines, o bien acoplarse uno al lado del otro, paraformar los cables planos.

- Carretes desde 200 a 1,500 mts.

Carretes con la cantidad de Usted requiera sin costoadicional del carrete, si es de menos de 200 mts.

- Cable de acero PREFORMADO, alma de acero.

- Calidad Internacional Certificada.

Aplicaciones

El cable de hierro galvanizado es principalmente usadoen la fabricación de alambradas de enlace de cadena,alambres de púas, mallas tipo gavión, redes de alambrehexagonales, mallas de alambre prensadas, cercas dealambre tipo malla para autopistas, entre otras. Ademásel cable de hierro galvanizado puede ser usado tambiénpara sujetar todo tipo de cosas.

Especificaciones del cable de hierro galvanizado

Resistencia del material a la conformación: 195~235MpaFuerza de tensión: 295~540Mpa o 350~680N/MM2Porcentaje de elongación: 18~25%Erro de diámetro del cable: ≤0.3mm ±0.02mm >0.3~1.6mm

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±0.04mm >1,6~5.0mm ±0.05mmContenido de Cinc: Primer grado 18~30g/m2, segundo grado 12~18g/m2, tercer grado 9~12g/m2

GALVANIZADOS 7 X 7

GALVANIZADOS 7 X 19

GALVANIZADOS ALMA DEFIBRA 6 X 19

GALVANIZADOS TIPOFORRO

NEGRO ALMA DE ACERO 6X 19

NEGRO ALMA DE ACERO 6X 25

NEGRO ALMA DE ACERO 6X 36

NEGRO ALMA DE FIBRA6X19

NEGRO ALMA DE FIBRA6X25

NEGRO ALMA DE T304

TORONES

AceroLos cables de aluminio- acero están formados por un almade uno o varios alambres de acero galvanizado,cableados, sobre la que a su vez se cablean alambres dealuminio en una o varias capas. Los sentidos de lashélices de cableado se van alternando en capas

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sucesivas, de tal forma que la capa exterior quedesiempre con arrollamientos a la derecha.Sus características principales son:

Masa especifica….......7.8OO Kg/m3. Coeficiente de dilatación lineal 11,5x10-6 1C. Carga de rotura mínima….......... 135 Kgf/mm2

3.4 Conductores de Tungsteno, Plomo,Mercurio y otros similares

Tungsteno

El tungsteno es el más ampliamente utilizado comometales refractarios. En forma de alambre, es esencialpara la producción de productos de iluminación y otrosartículos en sus propiedades de alta temperatura son deuso. Entre sus propiedades son un punto de fusión de3.410 ° C, un bajo coeficiente de expansión térmica ybaja presión de vapor a temperaturas elevadas, junto conuna buena conductividad eléctrica y térmica.

Las aplicaciones importantes de los cables de tungstenoson para la producción de filamentos en espiral lámparaincandescente, las estructuras del cátodo y el apoyo alos tubos de alimentación, elementos de calefacción parahornos de alta temperatura y las fuentes de evaporaciónen los procesos de metalización. Tamaños de alambre másgrueso, se enderezó, suelo acabado y corte en pedazos labarra son ampliamente utilizados para las piezas devidrio-metal de plomo sellado en la iluminación yelectrónica.

Plomo

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Cable de energía formado por un conductor de cobre suaveen cableado concéntrico clase B comprimido o compactado,pantalla semiconductora extruida sobre el conductor,aislamiento termo fijo de polietileno de cadena cruzada(XLPE), pantalla semiconductora extruida sobre elaislamiento, pantalla metálica formada por una capacontinua de plomo aplicada directamente sobre lapantalla semiconductora de aislamiento, y cubiertaexterior de poli cloruro de vinilo (PVC). Disponibletambién en configuración triplex.Los cables de energía con pantalla de plomo se utilizanprincipalmente en la alimentación y distribuciónprimarias de energía eléctrica, en plantas industrialesdonde las características ambientales sonparticularmente agresivas (refinerías, plantas químicas,etc.), o donde se requiera la protección contra elingreso de humedad o agentes externos que las pantallascontinuas de plomo proporcionan. Pueden instalarse enductos o charolas, en conduit o directamente enterrados.

Tensión máxima de operación: 5 000 a 35 000 V entrefases (100 y 133% Nivel de aislamiento).

Temperatura máxima de operación: 90°C (130° C encondición de sobrecarga, 250° C en condición decortocircuito).

El conductor es de cobre, en calibres de 13,3 a506,7 mm2 (6 AWG a 1 000 kcmil).

El aislamiento es de Polietileno de cadena cruzada(XLPE)

Pantalla metálica continúa de plomo.

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Cubierta exterior de Poli cloruro de Vinilo (PVC)resistente a la propagación de la flama.

La cubierta exterior es de color rojo

Los conductores son cables de cobre suave desnudo encableado concéntrico clase "B".

Satisfacen las pruebas de resistencia a lapropagación de la flama.

Pueden instalarse en lugares húmedos Su aislamiento termo fijo ofrece mayor estabilidad

térmica.

Bajas pérdidas dieléctricas y alta resistencia a lasdescargas parciales, debido a su aislamiento deXLPE.

La pantalla de plomo proporciona una barreracontinua contra el ingreso radial de agua, humedad uotros contaminantes al interior del cable, además deser resistente a la corrosión y al ataque de lamayoría de los agentes químicos presentes eninstalaciones industriales.

La pantalla metálica de plomo: - permite hacer conexiones a tierra, para mejorar las condiciones de seguridad del personal durante la operación del cable. - confina y uniformiza el campo electrostático. - permite operar equipos de protección contra fallas eléctricas.

La cubierta exterior proporciona al cable protecciónmecánica contra la abrasión y el maltrato mecánico

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durante la instalación, así como al ataque de unagran variedad de agentes químicos y contaminantesambientales e industriales.

De alta conductividad:

Plata: este es el material con menor resistencia alpaso de la electricidad pero al ser muy costoso, suuso es limitado. La plata se halla en la naturalezaen forma de cloruros, sulfuros o plata nativa. Estematerial se caracteriza por ser muy dúctil, maleabley no muy duro y fácil de soldar. Es utilizado enfusibles para cortocircuitos eléctricos porque esmuy preciso en la fusión, es inoxidable y posee unaconductividad sumamente alta. También se lo usa encontactos de relevadores o interruptores para bajasintensidades por su elevada conductividad térmica yeléctrica. La plata también es usada en instrumentoseléctricos de medicina como por ejemplo eltermocauterio.

De alta resistividad:

Aleaciones de cobre y níquel: estas presentan unaresistencia al paso de corriente eléctricarelativamente baja y una fuerza electromotrizelevada en relación al cobre. El níquel representael 40% y el cobre el 60% restante y es una aleaciónque no resulta útil para instrumentos de medida deprecisión, a pesar de que su coeficiente detemperatura es bajo. Sin embargo, este se puedeincrementar añadiéndole zinc.

Aleación de cromo y níquel: estas se caracterizanpor presentar coeficientes bajos de temperatura, uncoeficiente de resistividad mayor y una fuerzaelectromotriz pequeñas con respecto al cobre. Debidoa que el conductor está cubierto por una capa de

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óxido que lo protege del ataque del oxígeno, resultaútil para trabajar a temperaturas que superen los1000° C. Los conductores de alta resistividad secaracterizan entonces por perdurar con el paso deltiempo, contar con un punto de fusión elevado, serfáciles de soldar, ser dúctiles y maleables. Además,su fuerza electromotriz es menor a la del cobre, sonresistentes a la corrosión y presentan uncoeficiente térmico de conductividad bajo.

3.5 Aleaciones de alta resistenciaeléctrica

Las aleaciones ferrosas tienen al hierro como suprincipal metal de aleación, mientras que las aleacionesno ferrosas tienen un metal distinto del hierro. Losaceros que son aleaciones ferrosas, son las másimportantes principalmente por su costo relativamentebajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedadesmecánicas. Las propiedades mecánicas de los aceros alcarbono pueden variar considerablemente por trabajo enfrío y recocido. Cuando el contenido de carbono de losaceros se incrementa por encima de 0.3%, pueden sertratados térmicamente por temple y revenido paraconseguir resistencia con una razonable ductilidad. Loselementos de aleación tales como el níquel, cromo ymolibdeno se añaden a los aceros al carbono paraproducir aceros de baja aleación. Los aceros de bajaaleación presentan buena combinación de alta resistenciay tenacidad, y son de aplicación común en la industriade automóviles para usos como engranajes y ejes.

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Las aleaciones de aluminio son las más importantes entrelas no ferrosas principalmente por su ligereza,endurecimiento por deformación, resistencia a lacorrosión y su precio relativamente bajo. El cobre noaleado se usa en abundancia por su conductividadeléctrica, resistencia a la corrosión, buen procesado ycosto relativamente bajo, el cobre se alea con el cincpara formar unas serie de latones que tienen mayorresistencia que el cobre sin alear. Los acerosinoxidables son las aleaciones ferrosas más importantesa causa de su alta resistencia a la corrosión en mediosoxidantes, para ser un acero inoxidable debe contener almenos 12% de cromo.Los hierros para fundición sonotra familia industrialmente importante de lasaleaciones ferrosas. Son de bajo costo y tienenpropiedades especiales tales como un buenamoldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choquetérmico, al desgaste y durabilidad. La fundición gristiene un alta maquinabilidad y capacidad deamortiguamiento de vibraciones, debido a las hojuelas degrafito en su estructura.Otras aleaciones no ferrosas son las de magnesio,titanio y níquel. Las de magnesio son excepcionalmenteligeras y tienen aplicaciones aeroespaciales.Las aleaciones de titanio son caras, pero tienen unacombinación de resistencia y ligereza que no esasequible para cualquier otro sistema de aleación y poresta razón se usan ampliamente en las piezasestructurales de los aviones. Las aleaciones de níquelpresentan una gran resistencia a la corrosión yoxidación y son por tanto son usadas comúnmente enlos procesos industriales químicos y de petróleos. Conla mezcla de níquel, cobalto y cromo se forma la basepara las súper aleaciones de níquel, necesarias para las

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turbinas de gas de aviones de propulsión a chorro yalgunas baterías eléctricas.ALEACIONES DE ACEROS- CROMO- NÍQUEL

AUTOMOTRIZDescripción: se utiliza en bujes de baleros paracremalleras, cajas de velocidades, etc.Propiedades: es un acero no muy duro, es elástico,inoxidable y tiene un 8% de níquel y un 18% de cromo yuna resistencia a altas temperaturas

INDUSTRIADescripción: se utiliza para la fabricación de baldespara tractores entre otras muchas cosasPropiedades: es un acero no muy duro, es elástico,inoxidable y tiene un 8% de níquel y un 18% de cromo yuna resistencia a altas temperaturas.

ALEACIONES DE ACEROS AL CROMO AUTOMOTRIZ

Descripción: se utiliza en cigüeñales en engranajes comotambiénPropiedades: contienen de un 10 a un 20% de cromoconfiere una considerable dureza y una mayor resistenciaa la corrosión.

INDUSTRIADescripción: para la fabricación de tijeras para cortarlámina y céspedPropiedades: contienen de un 10 a un 20% de cromoconfiere una considerable dureza y una mayor resistenciaa la corrosión.

ALEACIÓN DE ACERO-NÍQUELMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 53

AUTOMOTRIZDescripción: se utiliza en la fabricación de bujíaspara motores gasolina.Propiedades: contiene de un 5 a un 15% de níquel, sonsumamente elásticos y resistentes a los agentesatmosféricos.

INDUSTRIADescripción: se utiliza en la fabricación de lava manospara baños o cocinas.Propiedades: contiene de un 5 a un 15% de níquel, sonsumamente elásticos y resistentes a los agentesatmosféricos.

3.6 Conductores especialesLas sobresalientes propiedades de los aislamientos delos cables ,se identifican por sus cualidades tales comosu termo estabilidad, resistencia a la humedad, a losagentes químicos, abrasión, al impacto, al ozono, alefecto corona, así como su bajo coeficiente de expansióntérmica y su gran flexibilidad, hacen que lasaplicaciones de éstos cables sean muy variadas

Las características que los cables tienen son:

- Productos de aplicaciones industriales que ahorrantiempo y dinero- Productos de alto rendimiento que resuelven problemas- Productos de cables difíciles de encontrar- Experimentada atención al cliente- Entorno eléctrico más seguro- Productos ha pedido del cliente- Productos que duran más

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La diversidad de productos y soluciones permitenseleccionar los diferentes tipos de cables según suaplicación:

- Cables de Instrumentación y control- Cables para grúa y sistemas de elevación- Cables de acuerdo a estándares internacionales- Cables para aplicaciones marinas y submarinas- Cables para transmisión de datos y Bus- Cables de fibra óptica (FO) coaxiales y Ethernet Ind.- Conectores Industriales- Conectores glándula- Accesorios- Sistemas de identificación- Información técnica- Cables de alta y media tensión.

3.7 Conductores recubiertos

La gama de recubrimientos de los conductores es muyamplia y abarca desde la ausencia de recubrimiento paralos denominados conductores desnudos, hastarecubrimientos de composición simple o de composicióncompuesta. Unos y otros pueden ser aislantes oconductores de la electricidad y/o del calor.

Entre los recubrimientos aislantes se destacan por susmúltiples aplicaciones, los aislantes a base de caucho,

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designados con la letra R, y los aislantes a base demateriales termoplásticos designados con la letra T.

Entre los cables con recubrimientos metálicos seencuentran:

Cables con aislante mineral y recubrimiento metálicoTipo MÍ.

Cables blindados Tipo AC. Cables con cubierta metálica Tipo MC.

Entre los cables con recubrimientos no metálicos seencuentran:

Cables con cubierta no metálica Tipo NM y NMC. Cables con pantalla y cubierta no metálica Tipo NMS.

La Tabla 310-13 de la NTC 2050, describe los principalestipos de aislamiento y resume sus características ycampos de aplicación.

Cables con aislante mineral, tipo MI

Están definidos en la Sección 330 de la NTC 2050, comoun cable ensamblado en fábrica, de uno o más conductoresaislados por un material refractario de alta compresióny encerrado en un blindaje continuo de cobre o dealeación de acero hermético a los líquidos y a losgases.

Las aplicaciones más importantes de este tipo de cablesson las instalaciones de acometidas, alimentadores,circuitos ramales, fuerza, alumbrado, mando, control yseñalización; a la vista u ocultos; bajo yeso, concreto,tierra o ladrillo; expuestos a aceite o gasolina; enlugares mojados, lugares húmedos y lugares clasificadospeligrosos descritos en el Capítulo 5 de la NTC 2050.

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Cables con cubierta metálica, tipo MC

Están definidos en la Sección 334 de la NTC 2050, comoun conjunto ensamblado en fábrica de uno o másconductores aislados individualmente encerrados en unacubierta metálica de cinta entrelazada o en un tubo lisoo corrugado.

Las aplicaciones más importantes de este tipo de cablesson las instalaciones de: acometidas, alimentadores,circuitos ramales, circuitos de control y señalización;en interiores y exteriores, expuestos u ocultos;instalaciones en lugares secos, lugares clasificadospeligrosos según las Secciones 501, 502, 503 y 504 de laNTC 2050 y lugares mojados siempre y cuando la cubiertametálica sea impermeable, exista un blindaje de plomo ochaqueta impermeable debajo de la capa metálica o losconductores aislados bajo la cubierta metálica seanaprobados para uso en lugares húmedos.

Se debe tomar especial cuidado en no instalarlos enambientes o condiciones corrosivas, a menos que lacubierta metálica esté adecuada para dichas condiciones.

Cables blindados, tipo AC

Están definidos en la Sección 333 de la NTC 2050, comoun conjunto ensamblado en fábrica de conductoresaislados en una cubierta metálica flexible.

Las aplicaciones más importantes de este tipo de cableson las instalaciones de circuitos ramales yalimentadores en lugares secos.

Debe tomarse especial cuidado en no utilizarlos en:teatros, salas y estudios de cine; ni en lugares

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clasificados peligrosos, excepto lo permitido en losArtículos 501-4.b) Excepción, 502-4.b) Excepción y 504-20 de la NTC 2050; ni en ambientes corrosivos; ni engrúas, montacargas o cuartos de almacenaje de baterías;ni en huecos de ascensores y elevadores, excepto loestablecido en el Artículo 620-21; ni en garajescomerciales según lo prohíbe la Sección 511 de la NTC2050.

Cables con cubierta no metálica, tipos NM, NMC y NMS

Están definidos en la Sección 336 de la NTC 2050, comoun conjunto montado en fábrica de dos o más conductoresaislados que tienen una cubierta exterior no metálicaresistente a la humedad y retardante de la llama. Eltipo NMC, además de ser retardante de la llama yresistente a la humedad, ofrece resistencia a laformación de hongos y a la corrosión.

Las aplicaciones más importantes de este tipo de cablesson las instalaciones de circuitos ramales en unidadesde vivienda y en otras estructuras hasta tres pisos porencima del nivel del terreno.

El cable tipo NM se puede instalar expuesto u oculto; enlugares normalmente secos y en huecos entre paredes nosometidos a excesiva humedad o agua.

El cable tipo NMC se puede instalar en lugares secos,mojados, húmedos o corrosivos y dentro o sobre paredesde mampostería de ladrillo o azulejo.

El cable tipo NMS se puede instalar en lugaresclasificados peligrosos; en bandejas para cables y ensistemas de distribución de potencia en lazo cerradosegún la Sección 780 de la NTC 2050.

Debe tomarse especial cuidado en no instalarlos comoconductores de entrada de acometida; ni en garajes que

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tengan lugares clasificados peligrosos; ni en teatros,salas o estudios de cine, locales de almacenamiento debaterías; ni embebidos en lechada de cemento o concreto;ni suspendidos en ductos verticales; ni en lugaresclasificados peligrosos, excepto lo permitido en losArtículos 501-4.b) Excepción, 502-4.b) Excepción y 504-20. Los cables tipo NM y NMS no deben quedar expuestos ahumos o vapores corrosivos ni embebidos en mampostería,concreto, adobe, tierra o yeso.

3.8 Cables eléctricosLos cables cuyo propósito es conducir electricidad sefabrican generalmente de cobre, debido a la excelenteconductividad de este material, o de aluminio que aunqueposee menor conductividad es más económico.Generalmente cuenta con aislamiento en el orden de500 µm hasta los 5 cm; dicho aislamiento es plástico, sutipo y grosor dependerá del nivel de tensión de trabajo,la corriente nominal, de la temperatura ambiente y de latemperatura de servicio del conductor.

Las partes generales de un cable eléctrico son:

Conductor: Elemento que conduce la corrienteeléctrica y puede ser de diversos materialesmetálicos. Puede estar formado por uno o varioshilos.

Aislamiento: Recubrimiento que envuelve alconductor, para evitar la circulación de corrienteeléctrica fuera del mismo.

Capa de relleno: Material aislante que envuelve alos conductores para mantener la sección circulardel conjunto.

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Cubierta: Está hecha de materiales que protejanmecánicamente al cable. Tiene como función protegerel aislamiento de los conductores de la acción de latemperatura, sol, lluvia, etc. Clasificación de losconductores eléctricos (Cables). Los cableseléctricos se pueden subdividir según:

Nivel de Tensión cables de muy baja tensión. (hasta 50 V) cables de baja tensión (hasta 1000 V) cables de media tensión (hasta 30 kV) cables de alta tensión (hasta 66 kV) cables de muy alta tensión (por encima de los 770

kV)

Componentes conductores (cobre, aluminio u otro metal) aislamientos (materiales plásticos, elastómeros,

papel impregnado en aceite viscoso o fluido) protecciones (pantallas, armaduras y cubiertas).

Número de conductores Unipolar: un solo conductor. Bipolar: 2 conductores Tripolar:3 conductores Tetra polar: 4 conductores

Materiales empleados Cobre. Aluminio. Almelec (aleación de aluminio, magnesio y silicio).

Flexibilidad del conductor Conductor rígido. Conductor flexible.

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 60

Aislamiento del conductor Aislamiento termoplástico PVC (poli cloruro de vinilo) PE (polietileno) PCP (poli cloropreno), neopreno o plástico Aislamiento termoestable XLPE (polietileno reticulado) EPR (Etileno-Propileno) MICC Cable cobre-revestido Mineral-aislado

3.9 Cables telefónicos y decomunicaciones

a) Numeración por código de coloresCon el fin de facilitar la identificación de los paresexiste un código internacional de colores que define 25pares, combinando 10 colores, siendo 5 colores para loshilos A y 5 colores para los hilos B, ejemplo :

N° delpar

Colores debasehilo A

Coloresacompañanteshilo B

1-5 Blanco Azul

6-10 Rojo Naranja

11-15 Negro Verde

16-20 Amarillo Marrón

21-25 Violeta gris

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Para ver la siguiente tabla seleccionar la opción"Bajar Trabajo" del menú superiorNOTA: Los cables mayores de 25 pares, están separados porcintas formando grupos de 25 pares cada uno.1.- Primera secuencia = pares del 01 al 25 cinta blancoazul2.- Segunda secuencia = pares del 26 al 50 cinta blanconaranja3.- Tercera secuencia = pares del 51 al 75 cinta blancoverde4.- Cuarta secuencia = pares del 75 al 100 cinta blancomarrón

b) Numeración con fono y batería Este sistema es aplicable en la construcción de cablescon el aislamiento de papel o pares distribuidos porcapas solamente en cables muertos.El sistema consiste en identificar por medio de un fonoy una batería los pares desde un extremo del cable alotro extremo.La comunicación se realiza poniendo una batería en seriecon el fono en una línea del par y como retorno la capametálica del mismo cable a numerar, en un extremo delcable.En el otro extremo, el operador tendrá que cerrar elcircuito poniendo un terminal del fono a la protecciónmetálica del mismo cable y el otro terminal del fono seconecta a la tijera para buscar la línea del par

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enviado, cuando la tijera hace contacto con la líneaenviada se producirá un sonido característico de bateríacon el cual se podrá mantener la comunicación, paraluego proceder a la identificación de losdemás conjuntos de pares del cable.En caso de que la línea esta cortada se tendrá queretornar a la línea anterior para comunicarse y avisar asu compañero que tendrá que mandar otra línea.Un concepto muy importante que se deberá tener presenteal numerar con este sistema, es que el circuito secierra por medio de la resistencia óhmica de la línea yla capa de protección del cableado que está aplicandouna fuente de alimentación.

c) Numeración con fono y generador de señal Este sistema es aplicable en los casos de numerar paresen servicio, para ello es indispensable mantener unacomunicación en forma permanente mediante un parmetálico.Para realizar el montaje del circuito se deberáprimeramente elegir un par en lo posible vacante paraordenarse utilizado como comunicador permanente,conectando una batería en serie con el par metálico.El operador que envía la señal conectara una línea delgenerador de tono a la capa metálica de protección elmismo cable a numerar y el otro terminal del generador ala línea que se desea numerar.En el otro extremo del cable el operador sacara unarranque de un terminal de fono y conectara la tijera para buscar el sonido del generador de tono una vezencontrado la línea se dará una señal intermitente paraque la persona que este enviando se cambie a la otralínea y así sucesivamente.

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Un concepto muy importante que se debe tener en cuentaal numerar con este sistema es que el sonido delgenerador de tono que se escucha en fono, se produce alcerrarse el circuito a través de la capacitancia del parcon respecto a tierra, por tal motivo en caso que setenga que numerar tramos muy cortos como por ejemplo entransferencia de cables, la capacitancia con respecto atierra será muy baja en consecuencia la reactancia entrelínea y tierra será muy alta, por tanto la corrientealterna no será suficiente para escuchar al generador detono.En estos casos es recomendable conectar un capacitor de1mf en el extremo distante entre la tijera y tierra paraque de esta forma se disminuya la reactancia capacitivade la línea con respecto a tierra el generador emita unaseñal perfectamente audible.

d) Numeración con amplificador Este sistema de numeración se usa generalmente en cablesen servicio y cuando los empalmes están en sangrías, laforma de numeración es básicamente la misma que se hadescrito anteriormente con la diferencia, elamplificador actúa en forma totalmente independiente delcircuito de comunicación.El amplificador como bien su nombre lo indica en uninstrumento que amplifica la señal audible del generadorde tono y actúa por inducción sin que sea necesariohacer contacto físico con la línea para seridentificada.El amplificador consta de una entrada donde se ubica elfono y de una salida donde se ubica el punzón de prueba.Su conexión se hace en serie con el fono, el cual estáincluido en el instrumento y por el otro lado se pone elpunzón con el cual se busca la señal, una vez

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identificada la línea se cierra el circuito a tierrapara que la persona que envía la señal pase a la líneasiguiente y así sucesivamente.

e) Numeración por capas Este sistema es aplicable en algunos tipos de cablesdonde la construcción de fábrica trae los pares formandocapas correlativas superpuestas y de diferentes coloresen forma intercalada.Generalmente este tipo de numeración se hace en loscables para sistemas PCM o bien los cables con pares encuadras, también son utilizados estos sistemas denumeración para identificar los pares de la bobinas decarga.

f) Numeración por sistema de retorno Este sistema es muy útil cuando no existe otra personapara enviar los pares y en necesario numerar solo, elsistema se utiliza solamente en pares muertos y no engrandes cantidades de pares más bien para identificarpares en la punta de un cable o bien numerar una cajaterminal.El sistema consiste en poner a tierra la línea A delprimer par, la línea B del mismo par se conectar con lalínea A del segundo par, y así sucesivamente, hastacompletar todos los pares del cable o de la caja.En la otra punta se conecta un fono en serie con latierra del mismo cable y una batería y con el otroterminalDel fono se conecta la tijera, cuando se ubica el par entierra y suena la batería, se saca el par completo y se

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 65

hace un cortocircuito entre las dos líneas del par, deesta forma la tierra retornara por la línea B hacia lapunta y esta al estar conectada con la A del segundo parse podrá identificar de la misma forma que los paresanteriores.Es evidente que este sistema tiene sus limitaciones, encaso de que algunos de los pares este cortado seinterrumpirá la serie y no se podrá numerar, de la mismaforma el consumo de corriente aumentara en demasía silos tramos a numerar son muy largos o los pares sonmuchos, sin embargo es muy útil en algunos casospuntuales.

g) Rectificación de pares La rectificación de pares tiene una trascendentalimportancia dado que con ello se garantiza quela distribución de la sucintas en los respectivosterminales de distribución sean estos primarios osecundarios estén de acuerdo a los listados emanados porasignaciones de igual forma identificar los parescortados, cambiados, fuera de cuenta y otrasirregularidades que puedan aparecer en los cables.Por otra parte la rectificación de pares es obligatoriacuando se realizan modificaciones en los cables ya seapor transferencias o por cambios de cuenta.Existen técnicas muy apropiadas para la rectificación depares de tal manera de poder detectar con exactitud lasposibles irregularidades de cada caso particular:Por ejemplo si al rectificar una caja nos encontramosque un par no sale en la cuenta ,esto no significa deinmediato que el par este cortado, puede ser quesolamente este cambiado por otro, en este caso todos lospares que tengan problemas de identificación se dejaranseparados para restarlos al final, lo mismo ocurre

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 66

cuando una línea está cortada en este caso puede ser queestemos en presencia de un par Split, la rectificaciónse debe hacer línea por línea y par a par.

h) Formas de cables Se conoce con el nombre de formas de cables alordenamiento correlativo de los pares los cuales sonconectados en los bloc terminales del MDF, armarios,interiores etc.Actualmente la distribución de pares en los blocterminales del MDF o en armarios son de 100 pares portanto las formas se deberá hacer de la misma manera.Es importante en la confección de las formas dejar muybien protegida y fija la continuidad de la pantalla, lacual tendrá que ser unida a la pantalla del cable, paraser conectada a la tierra de la central. Empalmes telefónicos

Es la unión de 2 conjuntos de cables del mismo odistinto número de pares y de iguales o diferentescubiertas, aplicando diferentes técnicas queestudiaremos a continuación. Las principales operaciones que hemos de distinguir entodo empalme son:

continuidad de pantalla conexión de conductores cierre de cubiertas

Clasificación de Empalmes Atendiendo a su estructura:RectoMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 67

Es la unión de dos trozos de cables de la mismacapacidad, uno de los cuales es prolongación del otro.La unión de los dos conductores se hace hilo a hilotomando solo uno de cada lado.

MúltipleEs el que recoge generalmente tres cables los cualesentran en el empalme dos por un lado y uno por el ladoopuesto. Es la unión de tres conductores, uno procede deun lado y los otros dos del extremo opuesto.

A LazoEs el empalme formado por dos cables, cuando estosentran y salen por el mismo extremo del empalme.

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Empalme PuenteSi los extremos de los conductores de uno de los cablesson muy cortos, se doblan los conductores del cable máslargo y se efectúan las conexiones como el caso de unempalme recto.

DerivadoSe origina al múltiple sobre un cable de distribución enservicio, un cable ramal en un punto. En dicho puntopuede existir o no un empalme, si no existe se llamahacer una sangría.Actualmente se usa el conector de presión UB (scotchlok)que permite derivar un hilo sin cortarlo.

Atendiendo a su función : RectoEs el que une dos trozos de cable sin servicio, de igualo diferente numero de pares y de iguales o diferentescubiertas, con la condición de que uno de los extremossea prolongación del otro. MúltipleEs el que une tres cables de igual tamaño, tambiénexisten sin servicio Numerado

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Conecta un cable sin servicio a otro en funcionamientopudiendo ser recto múltiple, requiriendo conocerpreviamente el numero que corresponde a cada par paraempalmarlo a los de igual número dentro de cada grupo.Es que se realiza en redes en servicio para cambiar losgrupos de un cable principal bien los pares de un cablede distribución, los terminales de una caja de conexiónlos de una caja terminal. Es al mismo tiempo un empalme numerado y con lleva abrirun empalme actual y cambiar los pares del repartidor ydeterminadas acometidas en la cajas terminales deacuerdo a lo indicado en las hojas de corte.También es preciso modificar los de la red y larotulación de los cables y las cajas terminales.

3.10 Aplicaciones y normasNORMAS DE REFERENCIA CFE

CLAVE AÑO ESTADO TÍTULO

NRF-001

2007

Vigente

Empaque, Embalaje, Embarque, Transporte, Descarga,Recepción y Almacenamiento de Bienes MueblesAdquiridos por CFE

NRF-002

2009

Vigente

Manuales, Procedimientos e Instructivos Técnicos

NRF-003

2000

Vigente

Apartarrayos de óxidos Metálicos paraSubestaciones

NRF-004

2006

Vigente

Apartarrayos de óxidos Metálicos paraRedes de Distribución

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 70

NRF-005

2002

Vigente

Aisladores de Suspensión Sintéticos para Tensiones de13,8 a 138 kV

NRF-006

2000

Vigente

Cuchillas para Líneas y Redes deDistribución

NRF-007

2005

Vigente

Aisladores Soporte Tipo Columna

NRF-008

2000

Vigente

Boquillas de Porcelana para Equipos de Distribucióncon Tensiones de Operación de 38 kV y Menores

NRF-009

2000

Vigente

Aislante Líquido Sintético para EquipoEléctrico

NRF-010

2009

Vigente

Transportación Especializada de Carga

NRF-011

2004

Vigente

Sistema de Tierra para Plantas y SubestacionesEléctricas

NRF-012

2001

Vigente

Cascos de Protección

NRF-013

2001

Vigente

Señales de Seguridad

NRF-014

2004

Vigente

Derechos de Vía

NRF-015

2002

Vigente

Requerimientos para la Construcción deDuctos Metálicos, en Paralelo y enCruces, con Líneas de Transmisión de 115kV o Mayores

NRF-017

2008

Vigente

Cable de Aluminio con Cableado Concéntrico y Núcleode Acero Galvanizado (ACSR)

NRF-018

2004

Vigente

Aisladores tipo Suspensión de Porcelana ode Vidrio Templado

NRF-021

2004

Vigente

Fabricación de Barras y Bobinas para Estatores deGeneradores Eléctricos con Tensiones de 6,0 kV y

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 71

Mayores

NRF-022

2006

Vigente

Interruptores de Potencia de 72,5 a 420 kV

NRF-023

2009

Vigente

Herrajes y sus Accesorios

NRF-024

2003

Vigente

Cables de Potencia Mono polares de 5 kV a35 kV

NRF-025

2010

Vigente

Modificación

NRF-025

2009

Vigente

Transformadores de Distribución Tipo Poste

NRF-025

2010

Vigente

Fe de erratas

NRF-026

2004

Vigente

Transformadores de Potencial Inductivospara Sistemas con Tensiones Nominales de13,8 kV a 400 kV

NRF-027

2004

Vigente

Transformadores de Corriente para Sistemas conTensiones Nominales de 0,6 kV a 400 kV

NRF-028

2007

Vigente

Interruptores de Potencia para MediaTensión de 15 kV a 38 kV

NRF-029

2006

Vigente

Cortacircuitos Fusible de Distribución

NRF-030

2004

Vigente

Tableros Metálicos Blindados Tipo "Metal-Clad" para Tensiones Nominales de 15kV a38kV

NRF-032

2003

Vigente

Cinturones y Bandolas de Seguridad

NRF-033

2003

Vigente

Guantes de Hule para Usos Dieléctricos

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 72

NRF-034

2007

Vigente

Calzado de Protección -Materiales,Especificaciones y Métodos de Prueba.

NRF-036

2004

Vigente

Camisola y Pantalón - Materiales, Especificaciones yMétodos de Prueba

NRF-037

2003

Vigente

Guantes de Protección contra SustanciasQuímicas

NRF-038

2005

Vigente

Chamarra de Cuero - Especificaciones yMétodos de Prueba

NRF-039

2005

Vigente

Electro ducto Alimentador

NRF-040

2007

Vigente

Sistema de Medición de Niveles de Embalsey Desfogue en Centrales Hidroeléctricas

NRF-041

2005

Vigente

Esquemas Normalizados de Protección para Líneas deTransmisión

NRF-042

2005

Vigente

Señalización de Líneas de TransmisiónAéreas y Subterráneas (Cables dePotencia), para Inspección Aérea, TráficoAéreo, Marítimo y Terrestre

NRF-043

2004

Vigente

Herrajes y Conjuntos de Herrajes para Líneas deTransmisión Aéreas con Tensiones de 115 kV a 400 kV

NRF-044

2006

Vigente

Aisladores de Suspensión Sintéticos paraLíneas de Transmisión en Tensiones de 161kV a 400 kV

NRF-045

2006

Vigente

Apartarrayos para Líneas Aéreas de Transmisión deCorriente Alterna de 161 kV a 400 kV

NRF-052

2007

Vigente

Cables Subterráneos para 600 V, conAislamiento de Polietileno de CadenaCruzada o de Alta Densidad

NRF-054

2007

Vigente

Mangas de Hule y sus Accesorios para UsosDieléctricos

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 73

NRF-055

2007

Vigente

Equipo para el Taller Mecánico deCentrales Hidroeléctricas

NRF-056

2007

Vigente

Sistema de Agua de Servicio para CentralesHidroeléctricas

NRF-057

2009

Vigente

Tubos de Polietileno de Alta Densidadpara Sistemas de Cableado Subterráneo.

NRF-058

2009

Vigente

Amortiguadores de Vibración para Líneas deTransmisión Aéreas con Tensiones de Operación de 69kV hasta 400kV

NRF-063

2007

Vigente

Arnés de Seguridad y sus Accesorios

NRF-069

2007

Vigente

Ácido Sulfúrico para Centrales Termoeléctricas

NRF-070

2007

Vigente

Hidróxido de Sodio para CentralesTermoeléctricas

NRF-072

2009

Vigente

Tuberías de Revestimiento para PozosGeotérmicos

NRF-074

2007

Vigente

Grúas con Polipastos con Capacidad hasta de 15Toneladas

NRF-073

2008

Vigente

Tubería de Uso Geotérmico

NRF-078

2009

Vigente

Sistema de Aire de Servicio paraCentrales Hidroeléctricas

NRF-079

2009

Vigente

Sistema Para que Unidades Hidroeléctricas conTurbinas a Reacción, Operen Como Condensador Síncrono

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 74

Normas oficiales

NORMA DESCRIPCIÓN FECHA DEPUBLICACIÓN

EN EL DOF

NOM-001-SEDE-2005

Instalaciones Eléctricas. (utilización) 13/03/2005

NOTA: Cancela y sustituye el Procedimientopara la evaluación de la conformidad de laNorma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999.

NOM-002-SEDE-1999

Requisitos de seguridad y eficienciaenergética para transformadores dedistribución.

13/07/1999

NOM-001-ENER-2000

Eficiencia energética de bombas verticalestipo turbina con motor externo eléctricovertical. Límites y método de prueba.(Estanorma cancela y sustituye la NOM-001-ENER-1995,publicada en el D. O. F. del 22 dediciembre de 1995)

01/09/2000

NOM-002-SEDE-1999

Eficiencia térmica de calderas paquete.Especificaciones y método de prueba. (Secancela esta norma, por acuerdo publicado enel D.O.F. del 21 de agosto de 2003)

26/12/1995

NOM-004-ENER-2008

Eficiencia Energética de bombas y conjuntomotor-bomba, para bombeo de agua limpia, enpotencias de 0,187 kw a 0,746 kw. Limites,

26/07/2008

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 75

métodos de prueba y etiquetado (Esta normacancela y sustituye la NOM- 004-ENER-1995,publicada en el DOF del 22-12-1995).

NOM-005-ENER-2010

Eficiencia energética de lavadoras de ropaelectrodomésticas. Límites, método de pruebay etiquetado.

03/02/2010

NOM-006-ENER-1995

Eficiencia energética electromecánica ensistemas de bombeo para pozo profundo enoperación.-Límites y método de prueba.

09/11/1995

NOM-007-ENER-1995

Eficiencia energética para sistemas dealumbrado en edificios no residenciales.

01/09/1995

NOM-008-ENER-2001

Eficiencia energética en edificaciones,envolventes de edificios no residenciales.

25/04/2001

NOM-009-ENER-1995

Eficiencia energética en aislamientostérmicos industriales.

08/11/1995

NOM-010-ENER-1996

Eficiencia energética de bombas sumergibles.Límites y método de prueba.

07/03/1997

NOM-011-ENER-2006

Eficiencia energética en acondicionadores deaire tipo central paquete o dividido.Límite, métodos de prueba y etiquetado.(Esta norma sustituye y cancela la NOM-011-ENER-2002)

22/06/2007

NOM-012-ENER-1996

Eficiencia térmica de calderas paquete.Especificaciones y método de prueba. (Secancela esta norma, por acuerdo publicado enel D.O.F. del 21 de agosto de 2003)

21/02/1997

NOM-013-ENER-1996

Eficiencia energética en sistemas dealumbrado para vialidades y exteriores deedificios.

16/05/1997

NOM-014-ENER-1997

Eficiencia energética de motores decorriente alterna, monofásicos, deinducción, tipo jaula de ardilla, de usogeneral en potencia nominal de 0,180 a 1,500KW. Límites, método de prueba y marcado.

17/07/1998

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 76

NOM-015-ENER-2002

Eficiencia energética de refrigeradores ycongeladores electrodomésticos. Límites,métodos de prueba y etiquetado. (Esta normacancela y sustituye a la NOM-015-ENER-1997,publicada el 11 de julio de 1997).

15/01/2003

NOM-016-ENER-1997

Eficiencia energética de motores decorriente alterna trifásicos, de inducción,tipo jaula de ardilla, de uso general enpotencia nominal de 0,746 a 149,2 KW.Límites, método de prueba y marcado.

17/06/1998

(Esta NOM cancela y sustituye a la NOM-074-SCFI-1994, Aclaración a la NOM-016-ENER-1997publicada en el D. O. F. del 27 de noviembrede 1998).

NOM-016-ENER-2002

Eficiencia energética de motores decorriente alterna trifásicos, de inducción,tipo jaula de ardilla, de uso general enpotencia nominal de 0,746 a 373 KW. Límites,método de prueba y marcado.

13/01/2002

NOM-017-ENER-1997

Eficiencia energética de lámparasfluorescentes compactas. Límites y métodosde prueba.

22/06/1998

(Aclaración de esta norma oficial mexicanapublicada el D. O. F. del 4 de abril de2001)

NOM-021-ENER/SCFI/ECOL-2000

Eficiencia energética, requisitos deseguridad al usuario y eliminación de clorofluoro carbonos (CFC’s) en acondicionadoresde aire tipo cuarto. Límites, método deprueba y etiquetado.

24/04/2001

(Aclaración a esta norma oficial mexicanapublicada en el D. O. F. del 7 de junio de2001)

NOM-021-ENER/SCFI-2008

Eficiencia energética y requisitos deseguridad al usuario en acondicionadores deaire tipo cuarto. Límites, métodos de prueba

04/08/2008

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 77

y etiquetado.

NOM-022-ENER/SCFI/ECOL-2000

Eficiencia energética, requisitos deseguridad al usuario y eliminación de clorofluoro carbonos (CFC’s) para aparato derefrigeración comercial auto contenidos.Límites, método de prueba y etiquetado

25/04/2001

NOM-002-ENER-1995

Eficiencia térmica de calderas paquete.Especificaciones y método de prueba

26/12/1995

NOM-003-ENER-2000

Eficiencia térmica de calentadores de aguapara uso doméstico y comercial. Límites,método de prueba y etiquetado. (Esta normacancela y sustituye la NOM 003-ENER-1995,publicada en el D. O. F. del 7 de noviembrede 1995)

01/09/2000

NOM-012-ENER-1996

Eficiencia térmica de calderas de bajacapacidad (7.5 a 100 KW).Especificaciones ymétodo de prueba.

21/02/1997

NOM-018-ENER-1997

Aislantes térmicos para edificaciones.Características, límites y métodos deprueba.

24/10/1997

NOM-019-ENER-2009

Eficiencia térmica y eléctrica de máquinastortilladoras mecanizadas. Límites, métodode prueba y marcado.

30/10/2009

NOM-019-SEDG-2002

Aparatos domésticos para cocinar alimentosque utilizan gas L.P. o gas natural-Especificaciones y métodos de prueba. (Estanorma entrará en vigor a los 60 díasnaturales siguientes después de supublicación y a la entrada en vigor de éstanorma se cancela la NOM-023-SCFI-1993)

30/05/2002

NOM-001-NUCL-1994

Factores para el cálculo del equivalente dedosis

06/02/1996

NOM-002-NUCL-2004

Pruebas de fuga y hermeticidad de fuentesselladas

02/09/2004

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 78

NOM-003-NUCL-1994

Clasificación de instalaciones olaboratorios que utilizan fuentes abiertas.

07/02/1996

NOM-004-NUCL-1994

Clasificación de los desechos radiactivos 04/03/1996

NOM-005-NUCL-1994

Límites anuales de incorporación (LAI) yconcentraciones derivadas en aire (CDA) deradionúclidos para el personalocupacionalmente expuesto.

16/02/1996

NOM-006-NUCL-1994

Criterios para la aplicación de los límitesanuales de incorporación para gruposcríticos del público.

20/02/1996

NOM-007-NUCL-1994

Requerimientos de seguridad radiológica quedeben ser observados en los implantespermanentes de material radiactivo con finesterapéuticos a seres humanos.

04/03/1996

NOM-008-NUCL-2003

Control de la contaminación radiactiva. 29/12/2003

NOM-012-NUCL-2002

Requerimientos y calibración de monitores deradiación ionizantes. (Aclaración a la NOM-012-NUCL-2002, publicada en el D. O. F. del15 de agosto de 2002)

19/06/2002

NOM-013-NUCL-2009

Requerimientos de seguridad radiológica paraegresar a pacientes a quienes se les haadministrado material radiactivo.

11/01/1999

NOM-018-NUCL-1995

Métodos para determinar la concentración deactividad y actividad total en los bultos dedesechos radiactivos.

12/08/1996

NOM-019-NUCL-1995

Requerimientos para bultos de desechosradiactivos de nivel bajo para sualmacenamiento definitivo cerca de lasuperficie.

14/08/1996

NOM-020-NUCL-1995

Requerimientos para instalaciones deincineración de desechos radiactivos.

15/08/1996

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 79

NOM-021-NUCL-1996

Requerimiento para las pruebas delixiviación para especímenes de desechosradiactivos solidificados.

04/08/1997

NOM-022/1-NUCL-1996

Requerimientos para una instalación para elalmacenamiento definitivo de desechosradiactivos de nivel bajo cerca de lasuperficie Parte 1. Sitio.

05/09/1997

NOM-022/2-NUCL-1996

Requerimientos para una instalación para elalmacenamiento definitivo de desechosradiactivos de nivel bajo cerca de lasuperficie. Parte 2. Diseño.

05/09/1997

NOM-022/3NUCL-1996

Requerimientos para una instalación para elalmacenamiento definitivo de desechosradiactivos de nivel bajo cerca de lasuperficie. Parte 3 Operación y clausura.

14/01/1999

NOM-024-NUCL-1995

Requerimientos y calibración de dosímetrosde lectura directa para radiaciónelectromagnética.

05/08/1997

NOM-025/1-NUCL-2000

Requisitos para equipos de radiografíaindustrial Parte 1: requisitos generales.

11/09/2000

NOM-025/2-NUCL-1996

Requisitos para equipo de radiografíaindustrial. Parte 2: Operación.

18/08/1997

NOM-026-NUCL-1999

Vigilancia médica del personalocupacionalmente expuesto a radiacionesionizantes.

05/07/1999

NOM-027-NUCL-1996

Especificaciones para el diseño de lasinstalaciones radiactivas Tipo II clase A, By C.

23/09/1997

NOM-028-NUCL-2009

Manejo de desechos radiactivos eninstalaciones radiactivas que utilizanfuentes abiertas

04/08/2009

NOM-031-NUCL-1999

Requerimientos para la calificación yentrenamiento del personal ocupacionalmente

28/12/1999

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 80

expuesto a radiaciones ionizantes

NOM-032-NUCL-2009

Especificaciones técnicas para la operaciónde unidades para tele terapia que utilizanmaterial radiactivo.

30/12/1998

NOM-033-NUCL-1999

Especificaciones técnicas para la operaciónde unidades de tele terapia. Aceleradoreslineales.

05/07/1999

NOM-034-NUCL-2009

Requerimientos de selección, calificación yentrenamiento del personal de centralesnucleoeléctricas.

03/08/2009

NOM-035-NUCL-2000

Límites para considerar un residuo sólidocomo desecho radiactivo.

19–05-2000

NOM-036-NUCL-2001

Requerimientos para instalaciones detratamiento y acondicionamiento de losdesechos radiactivos.

26/09/2001

NOM-039-NUCL-2003

Especificaciones para la exención de fuentesde radiación ionizante y de prácticas quelas utilicen.

10/12/2003

3.11 Aplicación de materiales yobtención de estos

Cobre:El cobre puro, con un grado de pureza del 99.9%, se fábrica generalmente por procedimientos electrolíticos. Su denominación normalizada es KE-CU (Cobre Catódico). Industrialmente, solo se emplea como material conductor cobre electrolítico.

El cobre Electrolítico se emplea en electrotecnia especialmente como material conductor para líneas

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eléctricas y colectores y como material de contacto en interruptores de alta tensión. Se utiliza también, por su elevada conductividad térmica, por ejemplo en equiposde soldadura, tubos de refrigeración.

La posibilidad que tienen los átomos de cobre, dada suinestabilidad, de desprender sus electrones periféricos,intercambiándoselos, constituye su buena conductibilidady es lo que permite el paso de la corriente eléctrica.Aunque últimamente se está invirtiendo e investigandosobre nuevos materiales conductores que ofrecen menosresistencia al paso de la electricidad como por ejemplola fibra óptica, el cobre sigue siendo el materialconductor más utilizado en la actualidad. Una de susmúltiples aplicaciones puede ser la instalación de unsistema de energía solar térmica, en el que todo elcableado es de cobre.

Aluminio:El aluminio puro se emplea, debido a su resistencia a lacorrosión y a su baja densidad, para revestimientos decables. Su buena deformabilidad lo hace apropiado paraláminas de condensadores, su buena colabilidad parajaulas de rotores y su buena conductividad para líneasaéreas.

3.12 Informe técnicoA diferencia del Proyecto, el Informe Técnico es untrabajo sobre algo existente. Tiene su origen en unproblema de origen técnico.Puede definirse como la exposición por escrito de lascircunstancias observadas en el reconocimiento deprecios, edificaciones, documentos, etc., o el examen dela cuestión que se considera, con explicaciones técnicasMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 82

y económicas. Es una exposición de datos o hechosdirigidos a alguien, sobre una cuestión o asunto sobrelo que conviene hacer del mismo.

Los temas a los que se refieren son muy variados: obras,fincas, explotaciones agropecuarias, bienes de equipo,industrias, etc.Por la naturaleza del Informe Técnico es fundamentalbuscar una estructura expositiva sencilla y lógicadebiendo estar centrado con concisión y claridad en elobjeto que trate. Cuando se elabore se habrá de tener encuenta a quien va dirigido (otro técnico, un juzgado,personas sin conocimientos técnicos) para hacerlocomprensible fácilmente.

Hay diversos tipos de Informes Técnicos en función desus objetivos:

- Dictámenes y peritaciones:En ellos se vierten las valoraciones, consideraciones,juicios, ideas, circunstancias y conclusiones deltécnico utilizando y aplicando sus conocimientos.Su destino más frecuente son los tribunales de justiciaen donde se solicitan las opiniones y juicios deexpertos en determinada materia para facilitar la tomade decisiones en el ámbito judicial- Inspecciones o Reconocimientos:El técnico habrá de describir las circunstanciasapreciadas en el objeto de la inspección oreconocimiento.

- Arbitrajes:Se trata de la emisión de una opinión debidamenterazonada en relación a una cuestión en la que no existeacuerdo siendo de gran utilidad para tomar una decisiónfinal.

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- Expedientes:Se generan en el ámbito administrativo con el fin deobtener algún permiso, autorización o ayuda económica.

- Ensayos y Análisis:Se practican en el ámbito de análisis de suelos,geológicos, de materiales.

Fases del informe técnico

1. Identificación del problema.2. Causas de dicho problema.3. Propuesta de soluciones.4. Recomendación de actuaciones.5. Valoración económica de las actuaciones.

Documentos del informe técnico.

1. Memoria y anejos a la memoria2. Planos y esquemas.3. Estudio económico.

UNIDAD 4

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MATERIALES SEMICONDUCTORES Y SUSDERIVADOS

4.1 Estructura electromagnéticaUn semiconductor es un componente que no es directamenteun conductor de corriente, pero tampoco es un aislante.En un conductor la corriente es debida al movimiento delas cargas negativas (electrones). En lossemiconductores se producen corrientes producidas por elMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 85

movimiento de electrones como de las cargas positivas(huecos). Los semiconductores son aquellos elementospertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica(Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se leintroducen átomos de otros elementos, denominadosimpurezas, de forma que la corriente se debaprimordialmente a los electrones o a los huecos,dependiendo de la impureza introducida. Otracaracterística que los diferencia se refiere a suresistividad, estando ésta comprendida entre la de losmetales y la de los aislantes.Disposición esquemática de los átomos de unsemiconductor de silicio puro, No existen electrones nihuecos libres.La disposición esquemática de los átomos para unsemiconductor de silicio podemos observarla en la figurade arriba, Las regiones sombreadas representan la cargapositiva neta de los núcleos y los puntos negros son loselectrones, menos unidos a los mismos. La fuerza quemantiene unidos a los átomos entre sí es el resultadodel hecho de que los electrones de conducción de cadauno de ellos, son compartidos por los cuatro átomosvecinos.A temperaturas bajas la estructura normal es la quese muestra en la figura de arriba en la cual no seobserva ningún electrón ni hueco libre y por tanto elsemiconductor se comporta como un aislante. Estos cuatroelectrones se encuentran formando uniones covalentes conotros átomos vecinos para así formal un cristal, que esla forma que se los encuentra en la naturaleza. Si esaestructura se encuentra a una temperatura muy baja o enel cero absoluto, el cristal tendrá tan poca energía queno hará posible la conducción eléctrica. Al aumentar latemperatura ciertos electrones adquieren suficienteenergía para romper el enlace del que forman parte y

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"saltar" al siguiente orbital. Esto provoca la formaciónde un espacio vacío, que por carencia de electrones,posee carga positiva, a este espacio se lo denominahueco.El aumento de temperatura rompe algunas uniones entreátomos liberándose un cierto número de electrones. Encambio, a la temperatura ambiente (20-25 grados C.)algunas de las fuertes uniones entre los átomos serompen debido al calentamiento del semiconductor y comoconsecuencia de ello algunos de los electrones pasan aser libres. En la figura siguiente se representa estasituación. La ausencia del electrón que pertenecía a launión de dos átomos de silicio se representa por uncírculo. La forma en que los huecos contribuyen a lacorriente, se detalla seguidamente Cuando un electrónpuede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleoy por tanto abandona su posición, aparece un hueco, y leresulta relativamente fácil al electrón del átomo vecinodejar su lugar para llenar este hueco. Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco,deja a su vez otro hueco en su posición inicial, De estamanera el hueco contribuye a la corriente lo mismo queel electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a lade éste.

Niveles de EnergíaUn cristal está formado por un conjunto de átomos muypróximos entre sí dispuestos espacialmente de formaordenada de acuerdo con un determinado patróngeométrico. La gran proximidad entre los átomos delcristal hace que los electrones de su última capa sufranla interacción de los átomos vecinos.El nivel energético de cada uno de estos electronespuede estar situado en la "banda de valencia" o en la

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"banda de conducción" del cristal. Un electrón que ocupeun nivel dentro de la banda de valencia está ligado a unátomo del cristal y no puede moverse libremente por élmientras que si el nivel ocupado pertenece a la banda deconducción, el electrón puede moverse libremente portodo el cristal, pudiendo

Formar parte de una corriente eléctrica.Entre la banda de valencia y la de conducción existe una"banda prohibida", cuyos niveles no pueden ser ocupadospor ningún electrón del cristal. Según la magnitud deesta banda, los cristales pueden clasificarse enaislantes, conductores y semiconductores.

4.2 Características y propiedadesUna propiedad importante en los semiconductores es queposibilita el poder modificar su resistividad de maneracontrolada entre márgenes muy amplios. La razón primerade este comportamiento diferente reside en su estructuraatómica, básicamente en la distancia interatómica de susátomos en la red así como el tipo de enlace entre ellos.

Así el enlace atómico depende del número de electronesde valencia de los átomos formantes del enlace y de laelectronegatividad de los mismos. Los electrones de lacapa externa o electrones de valencia son los quedeterminan y forman los enlaces y los que en su momentopueden determinar el carácter conductivo o no de él. Enun semiconductor formado por dos elementos químicosdiferentes (Arseniuro de Galio) la asimetría conlleva engeneral una cierta pérdida de carácter covalente puro,en el sentido de desplazar el centro de gravedad de lacarga hacia uno u otro átomo. El parámetro que determinaeste desplazamiento es la electronegatividad de losátomos constituyentes. Cuanto más diferente sea, mayorMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 88

será el desplazamiento y el enlace será más iónico quecovalente.

La estructura cristalina de los semiconductores es engeneral compleja aunque puede visualizarse mediantesuperposición de estructuras más sencillas. Laestructura más común es la del diamante, común a lossemiconductores Si y Ge, y la del Zinc-Blenda que es ladel Arseniuro de Galio. En estas redes cristalinas cadaátomo se encuentra unido a otros cuatro mediante enlacescovalentes con simetría tetraédrica. Se requiere queposean unas estructuras cristalinas únicas, es decir,que sea mono cristal. Dependiendo de cómo se obtenganéste puede presentarse en forma de mono cristal, policristal y amorfo. El comportamiento eléctrico de losmateriales semiconductores (resistividad y movilidad)así como su funcionamiento depende de la estructuracristalina del material de base, siendo imprescindiblela forma mono cristalina cuando se requiere lafabricación de circuitos integrados y dispositivoselectroópticos (láser, leds).

En lo referente al transporte de carga ensemiconductores el fenómeno de las colisiones de losportadores con otros portadores, núcleos, iones yvibraciones de la red, disminuye la movilidad. Elloguarda relación con el parámetro de la resistividad (oconductividad) definido como la facilidad para laconducción eléctrica, depende intrínsecamente delmaterial en cuestión y no de su geometría. Así pues enlos fenómenos de transporte en semiconductores y adiferencia de los metales, la conducción se debe a dostipos de portadores, huecos y electrones.

4.3 Principales productos

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Componente Función más común

Amplificadoroperacional

Amplificación, regulación, conversión deseñal, conmutación.

Biestable Control de sistemas secuenciales.

PLD Control de sistemas digitales.

Diac Control de potencia.

Diodo Rectificación de señales,regulación, multiplicadorde tensión.

Diodo Zener Regulación de tensiones.

FPGA Control de sistemas digitales.

Memoria Almacenamiento digital dedatos.

Microprocesador

Control de sistemas digitales.

Microcontrolador

Control de sistemas digitales.

Pila Generación de energía

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eléctrica.

Tiristor Control de potencia.

Puerta lógica Control de sistemas combinacionales.

Transistor Amplificación, conmutación.

Triac Control de potencia.

Componentes Pasivos Lineales:

Componente Función más común

Condensador Almacenamiento de energía, filtrado,adaptación impedancia.

Inductor oBobina

Almacenar o atenuar el cambio de energíadebido a su poder de autoinducción.

Resistor oResistencia

División de intensidad o tensión, limitaciónde intensidad.

4.4 Proceso de fabricación

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La descripción del procesamiento de dispositivossemiconductores de silicio, ya sean dispositivosdiscretos (un semiconductor que contiene un solodispositivo activo, como por ejemplo un transistor) o CI(conjuntos interconectados de elementos activos ypasivos en un sustrato semiconductor único, capaz derealizar una función de circuito electrónico comomínimo), implica mencionar numerosas operaciones muytécnicas y específicas, y tiene por objeto dar a conocerun marco y una explicación básicos de los pasosprincipales seguidos en la fabricación de un dispositivosemiconductor de silicio y los problemas de salud yseguridad medioambiental (SSM) asociados.

La fabricación de un CI consta de una secuencia deprocesos que pueden repetirse muchas veces antes determinar un circuito. Los CI más sencillos utilizan 6máscaras o más para completar procesos de modelado, perolo corriente es que se empleen de 10 a 24 máscaras. Lafabricación de un microcircuito comienza con una obleade silicio ultra puro de 10 a 30 centímetros dediámetro. El silicio absolutamente puro es casi unaislante, pero determinadas impurezas, llamadasimpurificadores, añadidas en cantidades de 10 a 100partes por millón, convierten al silicio en conductor deelectricidad. Un circuito integrado puede constar demillones de transistores (también diodos, resistencias ycondensadores) hechos de silicio con impurezas, todosellos conectados mediante el patrón de conductoresadecuado para crear lógica del ordenador, su memoria uotro tipo de circuito. Sobre una oblea pueden hacersecentenares de microcircuitos.

Hay seis pasos principales del proceso de fabricaciónque se aplican de manera universal a todos losdispositivos semiconductores de silicio: oxidación,

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litografía, grabado, impurificación, deposición químicade vapor y metalización. Estos pasos van seguidos de lasoperaciones de montaje, prueba, marcado, embalado yexpedición.

4.5 Aplicación en Ingeniería EléctricaAplicaciones para diodos de unión p-n (I)

Diodos rectificadores

Diagrama tensión-corriente que ilustra la acciónrectificadora de un diodo de unión p-n al convertircorriente alterna en corriente continua. La corriente desalida no es completamente corriente continua, pero ensu mayor parte es positiva. La seña de corrientecontinua puede ser modulada utilizando otrosdispositivos electrónicos.

Diodos de unión p n p-n (II)Curva característica de un diodo de avalancha. Seproduce una gran corriente inversa en la región deruptura (Tensión disruptiva).

Transistor de unión bipolar (I) Representación esquemática de un transistor de unión n-p-n. La región de la izquierda es el emisor, la regióncentral estrecha pes la base y la región de la derechaes el colector. Para una operación normal, la uniónemisor-base está directamente polarizada y la unióncolector-base está inversamente polarizada.

Transistor de unión bipolar (II)

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Movimiento del portador de carga durante la operaciónnormal de un tránsito n-p-n. La mayor parte de lacorriente está formada por electrones procedentes delemisor que va a la derecha a través de la base hasta elcolector. Algunos de los electrones se recombinan conhuecos de la corriente de flujo de la base. Tambiénestán presentes pequeñas corrientes inversas debidas aportadores generados térmicamente.

4.6 Ejemplos Termistores Foto resistores Varistores Diodo Rectificador Puente Rectificador Diodo de Señal Diodo PIN Diodo Zener Diodo Varactor Fotodiodo Transistores Diodo LED

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EJEMPLOS DE DIODOS

UNIDAD 5

MATERIALES DIELECTRICOS SÓLIDOS

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EJEMPLOS DE TRANSISTORES

5.1 Pesos moleculares. Estructura

La disminución de la diferencia de potencial queexperimenta el condensador cuando se introduce eldieléctrico puede explicarse cualitativamente delsiguiente modo.

Las moléculas de un dieléctrico pueden clasificarse enpolares y no polares. Las moléculas como H2, N2, O2, etc.son no polares. Las moléculas son simétricas y el centrode distribución de las cargas positivas coincide con elde las negativas. Por el contrario, las moléculas N2O yH2O no son simétricas y los centros de distribución decarga no coinciden.

Bajo la influencia de un campo eléctrico, las cargas deuna molécula no polar llegan a desplazarse como seindica en la figura, las cargas positivas experimentanMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 96

una fuerza en el sentido del campo y las negativas ensentido contrario al campo. La separación de equilibriose establece cuando la fuerza eléctrica se compensa conla fuerza recuperadora (como si un muelle uniese los dostipos de cargas). Este tipo de dipolos formados a partirde moléculas no polares se denominan dipolos inducidos.

Las moléculas polares o dipolos permanentes de undieléctrico están orientados al azar cuando no existecampo eléctrico, como se indica en la figura de laderecha. Bajo la acción de un campo eléctrico, seproduce cierto grado de orientación. Cuanto más intensoes el campo, tanto mayor es el número de dipolos que seorientan en la dirección del campo.

Sean polares o no polares las moléculas de undieléctrico, el efecto neto de un campo exterior seencuentra representado en la figura inferior. Al lado dela placa positiva del condensador, tenemos cargainducida negativa y al lado de la placa negativa delcondensador, tenemos carga inducida positiva.

Como vemos en la parte derecha de la figura, debido a lapresencia de las cargas inducidas el campo eléctricoentre las placas de un condensador con dieléctrico E esmenor que si estuviese vacío E0. Algunas de las líneas decampo que abandonan la placa positiva penetran en eldieléctrico y llegan a la placa negativa, otras terminanen las cargas inducidas. El campo y la diferencia depotencial disminuyen en proporción inversa a suconstante dieléctrica k=

EEo

E=Eo /k

La energía de un condensador con dieléctrico disminuyerespecto de la del mismo condensador vacío.

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Dieléctrico Constantedieléctrica

Ámbar 2.7-2.9Agua 80.08Aire 1.00059Alcohol 25.00Baquelita 4-4.6Cera de abejas 2.8-2.9Glicerina 56.2Helio 1.00007Mica moscovita 4.8-8Parafina 2.2-2.3Plástico vinílico 4.1Plexiglás 3-3.6Porcelanaelectrotécnica

6.5

Seda natural 4-5

5.2 Dieléctricos sólidos. Materialesartificiales o sintéticos

MATERIALES DE ELECTROCERAMICOLos materiales cerámicos contienen fases que soncompuestos de elementos metálicos y no metálicos.Podemos citar muchos de estos compuestos que van desdeel Al2O3 a los vidrios inorgánicos, a los productosarcillosos y a los piezoeléctricos complejos como el Pb(Zr, Ti)O3. En general, encontraremos que los compuestoscerámicos son más estables que sus componentes conrespecto a los ambientes térmicos y químicos; porejemplo, el Al2O3 como compuesto, en comparación alaluminio y al oxígeno separadamente. Puesto que loscompuestos involucran por su naturaleza coordinacionesatómicas más complejas que sus elementosMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 98

correspondientes, encontraremos que hay mayorresistencia al deslizamiento, por lo que las cerámicasson generalmente más duras, con frecuencia más fuertes ysiempre menos dúctiles que sus que sus contrapartesmetálicas o poli mericas. Las característicasdieléctricas, semiconductoras y magnéticas de cerámicasselectas son particularmente valiosas para loscientíficos e ingenieros que diseñan o utilizandispositivos para circuitos electrónicos.

PORCELANA ELECTROTÉCNICAEs el más importante de los materiales cerámicosempleados en Electrotecnia. Los materiales básicos quela componen, son:El caolín o tierra de porcelana que en un silicato dealuminio hidratado, su formula química esAl2 O3 - 2Si O2 - 2H2 OSe trata de un material blanco o ligeramenteamarillento, muy blando y de tacto algo grasiento; supeso específico es de 2.2 a 2.6 Kg/cm3. Se reblandecen,sin fundir, a 1880° y absorbe fácilmente la humedad.El cuarzo u óxido de silicio, de formulaSi O2Material de gran dureza, que funde a 1720° C, siendo supunto de reblandecimiento, de unos 1500° C.El feldespato, nombre genérico de un grupo de mineralespetrogenéticos o formados de rocas. Todos losfeldespatos son silicatos anhídridos de aluminio, conpotasio, sodio y calcio. El feldespato de potásico es elmás empleado en la fabricación de porcelana y su formulaquímica aproximada esK2 O - Al2 O3 - 6 Si O2

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Los tres materiales citados se mezclan bien y se amasancon agua, quitando las impurezas. El agua se eliminadespués mediante filtros-prensa. Dejando la masahumedecida durante cierto tiempo se vuelve plástica.Luego se espesa, amasándola y batiéndola. Antes de lacocción se le da la forma debida, mediante tresprocedimientos distintos:

ESTEATITA.El material en bruto, finamente molido, se mezcla conagua, para formar una pasta fácil de moldear de la cual,a torno, se hacen los aisladores y otros objetos. Porcocción la esteatita se convierte en una masa compacta,constituida por cristales de silicato de magnesio. Laspropiedades eléctricas de esta pueden mejorarseaumentando el contenido de óxido de magnesio, pero conello se reduce la facilidad para la manipulación de lamasa.No se deja esmaltar por la diferencia del coeficiente dedilatación de esta y el material de esmalte, el esmaltese resquebraja y termina desprendiéndose.La esteatita se emplea cuando los aisladores u otrosobjetos fabricados con este material, deben soportargrandes esfuerzo mecánicos, ya que su resistencia a latracción, compresión y la flexión tienen,aproximadamente, un valor doble a las correspondientesde la porcelana. Sus propiedades dieléctricas sontambién mejores que las de la porcelana, especialmente,su pequeño factor de pérdidas dieléctricas, incluso aaltas temperaturas, la hace muy apropiada para lafabricación de objetos aislantes para telecomunicación,electrónica, etc.Para la aplicación de la esteatita en condensadores, poradición de pequeña cantidades de óxido de titanio, han

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podido obtenerse materiales cerámicos cuya constantedieléctrica es 80 (recuerde que para la porcelanaordinaria, el valor era entre 5 y 6.5).El principal inconveniente de esta es su alto coste, quelimita su empleo a pequeñas piezas aislantes o a loscasos en que se necesiten excepcionales condiciones deresistencia mecánica, bajo factor de pérdida.

5.3 Comportamiento térmico, mecánico,eléctrico y químico

1. Resistencia específica de los materiales electroaislantes: la resistencia específica cúbica ovolumétrica del dieléctrico permite evaluar laresistencia al paso eléctrica del dieléctrico mediantela corriente Iv a través de su volumen. Por medio de laresistencia especifica superficial, puede evaluarse lapropiedad del dieléctrico, de oponer resistencia al pasode la corriente Is a través de su superficie. De aquí elque se pueda comparar el menor o mayor carácter aislantede cada dieléctrico, para una mejor aplicación ulterior.Las corrientes cúbicas y superficiales del dieléctrico(refiérase a las corrientes que circulan por el volumeny la superficie del dieléctrico), son muy pequeñas porlo general en todos los dieléctricos de aquí es de dondeproviene el carácter aislante de los dieléctricos.

2. La conductividad específica de estos materiales estádada por la conducción de pequeñas cantidades decorriente eléctrica en el momento que ocurre supolarización, esta puede ser a través de su superficie(llamada resistencia específica superficial) o a travésde su cuerpo (resistencia específica cúbica). Esteparámetro es de vital importancia pues puede introducir

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corrientes eléctricas que afecten el diseño electrónicodado.

3. La permeabilidad dieléctrica de los materialeselectro aislantes: esta propiedad se calcula dé acuerdocon la magnitud medida de la capacidad de un condensadorplano, cuyo dieléctrico es una muestra del material quese prueba. Tomando la capacidad de un condensador patrón(de aire) se puede comparar magnitud de otro condensadorcon otro dieléctrico. La permeabilidad es una medidacuantitativa de los fenómenos de polarización deldieléctrico, como función de su naturaleza química.

4. Pérdidas de energía en los dieléctricos: No son másque ciertas cantidades de energía eléctrica que setransforma en energía calorífica al actuar el campoeléctrico sobre cualquier sustancia. Esto se puedeapreciar porque al cabo de cierto tiempo de uso delcondensador la intensidad de la corriente que circulapor él no es la misma. El ángulo de perdidasdieléctricas es el que forma el vector intensidad de lacorriente total que pasa por un condensador (se puededescomponer en dos: I activa e I reactiva) y sucomponente reactiva. Debido a esto es posible que eldieléctrico cambie sus características en función de latemperatura adquirida.

5. La rigidez dieléctrica de los materiales electroaislantes: esta propiedad muy importante de losdieléctricos nos permite evaluar su capacidad deoponerse a la acción destructiva de las fuerzaseléctricas. A los dieléctricos se aplican, en calidad demateriales electro aislantes, en instalacioneseléctricas, máquinas y aparatos donde ellos están

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sometidos a la acción de tensiones altas. Por lo tanto,los dieléctricos, en determinadas condiciones corren elpeligro de su destrucción o ruptura... Una destruccióndel dieléctrico provocaría la unión de los conductores,y traer consigo graves consecuencias en la instalaciónelectrotécnica. La magnitud de la intensidad del campoeléctrico a la que ocurre la ruptura del dieléctrico, sellama rigidez dieléctrica.

6. Polarización de los dieléctricos sólidos: puedeexplicarse examinando un dieléctrico en el interior deun condensador. Si el condensador se conecta a unafuente de tensión constante, entonces en las placas delcondensador aparecen cargas eléctricas, las cualesprovocan un campo eléctrico en el dieléctrico. Bajo laacción de las fuerzas de este campo los electrones enlos átomos del dieléctrico se desplazan con respecto alos núcleos y se forman con ellos cargas positivas ynegativas ligadas, llamadas dipolos. Para cada materialdieléctrico el grado de polarización es diferente lo quehace de ellos un producto sumamente útil en lafabricación de condensadores, igualmente importantes enla industria eléctrica. En general todos losdieléctricos sólidos se pueden utilizar en confección decondensadores.

5.4 Papel y cartón dieléctricos aislantesCartón aislanteSuministramos cartón prensado en planchas y papelprensado en bobinas así como componentes de cartónprensado para la fabricación de transformadores desalida y transformadores de distribución.

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Los componentes y las planchas aislantes de cartónprensado se utilizan en transformadores de potenciarefrigerados por aceite y transformadores dedistribución fundamentalmente gracias a su purezaelevada, a su resistencia mecánica y a suimpregnabilidad óptima con aceite. Los componentesconformados a partir de cartón prensado, tales comoanillos angulados, segmentos de embocadura y terminalesfinales, permiten una adaptación exacta a lascondiciones del campo eléctrico prevalecientes dentrodel transformador.

Concretamente en el sector de intensidades de campoelevadas, la estabilidad dimensional y unas buenascaracterísticas dieléctricas constituyen una importanteventaja. En los sistemas de producción de loscomponentes de cartón prensado se emplean procedimientosespeciales de conformado y prensado.

5.5 Resinas y barnices aislantesRef. 2702 y2702-W

Secado Aire BBarniz de protección pero se aplica comobarniz de impregnación sobre todo entalleres de reparación por la necesidad deentregar el motor rebobinado de un díapara otro. Su rapidez de secado atemperatura ambiente, que puede acelerarsecon aportación de temperatura, haceprácticamente insustituible suutilización.La diferencia entre 2702 y 2702-W es elcolor. El primero es transparente y elsegundo en color naranja.Forma suministro 4 kgs. / 20 kgs. / 1 kg.

Ref. 1131MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 104

Secado Estufa B Barniz constituido por resina alquídica degran poder cohesivo a temperaturas deservicio. Adecuado para impregnación debobinados de clase térmica B (130º C).Resistencia a ácidos diluidos, solucionesdetergentes, bacterias y climastropicales. Aplicable en general a todotipo de bobinas. Muy apropiado paratransformadores y motores de pequeña ymediana potencia. Los tiempos deendurecido son de 4 horas a 180º y 2 horasa 140º C.Forma de suministro 4 kg. / 20 kg.

Ref. 1130/2 Secado Estufa F Barniz de impregnación aplicable a todaclase de bobinados. Especialmente pensadopara la impregnación de devanadosconstituidos por pletinas o hilosesmaltados. Se hace indicado para laimpregnación de grandes motores,transformadores y generadores que esténsometidos a trabajos continuados ycondiciones de extrema dureza. Supenetrabilidad permite rellenar todos losintersticios por muy fino quesea el hilo. Para alcanzar una totalpolimerización es aconsejable llegar a unatemperatura mínima de 130º C. ESPECIALGRUPOS FREONForma de suministro 5 kg. / 25 kg.

Ref. 2706 -R

Antiarco Aire B Barniz antideflagrante, resistente alarco, así como a la humedad y ambientes

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químicamente agresivos. Es recomendable suaplicación en las cabezas de bobina dedevanados de máquinas rotativas, sobretodo si van equipados de escobillas.Previsto su secado a temperatura ambienteno presenta problemas al abreviar susecado con aportación de calor medianteestufa. A temperatura ambiente se endureceen 24 h. y a 120 º C en 1 hora.Forma de suministro 5 kg.

44 FAismalibar

Secado al aire. Barniz de protecciónespecialmente desarrollado para secarrápidamente pudiéndose complementar conestufa. El tiempo desecado al aire es de 3-5 horas y a estufa120°C de 1-2 horas.Color amarillo rojizo. Botes 4 kg.

DolphsER41

Spray antiarco secado aire Clase F. Botes 400 ml.

DISOLVENTESHerberts5085

Botes de 5 l. / 20 l.

DISOLVENTESHerberts784

Botes de 5 l.

RESINASHERBERTS EB8890

Resina epoxídica especial para inducidos.Botes de 5 kg.Endurecedor ES

RESINASDOLPHS

Resina para encapsular epoxídica especialpara frenos. Compuesto epoxídico

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DOLPHON CR.1035.

Reactor RE 2000

5.6 Placas y esmaltesLas funciones esenciales que el esmalte ejerce en unaislador de porcelana son básicamente dos:

A. Proporcionar a éste una buena característicasuperficial. Debido a la naturaleza vítrea del esmalte,este puede mantenerse fácilmente libre de polvo osuciedades residuales ocasionadas por la contaminaciónambiental, por medio del lavado natural de las aguaslluvias. También por medio del esmalte se le puede daral aislador el color que más convenga, de acuerdo a lasexigencias del medio donde se vaya a instalar.

B. El esmalte incrementa los parámetros mecánicos de laporcelana. Durante la cocción del aislador, en elperíodo de fabricación, el esmalte hace parte integralde la porcelana mediante un entrelazamiento molecular,robusteciendo mecánicamente toda la pieza. El esmalte esseleccionado por el fabricante de tal modo que sucoeficiente de expansión térmico sea menor que el de laporcelana. Es así como después de la quema, el esmaltequeda en alta compresión sobre la superficie de laporcelana, incrementando su resistencia mecánica. Latabla # 1 muestra algunos datos de ensayos mecánicoshechos sobre un tipo de aislador de porcelana con y sinesmalte y que sirven como ilustración:

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Es de suma importancia anotar, que las característicasintrínsecas que le dan a la porcelana una altísimarigidez dieléctrica, tales como porosidad nula,compactación e inercia química, entre otras, no sonaumentadas por la adición del esmalte en su superficie.Lo anterior puede comprobarse en las pruebas de flameo abaja frecuencia a tensiones entre tres y cuatro veceslas nominales, hechas en el laboratorio sobre todo tipode aisladores que han estado instalados en regiones congran densidad de tormentas eléctricas, o en sistemas defrecuentes sobretensiones. Dichos aisladores hanmostrado una gran resistencia dieléctrica, aunque lasuperficie esmaltada presente partes quemadas odeterioros debido al efecto del flameo soportado durantelargo tiempo. En resumen se puede establecer que lascaracterísticas dieléctricas de los aisladores deporcelana no dependen del estado en que se encuentre suesmalte.

MICA SILICONA RIGIDA

Placas de papel de mica y resina de silicona para altatemperatura UL - E210925

Descripción: Las placas de papel de mica / resinasilicona se fabrican partiendo de varias capas de papelde mica tipo muscovita o flogopita unidas mediante unaresina de silicona de alta temperatura, a continuaciónel conjunto es prensado en caliente.

Propiedades: El material resultante es extremadamente

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resistente a las altas temperaturas mostrando unasbuenas propiedades mecánicas y excelentes propiedadeseléctricas, el material puede ser cortado fácilmentemediante cizalla. Puede ser empleado a temperaturas delrango de los 550 a 800°C en continuo.

Las placas fabricadas a base de flogopita superan enresistencia térmica a las de muscovita enaproximadamente 50-100°C.

Aplicación: El conjunto de propiedades mencionado hacenque este producto sea empleado principalmente comopiezas aislantes cortadas o troqueladas en secadores depelo, planchas eléctricas, convectores de aire caliente,motores eléctricos, hornos microondas y en equipos de laindustria metalúrgica como hornos de inducción, hornosde arco. Asimismo se utilizan como materiales parajuntas de alta temperatura en la industria del automóvilen lugar de materiales basados en amianto.

Suministro: Espesores: Placas mica rígida: Desde 0.10hasta 80 mm

Placas mica flexible: Desde 0.10 hasta 0.60 mm En placasde formato estándar: 2000 x 1000 mm 1600 x 1000 mm 1200x 1000 mm

MICA SILICONA MOLDEABLE

Placas de papel de mica y resina de silicona para altatemperatura

Descripción: Las placas de papel de mica / resinasilicona se fabrican partiendo de varias capas de papelde mica tipo muscovita o flogopita unidas mediante unaresina de silicona de alta temperatura, esta se ablandafácilmente en calor para facilitar el buen moldeado, hay

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diversos grados dependiendo del tipo de mica utilizado,el contenido de mica y las características de lasuperficie.

Proceso: Las capas de mica moldeable se cortan a laforma requerida y se fija un patrón determinado, este secalienta uniformemente a una temperatura de 130° - 160°Chasta que se ablanda. Esta toma la forma requeridacuando se está moldeando bajo presión y conserva suforma cuando se enfría lentamente bajo presión, latemperatura, presión y demás factores deben de serconstante durante el moldeado, y una vez que se curencompletamente se conserva su forma y dimensiones demanera estable. el curado se puede hacer en temperaturasde 160° a 180°C a una presión de 14 a 38 kg/cm2 ydurante 2 a 14 horas, sin embargo el curado final sedebe evaluar dependiendo de las características finalesde la pieza deseada ya moldeada.

Aplicación: Para el moldeado en caliente de piezasespeciales como conos o anillos en V, aislamiento decampana, ranura formas de bobinas y tubos en medidaespeciales.

5.7 Compuestos electro aislantesLos materiales electro aislantes de la más alta calidadpara el bobinado de motores, generadores ytransformadores de baja, media y alta tensión, clasestérmicas F,H y C y que cumplen con las normativasinternacionales.Hilos esmaltados índices de temperatura 155, 180, 200 y220 º en poliéster-poliamida Theic grado I y II.

Pletinas de cobre con aislamiento de una o dos capas deesmalte fibra de vidrio, kapton, nomex o papel en sus

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distintas variedades, para la fabricación o reparaciónde motores y generadores eléctricos transformadores,bobinas, reactancias, etc.Hilos y pletinas aptos para soportar los pulsosproducidos por los convertidores de frecuencia.

Laminados aislantes DMD, NMN, NKN Cintas de poliéster, vidrio y mica Cuñas de cierre y cables Tubos y macarrones Resinas y barnices Cintas para zunchado Estratificados rígidos para uso electro-industrial Materiales para pre consolidación (Resinrich)

5.8 Materiales termo plásticosFILM DE POLIÉSTER (MYLAR) Aislamiento clase B

Polímero derivado de la condensación reaccionada deletilenglicol y el ácido tereftálico obteniéndose elTERAFTALATO DE POLIETILENO, que es con el que sehace el film. A temperaturas comprendidas entre -60ºy 130º C mantiene sin alteraciones suscaracterísticas de suministro. Muy utilizado en laindustria eléctrica al permitir reducir espesoresdel aislamiento. Utilizado para aislar ranuras deestatores e inducidos, aislar entre fases y bobinasde motores, condensadores, reactancias,...

Forma de suministro: espesor de 0,125 - 0,19 - 0,25- 0,35 m/m

Ancho bobinas 960 m/m 50 kg. • Mini bobinas de 5 kg.

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PRESSPHAN - MYLAR (PM) Aislamiento clase B

El laminado flexible PM, está compuesto a base de unsoporte de papel dieléctrico pressphan en una cara,y un film de poliéster, obteniéndose un excelenteaislante eléctrico de alta rigidez dieléctrica yelevada resistencia mecánica, soportandotemperaturas de hasta 130º C. (B) Utilizadoprincipalmente como aislante de ranura y entre fasesde motores.

Forma de suministro: espesor 0,15 - 0,20 - 0,25 -0,30 - 0,35 m/m

Ancho bobina 600 m/m 25 kg. • mini bobinas 600 m/m10 kg.

DACRON - MYLAR - DACRON -(BLANCO)

Aislamiento claseB-F

Es un laminado flexible compuesto por un film depoliéster recubierto por ambas caras por un filtrode poliéster sin impregnar. Aislante que por suscomponentes presenta unas excelentes propiedades deabsorción de barnices y resinas de impregnación, asícomo una buena estabilidad térmica a 130º C. En susuministro, las características térmicas del DMDBlanco corresponden a una clase B mejorada pero queinstalado en la máquina y ésta convenientementeimpregnada con barnices, puede ser utilizado para elaislamiento de devanados de clase térmica F. Defácil aplicación por su gran flexibilidad y

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deslizamiento, el DMD Blanco, es utilizado comofondo de ranura y cierre, en la fabricación yreparación de motores eléctricos de baja tensión.

Forma de suministro: espesor 0,20 - 0,25 - 0,30 -0,35 m/m

Ancho bobina 960 m/m. 50Kg. • mini bobinas - ancho500 m/m 10 kg.

DACRON - MYLAR - DACRON (ROSA) Aislamiento clase F

Complejo constituido por un film de poliésteradherido por ambas caras a 2 láminas de fibras depoliéster no tejido e impregnadas con resina EPOXI.Al estar el complejo saturado por la resina epoxi,su poder absorbente queda reducido pero presenta laventaja de estabilizar térmicamente el film depoliéster y disminuir su contracción cuando essometido a temperatura. Es adecuado para elaislamiento de devanados de clase F. Igualmenteutilizado como el DMD Blanco, para fondo de ranura ycierre para reparación de motores.

Forma de suministro: espesor 0,20 - 0,25 - 0,30 -0,35 m/m

Ancho bobina 960 m/m 50 Kg. • mini bobinas - ancho500 m/m 10 Kg.

NOMEX - MYLAR - NOMEX - (NMN) Aislamiento clase F

Complejo formado por un film de poliéster adherido a2 láminas de aramida (Poliamida aromático) NOMEX T-416 de 0,005 mm. Mediante una resina especialmentepreparada para esta aplicación, con unas propiedades

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electro térmicas elevadas. Los materiales que loconstituyen y su proceso de fabricación en calientepermiten que el NMN ofrezca unas características engeneral más elevadas, que el resto de complejossignificándolo como el más idóneo para ser utilizadoen el aislamiento de devanados que puedan estarsometidos a elevadas temperaturas de trabajo. Suclasificación térmica, por encima de las exigenciasde la clase F, permite pueda utilizarse para elaislamiento de máquinas eléctricas de la clase H, sitodo el conjunto es impregnado con un barniz oresina de esta clasificación.

Forma de suministro = 0,15 - 0,20 - 0,25 - 0,30 -0,35 m/m.

Ancho bobina 960 m/m 50 kg. • mini bobinas 960 m/m 5kg.

FM - FLEX Aislamiento clase B

Laminado flexible en forma de duplex o triplexcompuesto por un papel de pura celulosa de algodón yun film de poliéster. Por sus característicaspresenta una alta absorción en el proceso deimpregnación en barniz o resina así como una buenaflexibilidad. Especialmente indicado para aislarcabezas de bobinas en motores eléctricos de baja ymediana potencia hasta la clase térmica B-130º C.

Forma de suministro: espesor 0,25 - 0,35 m/m

Ancho bobina 610 mm • Bobinas de 10 y 25 kgs.

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5.9 Elastómeros

Un elastómero es un polímetro que cuenta con laparticularidad de ser muy elástico pudiendo incluso,recuperar su forma luego de ser deformado. Debido aestas características, los elastómeros, son el materialbásico de fabricación de otros materiales como la goma,ya sea natural o sintética, y para algunos productosadhesivos.

A modo más específico, un elastómero, es un compuestoquímico formado por miles de moléculas denominadasmonómeros, los que se unen formando enormes cadenas. Esgracias a estas grandes cadenas que los polímeros sonelásticos ya que son flexibles y se encuentranentrelazadas de manera muy desordenada.

Cuando un elastómero es estirado, sus moléculas sealinean, permitiendo que muchas veces tomen un aspectocristalino. Sin embargo, una vez que se suelta,rápidamente, vuelve a su estado original de elásticodesorden. Lo anterior distingue a los elastómeros de lospolímeros plásticos.

La mayoría de estos polímeros son hidrocarbonos, por lotanto, están conformados por hidrógeno y carbono, y seobtiene en forma natural del polisopreno que provienedel látex de la goma de los árboles. Otra manera deobtener un elastómero es a partir de la síntesis depetróleo y gas natural.

Para modificar algunas de las características de loselastómeros, es posible añadir otros elementos como elcloro, obteniendo así el neopreno tan utilizado en lostrajes húmedos para bucear.

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Para poder darle un uso más práctico a los elastómeros,estos deben ser sometidos a diversos tratamientos. Através de la aplicación de átomos de azufre, estepolímero se hace más resistente gracias a un procesodenominado vulcanización. Si además se le agrega otrotipo de sustancias químicas es posible lograr unproducto final bastante resistente a las amenazascorrosivas presentes en el medio ambiente.

Como se mencionaba con anterioridad, los elastómerospueden ser utilizados para la fabricación de adhesivos.Para ello son disueltos en una solución de solventesorgánicos y luego, se le añaden ciertos adhesivos quemejoran su capacidad de adhesión y su durabilidad.

5.10 Materiales especiales (ceras,fibras, gomas, baquelita y materialessimilares)

Ceras Minerales

Parafina: Se obtiene de la destilación fraccionadade algunos petróleos. Tiene un punto de fusión de44ºC a 88ºC la más blanca funde a mayor temperatura.Es inodora, translúcida y en estado puro, no esuntuosa; es soluble en bencina, esencia detrementina y sulfuro de carbono. Tiene una constantedieléctrica de εr=2 a 2,5; una resistividad de masadel orden de 3xΕ12 Ωcm; una resistividad superficialde Ε12 Ω y una rigidez dieléctrica deaproximadamente 400KV/cm. Es empleada parala impregnación del papel de condensadores o paralos arrollamientos de transformadores.

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Ozoquerita (ceresina): Esta cera se encuentra enyacimientos petrolíferos o de carbón fósil. Es decolor amarillo o marrón y tiene un punto de fusiónde 60ºC a 90ºC; se emplea para la impregnación delos arrollamientos de transformadores dealimentación. Su resistividad de masa es del ordende Ε14 Ω·cm, la rigidez dieléctrica de 5KV/cm.Tratada con ácido sulfúrico, y decolorada con negroanimal se obtiene la ceresina, blanca,particularmente anti higroscópica, cuya constantedieléctrica es de εr=2,4.

Ceras Sintéticas

Cloronaftalinas: Se obtiene haciendo burbujear cloroseco en naftalina pura fundida variando el tiempo detratamiento se obtiene diferentes productos enbruto. El producto bruto se destila obteniéndoseaceites sintéticos poco clorados, después destilanlos productos sintéticos más puros luego los amorfosy queda al final una sustancia pezosa. Es necesariocontrolar la constancia de las características delos productos obtenidos, especialmente laseléctricas. La constante dieléctrica de las ceras esde aproximadamente εr=6; el factor de potencia de0,4%, la resistividad de masa de Ε15 Ω·cm yla rigidez dieléctrica de 150KV/cm. La temperaturade fusión va de 84ºC a 138ºC, aumentado en los tiposmás clorados. Estas ceras son especialmenteadecuadas para la impregnación de los condensadores,resultando ininflamables. No atacan a los metales,son anti higroscópicas, solubles en benzol, bencina,tetra cloruro de carbono y acetona. Impregnando conestas ceras los conductores aislados mediante fibras textiles, se impide la formación de mohos y elataque de insectos. Tipo comerciales de estas ceras

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son la Halowax americana, la Nibren alemana,la Aroclor inglesa y la Cerital italiana.

Ceras glicol: Se obtienen del glicol etileno, untipo comercial como la Glycera Wax es un estearatode glicol. Son de color blanco o amarillento; fundende 60ºC a 80ºC; son miscibles (que puede formar unamezcla homogénea con otros cuerpos) fundiendolas conceras, aceites, resinas y betún. Tipos comercialesson la Glyco Wax, la Glycera Wax, el Glicerilestearato.

GOMASLa goma forma parte del grupo de los polímeros, que sonmateriales ampliamente utilizados por sus notablespropiedades de sellabilidad. Hay varios motivos quehacen que la goma sea una buena materia prima para lafabricación de juntas, pero una de sus principalescualidades de la goma es su elevada resiliencia. Esosignifica que la goma se trata de un producto elásticoque rellena bien las imperfecciones de la brida,logrando así un mejor sellado. Además, eso se logra consólo aplicar una pequeña fuerza de apriete. Por otraparte, los elastómeros o gomas abarcan diversospolímeros distintos con diferentes características. Sies necesario, estos polímeros o gomas pueden combinarsepara obtener la solución más apropiada para undeterminado problema de sellado. Hay varios tipos deelastómeros o gomas que Cebea-Overseas pone a sudisposición y todos ellos son aptos para la fabricaciónde juntas de calidad.

Goma Natural (NR):

La goma natural posee buena resistencia a los siguientesfluidos: amoníaco, sales inorgánicas, ácidos débiles yálcalis; poca resistencia a solventes, aceites y

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productos químicos; es importante recalcar que la gomanatural suele presentar un marcado envejecimiento porefectos del ataque por ozono, y por lo tanto, la gomanatural no es recomendada para su uso en lugaresexpuestos al sol o al oxígeno; por otra parte, dichagoma natural, posee una resistencia mecánica elevada aldesgaste por fricción. La temperatura para este materialva de los -50° C a los +90° C.

Estireno - Butadieno (SBR) (Goma sintética):

Más conocida simplemente como goma sintética, la SBRestá recomendada para: aire, vapor, agua caliente, aguafría, y ácidos débiles. Dicha goma no se recomiendapara: aceites, solventes clorados, grasas, ni ácidosfuertes. Esta goma presenta poca resistencia al ozonoasí como a la mayoría de los hidrocarburos. Latemperatura para este material va de los -50° C a los+120° C.

Silicona (SI):

La silicona tiene una excelente resistencia alenvejecimiento. Además, no es afectada por la luz solarni el ozono, lo cual hace que sea muy utilizada en airecaliente. Esta goma osee poca resistencia mecánica, asícomo también al vapor, hidrocarburos alifáticos,aromáticos. La temperatura para este material va de los-100° C a los +260° C.

Nitrilica (NBR) (Buna-N):

Generalmente conocida como Buna-N. Se caracteriza porposeer buena resistencia a los solventes hidrocarburosaromáticos y alifáticos, aceites, y naftas. Dicha gomatiene poca resistencia a hidrocarburos clorados, agentes

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oxidantes fuertes, ésteres y cetonas. La temperaturapara este material va de los -50° C a los +120° C.

Cloroprene (CR) (Neoprene):

Más conocida por su nombre comercial Neoprene®,presenta excelente resistencia al ozono, a la luz solar,a los aceites, y además una baja permeabilidad a losgases. Está goma es indicada para solventes noaromáticos y naftas. Tiene poca resistencia a loshidrocarburos aromáticos y clorados y a los agentesoxidantes fuertes. La temperatura para este material vade los -50° C a los +120° C.

Hypalon:

Se caracteriza por presentar una excelente resistencia ala luz solar, al ozono, a los productos químicos y unabuena resistencia a los aceites. La temperatura paraeste material va de los -100° C a los +260° C.

Fluoreslastómero (CFM, FVSI, FPM) (Viton):

Conocido generalmente por su nombre comercial, Viton. Secaracteriza por su excelente resistencia a los ácidosfuertes, nafta, aceites, solventes clorados ehidrocarburos alifáticos y aromáticos. No estárecomendada para aminos, cetonas, vapor, ni ésteres. Latemperatura para este material va de los -40° C a los+204° C.

Etileno - Propileno (EPDM):

Posee buena resistencia al vapor, ozono, ácidos fuertesy álcalis. No se la recomienda para solventes nihidrocarburos aromáticos. La temperatura para estematerial va de los -50° C a los +120° C.

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BAQUELITA: Se le conoce con las siglas PF.También se conoce con el nombre del FENOL - FORMALDEHÍDOy con la denominación FENOPLASTOS. fue uno de losprimeros plásticos que se obtuvieron. Se trata de unplástico oscuro, duro y frágil, de color oscuro,brillante, con aspecto metálico. Por esta razón, laspiezas de Baquelita se confunden a veces con piezasmecánicas, como las empleadas en la fabricación deelectrodomésticos y en la industria del automóvil. LaBaquelita tiene también propiedades aislantes por lo quese emplea en la fabricación de elementos eléctricos yelectrónicos: Interruptores, enchufes, placa de soportepara circuitos impresos. Al no ablandarse por el calor ypor aprovechar sus propiedades aislantes tanto térmicascomo eléctricas, la Baquelita también se emplea paramangos de utensilios y aparatos sometidos al calor,aparatos de mandos eléctricos, tapones, etc.

5.11 Aplicaciones y normasComo su nombre lo dice es perfecto para las aplicacioneseléctricas y sería aun mas perfecto si fueraabsolutamente no conductor, pero claro ese tipo dematerial no existe.

Los materiales empleados como aislantes siempre conducenalgo la electricidad, pero presentan una resistencia alpaso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayorque la de los buenos conductores eléctricos comola plata o el cobre. Un buen aislante apenasposeen electrones permitiendo así el flujo continuo yrápido de las cargas.

En los circuitos eléctricos normales suelen usarseplásticos como revestimiento aislante para los cables.Los cables muy finos, como los empleados en las bobinasMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 121

(por ejemplo, en un transformador), pueden aislarse conuna capa delgada de barniz. El aislamiento interno delos equipos eléctricos puede efectuarse con mica omediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico.En los equipos electrónicos y transformadores se empleaen ocasiones un papel especial para aplicacioneseléctricas. Las líneas de alta tensión se aislan convidrio, porcelana u otro material cerámico.

AISLADORES DE PAPEL IMPREGNADO EN ACEITE (OIP)

- GOB está disponible con y sin indicador de nivel deaceite y para tensiones de 52 kV a 300 kV. Todos losmodelos están equipados con una toma de pruebas de 2 kVy la disposición del conductor puede ser del tipoconductor flexible o varilla maciza. El aislador GOB sepuede instalar con una inclinación de hasta 45° respectode la vertical sin ninguna precaución especial.Guía técnica 1ZSE 2750-102Guía de instalación y mantenimiento 2750 515-12

- GOE está disponible en dos diseños. La línea clásicaGOE de aisladores está disponible para todo el rango detensiones de 52 kV a 800 kV. GOE(2) es un aisladorliviano, compacto y económico para valores de corrienteinferiores y está disponible para tres clasesespecíficas de tensión; 362 kV, 420 kV y 550 kV. GOE yGOE(2) están equipados con una toma de pruebas de 20 kVy la disposición del conductor puede ser del tipoconductor flexible, varilla maciza o conductor rígido.El aislador GOE se puede instalar con una inclinación dehasta 60° respecto de la vertical sin ninguna precauciónespecial, mientras que el aislador GOE(2) está limitadoa 30° respecto de la vertical.Guía técnica 1ZSE 2750-105Guía de instalación y mantenimiento 2750 515-1MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 122

- GOM es un aislador de 300 kV cuyo diseño es similar alaislador GOB de alta gama pero para corrientes mayores.Este aislador está equipado con una toma de pruebas de 2kV y se puede instalar con una inclinación de hasta 45°respecto de la vertical sin ninguna precaución especial.Guía técnica 1ZSE 2750-108Guía de instalación y mantenimiento 2750 515-41

- GOH es un aislador de alta corriente de 36 kV, que engeneral se utiliza para los transformadores elevadoresdel generador. El valor de corriente es de hasta 25 kA ysu diseño facilita el uso en disposiciones de tubos debus con altas temperaturas. El aislador GOH se puedeinstalar en cualquier ángulo de horizontal a vertical yestá equipado con una toma de pruebas de 2 kV. Laconexión se realiza a las placas terminales tanto en ellado seco como en el lado húmedo.Guía técnica 1ZSE 2750-107Guía de instalación y mantenimiento 2750 515-85

- GOEK está diseñado para el servicio sumergido enaceite-SF6 o aceite-aceite y está disponible paratensiones de 245 a 800 kV. Los tipos de hasta 550 kVestán equipados con un sistema de expansión de aceiteque facilita la instalación en cualquier ángulo dehorizontal a vertical sin ninguna precaución especial.Todos los modelos están equipados con una toma depruebas de 20 kV y la disposición del conductor puedeser del tipo conductor rígido o contacto inferior fijo.Para detectar posibles fugas de gas, los aisladores sepueden equipar con un sistema de supervisión de presiónde aceite.Guía técnica 1ZSE 2750-106Guía de instalación y mantenimiento 2750 515-116

AISLADORES DE PAPEL IMPREGNADO EN RESINA (RIP)

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- GSA es una línea de aisladores de transformadordisponibles para tensiones de 52 kV a 170 kV paraaplicaciones de aceite-aire, GSA-OA, y para tensiones de73 kV a 245 kV para servicio sumergido en aceite-aceite,GSA-OO. Los valores de corriente superan algunos de lostipos OIP más comunes para las mismas clases de tensión,lo que significa que algunas veces el aislador GSA puederesultar la opción más económica si los requisitos decorriente están comprendidos entre 1250 y 1600-2500 A.El aislador GSA se puede instalar en cualquier ángulo dehorizontal a vertical y está equipado con una toma depruebas de 2 kV. La disposición del conductor puede serdel tipo conductor flexible o varilla maciza. Elaislador GSA también está disponible como un pasamurosde interior-exterior para 73 kV y 123 kV, GSA-AA. Dadoque GSA-AA no cuenta con un aislante en el ladointerior, está diseñado para ser instalado únicamente enun ambiente sin condensación.- GSA-OA Guía técnica 1ZSE 2750-111 Guía de instalacióny mantenimiento 2750 515-115 GSA-AA Guía técnica 1ZSE2750-112 Guía de instalación y mantenimiento 2750 515-133 GSA-OO Guía técnica 1ZSE 2750-116 Guía deinstalación y mantenimiento 2750 515-138- GSBK está diseñado para el servicio sumergido enaceite-SF6 o aceite-aceite y está disponible paratensiones de 170 a 550 kV. El aislador GSBK se puedeinstalar en cualquier ángulo de horizontal a vertical yestá equipado con una toma de pruebas de 2 kV; versiónde 20 kV a pedido. La disposición del conductor puedeser del tipo conductor flexible o contacto inferiorfijo.Guía técnica 1ZSC000563-AAAGuía de instalación y mantenimiento 1ZSC000563-AAB

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UNIDAD 6

MATERIALES DIELECTRICOS SÓLIDOSINORGANICOS

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6.1 Estructuras cristalinas y fasesLa estructura física de los sólidos es consecuencia de ladisposición de los átomos, moléculas o iones en el espacio,así como de las fuerzas de interconexión de las partículas:

Estado amorfo: Las partículas componentes del sólido seagrupan al azar.

Estado cristalino: Los átomos (moléculas o iones) quecomponen el sólido se disponen según un orden regular. Laspartículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singularesde una red espacial geométrica tridimensional. Los metales,las aleaciones y determinados materiales cerámicos tienenestructuras cristalinas. Los átomos que pertenecen a unsólido cristalino se pueden representar situándolos en unared tridimensional, que se denomina retículo espacial ocristalino. Este retículo espacial se puede definir como unarepetición en el espacio de celdas unitarias. La celdaunitaria de la mayoría de las estructuras cristalinas son

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paralelepípedos o prismas con tres conjuntos de carasparalelas. Según el tipo de enlace atómico, los cristalespueden ser de tres tipos:

a) Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros y muyfrágiles, conductividad eléctrica baja y presentan ciertaelasticidad. Ej: NaCl (sal común)

b) Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura defusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malosconductores de la electricidad. No sufren deformaciónplástica (es decir, al intentar deformarlos se fracturan).Ej: Diamante

c) Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicosy eléctricos. No son tan duros como los anteriores, aunque simaleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre. Según laposición de los átomos en los vértices de la celda unitariade la red cristalina existen:

Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo losvértices de la celda unidad.

Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos,además de ocupar los vértices, ocupan el centro de lacelda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.

Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos,además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cadacara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes eloro, cobre, aluminio, plata.

Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es unprisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas basestiene un átomo en el centro. En el centro de la celda haytres átomos más. En este caso cristalizan metales comocinc, titanio y magnesio.

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6.2 Composición de fases cerámicos y nocerámicas

Las cerámicas pueden ser fabricadas por diversos métodos, loscuales se remontan a los orígenes de la civilización.El objetivo de la producción normalmente es obtener unproducto sólido con una determinada forma como pueden serpelículas, fibras o monolitos con una micro estructuraespecífica. Se puede observar en la tabla 1.6 que los métodosde fabricación se pueden dividir entres grupos fundamentales.

Esta división está determinada fundamentalmente porel estado en que se pueden encontrar los materiales departida en fase gaseosa, una fase líquida, o una fase sólida.Es importante además conocer las relaciones entre lacomposición química, estructura atómica, proceso defabricación que van a determinar las propiedades finales dela cerámica poli cristalina. Las propiedades intrínsecasdeben ser consideradas a la hora de seleccionar losmateriales. El proceso de fabricación juega un rolfundamental para obtener la micro estructura esperada segúnel diseño ingenieril de las propiedades. Por ejemplo, losvalores de la constante dieléctrica del BaTiO3 puedendepender significativamente del micro estructura (tamaño degrano, porosidad y presencia de algunas fases secundarias).Normalmente los métodos de fabricación pueden ser divididosen algunos pasos discretos dependiendo de la complejidad delproceso.

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Aunque no es una terminología generalmente aceptada se pudereferir esos pasos discretos como pasos de procesamiento. Lafabricación de un cuerpo cerámico involucra un determinadonúmero de pasos de procesamientoReacciones en fase gaseosa: deposición de vapor química,oxidación metálica directa y reacción de enlace.La deposición de vapor química, cuyas siglas en inglés sonCVD (Chemical vapor deposition) es un proceso donde lasmoléculas de los reactantes en fase gaseosa son transportadasa una superficie para que reaccionen químicamente y formenuna película sólida. Es una técnica bien conocida que puedeusarse para depositar todos tipos de materiales, incluyendometales, cerámicas y semiconductores con una variedad deaplicaciones. Pueden cubrirse grandes áreas y el proceso essencillo de aplicar en la producción. Se logran películasespesas o incluso cuerpos monolíticos básicamente prolongandoel proceso de la deposición para que el espesor deseado sealogrado. El equipamiento usado en el CVD depende de lareacción a usar, la temperatura reacción, y el diseño delsubstrato. La característica principal de cualquier quipo esproporcionar una exposición uniforme del substrato alos gases reactantes. El proceso CVD tienevarias variables que deben controlarse para producir undepósito con las propiedades deseadas. Estas variablesincluyen control de flujo de los gases reactantes,la naturaleza y proporción de flujo de cualquier portadorgaseoso, la presión en el recipiente donde ocurre lareacción, y la temperatura del substrato.

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La oxidación metálica directa es una vía de fabricación queinvolucra las reacciones entre un gas y un liquido y quegeneralmente para las producción de cuerpos cerámicos es pocopractica porque los productos de la reacción comúnmenteforman una capa refractaria sólida lo que provoca laseparación de los reactantes y detiene la síntesis. Sinembargo un método nuevo que emplea directamente la oxidacióndel metal por un gas ha sido desarrollado por la corporaciónnorteamericana Lanxide para la producción de materialesporosos y densos. Este método ha sido usado para laproducción de compuestos con matrices de óxidos, pero tambiénnitruros, boruros, carburos y titanatos. Una ventaja delmétodo es el crecimiento de la matriz dentro de las preformassin que pueda cambiar las dimensiones iniciales y que losproblemas asociados con el encogimiento durante ladensificación en otras vías de fabricación se evitan. Además,pueden producirse con rapidez grandes componentes con un buencontrol de las dimensiones.La reacción de enlace o (reacción de formación) es comúnmenteusada para describir las vías de fabricación donde unapreforma sólida porosa reacciona con un gas (o un liquido)para producir el compuesto químico deseado y unido entre losgranos. Normalmente, el proceso se acompaña por un pequeñoencogimiento de la preforma lo que facilita que puedanlograrse pequeñas tolerancias dimensionales para el cuerpoconstruido. La reacción de enlace se usa como una de las víasde fabricación en gran escala para el Si3N4 y SiC. En algunoscasos las partículas de carburo de silicio y una resina deconformada base carbón son usados como mezclas iniciales. Elaglutinante o la resina es quemada por fuera y el carbón sellena de micro poros por la pirolisis, después estos porosson infiltrados con silicio liquido a temperaturas por encimadel punto de fusión del Si (1410 oC)Reacciones en fase liquida: proceso sol-gel y pirolisispolimérica.En el proceso sol-gel, una solución de compuestos metálicos ouna suspensión de partículas muy finas en un líquido(referido como "sol") es convertido dentro de una masa de muy

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alta viscosidad (referido como "gel"). Dos procesos sol-gelpueden encontrarse dependiendo en si de la solución p "sol"usado. Comenzando con un "sol", la gelificación del materialconsiste en partículas coloidales identificables que se hanunido por las fuerzas superficiales en formar de una redCuando es usada una solución de compuestos orgánicos-metálicos la gelificación del material en muchos casosconsiste en una red de cadenas poliméricas formada por lahidrólisis y la condensación de las reacciones.Este proceso de (solución sol-gel) recibe un interés marcadopor los investigadores y extensas aplicaciones industriales.Muchas publicaciones se han encontrado alrededor de esteproceso incluyendo un libro de física y química.La pirolisis polimérica se basa en la descomposiciónpirolítica de compuestos poliméricos metal-orgánicos para laproducción de cerámicas. Los polímeros usados en este procesoson comúnmente llamados "polímeros pre cerámicos" y en ellosconstituyen los precursores de las cerámicas. Al contrario delos polímeros orgánicos convencionales (por ejemplo,polietileno), qué contiene una cadena de átomos de carbono,la cadena central en los polímeros pre cerámicos contieneotros elementos además del carbono. La pirolisis de lospolímeros produce una cerámica que contiene algunos elementospresentes en la cadena. La pirolisis polimérica es conocidacomo una amplia vía para la producción de materiales decarbono como por ejemplo fibras a partirde polyacrylonitrile a partir de la pirolisis de lospolímeros de carbono. Las posibilidades de obtención decerámicas a partir de polímeros metal-orgánicos fuereconocida hace varios años y un alto interés se genero amediado de la década del 70 cuando se obtuvo fibras con unalto contenido de SiC reportado por Yajima. La vía depirólisis ha sido el más eficazmente aplicado a la producciónfibras cerámicas de monóxidos, en particular, fibras de doscerámicas basadas en silicio, SiC y Si3N4, y a un grado máslimitado al BN y B4C.Reacciones a partir de polvos: fundición continua ysinterización de polvos compactadosMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 131

Estas vías involucran la producción del cuerpo deseado apartir de la fusión de sólidos finamente dividido (es decir,polvos) por la acción de calor. Esto da lugar a dos métodosampliamente usados para la fabricación de cerámicas: (1)fundición seguida por la conformación de la forma,simplemente referida como fundición continua, y (2)sinterizado de polvos compactados.El método de fundición continua involucra fundir un lote dematerias primas (en forma de polvos), seguido por laconformación del cuerpo por alguno de los diferentes métodosque incluyen la fundición, roleado, prensado, soplando ehilado. Para las cerámicas la cristalización es relativamentefácil, la solidificación de lo fundido es acompañada por unarápida nucleación y crecimiento de cristales en granos. Elcrecimiento incontrolado de los granos es generalmente unproblema severo que afecta en la producción de cerámicas conindeseables propiedades como por ejemplo disminuye laresistencia. Otros problemas en muchas cerámicas que tienenun alto punto de fusión como por ejemplo el ZrO2 (˜ 2600 o C)se descomponen antes que fundirse. Esto provoca que estemétodo se limite a la fabricación de vidriosLa sinterización de polvos compactados puede ser usado parala producción de vidrios y de cerámicas poli cristalinas, enla práctica es muy poco usado para los vidrios por laposibilidad de usar métodos más económicos, sin embargo estemétodo es el de mayor uso para la fabricación de materialescerámicos.En forma simple, estos incluyen la consolidación de una masade partículas finas (polvos) en forma porosa, polvoscompactados en forma de un cuerpo específico (cuerpo verde),el cual cuando es quemado o sinterizado para producir unproducto denso. Debido a la importancia de esta vía deproducción, la fabricaron de cerámicas poli cristalinas apartir de polvos.

6.3 Micas

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Las micas son minerales pertenecientes a un grupo numeroso desilicatos de alúmina, hierro, calcio, magnesio y mineralesalcalinos caracterizados por su fácil exfoliación en delgadasláminas flexibles, elásticas y muy brillantes. Su sistemacristalino es monoclínico.

Generalmente se las encuentra en las rocas ígneas tales comoel granito y las rocas metamórficas como el esquisto.

Las variedades principales de la mica son la biotita y lamoscovita.

Las particulares características de elasticidad, flexibilidady resistencia al calor de las láminas, hacen que constituyanun precioso material para la industria debido a suspropiedades como aislantes eléctricos y térmicos.

La mica se encuentra en la naturaleza junto con otrosminerales (cuarzo, feldespato) formando vetas dentro derocas, generalmente, duras.

Es necesario realizar voladuras de las rocas para despuéseliminar los minerales extraños y obtener así la llamada micaen bruto.

El rendimiento de esta explotación es muy bajo, normalmentese cifra en un 1% a un 2%, raramente se llega al 10%.

La mica en bruto es posteriormente exfoliada, recortada yexfoliada de nuevo para pasar a ser clasificada de acuerdocon el tamaño de los cuadrados obtenidos. Posteriormente, esclasificada de nuevo atendiendo a la transparencia, contenidode minerales extraños, lisura de la superficie, etc.

La mica se utiliza en aplicaciones de alta responsabilidadcomo aislamiento de máquinas de alta tensión y gran potencia,turbogeneradores, motores eléctricos, y algunos tipos decondensadores.

Debido a que la mica mantiene sus propiedades eléctricascuando se calienta hasta varios centenares de grados, se leMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 133

considera un material de la clase térmica alta (clase C segúnlas normas). A temperaturas muy altas, la mica pierde el aguaque contiene y pierde transparencia, su espesor aumenta y suspropiedades mecánicas y eléctricas empeoran. La temperatura ala que la mica comienza a perder el agua oscila entre 500 -600°C para la mica flogopita y 800 - 900°C en la micamoscovita. La mica solo funde a 1145 - 1400°C.

Hoja de Mica: La hoja de mica de buena calidad,principalmente muscovita, es ampliamente utilizada paramuchas aplicaciones industriales. Algunas partes o productosmanufacturados a partir de la hoja de mica son:

Ventanas para microondas Condensadores Transistores Aislador interplaca Tarjetas potenciométricas y resistencias Tubos y forros de mica natural Superficies y Mosaicos Guiado de Misiles Otros Usos: láseres de helio-neón, filtros ópticos

especiales, revestimiento para vidrios para calderas dealta presión, diafragmas para maquinas de oxígenos yrespiración, compases de navegación, instrumentosópticos, pirómetros, y reguladores térmicos.

Mica Armada: La mica armada a partir de mica splitting sirvecomo substituto de la hoja de mica natural cuando laprincipal propiedad que se requiere es la capacidad aislante.

Placas moldeadas Placa flexible Placa de alta temperatura Algunas clases de mica armada están vinculadas a papel

especial, sedas, linos, fibras o lana de vidrio, oplástico. Esos productos son muy flexibles y sonproducidos en forma de amplias hojas continuas. Estashojas son armadas en rollos o cortadas en cintas, o enalguna otra forma designada.

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Mica molida en húmedo: La mica molida en húmedo es usada enlos siguientes productos debido a una o más de sus singularespropiedades de lustre, resbalamiento y brillo.

Papel de pared y papel de revestimiento Pigmentos anacarados Caucho Pintura para exteriores Pinturas de Aluminio Selladores Plásticos

Mica molida a seco: molida a seco en molinos a martillos yclasificación por zarandas es utilizada en las siguientesaplicaciones:

Lodos para perforación Varillas metálicas de los electrodos Electrodos de soldaduras Fabricación de cemento Otros Usos: cobertura de terminación de techos,

mejoramiento de techos de tejas y bloques, y ladrillosde concreto prefabricado, como un extendedor y carga enciertas texturas y pinturas de caminos.

Mica micronizada: Mica micronizada es el nombre comercialpara una medida de partículas finas de productos molidos aseco. A continuación se detallan los usos típicos por gradoy micrones.

Grado Micrón UsosFragmentos Gruesos 2,38

mmPerforación aceite/ nieveartificial

Fragmentos Medios-grueso

2,00mm

Adornos Navidad/ material dejuego

Fragmentos Finos-grueso

1,19mm

Bloque concretos rellenado/ladrillos refractarios /ligante en cemento/ filtrotechado asfáltico/caucho.

Pulverizado Fino- 595 Metal templado / absorbente en

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grueso

Explosivos/desinfectantes/componentes automatizado

Pulverizado MedioFino

250 Electrodos soldados / cables &alambres/ adhesivos/lubricantes/ mástico

Pulverizado Fino 149 Texturas de pinturas/ yesoacústico

Cielo rasoPulverizado SuperFino

44 Pinturas/ plásticos/ productosde caucho/ papel

Nuevas aplicaciones: en las paletas del aireacondicionado, paneles de guardabarros, ensambles delamparas, paneles envueltos, y pisos en paneles paraautomóviles.

La hoja de mica puede ser clasificada sobre la base decolores, calidad visual y sobre el máximo rectánguloutilizable que pueda ser cortado de una simple lámina.

Las clasificaciones se basan sobre los criterios del IndianStandards Institute o de la American Society for Testing andMaterials.

6.4 Materiales electro cerámicosLa cerámica electrónica es un término genérico que describeuna clase de los materiales inorgánicos, no-metálicosutilizados en la industria de electrónica. Aunque lascerámicas electrónicas o electro cerámicas, incluyendo loscristales amorfos y los singulares, pertenecen generalmente alos sólidos inorgánicos poli cristalinos, abarcando a loscristales orientados de forma aleatoria (granos) enlazadosíntimamente. Esta orientación al azar de pequeños cristales(micrómetros) da lugar a las características equivalentes queposeen de las cerámicas isotrópicas en todas las direcciones.

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El carácter isotrópico se puede modificar durante laoperación de la sinterización en las altas temperaturas o alenfriarse a temperatura ambiente por técnicas de procesadotales como el conformado en caliente en un campo eléctrico omagnético.

Las características de las electro cerámicas se relacionancon su micro estructura de cerámica, el tamaño y la forma degrano, orientación y límites o bordes del grano. La cerámicaelectrónica se combina a menudo con los metales y lospolímeros para resolver los requisitos de un amplio espectrode los usos, las computadoras, las telecomunicaciones, lossensores (qv), y los actuadores de la alta tecnología. Enlínea general, el mercado electrónico de la cerámica se puededividir en seis porciones iguales según lo demostrado en elcuadro 1. Además de fibras ópticas y de exhibiciones a basede SiO2, la cerámica electrónica abarca una amplia gama demateriales y de familias de la estructura cristalina (véasela tabla 1) usada como aisladores, los condensadores,piezoeléctricos, magnéticos, los sensores de semiconductores,los conductores, y los superconductores de alta temperaturarecientemente descubiertos. El amplio alcance e importanciade la industria electrónica de la cerámica se ejemplifica enla figura 1, que exhibe esquemáticamente los componenteselectro cerámicos utilizados en la industria del automóvil.Actualmente, el crecimiento de la industria de cerámicaelectrónica es conducido por la necesidad del trazado decircuitos integrados que da lugar a nuevos progresos enmateriales y procesos. El desarrollo de los paquetes demúltiples capas para la industria de la microelectrónica,integrados por los órdenes de cerámica tridimensionales defuncionamientos múltiples llamados la cerámica monolítica(MMC), continúa el proceso de la miniaturización comenzadohace varias décadas para proporcionar una nueva generación deproductos robustos y baratos.

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Mercado electrónico de la cerámica.

Función Material ProductosAislantes Porcelana, vidrio,

SteatitaAislamiento dealto voltaje

Embalaje Al2O3, BeO, AlN Substratos decircuitosintegrados,paquetes (MMC:Monolithic Multi-ComponentsCeramic)

Capacitores(almacenamiento deenergía)

BaTiO3, SrTiO3, TiO2 Capacitaresmulticapa y debarrera

Piezoeléctricos Pb(Zt1-xTix)O3,SiO2 (cuarzo)

Vibradores,osciladores,filtros, motores yaccionadores

Magnéticos (BaLa)TiO3, V2O3,Fe2-xTixO3, ZnO-Bi2O3

Inductores,transformadores,dispositivos dememoria

Semiconductores MgCr2O4-TiO2, CdS, PTC, Termostatos

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SiC NTC, varistores,sensores de pH,sensores dehumedad, celdassolares,calentadoreseléctricos.

Conductores RuO2, NaAl11O17. Zr1-2xY2xO2-x, YBa2Cu3O7-δ

Resistencias (filmdelgado),electrolitossólidos, sensoresde oxígeno,superconductores.

Funciones de cerámica electrónicas y productos

Relaciones entre la estructura y las propiedades

Una descripción de los fenómenos atómicos y electrónicosutilizados en la tecnología de las electro cerámicas se da enel cuadro 3. Discusiones más detalladas de sus familias y delas relaciones entre la estructura y las propiedades sepueden encontrar en otros artículos.

Los condensadores de múltiples capas, los transductorespiezoeléctricos, y los termistores positivos del coeficientede la temperatura (PTC) hacen uso de las característicasferro eléctricas del titanato(IV) de bario, de BaTiO3, y deltitanato del zirconato del plomo. Al enfriarse de altastemperaturas, esta cerámica experimenta transformaciones defase a las estructuras polares que tienen patrones complejosdel dominio. Los picos grandes en la constante dieléctricaacompañan las transiciones de la fase donde estánespecialmente activos los momentos de dipolo eléctrico a loscampos eléctricos. Consecuentemente, las composicionesmodificadas del titanato del bario, BaTiO3, se utilizanextensamente en la industria de múltiples capas delcondensador y la mayoría de los transductores piezoeléctricos

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se hacen del titanato de la zirconia del plomo, la cerámica(PZT). La aplicación de un campo grande de la C.C. (“elpoling”) alinea los dominios y forma el piezoeléctrico decerámica. La designación PZT es una marca registrada deVernitron, inc.

Una descripción de los mecanismos atómicos implicados en componentes electro cerámicosy en las aplicaciones correspondientes: (a) dominios ferro eléctricos: condensadores ypiezoeléctricos, termistores del PTC; (b) conducción electrónica: ermistor de NTC; (c) aisladoresy substratos; (d) conducción superficial: sensores de la humedad; (e) dominios ferromagnéticos: imanes duros y suaves de la ferrita, cinta magnética; (f) transición del metal-semiconductor: termistor crítico de la temperatura NTC; (g) conducción iónica: sensores ybaterías del gas; y (h) fenómenos del límite de grano: varistores, condensadores de la capa delímite, termistores del PTC.

Los fenómenos similares del dominio se observan en cerámicasferro magnéticas del óxido tal como ferrita del manganeso,MnFe2O4, y BaFe11O17, pero el mecanismo subyacente esdiferente. Los “spines” desapareados de los iones giran,dando lugar a los momentos de dipolos magnéticos queinteraccionan vía los iones vecinos del oxígeno con estupendomecanismo de intercambio. Los dipolos magnéticos se orientanaleatoriamente en el estado paramagnético de altatemperatura, pero al enfriarse con la temperatura de curie,TC, se alinean para formar dominios magnéticos dentro de losgranos de cerámica. El pico en la permeabilidad magnética enel TC es análogo al pico en la constante dieléctrica de la

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cerámica ferroeléctrica. Las paredes del dominio se muevenfácilmente en las ferritas suaves (qv) como MnFe2O4 y g-Fe2O3,que se utilizan en transformadores y cinta magnética. En laferrita del bario, las vueltas se traban firmemente al ejehexagonal, haciéndola útil como imán permanente.

Varias clases de mecanismos de conducción son operativos entermistores de cerámica, resistores, varistores, y sensoresquímicos. Los termistores negativos del coeficiente detemperatura (NTC) hacen uso las característicassemiconductoras de los óxidos metálicos de transición dopadostales como tipo- n Fe2-xTixO3 y tipo-p Ni1 - xLixO. Losresistores de la película gruesa también se hacen desoluciones sólidas de óxidos metálicos.

Las transiciones de la fase están implicadas en termistorescríticos de la temperatura. El vanadio, VO2, y el trióxidodel vanadio, V2O3, tienen transiciones de semiconductor-metal, en las cuales la conductividad disminuye variosórdenes de magnitud al enfriarse. Las transicioneselectrónicas de fase también se observan en cerámicassuperconductoras como YBa2Cu3O7 - x, pero aquí los aumentos dela conductividad se agudizan al enfriarse con la transiciónde la fase.

La conductividad iónica se utiliza en sensores del oxígeno yen las baterías (qv). La zirconia estabilizada, Zr1 - xCaxO2 -x, tiene un número muy grande de las vacantes del oxígeno yel b-Alúmina muy alto de la conductividad, NaAl11O17, es unconductor excelente del catión debido a la alta movilidad delos iones de Na+. La cerámica del b-Alúmina se utiliza comoel electrolito en baterías de sodio-azufre.

La conducción superficial se supervisa en la mayoría de lossensores de humedad con el uso de la cerámica porosa deMgCr2O4-TiO2 que fijan las moléculas de agua por adsorción quedespués disocian, bajando la resistencia eléctrica.

Los fenómenos del borde de grano están implicados envaristores, condensadores de la capa de límite, y termistores

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del PTC. La formación de las finas capas de aislante entrelos granos que conducen es crucial en la manipulación de lostres componentes. La interrupción eléctrica reversible envaristores se ha remontado a hacer un túnel mecánico delquántum a través de las barreras aisladores finas. En untermistor de BaTiO 3-PTC, la polarización eléctrica asociadaa la transición ferro eléctrica de la fase neutraliza lasbarreras aisladores, haciendo que la cerámica pierda mucha desu resistencia bajo los condensadores de la capa de límitedel TC. Tener barreras algo más gruesas que no puedan sersuperadas, hacen de la cerámica un aislante del resto. Sinembargo, el movimiento de cargas dentro de los granos decerámica que conducen levanta la constante dieléctrica yaumenta la capacitancia.

La importancia de substratos electro cerámicos y de losaislantes no debe n ser pasados por alto. Aquí uno seesfuerza en señalar la grandeza de la interrupción eliminandolos mecanismos interesantes de la conducción apenasdescritos. Los enchufes de chispa, los aisladores de altovoltaje, y los substratos y los paquetes electrónicos sehacen de cerámica como la alúmina, la mullita y la porcelana.

6.5 VidriosLos vidrios son materiales cerámicos no cristalinos; sedenominan como materiales amorfos (desordenados o pocoordenados), inorgánicos, de fusión que se ha enfriado a unacondición rígida sin cristalizarse. El vidrio es una materiainerte compuesta principalmente de silicatos. Es duro yresistente al desgaste, a la corrosión y a la compresión.Anteriormente la materia prima para la fabricación del vidrioeran solamente las arcillas. Con el paso del tiempo se fueronimplementando nuevos elementos a la fabricación del vidriopara obtener diferentes tipos.En la actualidad muchos materiales desempeñan un papelimportante, pero las arcillas siguen siendo fundamentales.ESTRUCTURA ATOMICA

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Las estructuras vítreas se producen al unirse los tetraedrosde sílice u otros grupos iónicos, para producir unaestructura reticular no cristalina, pero sólida (figura 1).

PROPIEDADES FISICASCOLOREn cuestiones del color en los vidrios, el color es originadopor los elementos que se agregan en el proceso de fusión,llamados colorantes (Tabla 1).

ELEMENTO COLOR

Óxido de cobalto Rojo azulado

Óxido ferroso Azul

Óxido férrico Amarillo

Óxido de cromo Verde grisáceo

Trióxido de cromo Amarillo

Óxido de cobre Verde azulado

Óxido de uranio Verde amarillentofosforescente

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Selenio elemental Rosa

Sulfuro de cadmio coloidal Amarillo

Tabla 1. Elementos que dan coloración al vidrio.

TEXTURALa superficie de los vidrios puede variar en cuestiones debrillo, esto depende del proceso de fundido en el que se hayaquedado. Un vidrio completamente fundido presenta un brillo,porque el vidrio se nivela y aplana cuando se funde, formandouna superficie extremadamente lisa, dicha homogeneidad es unamuy buena característica del material pues lo hace mas fácilde limpiar.Cuando un vidrio no se funde completamente en el proceso decocción o en su defecto su viscosidad es todavía alta, lasuperficie resulta ser rugosa y por lo tanto con tendenciaa mate; el vidrio mate es a la vez opaco por el defecto en laaspereza de su superficie haciendo que no haya transparencia.El vidrio mate puede hacerse a propósito si se somete alvidrio a un enfriado lento. Los vidrios mate son muyatractivos para usos artesanales, con la única ventaja queson difíciles de limpiar.PESOEl peso en los vidrios difiere de acuerdo a su composición delos vidrios típicos según su uso (tabla 2).

Vidrios SiO2

Al2O3

CaO Na2O B2O3 MgO PbO Otros

SíliceFundido

99

Vycor 96 4

Pyrex 81 2 4 12

Jarras de 74 1 5 15 4

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vidrio

Vidrio paraventana

72 1 10 14 2

VidrioPlano

73 1 13 13

Focos 74 1 5 16 4

Fibras 54 14 16 10 4

Termómetro 73 6 10 10

Vidrio dePlomo

67 6 17 10% K2O

Cristalóptico

50 1 19 13% BaO,8% K2O,ZnO

Vidrioóptico

70 8 10 2% BaO,8% K2O

Fibras devidrio - F

55 15 20 10

Fibras devidrio -S

65 25 10

MALEABILIDADLos vidrios presentan maleabilidad cuando se encuentran en suetapa de fundición pues pueden ser moldeados y es la etapa demaleabilidad del vidrio, pues es donde se les da las formasdeseadas ya sea por moldes o por cualquier otro método. Losprincipales métodos empleados para moldear el vidrio son elcolado, el soplado, el prensado, el estirado y el laminado

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PROPIEDADES QUÍMICAS

DENSIDADDebido a los distintos tipos de vidrios que pueden serfabricados, las densidades varían de acuerdo a la sustanciacon la que sean complementados; normalmente un vidrio puedetener densidades relativas (con respecto al agua) de 2 a 8,lo cual significa que hay vidrios que pueden ser mas ligerosque el aluminio y vidrios que puedan ser mas pesados que elacero.La densidad en un vidrio aumenta al incrementar laconcentración de óxido de calcio y óxido de titanio. Encambio si se eleva la cantidad de alúmina (Al2O3) o demagnesia (MgO) la densidad disminuye. (Figura 5).

Figura 5. Gráfica de aumentos y disminucionesDe densidad de acuerdo al incremento en Porcentajes de sustanciascomponentes.

VISCOSIDAD

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La viscosidad es definida como la propiedad de los fluidosque caracteriza su resistencia a fluir, debida al rozamientoentre sus moléculas; generalmente un material viscoso esaquel que es muy denso y pegajoso.La viscosidad en materia de vidrios es muy importante porqueesta determinará la velocidad de fusión.La viscosidad es una propiedad de los líquidos, lo cualparecerá confuso para el estudio del vidrio, pero la realidades que un vidrio es realmente un líquido sobre enfriado, locual significa es un líquido que llega a mayores temperaturasque la de solidificación. La viscosidad va variandodependiendo de los componentes del vidrio (figura 6). Paralograr una mayor dureza, la viscosidad debe ser invariable,que no baje ni suba, así sus moléculas tienen una atracciónfija y por lo tanto dureza.

Figura 6. Variación de la viscosidad (en poises) A los 1000 °c, deacuerdo a la composición.

CORROSIONEl vidrio tiene como característica muy importante laresistencia a la corrosión, en el medio ambiente son muyresistentes y no desisten ante el desgaste, he ahí por lo

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cual los vidrios son utilizados incluso para los experimentosquímicos. Aunque su resistencia a la corrosión es muy buenano quiere decir que sea indestructible ante la corrosión,existen cuatro sustancias que logran esta excepción. Ácido Hidrofluorídrico Ácido fosfórico de alta concentración Concentraciones alcalinas a altas temperaturas Agua “super calentada”

PROPIEDADES MECANICAS

TORSIONLa resistencia a la torsión de un material se define como sucapacidad para oponerse a la aplicación de una fuerza que leprovoque un giro o doblez en su sección transversal. Losvidrios en su estado sólido tienen no tienen resistencia a latorsión, en cambio en su estado fundido son como una pastaque acepta un grado de torsión que depende de los elementosque el sean adicionados.

COMPRESIONEl vidrio tiene una resistencia a la compresión muy alta, suresistencia promedio a la compresión es de 1000 MPa; lo quequiere decir que para romper un cubo de vidrio de 1 cm porlado es necesaria una carga de aproximadamente 10 toneladas.La figura 7 indica los distintos porcentajes decompresibilidad para los distintos vidrios dependiendo de lastemperaturas.

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Figura 7. Gráfica de porcentajes de compresibilidad Dependiente detemperaturas en los diversos tipos de vidrios.

TENSIONDurante el proceso de fabricación del vidrio comercial, elvidrio va adquiriendo imperfecciones (grietas), no visibles,las cuales cuando se les aplica presión acumulan en esfuerzode tensión en dichos puntos, aumentando al doble la tensiónaplicada. Los vidrios generalmente presentan una resistenciaa la tensión entre 3000 y 5500 N/cm2, aunque pueden llegar asobrepasar los 70000 N/cm2 si el vidrio ha sido especialmentetratado.

FLEXIONLa flexión de los vidrios es distinta para cada composicióndel vidrio. Un vidrio sometido a flexión presenta en una desus caras esfuerzos de comprensión, y en la otra carapresenta esfuerzos de tensión (Ver figura 8). La resistenciaa la ruptura de flexión es casi de 40 Mpa (N/mm2) para unvidrio pulido y recocido de 120 a 200 Mpa (N/mm2) para unvidrio templado (según el espesor, forma de los bordes ytipos de esfuerzo aplicado). El elevado valor de la

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resistencia del vidrio templado se debe a que sus caras estánsituadas fuertemente comprimidas, gracias el tratamiento alque se le somete.

Figura 8. Vidrio sometido a flexión.

PROPIEDADES ÓPTICASLas propiedades ópticas se pueden decir de manera concisa,que una parte de la luz es “refractada”, una parte es“absorbida”, y otra es “transmitida”.Cada una de ellas llevara un porcentaje de la totalidad delrayo de luz que hizo contacto con el vidrio. El prisma decolor que se crea del otro lado del vidrio va del color rojoal color violeta, de los cuales los extremos dan lugartambién a las luces no perceptibles por el ojo humano,infrarrojo y la ultravioleta. Es el color de la luz que“sale” del vidrio la cual pasa a través de este, y todos losdemás colores del prisma son absorbidos por el vidrio, claroque, son vidrios muy particulares los cuales logran solamentedejar pasar la luz ultravioleta o la infrarroja, pero graciasa la tecnología actual se han logrado las condicionesprecisas para lograr esto.

PROPIEDADES TÉRMICAS

CALOR ESPECÍFICOSe define como el calor necesario para elevar una unidad demasa de un elemento un grado de temperatura. En los vidriosel calor específico es de 0,150 cal/g °C aproximadamente.

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CONDUCTIVIDAD TÉRMICALa conductividad térmica del vidrio es de aproximadamente0,002 cal/cm seg. °C. Cifra mucho más baja que laconductividad de los metales, no obstante el vidrio tiene unavariable que no se aplica a los demás materiales, laradiación causada por el almacenamiento de luz infrarroja yultravioleta, la cual es muy variable y puede provocar enocasiones que el vidrio transmita el calor de manera muchomás efectiva que los metales, es por esto que estacaracterística es raramente tomada a consideración para eldiseño.

PROPIEDADES ELÉCTRICASPara las propiedades eléctricas se manejan en lo vidrios dosmedidas en especiales las cuales son: La constante dialécticay la resistividad eléctrica superficial.La resistividad eléctrica superficial, es la resistencia quepresenta el vidrio al paso de la corriente eléctrica, la cuales muy alta en este material, 108 veces más alta que en elcobre, lo cual hace al vidrio muy popular en el diseño departes y máquinas eléctricas.La constante dieléctrica es la capacidad de almacenar energíaeléctrica, la opacidad y la constante dieléctrica estánrelacionadas de manera inversamente proporcional, siendo quemientras más transparente sea el vidrio, mayor será sucapacidad para almacenar energía.

VENTAJASLa ventaja principal del vidrio uviol es la utilización quepretende dársele en invernaderos por su capacidad de dejarpasar los rayos UV. Es ventajoso este material porque a unvidrio las personas ya saben como tratarlos, y se utiliza dela misma manera que cualquier vidrio. La ventaja de losvidrios también reside en el precio regular que tiene en

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comparación con demás materiales que pretendan igualar lacualidad principal del vidrio uviol que es la manera en quepuede dejar pasar rayos ultravioleta.

DESVENTAJASSe podría considerar como desventaja principal el hecho deque este tipo de vidrios no esta tan disponible a cualquierpersona.Otra desventaja es la fragilidad característica de losvidrios ante los otros diferentes materiales que ofrecenmayores resistencias pero carecen de las propiedades ópticaspeculiares de los vidrios.

6.1AislantesLos materiales aislantes tienen la función de evitar elcontacto entre las diferentes partes conductoras (aislamientode la instalación) y proteger a las personas frente a lastensiones eléctricas (aislamiento protector)La mayoría de los no metales son apropiados para esto puestienen resistividades muy grandes. Esto se debe a la ausenciade electrones libres.Los materiales aislantes deben tener una resistencia muyelevada, requisito del que pueden deducirse las demáscaracterísticas necesarias.Para ello se han normalizado algunos conceptos y se hanfijado los procedimientos de medidas.

Propiedades eléctricas.-Resistividad de paso PD. Es la resistencia que presenta uncubo de 1 cm de arista.-Resistencia superficial y resistencia a las corrientes defugas. En altas tensiones pueden aparecer corrienteseléctricas como consecuencia de depósitos sobre la superficiede los aislantes. Al cabo de un cierto tiempo la corrientepodría atacar a estos materiales. Precisamente los plásticos

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son muy sensibles a ello, pues al ser sustancias orgánicascontienen carbono.-Rigidez dieléctrica ED en kV / mm. Se mide la tensión a laque se produce una descarga disruptiva entre dos electrodos.La rigidez dieléctrica no es una magnitud lineal, sino quedepende de una serie de factores-Permitividad relativa Er. Es importante que la permitividadrelativa de los aislantes sea pequeña, pero por otro lado losaislantes empleados como dieléctricos en los condensadoresdeberán presentar una gran permitividad. Además para podervalorar las propiedades del material debe saberse en queforma depende Er de la frecuencia.-Comportamiento electroestático. La carga electrostática esposible debido a las altísimas resistencias de los plásticos.Junto a las propiedades eléctricas ya citadas los aislantesdeben reunir también una serie de requisitos térmicosmecánicos químicos y tecnológicos que dependen de los finespara los que se destinen.

TERMOFIJOSLos Aislamiento agrupados bajo el nombre de termofijos estánconstituidos por materiales que se caracterizan porque,mediante un proceso de vulcanización, se hace desaparecer suplasticidad y se aumente su elasticidad y la consistenciamecánica.Estos aislamientos se aplican generalmente por extrusión y sesometen a un proceso de vulcanización elevando la temperaturaa los valores requeridos. Los aislantes termofijos más usadosson el hule natural y los hules sintéticos, conocidos con elnombre genérico de elastómeros y más reciente algunosderivados del polietileno.El hule natural fue, con el papel, uno de los materialesusados para el aislamiento de cables. Se obtiene del látex deun árbol tropical originario de Brasil. Para utilizarlo comoaislamiento se mezcla con otras substancias: plastificantes,agentes de vulcanización (1 a 2% de azufre) y modificadores y

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vulcanizado se emplea mucho en baja tensión y con menosfrecuencia para tensiones mas elevadas hasta de 25 Kv.Los hules sintéticos mas utilizados como aislamientos decable son: estireno-butadieno (SBR) el butilo, el neopreno, yel etileno-propileno (EPR)El estireno-butadieno conocido comercialmente con lasiniciales SBR sus cualidades eléctricas y mecánicas sonligeramente inferiores a las del hule natural.En cambio sus cualidades de resistencia a los agentesquímicos y al envejecimiento son algo superiores, por suscaracterísticas y su bajo precio se ha utilizadoprincipalmente en el aislamiento de cables de baja tensión.El butilo es un hule sintético cuya propiedad principal espoder trabajar a temperaturas mas elevadas que el hulenatural su temperatura de operación es de 85º C. Tambiénofrece una mayor resistencia a la ionización lo que permiteusarlo para tensiones mas altas, una gran flexibilidad yresistencia a la humedad superior a la del hule natural.Aunque la materia prima para este tipo de aislamiento esbarato su proceso de fabricación es elevado por lo que elprecio final es costoso. Tiene aplicaciones para cortalongitud, para aplicaciones especiales.

6.2Materiales especiales (cuarzo,asbesto, cemento, mármol, silicatos,segmentos cerámicos, etc.) Cuarzo

Propiedades piezoeléctricas

El cuarzo se conoce por sus propiedades piezoeléctricas:cuando se comprime se produce una separación de cargaseléctricas que genera a su vez una diferencia de tensión y,de manera recíproca, reacciona mecánicamente cuando se somete

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a un cierto voltaje. Este efecto lo convierte en un elementode gran utilidad para gran variedad de transductores, desdeencendedores o mecheros hastamicrófonos. La reciprocidad deeste fenómeno permite usarlo para construir altavoces parafrecuencias sonoras altas, es decir, si aplicamos un campoeléctrico variable, mediante una corriente eléctrica alternasobre las caras opuestas de un cristal de cuarzo, éste vibracon la misma frecuencia de la corriente. Este mismo principioes aprovechado para construir relojes de cuarzo.

Comportamiento resonante

Otra característica interesante de un cristal de cuarzo es sucapacidad de presentar un comportamiento resonante. De lamisma manera que un péndulo o un columpio oscila conuna frecuencia propia si, tras darle impulso, se le dejamoverse libremente, un cristal de cuarzo sometido a unestímulo eléctrico puede continuar vibrando a una ciertafrecuencia (dependiente de la propia naturaleza del cristal),hasta perder ese impulso inicial. Si se mantiene el estímulode manera periódica y sincronizada, tendremos una señal a unafrecuencia extraordinariamente precisa, en lo que podríaconsiderarse la contrapartida electrónica de un reloj depéndulo. Esta aplicación es común en todo tipo de sistemaselectrónicos como relojes, microprocesadores, y osciladores.

Termoluminiscencia

La termoluminiscencia es la capacidad de emitir luz cuando escalentado. Los rayos cósmicos procedentes del espacioproducen cambios en la estructura cristalina del cuarzo quese acumulan con el tiempo. Cuando se calienta el cuarzo, laestructura vuelve a la normalidad, emitiendo luz. Cuanto mástiempo ha sido radiado, más luz emite el cuarzo. Al medir laslongitudes de onda, y compararlas con elementos ya datados,MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 155

se puede obtener el tiempo que ha estado expuesto a laintemperie. La técnica arqueológica de fechar cuarzo se ledenomina datación por termoluminiscencia.

Propiedades abrasivas

Se utiliza como abrasivo bajo el nombre de arena silícea, yse considera el abrasivo más usado por su bajo precio. Se loemplea en la fabricación de lijas, discos o bloques, y,principalmente, en sistemas de abrasión por medio de unchorro de arena a presión.

Mármol

El mármol es una piedra caliza metamórfica, de texturacompacta y cristalina, que puede pulirse hasta obtener ungran brillo. Compuesta ordinariamente por granos de tamañovariable de calcita y dolomita. También suele ser frecuentela presencia, aunque en muy pequeña cantidad, de diversossilicatos. En el lenguaje corriente y en la técnica de laconstrucción, el término mármol, tiene un significado másamplio, ya que abarca cualquier roca calcárea o dolomita quepuede pulimentarse y usarse en la construcción yornamentación. Comercialmente el término mármol se amplíapara incluir a cualquier roca compuesta de carbonato decalcio que pueda pulirse, e incluye algunas calizas comunes.También incluye, en términos genéricos, piedras como elalabastro, la serpentina y, en ocasiones, el granito. Elmármol reacciona con el OIH.La superficie del mármol se deshace con facilidad si seexpone a una atmósfera húmeda y ácida pero es duradero enambientes secos si se les protege de la lluviaGeneralmente, en los mármoles las huellas de laestratificación han desaparecido, siendo por lo tanto muydifícil encontrar en ellos restos de fósiles. Como elementosaccesorios el mármol presenta cuarzo, albita, moscovita,grafito, pirita, etc. Minerales que casi siempre son deorigen autógeno, es decir formados por impurezas fundidas y

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recristalizadas, de diversa forma mineralógica durante losprocesos diagenéticos.La variedad de mármol mas apreciada es el estatuario, degrano fino, muy blanco y algo traslúcido, susceptible de buenpulimento, pero al que atacan muy fácilmente los agentesatmosféricos. Los mármoles estatuarios más famosos, conocidosya desde la antigüedad, se encuentran en las canteras deCarrara (Alpes penuanos, Italia) y en las de la isla de Paros(Grecia). El brillo característico de este tipo de mármol sedebe al efecto que produce la luz al penetrar levemente enlas piedras antes de ser reflejada por las superficies de loscristales internos. La variedad más famosa de este mármolprocede de las canteras del monte de Pentelikon, en Atica quefue utilizado por los grandes escultores de la antiguaGrecia. La colección Elgin está compuesta por mármol dePentelikonEl mármol se emplea sobre todo para la construcción y laescultura. Para la construcción el más utilizado es el mármolblanco de grano más grueso que el anterior y de color grisligeramente mas azulado, algunas veces con vetas muymarcadas. Cuando éstas son muy espesas se tiene el mármolblanco veteado.Usando Grecia, tanto en la arquitectura como en la escultura,a partir del siglo V a.C el mármol conoció su máximoesplendor en las Atenas de Pericles y más tarde en la Roma deAugusto. La época Helenística dejó especialmente enAlejandría, monumentos muy importantes en muchos de loscuales se usó la técnica del mosaico o de la taracea,adoptada mas tarde por los romanos y los bizancios. Durantelos siglos XII y XIII el mármol, como instrumento decorativo,tuvo gran difusión en gran parte de europa. En el periodobarroco se usó especialmente como revestimiento. El mármol deParos, utilizado tambien por los escultores y arquitectos dela Grecia antigua, era extraído fundamentalmente de lascanteras del monte Parpessa en la isla griega de Paros. Elmármol de Carrara que abunda en los Alpes italianos y seextrae en la región de Carrara, Massa y Serravezza, fueutilizado en Roma con fines arquitectónicos en tiempos de

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augusto, el primer emperador, aunque las variedades más finasde mármol escultorio se descubrieron mas adelante. Losmejores trabajos de Miguel Ángel son de este tipo de mármol.Es muy utilizado por los escultores contemporáneos.Entre las variedades de mármol coloreado las más importantesson el azulado y el cipolino: el primero, según la clase dedibujo que forman las partes mas oscuras sobre las clarasrecibe el nombre de listado veteado, esquizado, etc. Elcipolino es de color verdoso y contiene numerosas vetas detalco. Los principales yacimientos se encuentran en Córcega,Saboya y en algunas localidades del Pirineo y Guadarrama.La mayoria de los mármoles calcáreos se han formado por unadoble acción metamórfica: desmenuzados al principio porefectos dinámicos, se han cementado después por la deposiciónde carbonato de calcio en las fisuras.Otros mármoles contienen una cantidad variable de impurezas,que dan lugar a los modelos jaspeados que tan apreciados sonen muchos de ellos. Se usan para la construcción, sobre todoen interiores, y también en pequeños trabajos ornamentales,como pies de lámpara, mesas, escribanías y otras novedades.Las variedades escultorias y arquitectónicas estándistribuidas por todo el mundo en forma de grandes depósitos.

SilicatosLos silicatos suponen un especial problema al suponer unosminerales bastante extendidos y diferenciados que forman el1,8% de la superficie terrestre. Su clasificación se harealizado más en bases estructurales que químicas y, másprecisamente, en el modo en el que la unidad fundamental[Si04]4- que los constituye está ligada con los ionespróximos. El enlace depende únicamente de un electrón devalencia que queda libre en el vértice del grupo tetraédrico[Si04]4- y la diferenciación de los diferentes grupos dependede la forma en la que los tetraedros se unen. Se distinguencon ello las siguientes subclases:

Nesosilicatos: con grupos tetraédricos aislados, en elsentido de que cada valencia libre del tetraedro queda

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saturada por un catión distinto del silicio; presentangeneralmente, aspecto tosco y son duros; el pesoespecífico y el índice de refracción son elevados

Sorosilicatos: con dos tetraedros unidos por un vérticepara formar un grupo [Si207]6-estos grupos se unen, conlas tres valencias libres de una parte y las tresopuestas de la restante, con cationes distintos alsilicio

Ciclosilicatos: silicatos con grupos formados por 3, 4 o6 tetraedros, unidos en anillos triangulares,cuadrangulares o hexagonales; los más frecuentes sonaquellos formados por anillos con seis tetraedros;

Inosilicatos: silicatos formados por grupos detetraedros unidos en cadenas indefinidas; los másfrecuentes son los que presentan cadenas abiertassimples, típicas de los piroxenos, o bien cadenas dobleso cerradas, características de los anfíboles; prevalecenlas formas circulares o fibrosas; en general escaracterístico de estos silicatos la presencia de unafácil exfoliación paralela al eje mayor;

Filosilicatos: silicatos cuyos tetraedros están unidospor tres vértices constituyendo una malla planaindefinida, hexagonal y, bastante más raro, tetragonal;el enlace se asegura mediante los oxígenos, situados enel cuarto vértice, y todos ellos orientados en una mismadirección; la morfología externa de estos silicatos eslaminar o foliácea, con exfoliación muy fácil endirección paralela a la base; el peso especifico y ladureza son bajas;

Tectosilicatos: silicatos cuyos tetraedros están unidospor los cuatro vértices produciendo una especie de“jaula' indefinida, de malla compleja; la presencia dealuminio en lugar de silicio en el centro de algunostetraedros permite que, en determinadas posiciones, sesitúen cationes más o menos establemente unidos.Prevalecen los silicatos de baja densidad y aspectotosco, a pesar de que en algunos casos el retículo seorienta de modo que da lugar a formas alargadas odesarrolladas en dos direcciones.

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UNIDAD 7

MATERIALES DIELECTRICOS LIQUIDOS

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7.1 Composición de los aislantes líquidosLos líquidos dieléctricos son de gran utilidad en laindustria eléctrica, ya que no solo se los usa comoaislantes sino como refrigerantes e incluso como mediopara la extinción del arco eléctrico, en losdisyuntores, al momento de la apertura de sus contactos.

La utilización de cada uno de los aislantes depende delas propiedades que se desee utilizar, por ejemplo larigidez dieléctrica (en el caso de los aislantes), de lapermitividad (en el caso del material usado en loscondensadores), del grado de inflamabilidad, de latemperatura de operación, etc. Estas características sonde tipo similar al exigido para los aislantes gaseosos.Gran cantidad de aislantes líquidos son compuestos deltipo no polar, como los aceites de petróleo, perotambién se utilizan aceites de silicona, hidrocarburos,fluorados y otros materiales fluroquimicos enaplicaciones a temperaturas elevadas, en las cuales esnecesaria una buena resistencia a la oxidación. Ejemplosde sus aplicaciones son:

Impregnantés para cables de alto voltaje ycapacitores

Como medio de relleno y refrigeración paratransformadores y disyuntores.

Como medio para la extinción del arco eléctricoproducido en el momento de la apertura de loscontactos de un disyuntor (interruptor automático enaceite, entre otros).

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Los aislantes líquidos son materiales que se utilizan enaplicaciones eléctricas (máquinas, aparatos, componentesen general) y que cuando se encuentran en servicio noexperimentan ninguna transformación física o químicaimportante. Se emplean para llenar espacios condieléctrico homogéneo, para disipar el calor y paraapagar arcos, como por ejemplo en:

Transformadores Cables Capacitores Aisladores pasantes Interruptores Otros aparatos

Su presencia incrementa la rigidez dieléctrica entrepartes pudiéndose observar aislantes sólidos impregnadosy aparatos sumergidos en líquido aislante.

Las propiedades físicas de los dieléctricos líquidoscomo por ejemplo: peso específico, conductibilidadtérmica, calor específico, constante dieléctrica,viscosidad, dependen de su naturaleza, es decir de lacomposición química, pero su rigidez dieléctrica, ademásestá ligada a factores externos como por ejemplo:

Impureza en suspensión Impurezas en solución Humedad

Esto, generalmente reducen su valor, degradando lacaracterística importante.

Un material aislante polar esta caracterizado por undesequilibrio permanente en las cargas eléctricas dentrode cada molécula. En electrotecnia, este sistema de

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cargas desequilibrada se denomina dipolo y tiende agirar en un campo eléctrico.En un material aislante no polar, no existedesequilibrio permanente de carga; puesto que lamolécula no puede ser distorsionada por la aplicación deun campo eléctrico. Los materiales no polares estánexentos de variación de la temperatura o de lafrecuencia, y cualquier variación de la constantedieléctrica o del factor de potencia, se producegradualmente.Por su estructura química, se puede predecir si unmaterial es polar o no polar. La mayoría de loshidrocarburos son no polares y, por consiguiente, loshidrocarburos líquidos y sus derivados serán los mejoresaislantes líquidos, o sea, que conservaran de formapermanente sus propiedades dieléctricas a cualquiertemperatura y frecuencia.

7.2 Aceites minerales

Se utilizan casi en todas las aplicacioneselectrotécnicas que precisan de aceites aislantes( interruptores, condensadores, transformadores, etc. )y sobre todo en servicios en los que el aceite aislanteliquido haya de estar en contacto con el aire, debido,principalmente, a sus buenas propiedades dieléctricas,su excelente estabilidad química y su baratura encomparación con los aceites aislantes de origen vegetal.Se extraen de los petróleos brutos y están constituidospor mezclas, en diversas proporciones, de varioshidrocarburos. Se dividen en 2 grandes grupos:

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Hidrocarburos saturados.

Alifáticos (en cadena abierta). Todos los enlaces delos átomos de carbono están cubiertos, también se les llama parafinas.

Cíclicos (en cadena cerrada). Son también químicamente estables, pero pueden dar más fácilmente productos de sustitución.

Hidrocarburos no saturados.

Oleofinicos (en cadena abierta), estos tipos dehidrocarburos pueden absorber hidrogeno, oxigeno yazufre.

Terpenicos (en cadena cerrada), son químicamente muyinestables y se polimerizan fácilmente, produciendosustancias solidas llamadas asfaltos.

Las diferentes clases de aceites minerales son 3:

Aceites parafinicos, cuando se obtiene más de 65% dehidrocarburos parafinicos. Proceden, principalmente,de los yacimientos petroliferos de Pennsylvania.

Aceites asfalticos, constituidos principalmente porhidrocarburos terpenicos. Proceden de california ytejas, y son los menos apropiados para aplicacionesaislantes.

Aceites naftalenicos, contienen mas de 65% dehidrocarburos cíclicos. Están casi totalmenteexentos de parafina, son químicamente muy estables yprácticamente incongelables a las mas bajastemperaturas de Europa occidental. Proceden de losyacimientos petroliferos de la U.R.S.S.

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En diversos países se han reglamentado lascaracterísticas físicas, químicas y eléctricas mínimas,que deben cumplir los aceites minerales para que puedanutilizarse como dieléctricos.

• Peso especifico. El peso específico constituye unacaracterística de cada clase de aceite y, por lo tanto,un punto de referencia importante para poderloclasificar.

• Proporción de cenizas. Aunque los hidrocarburospuros no contienen ningún metal (calcio, silicio, sodio,hierro, etc.) en los aceites minerales existen pequeñascantidades, que alteran desfavorablemente suspropiedades dieléctricas. Al calcinar un aceite mineral,quedan los metales bajo la forma de óxidos o de sales,mientras que el aceite propiamente dicho se volatiza yse queman sus partes orgánicas no volátiles. Según lasprescripciones alemanas, la proporción total de cenizas,no debe ser superior a 0,001%.

• Viscosidad. Para la circulación del aceite y, porlo tanto, para su poder refrigerante, tiene muchaimportancia su rozamiento interno, es decir suviscosidad. Según las normas alemanas la viscosidad nodebe ser superior a 8° Engler, a una temperatura de20°C; y no superior a los 2,5° Engler, para unatemperatura de 500°C según las normas francesas.

Estos valores después deben expresarse en unidades deviscosidad absoluta (centipoises). Para eso se hizo unarelación entre ambos tipos de unidades, a través de unaformula.

• Contenido de ácidos. No debe ser superior a 0,005miligramos de KOH, necesarios para neutralizar 1 cm deaceite.

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• Contenido de azufre. Para conocer la existencia deazufre, se sumerge una varilla de cobre pulimentada y seobserva cuanto tiempo tarda en ennegrecerse la varilla,a una temperatura de 85°C. Para considerar el aceitecomo un buen aislante, la varilla no debe ennegrecerse.Si el aceite contuviere azufre, debe eliminarsemezclando con el aceite, antes de la destilación polvometálico, el cual se combina con el aceite, formando uncompuesto, que queda con los residuos de la destilación.

• Contenido de álcalis. Los aceites mineralesaislantes deben de estar exentos de álcalis.

• Contenido de humedad. La cantidad de humedadinfluye notablemente en el valor de la rigidez eléctricadel aceite, cuando esta proporción es alta, puededenunciarse su presencia, sumergiendo en el aceite unabarra metálica al rojo vivo, porque entonces produce unchirrido. El aceite mineral para aplicaciones aislantesdebe de estar exento de humedad.

Si a causa del agua contenida en un aceite aislante, seacusa un descenso apreciable de la rigidez dieléctrica,debe procederse a la eliminación de la humedad sobrante.Para ello puede calentarse el aceite hasta 120°C hastaque recobre un valor aceptable de su rigidezdieléctrica, el único inconveniente de esteprocedimiento es que se pierda una cantidad apreciablede aceite, por evaporación.

Actualmente, para deshidratar el aceite durante sufuncionamiento, y a medida que se va formando agua en elseno del aislante, se emplea la centrifugación; queconsiste en colocar el aceite caliente (para reducir elefecto del rozamiento interior) en un tambor giratoriocon lo que el agua y demás impurezas, que tienen mayorpeso que el aceite, se precipitan hacia la periferia del

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tambor, pudiendo de esta forma separarse del aceite.También se obtiene una buena purificación, haciendopasar el aceite a presión, a través de papel filtranteespeso, o de otras sustancias adecuadas.

• Rigidez dieléctrica. Las pruebas para determinarla rigidez dieléctrica de los aceites mineralesaislantes, varían según los distintos países. La pruebapuede realizarse de 2 formas:

1.- Conservando constante la separación entre loselectrodos (a = 3mm) y variando la tensión.

2.- Conservando constante la tensión y variando laseparación entre electrodos.

Para cada prueba, se hacen 6 descargas, y después decada descarga, se remueva el aceite por medio de unavarilla de cristal bien seca. La primera descarga no setiene en cuenta, y se toma el valor medio de los valoresde las 5 descargas. Se busca el factor deproporcionalidad "k" en función de la distancia entreelectrodos

7.3 Aceites líquidos derivados delpetróleo

El petróleo está formado principalmente porhidrocarburos, que son compuestos de hidrógeno ycarbono, en su mayoría parafinas, naftenos y aromáticos.Junto con cantidades variables de derivados saturadoshomólogos del metano (CH4). Su fórmula general es CnH2n+2.

Cicloalcanos o cicloparafinas-naftenos:hidrocarburos cíclicos saturados, derivados delciclopropano (C3H6) y del ciclohexano (C6H12). Muchosde estos hidrocarburos contienen grupos metilo en

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contacto con cadenas parafínicas ramificadas. Sufórmula general es CnH2n.

Hidrocarburos aromáticos: hidrocarburos cíclicosinsaturados constituidos por el benceno (C6H6) y sushomólogos. Su fórmula general es CnHn.

Alquenos u olefinas: moléculas lineales oramificadas que contienen un enlace doble de carbono(-C=C-). Su fórmula general es CnH2n. Tienenterminación -"eno".

o Dienos: Son moléculas lineales o ramificadasque contienen dos enlaces dobles de carbono. Sufórmula general es CnH2n-2.

Alquinos: moléculas lineales o ramificadas quecontienen un enlace triple de carbono. Su fórmulageneral es: CnH2n-2. Tienen terminación -"ino".

Además de hidrocarburos, el petróleo contiene otroscompuestos que se encuentran dentro del grupo deorgánicos, entre los que destacan sulfuros orgánicos,compuestos de nitrógeno y de oxígeno. También hay trazasde compuestos metálicos, tales como sodio (Na), hierro(Fe), níquel (Ni), vanadio (V) o plomo (Pb). Asimismo,se pueden encontrar trazas de porfirinas.

Los aceites minerales naturales o petróleos, constituyenmezclas de gran variedad de hidrocarburos, que puedensepararse por destilación, aprovechando la propiedad quesus puntos de ebullición varían como sus pesosmoleculares. De esta forma se obtienen sucesivamente lossiguientes productos:

Éter de petróleo Esencia de petróleo Queroseno Aceites de gas Aceites lubricantes

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Aceites de parafina Alquitranes y breas Coque, residuo sólido

Los aceites derivados del petróleo que son utilizadoscomo materiales aislantes se seleccionan en elfraccionamiento de aceites de gas o de los aceiteslubricantes. El aceite mineral aislante debe estarexento de alquitrán y de azufre, por lo que obtenido pordestilación, debe someterse a la operación de refinado,para la eliminación de dichas sustancias. El refinadoconsiste en tratar el aceite mineral con ácido sulfúricoque precipita los alquitranes. Por decantación se recogeel aceite limpio, pero como aún tiene carácter ácido,debe neutralizarse. Después del refinado, debeeliminarse el agua mediante la operación dedeshidratación, por distintos procedimientos:

Procedimientos químicos Procedimientos físicos Por filtración Por centrifugación Refinado extracapilar

7.4 Influencias de las impurezasLas impurezas involucran partículas sólidas de carbón ycera, subproductos del envejecimiento y descargas,fibras de celulosa, residuos de procesos de filtración,agua, ácidos y gases. Estas impurezas usualmenteocasionan una reducción de la rigidez dieléctrica de losaislantes líquidos, el mayor efecto que existe es lapresencia simultánea de humedad y fibras. Las fibras decelulosa son conocidas por su propiedad higroscópica,

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atrayendo agua de su ambiente en forma de líquido ovapor. Bajo corriente directa y alterna el efecto de lahumedad es drástico en líquidos meticulosamente puros,mucho mayor que para líquidos comerciales.

El efecto de la humedad es menos pronunciado en el casode abertura del aceite con campos muy poco uniformes ycon líquidos sin contenido de fibras. La solubilidad delagua es considerablemente más alta en aceite de silicón,yésteres, fosfato que en aceite mineral, éstos necesitanmayor cuidado con su nivel de pureza y mantenimiento.

Partículas de metal pueden estar presentes endieléctricos líquidos, particularmente en los utilizadospara interruptores y transformadores. Su presenciareduce la rigidez dieléctrica del aceite en más de 70%.La Figura ilustra este fenómeno, en el cual largas ydelgadas partículas contribuyen a la reducción de larigidez de ruptura del aceite.

Los aceites y grasas luego del procesamiento puedentener residuos de agua e impurezas que atenten contra lacalidad de los mismos de ahí que se haga necesariodeterminar estas anormalidades. La determinación se basaen la pérdida de peso que experimentan las muestras deaceite y grasas tratadas luego de someterlas a unproceso de secado.

7.5 Recuperación y tratamiento de losaceites aislantes

Envejecimiento

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Cuando un aislante líquido ha permanecido a elevadastemperaturas y bajo estrés eléctrico y expuesto aoxígeno, se degradan sus propiedades. Aumenta elcontenido de humedad y el nivel de acidez, mientras quela resistividad y la rigidez dieléctrica decae. Laoxidación del aislante líquido desacelerada a altastemperaturas, con más oxígeno presente y en la presenciade un catalizador como lo es el cobre. A bajaviscosidad, los aceites muy puros tienen mayor tendenciaa disolver aire y oxígeno, comienzan a oxidarse másrápido que los aceites de menor grado y mayorviscosidad.

Mientras el aislante líquido está en servicio oalmacenado en contacto con oxígeno, algunas partículasimpuras inevitablemente estarán presentes. Así laspartículas aumentarán en tamaño. Silenciosas descargasde tipo corona y corrientes de fuga concentradas ayuda ala formación de agua, resinas, ácidos y con estoaparición de hidrógeno. Descargas disruptivas tales comoarcos o intenso calentamiento localizado del aislantelíquido y sólido produce partículas de carbón, y gasescomo el monóxido de carbono, dióxido de carbono yacetileno. A menudo se forma cera por polimerización deaceite en las paredes de burbujas de gas cuando lasburbujas comienzan a ionizarse. Los agresivos ácidosproducto de la oxidación y descarga atacan elaislamiento sólido, hierro y cobre inmersos en ellíquido.

Para mantener las cualidades de un aislante líquido enservicio, sus importantes propiedades físicas, químicasy eléctricas tienen que ser regularmente revisadas.MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 171

Antes que las cualidades del aislamiento líquido cambienmás allá de los niveles permitidos, se deben tomarmedidas especiales para recuperar el líquido.

Aditivos

Para prolongar la vida de los líquidos aislantes enservicio se pueden tomar dos acciones.

La primera se debe inhibir el proceso de oxidación. El segundo es tratar la oxidación para minimizar sus

efectos que deterioran las propiedades de loslíquidos.

Para empezar, para minimizar el nivel de oxidación lacantidad de oxigeno disuelta en el o que este encontacto debe ser disminuida. Esto se logra disolviendoinhibidores de oxidación en el liquido. Estosinhibidores reaccionan con los productos de la oxidacióny por lo tanto los detienen.

Existen también pasivadores que reaccionan con salesmetálicas que de otra manera actuarían comocatalizadores para la oxidación. La cantidad de salañadida al liquido esta en el orden de 0.1% aunque lacantidad exacta para resultados óptimos depende de lasal y la composición del liquido. Los inhibidoresreaccionan con los radicales libres y peróxidosproducidos por la oxidación y detienen su reacción encadena. Reaccionando con los peróxidos de los radicaleslos pasiva dores pueden prevenir la formación denaftenos de cobre y hierro los cuales son catalizadoresde la oxidación.MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 172

7.6 Líquidos sintéticosLa aplicación de aceites sintéticos como aislanteseléctricos ha sido muy limitada. Recientemente se hanempleado fluidos sintéticos a base de silicona y ésteresde ftalato en aplicaciones especiales donde un altogrado de seguridad y muy amplio tiempo de servicio esrequerido. También, últimamente, se están ensayandoaceites dieléctricos de naturaleza predominantementeparafínica. Las pruebas y su interpretación sonprácticamente las mismas para un aceite sintético a basede silicona que para un aceite mineral. El test deoxidación no se requiere para las siliconas debido a queeste material no se oxida (no forma lodos).

Las investigaciones realizadas para obtener un liquidoresistente a la oxidación y a la sedimentación y noinflamable (caso de transformadores) y, además, conelevada constante dieléctrica (caso de loscondensadores), han conducido al desarrollo de aislantessintéticos a base de hidrocarburos clorados llamados, engeneral, askareles cuya composición exacta no esdeclarada por los fabricantes, pero que constituyenmezclas de diversos hidrocarburos clorados.

El hecho de la incombustibilidad de los askareles estaen lo siguiente: El aceite mineral se inflama cuando esdescompuesto por el calor o por el arco eléctrico, yaque entre sus productos de descomposición esta elhidrogeno que reacciona violentamente con el oxigenoatmosférico y esta reacción esta acompañada de incendioy explosión.

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En comparación con los aceites minerales aislantes, losaskareles tienen las siguientes propiedades generales.

Una constante dieléctrica que es aproximadamente eldoble de la de los aceites.

Una rigidez dieléctrica algo mayor. Un factor de pérdidas dieléctricas algo más elevado. Un precio más elevado.

Estas características, junto con su inflamabilidad, a laque se ha hecho referencia anteriormente, determinancuando es conveniente emplear askareles en lugar deaceites minerales, o viceversa; Examinaremos estacuestión con algún detalle.

En el caso de los transformadores, los askareles hanpermitido una reducción del tamaño y de lasseparaciones, debido a su mayor rigidez dieléctrica.Pero se ha hecho necesario modificar el aislamiento,debido a la acción disolvente de estos líquidos sobrelas resinas que impregnan los aislamientos. Es decir,que los transformadores deben construirse especialmentepara ser aislados con askareles.

En los condensadores se ha logrado una reducciónsuperior a un 50% en su volumen, en comparación con loscondensadores aislados con aceite mineral, a causa de sumayor constante dieléctrica y de su rigidez dieléctricamas elevada.

Los askareles reciben distintos nombres comerciales,según los países y firmas fabricantes, podemos situarlos siguientes: Asbesto, Acolia, Copen, Chlorextol,Inerteen, Pyralene, Pyranol.

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Estudio de un aceite sintético aislante: El Pyralene

Existen varios tipos de pyralene con distintacomposición química, según la aplicación prevista: todosellos son derivados clorados de hidrocarburos aromáticosdel tipo benceno. Según la aplicaciones particulares,son definidos mas o menos clorados con, eventualmente,selección de isómeros particulares o de mezclas de estosmismos difenilos clorados con clorobencenos. De estaforma, es posible obtener toda una gama de productos queresponden a las condiciones de utilización de laindustria eléctrica, en lo que se refiere a viscosidad,punto de congelación, perdidas por evaporación, etc.además, estos productos se someten a una purificaciónespecial para conseguir las características dieléctricasindispensables al aislamiento de los aparatoseléctricos.

7.7 Procesos de fabricación

Los aceites minerales naturales o petróleos constituyenmezclas de gran variedad de hidrocarburos, que puedensepararse por destilación, aprovechando la propiedad deque sus puntos de ebullición varían como sus pesosmoleculares. La destilación no se efectúa a unatemperatura determinada, sino que entre ciertos límitesde temperatura, de forma que los productos destiladosconstituyan nuevas agrupaciones de hidrocarburos. Comolos siguientes:

Éter de petróleo. Esencia de petróleo Queroseno

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Aceite de gas Aceites lubricantes Aceites de parafina Alquitranes y breas Coque, residuo solido

Las propiedades de estos aceites dependen deltratamiento y, sobre todo, del origen de los petróleos.El aceite debe de estar exento de alquitrán y de azufrepor lo que el obtenido por destilación debe someterse ala operación de refinado, para la eliminación de dichassustancias.

El refinado consiste en tratar el aceite mineral conacido sulfúrico, que precipita los alquitranes. Pordecantación, se recoge el aceite limpio, pero como auntiene carácter acido, debe neutralizarse. La adición deacido requiere grandes precauciones, ya que estereactivo elimina los alquitranes pero puede ocasionartambién la destrucción de los compuestos estables delaceite por lo que este resulta, algunas veces,químicamente menos estable que antes de su refinado.

Después del refinado, debe eliminarse el agua quecontiene el aceite mineral, mediante la deshidratación,para la que se siguen varios procedimientos:

Procedimientos Químicos

Por adición de cal viva. Se proyecta cal viva sobre el aceite, que se agita de cuando en cuando y se filtra después de deshidratado.

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Por adición de cloruro cálcico. Este producto esta contenido en un tubo de metal perforado, colocado enla cuba a medio nivel del aceite mineral.

Procedimientos Físicos

Por calefacción directa. El aceite es calentadodirectamente por medio de resistencias de calefacción opor insuflación de gases calientes. El caldeo porresistencias tiene la ventaja de ser sencillo y eficaz,aunque existe el inconveniente de su larga duración,además existe el peligro de que, si las resistenciasalcanzan temperaturas de unos 100°C, se produce unarápida oxidación del aceite si este se halla en contactocon el aire. El caldeo por insuflación provocasobrecalentamientos locales, debido a la malaconductibilidad térmica del aceite, produciéndosedescomposiciones que reducen la estabilidad química delaceite deshidratado.

Por calefacción en vacío. A pesar sobre sus innegablesventajas sobre el procedimiento anterior, aun seaprecian ciertas trazas de asfalto coloidal formado porcondensación durante el proceso de calefacción en laestufa. Es muy largo su proceso y exige un material muycostoso.

Por filtración. Este procedimiento consiste en lafiltración por papel secante y bajo presión; es muycostoso si se quieren obtener buenos resultados. Ademásexiste el peligro de la incorporación al aceite departículas fibrosas procedentes de la celulosa del papelsecante.

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Por centrifugación. La centrifugación directa no permitela completa deshidratación del aceite. Para conseguir unresultado más eficaz debe utilizarse un absorbente quearrastre el agua y que sea más sensible que esta a laacción de la fuerza centrifuga; para ello se emplea lasílice, pero la presencia de partículas finas de loscuerpos absorbentes modifica desfavorablemente laspropiedades dieléctricas del aceite.

Refinado electro capilar. Ninguno de los procedimientosindustriales explicados anteriormente da resultadossatisfactorios, en lo que se refiere a la separación detodos los elementos solidos, y a la deshidratación yclarificación de los aceites minerales aislantes.

El problema ha quedado resuelto industrialmente,mediante el empleo de membrana filtrante, de un materialespecial, tratada con reactivos adecuados, y que actúasobre el aceite por capilaridad. La entrada de lamembrana se somete a la acción de cargas eléctricas; sila pared del filtro tiene cargas estáticas del mismosigno que las partículas en suspensión en el seno delaceite filtrado, estas últimas quedan sometidas a unaacción repelente y el líquido se clarifica.

7.8 Productos elaborados. Aplicaciones ynormas

Aplicación de los aceites minerales como dieléctricos decondensadores.

En los condensadores industriales se emplean, comoarmaduras metálicas, hojas de aluminio muy finas,separadas por hojas de papel impregnado con un aceiteespecial, ya que si se utilizara seco perderíarápidamente sus propiedades dieléctricas, a causa de su

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envejecimiento por efecto de las variaciones detemperatura.

Estos aceites de impregnación deben estar perfectamenterefinados y, después de la impregnación, han de tener lamisma rigidez dieléctrica que antes. Deben tomarseciertas precauciones con los aceites de condensadores.Particularmente, cuando el aceite ha pasado por variosciclos de impregnación, el factor de pérdidasdieléctricas tiende a aumentar a causa de oxidación. Poresta razón, el aceite debe tratarse adecuadamente porprocedimientos especiales.

Además de emplearse como agentes impregnantes, losaceites minerales pueden utilizarse también para elllenado de las cubas de los condensadores, garantizando,de esta forma el buen funcionamiento de estos eimpidiendo la entrada de humedad. Al contrario de lo quesucede con los transformadores, los aceites de rellenode los condensadores se alteran poco, ya que sucalentamiento es de escasa importancia. Por esta razónse podría emplear aceite de mediana calidad, pero en lapráctica se utiliza la misma clase de aceite empleadapara la impregnación. Frecuentemente, se aprovechaaceite ya empleado en varias impregnaciones que, poresta causa, esta algo alterado y no se puede garantizarya una impregnación perfecta.

Aplicaciones a los transformadores:

Seguridad. Los pyralene son ininflamables y susvapores no son explosivos. Por estas razones,resulta recomendable su empleo en lostransformadores de minas, inmuebles, salas deespectáculos, subestaciones subterráneas, metros,navíos, locomotoras y en todos aquellos casos en queno se puede aceptar el menor riesgo de incendios.

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Economía de instalación. De la seguridadanteriormente citada, resulta una economía deespacio, de material y de tiempo de instalación;muchas veces, también de precio.

Economía de explotación. En primer lugar, lafacilidad de disponer la alta tensión en el lugar deutilización reduce las perdidas en las líneas. Porotra parte, resulta una economía en el mantenimientode los transformadores, ya que la excelenteestabilidad química de LCS pyralene permite evitarlos periódicos tratamientos de regeneración, queresultan necesarios con los aceites minerales.

Análisis de la rigidez dieléctrica. Métodos Normalizados ASTM D-1816 y D-877.

El voltaje asociado con la rigidez dieléctrica, es unamedida importante de los esfuerzos dieléctricos que elaceite dieléctrico podrá soportar sin que llegue afallar. Se mide mediante la aplicación de un determinadovoltaje entre dos electrodos bajo condiciones prescritaspor el Std ASTM .También sirve como una indicación de lapresencia de contaminantes particularmente la humedad ydemás elementos sólidos y semisólidos.

La realización de los ensayos deberá realizarse enestricto apego a los estándares .El Std. ASTM D- 877,especifica una cuba de pruebas equipado con electrodosplanos esparcidos 0.001 de pulgada .ASTM D-1816específica una cuba de pruebas equipado con electrodosesféricos esparcidos entre sí 0.008 de pulgada. Estemétodo exige agitación y es muy sensitivo a pequeñascantidades de contaminares y primariamente se debiera

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usar en aceites nuevos y usados cuando se requiere deuna mayor precisión en los resultados.

Análisis de la Tensión interfacial. Método normalizado ASTM D-971.

La tensión interfacial entre le aceite aislante y elagua, es una medida de la fuerza de atracción molecularentre las moléculas y se expresa en dinas por cm. Laprueba proporciona un medio de detectar contaminantespolares solubles y productos de deterioro. Loscontaminantes solubles y los productos de degradacióndel aceite, generalmente producen una baja tensióninterfacial.

Análisis del color en el AceiteMétodo Normalizado ASTM D 1500

El significado primario del color es la de observar unatasa de cambio a lo largo del tiempo en untransformador. Obscurecimientos del aceite en un períodode tiempo, indica tanto la contaminación como eldeterioro del aceite. Un color oscuro, sin haber cambiossignificativos en el numero de neutralización ó de laviscosidad, usualmente indican contaminación conmateriales extraños. El color de un aceite aislante, esdeterminada mediante una luz trasmitida y se expresamediante un valor numérico comparado contra valoresestándares en una tabla circular contenida dentro delequipo.

Análisis de la gravedad específica. MétodosNormalizados ASTM D-1298.

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La gravedad especifica de un aceite aislante, es larelación de los pesos a igual volumen de aceite y agua a60 ·F .La gravedad especifica es pertinente paraconfirmar las características del aceite usado versus elnuevo.

Análisis de la viscosidad. MétodosNormalizados ASTM D-83.

La viscosidad del aceite aislante, es la resistencia aun flujo continuo sin turbulencias, inercia y otrasfuerzas. Se mide usualmente mediante la medición deltiempo del flujo de una dad cantidad de aceite bajocondiciones controladas. Un acentuado crecimiento de laviscosidad acompañada de un incremento del número deneutralización y bajo un color obscuro, puede indicar undeterioro del aceite así como un efecto acentuado de laoxidación.

Análisis del contenido de Humedad en el AceiteMétodo Normalizado ASTM D 1533

Este método de prueba determina el contenido de humedaddel aceite aislante mediante un titulador volumétricoautomático Karl Fischer. Se inyecta una muestra deaceite en el dispositivo, el cual añade reactivos deforma automática hasta alcanzar el punto final. Este sedetermina mediante electrodos que perciben lascondiciones eléctricas en el recipiente de reacción. Alalcanzarse el punto final, el dispositivo detiene ladosificación y calcula electrónicamente el contenido dehumedad en el aceite a partir del volumen de aceiteinyectado y la cantidad de reactivo consumido.

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El contenido de humedad del aceite se presenta en partespor millón (ppm) (miligramos de humedad por kilogramo delíquido aislante). Por si misma y, en especial, para lostransformadores inmersos en aceite mineral, laestimación en partes por millón ppm) del contenido dehumedad no es suficiente para evaluar la humedad en elaceite de un transformador en servicio. El valor en ppmes útil en la evaluación de un aceite recién adquirido opara la instalación en el equipo de un nuevo aceiteprocesado. El valor del contenido de humedad en ppm estambién de suma importanciaPara fluidos en servicio que sean diferentes del aceite,también puede utilizarse como un criterio para otrosequipos inmersos en aceite mineral distintos de lostransformadores, Sin embargo, en la mayoría de loscasos, para los equipos inmersos en aceite y en especialpara los transformadores inmersos en aceite mineral, elvalor de humedad en partes por millón es solo unapequeña parte de la información que se debe tomar encuenta.

Análisis del contenido de PCB (Askarel).Método 9079US EPA SW-846

Los bifieniles policlorinados (PCB) son una familia dehidrocarburos aromáticos clorados sintéticos, que tienenexcelentes propiedades térmicas y eléctricas. Estaspropiedades, combinadas con una excelente estabilidadquímica, los hicieron muy adaptables en innumerablesaplicaciones comerciales. Sin embargo, su estabilidadquímica y resistencia a la biodegradación no fueronevaluadas oportunamente, dado su inmenso éxito en elcampo operacional, se transformaron de la noche a lamañana en una pesadilla ambiental de gran magnitud,después de más de 60 años de fabricación a nivel mundialsin prácticamente regulación alguna.

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UNIDAD 8

MATERIALES DIELECTRICOS GASEOSOS

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8.1 Importancia de los gases aislantesHEXAFLUORURO DE AZUFRE (SF6)

Este compuesto, se usa como gas aislante en equipos dedistribución de energía eléctrica, epresentaba en 2000el 0,06 % de las emisiones totales brutas de gases deefecto invernadero en España. Durante 1995, año basemarcado por el Protocolo de Kioto, se emitieron 118.420toneladas de CO2 equivalente.

Es un gas muy denso. La molécula de SF6 tiene un átomode azufre central, rodeado de seis átomos de flúor:Tiene una densidad seis veces mayor que la del aire

Además tiene la peculiaridad de ser el que más produceefecto invernadero:

Unas 20 000 veces más que el CO2. Es una suerte que, enla atmósfera, haya sólo pequeñas antidades de este gas.Durante 1995, año base marcado por el Protocolo deKioto, se emitieron 118.420 toneladas de CO2equivalente. En el año 2000, el hexafluoruro de azufrerepresentaba el 0,06 % de las emisiones totales brutasde gases de efecto invernadero en España.

Entre sus aplicaciones, además de aislante eléctrico,se usa en detección de fugas, desgasificación delaluminio, fusión de magnesio y sus aleaciones, yprocesos de plasma Etching en la industria electrónica.El gas es más denso que el aire y puede acumularse en

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los lugares excavados produciendo una deficiencia deoxígeno.

La sustancia se descompone en caso de incendioproduciendo gases tóxicos de óxido de azufre y fluorurode hidrógeno. Reacciona con oxidantes fuertes, álcalis ytierras alcalinas. No fluoruro de hidrógeno producensevera irritación de la piel, los ojos y las víasrespiratorias. En altos niveles, como podría ocurrir enun accidente industrial, el fluoruro de hidrógenotambién pueden dañar el corazón.

El Hexafluoruro de Azufre es un gas inerte, más pesadoque el aire, no es tóxico ni inflamable, pero esasfixiante y posee un color y olor característicos. Seproduce por reacción directa a unos 300 º C de azufrefundido y el flúor gaseoso. Es estable en condicionesnormales, y al exponerlo a elevadas temperaturas, sedescompone dando lugar a productos tóxicos los cualespueden ser corrosivos en presencia de humedad.

Una de las principales características es su elevadaconstante dieléctrica, por lo que es muy empleado comogas aislante en equipos para distribución de energíaeléctrica.

Propiedades físicas.

• Fórmula química: SF6 • Peso molecular: 146,05 g/mol • Temperatura sublimación: -63,9 º C • Presión vapor (20 ºC) : 22,77 atmósferas • Temperatura crítica: 45,5 º C • Presión crítica: 37,1 atmósferas

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• Densidad gas (20 º C, 1 atm) : 6,16 g/l • Densidad líquido (p.sat.-50 ºC) : 1,91 kg/l • Densidad líquido (21 º C): 1,371 g/ml • Grado estabilidad térmica: hasta 800 º C • Solubilidad en agua (10 º C, 1 atm): 0,0076 m/ml H2O • Calor latente de vaporización: 38,6 cal/g

Fuentes de contaminación de hexafluoruro de azufre. Laprincipal fuente de contaminación de hexafluoruro deazufre se produce en los equipos de distribución deenergía eléctrica, ya que actúa como gas aislante. Desde un punto de vista industrial, las fuentes decontaminación se producen en:

• Procesos industriales de desgasificación del aluminio.• Procesos siderúrgicos de fusión de magnesio y susaleaciones. • Procesos de plasma en la industria electrónica.

Efectos sobre la salud y el medio ambiente. Alproducirse pérdidas en zonas confinadas, este líquido seevapora muy rápidamente originando una saturación totaldel aire con grave riesgo de asfixia. Debido a estarápida evaporación se producen efectos de congelaciónpor contacto con el líquido. El principal problema medioambiental que concierne alhexafluoruro de azufre es que una vez liberado, es unagente intensificador del efecto invernadero, teniendoun potencial de calentamiento global y un tiempo de vidaen la atmósfera muy elevado.

8.2 Conductores eléctricos gaseosos

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En el aire y en otros gases corrientes por debajo deldominio de rotura, la fuente dominante de conduccióneléctrica es a través de un relativamente reducidonúmero de iones móviles producidos por gasesradioactivos, luz ultravioleta, o rayos cósmicos. Dadoque la conductividad eléctrica es extremadamente baja,los gases son dieléctricos o aislantes. Sin embargo,cuando el campo eléctrico aplicado se aproxima al valorde rotura, los electrones libres alcanzan unaaceleración suficiente por parte del campo eléctricocomo para crear electrones libres adicionales mediantela colisión, y la ionización de los átomos o lasmoléculas neutras del gas en un proceso llamado roturaen avalancha. El proceso de rotura forma un plasma quecontiene un número significativo de electrones móviles yde iones positivos, por lo que se comporta como unconductor eléctrico. En el proceso, se forma una sendaconductiva que emite luz, como una chispa, un arco o unrayo.

Un plasma es un estado de la materia donde algunos delos electrones de un gas han sido separados o"ionizados" de sus moléculas o átomos. Un plasma puedeformarse por altas temperaturas, o por la aplicación deun campo eléctrico o magnético intenso. Debido a sumasas inferior, los electrones en un plasma aceleran másla respuesta aun campo eléctrico que los iones positivosde mayor peso, por lo que cargan con el grueso de lacorriente.

8.3 Ruptura de dieléctricos

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Si el campo eléctrico al que se ve sometido undieléctrico supera un valor crítico Ec, las corrienteseléctricas, normalmente muy pequeñas, se incrementanrápidamente dando lugar a la ruptura dieléctrica delmaterial. Este campo crítico fija el límite deutilización del material como aislante. La rupturadieléctrica puede ser reversible, el material recuperasu caracter aislante al bajar de Ec ó irreversiblecuando ya no se recupera el caracter aislante. Destacarel hecho de que Ec no es un parámetro intrínseco delmaterial sino que depende además de otros factoresextrínsecos tales como geometría de muestra, proceso defabricación ó entorno del material.

Se distinguen cuatro mecanismos principales de rupturadieléctrica:

a) Ruptura electrónica: el origen de la inestabilidad esel propio campo eléctrico que provoca ya sea elaumento de la movilidad de los portadores ó elincremento en el número de portadores medianteprocesos de ionización atómica seguidos de procesos deavalancha. El aumento de corriente es debido alaumento de la concentración de electrones en la bandade conducción como consecuencia de un proceso deionización de los átomos de la red por electronesaltamente acelerados por el campo. Ciertas teoríasfijan en 40 eventos de ionización los necesarios paraprovocar la ruptura dieléctrica del material.

b) Ruptura térmica: se caracteriza por un aumento detemperatura del material debido a que el calordisipado por la muestra es menor que el calorproducido por efecto Joule de las corrientes de fugaal aplicar el campo eléctrico. El aumento detemperatura provoca a su vez un aumento de laconductividad eléctrica del material aislante y en

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consecuencia de la corriente que circula a su travésretroalimentando el efecto y dando lugar en pocotiempo a la ruptura dieléctrica. El aumento detemperatura y, por tanto la condición de ruptura,depende del equilibrio entre la velocidad con la quese genera el calor y la velocidad con la que este esdisipado.

c) Ruptura iónica: el proceso se inicia por un movimientode los iones de la red bajo la acción de los fuertescampos aplicados. Este proceso ha sido postulado paraóxidos anódicos en los cuales el campo de rupturadieléctrico coincide con el campo eléctrico necesariopara la formación del óxido independientemente delespesor de la muestra.

d) Ruptura por descargas de gas: el aislante suelecontener en su interior burbujas de gas con un Eccercano a los 106 V/m, menor que el generalmenterequerido para la ruptura dieléctrica del material. Elgas se ioniza primero provocando la inyección deelectrones energéticos en el material y acelerando elproceso de ruptura.

8.4 Descargas en los gasesUna descarga eléctrica en un medio gaseoso, es unfenómeno en el que un gas, que normalmente, no conducela electricidad, empieza a hacerlo debido a laionización de sus átomos, como consecuencia de lainfluencia de una fuente energética (de calor, de

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radiación o de un campo eléctrico, que provoca unadiferencia de potencial entre los electrodos entre losque se sitúa el gas). La conducción eléctrica a travésde este gas ionizado (en adelante, plasma) no sigue laley de Ohm, sino que se rige por los procesos físicoselementales que se dan entre las partículas cargadas(electrones, iones, átomos y moléculas excitadas)transportadas en el plasma y producidas y absorbidas enlos electrodos.

De hecho, para poder realmente comprender las descargaseléctricas en gases, se deben analizar el comportamientode dichas partículas y los procesos fundamentales que seproducen en y entre dos zonas:

(1) Columna de plasma, formada por la ionización delmedio gaseoso.

(2) Región de los electrodos, región anódica (próxima alánodo (+) y región catódica (próxima al cátodo (-), estaúltima, de gran importancia, ya que es donde surgen loselectrones, que junto con los iones, son las partículasfundamentales en los procesos de descarga.

1) Descargas eléctricas no espontáneas o no auto-mantenidas

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En este tipo de descargas, la conductividad eléctricadel gas se mantiene mediante fuentes exteriores deionización (como son fuentes de alta temperatura ofuentes de radiación de diferentes tipos, principalmentede onda corta, como los rayos X o las radiaciónultravioleta o la radiación gamma).

Si se calienta un gas, parte de sus moléculas adquierenuna energía lo bastante elevada, como para producir laionización de otras moléculas del gas, al chocar éstascon las primeras. Este tipo de ionización, se conocecomo termoionización.

Al mismo tiempo el efecto de una radiación, puede“arrancar” electrones de un átomo o de una moléculaneutra, ionizando por tanto, los átomos y moléculas delgas, denominándose a este tipo de ionizaciónfotoionización.

Cuando las fuentes externas presentan muy altastemperaturas o una radiación muy energética, se producela ionización casi completa del gas, acompañándose ladescarga de una corriente extremadamente fuerte. Estetipo de situaciones, se suele dar en el espaciointerestelar y en las estrellas.

2) Descargas eléctricas espontáneas o auto-mantenidas

En este tipo de descargas, la conductividad eléctrica esmantenida por la propia descarga, sin ningunaparticipación de una fuente exterior de calor oradiación. En este tipo de descargas, también se danprocesos de termoionización y fotoionización, pero no

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tienen su origen en fuentes externas, sino en laradiación y calor generados en la misma descarga.

En este grupo se encuentran la mayoría de las descargaseléctricas usadas en las actividades laborales(luminarias, soldadura, máquinas de electroerosión(Electrical Discharge Machines (EDM), en terminologíaanglosajona).

8.5 El vacio como dieléctricoEl vacío es un medio dieléctrico ideal: no hay materialy por tanto no hay conducción eléctrica. Sin embargo, elvacío nunca es perfecto y desde luego tiene un límite deresistencia dieléctrica. A pesar de todo, el «vacío»real tiene unas características espectaculares: a lapresión de 10-6 bar, la rigidez dieléctrica en campohomogéneo puede alcanzar una tensión de cresta 200 kVpara una distancia interelectrodos de 12 mm.

El mecanismo que hay en el origen de la rupturadieléctrica en el vacío está vinculado a los fenómenosde emisión electrónica fría, sin efecto de avalancha porionización. Este es el motivo por el que su resistenciadieléctrica no depende prácticamente más que de lapresión cuando ésta es inferior al 10-6 bar. Esta rigidezdieléctrica depende entonces de la naturaleza de losmateriales, de la forma de los electrodos (en particularde la presencia de asperezas) y de la distanciainterelectrodos.

La forma de la curva que da la tensión deperforación en función de la distancia intercontactos,como lo muestra la siguiente gráfica:MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 194

La gráfica anterior nos muestra por qué el campo deaplicación del vacío permanece limitado en tensión. Enefecto, las distancias necesarias para la resistenciadieléctrica aumentan muy rápidamente cuando la tensiónsobrepasa de 30 a 50 kV lo que conlleva costosprohibitivos con relación a las otras tecnologías.

8.6 El aire como dieléctricoEl aire tiene una rigidez dieléctrica de alrededor de 32kV/cm a la presión normal, y alcanza un valor alrededorde 160 kV/cm a una presión de 100 N/cm2 y alrededor de500 kV/cm para 300 N/cm2. El aire y otros gases tienenelevadísima resistividad y están prácticamente exentosde pérdidas dieléctricas. Tienen en mayor o menor medidala propiedad común que la rigidez dieléctrica crece amedida que aumenta la presión.

Variación de la rigidez dieléctrica del aire enfunción de la distancia entre electrodos. La rigidezdieléctrica del aire varía también con la densidad.

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8.7 Exafloruro de AzufreEl hexafluoruro de azufre (SF6) es un gas aislante quese caracteriza por ser incoloro, inodoro, no tóxico,química y fisiológicamente inerte, no corrosivo noinflamable y no contaminante.

Por sus características dieléctricas es ideal comomedio aislante, tiene una rigidez dieléctrica muyelevada, tanto a la frecuencia industrial como aimpulso, gracias a su peculiar característica de gaselectronegativo.

Con la captura de los electrones libres la moléculade SF6 se transforma en iones negativos pesados, y porlo tanto poco móviles. La rigidez dieléctrica del SF6 ala frecuencia industrial es por lo menos dos veces ymedia la del aire a la presión de 5 kg/cm2, condición quepermite lograr un dado nivel de aislamiento conpresiones relativamente bajas, lo cual implica sistemasde contención simples y de completa confiabilidad.

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Este gas es cada vez más empleado como aislante en:

disyuntores de baja media y alta potencia en barras de distribución de AT, en subestaciones blindadas de distribución

Por sus excelentes propiedades aislantes estásustituyendo progresivamente a los demás gases.

Es el único gas que posee reunidas las propiedadesfísicas, químicas y eléctricas, favorables para laextinción de los arcos eléctricos formados durante lasconexiones y desconexiones de los disyuntores. Seutiliza como medio aislante y refrigerante.

8.8 Productos elaborados y aplicaciones

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Contactores de vacío. El principio de trabajo delcontactor de vacío se basa en unos contactos queconmutan en una cámara donde se ha hecho el vacío,en la que se asegura una alta resistenciadieléctrica de la distancia de conmutacióninmediatamente después de la conexión/desconexión.El arco se apaga básicamente en el primer paso porcero de la corriente estacionaria. Principalmente enaccionamientos electromotóricos y particularmentedonde se requiera un alto número de maniobras encategoría AC3 y AC4, en puntos clave de redes dealta demanda, en minas, metalurgía, industriaquímica y allí donde además de una larga vidamecánica se exija una fiabiliad de servicio ydimensiones reducidas. Los contactores de vacío son,por su alta resistencia climática, muy adecuadospara montaje en envolventes antideflagrantes y enhabitáculos de muy alto grado de protección.

El Hexafluoruro de Azufre se emplea en lafabricación de semiconductores como fuente de fluoren los plasmas de grabado sin generar subproductoscarbonados. El SF6 puede emplearse para el grabadode siliciuros metálicos (especialmente el grabado detungsteno), nitruros y óxidos depositados en susustrato metálico.

El Hexafluoruro de Azufre es un producto aislante,empleado como dieléctrico en los transformadoreseléctricos. El SF6 puede emplearse como un gas deblánketing. El SF6 es una molécula traza para

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determinar los movimientos y la velocidad del aireen las viviendas.

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UNIDAD 9

MATERIALES MAGNETICOS

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9.1 Clasificación y características delos materiales eléctricos

DEFINICION

En física, el magnetismo es un fenómeno por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidosque han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. También el magnetismo tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la onda electromagnética, como, por ejemplo, la luz.

Clasificación de los Materiales MagnéticosNo magnéticoNo facilita o permite el paso de las líneas de Campo magnético. Ejemplo: el Vacío.

DiamagnéticoMaterial débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de él, esta lo repele. Ejemplo: Bismuto (Bi), Plata (Ag), Plomo (Pb), Agua.

ParamagnéticoPresenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética. Ejemplo: Aire, Aluminio(Al), Paladio (Pd), Magneto Molecular.

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FerromagnéticoMagnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética. Paramagnético por encimade la temperatura de Curie (La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C).Ejemplo:Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni), Acero suave.AntiferromagnéticoNo magnético aun bajo acción de un campo magnético inducido. Ejemplo: Óxido de Manganeso(MnO2).

FerrimagnéticoMenor grado magnético que los materiales ferromagnéticos.Ejemplo: Ferrita de Hierro.

SuperparamagnéticoMateriales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica. Ejemplo: Materiales utilizados en cintas deaudio y video.

FerritasFerrimagnético de baja conductividad eléctrica. Ejemplo:Utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de corriente alterna.

Materiales magnéticos blandos

Los materiales magnéticos blandos son fácilmente imanables y desimanablespresentando curvas de histéresis de apariencia estrecha con bajos campos

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coercitivos y alta saturación, figura 4.8 .a. y teniendopor tanto altas permeabilidadesmagnéticas m. Este hecho es debido a la presencia de pocas imperfecciones ydefectos que constituyen obstáculos al movimiento de paredes de los dominiosmagnéticos ó al giro de la imanación dentro de un dominio. Igualmente, y parafavorecer estos movimientos, se requieren bajas constantes de anisotropía y demagnetostricción. El uso de estos materiales está centrado en núcleos paratransformadores, motores, generadores

Ejemplos de materiales magnéticos blandos y susaplicaciones

Aleaciones de Fe y Si.

Los materiales magnéticos blandos de más ampliautilización, por ejemplo en motores, tranformadores ógeneradores, son las aleaciones de Fe con 3-4% en pesode Si. Al añadir Si en solución sólida al Fe, laaleación resultante presenta unas pérdidas de energíapor histéresis menores,MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 203

volviéndose más blando magnéticamente, como consecuenciade varios fenómenos. Primero disminuyen losintersticiales de oxígeno presentes atrapados por el Si;estos intersticiales son unos defectos que dificultan elmovimiento de las paredes de los dominios. Además existeuna reducción de la energía de anisotropíamagnetocristalina y de la magnetostricción provocando unaumento de la permeabilidad magnética. Finalmente, laadicción de Si da lugar a un aumento en la resistividadeléctrica disminuyendo las perdidas por corrientesparásitas, hecho importante en transformadores ymáquinas funcionando en corriente alterna. Comoefectos negativos aparecen la disminución de laimanación de saturación y de la temperatura de Curie dela aleación. Ademas disminuye la ductilidad del Feprovocando que para contenidos de Si mayores del 4% nose puede laminar el material.

Vidrios metálicos.

Los vidrios metálicos son una clase relativamente nuevade materiales metálicos cuya característica dominante esuna estructura no cristalina (amorfa). Se fabrican porun proceso de solidificación rápida (~106 °C/s). Losvidrios metálicos tienen unas propiedades notables: sonmuy fuertes, muy duros con alguna flexibilidad, y muyresistentes a la corrosión. Magnéticamente sonmateriales muy blandos, y esa es una de las principalesrazones de su importancia. Consisten esencialmente encombinaciones de los metales ferromagnéticos Fe, Co y NiMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 204

con los metaloides B y Si. En los vidrios metálicos, alno haber fronteras de grano nianisotropía cristalina de gran alcance, las paredes delos dominios se mueven con facilidad, la energía deanisotropía es practicamente 0, las pérdidas dehistéresis son muy pequeñas y poseen una altapermeabilidad. Además, al ser materiales amorfos, suresistividad es alta, es decir, las pérdidas porcorrientes parásitas serán muy pequeñas.

Aleaciones de Fe y Ni.

Poseen energías magnetocristalina y magnetostrictiva muybajas, y por eso tienen mayores permeabilidades a camposbajos que las aleaciones de Fe-Si.

Los materiales más conocidos son el Permalloy (Fe +45%Ni) y el Supermalloy (79% Ni). Su aplicación másimportante es la comunicación de alta sensibilidad, enla que el equipo ha de recibir o transmitir pequeñasseñales.

Materiales magnéticos duros

Los materiales magnéticos duros se caracterizan por unaalta fuerza coercitiva Hc y una alta inducción magnéticaremanente Br; de este modo, los ciclos de histéresis deestos materiales son anchos y altos. Estos materiales seimanan en un campo magnético lo suficientemente fuertecomo para orientar sus dominios magnéticos en ladirecciónMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 205

del campo aplicado. Una parte de la energía aplicada delcampo se convierte en energía potencial que se almacenaen el imán permanente producido. Un imán permanente, porconsiguiente, se encuentra en un estado de energíarelativamente alto, comparado con un imán que no estáimanado. Los materiales magnéticos duros son difícilesde desimanar, una vez imanados debido básicamente a susaltas constantes de anisotropía cristalina y a defectosque imposibilitan el movimiento de las paredes dedominio. Para comparar las fuerzas de los imanespermanentes seescoge el cuadrante izquierdo superior de la curva dehistéresis, y a partir de ella se calcula el productoenergético máximo, (BH)máx , que es el máximo valor delproducto de B por H. Este producto es una medida de laenergía potencial magnética de un material magnéticoduro por unidad de volumen y teóricamente se demuestraque no puede superar el valor 2 / 2 0 s M m. Por tanto,y con el objetivo de maximizar el producto energéticomáximo es interesante trabajar con materiales de altaimanación de saturación.

Ejemplos de materiales magnéticos duros y susaplicaciones.

Alnico (aleaciones de Al, Ni y Co). Las aleacionesalnico son aleaciones de Al, Ni y Co más Fe comomaterial base, y son los más importantes materialesmagnéticos duros que se utilizan hoy en día. En EEUUcuentan con un 35% del mercado de los materialesmagnéticos. Estas aleaciones se caracterizan por unMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 206

producto (BH) máx. muy alto, una alta imantaciónremanente y una fuerza coercitiva moderada.

Aleaciones de las Tierras Raras.

Las aleaciones de tierras raras se están empezando aproducir a gran escala y tienen propiedades magnéticassuperiores a las de cualquier material magnéticocomercial. Presentan los mayores productos de energía,(BH)máx, y fuerzas coercitivas muy altas. El origen delmagnetismo en loselementos de las tierras raras se debe casicompletamente a sus electronesdesapareados 4f. Hay dos grupos principales demateriales magnéticos basados en tierras raras: unosbasados en una fase única de SmCo5, y otros basados enaleaciones endurecidas por precipitación, de composiciónaproximada Sm(Co,Cu)7,5. Los imanes basados en la fasesimple SmCo5 son los de uso más común. El mecanismo decoercitividad se basa en la nucleación y fijación de lasparedes de dominio de las superficies y fronteras degrano. Estos materiales se fabrican mediante técnicas demetalurgia de polvos usando partículas finas (1-10 mm).Al aplicarles presión durante la compactación, laspartículas son alineadas en un campo magnético. Unposterior tratamiento de sinterización previene elcrecimiento de las partículas prensadas.

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9.2 Influencia de la composición química

La conductividad eléctrica es la capacidad de un medio oespacio físico de permitir el paso de la corrienteeléctrica a su través. También es definida como lapropiedad natural característica de cada cuerpo querepresenta la facilidad con la que los electrones puedenpasar por él. CONDUCTIMETRIA DE LOS MATERIALES

ENLACE IONICO. Consiste en la atracción electrostática entre átomos concargas eléctricas de signo contrario. Este tipo deenlace se establece entre átomos de elementos pocoelectronegativos con los de elementos muyelectronegativos. Cuando una molécula de una sustanciacontiene átomos de metales y no metales, los electronesson atraídos con más fuerza por los no metales, que setransforman en iones con carga negativa; los metales, asu vez, se convierten en iones con carga positiva.Entonces, los iones de diferente signo se atraenelectrostáticamente, formando enlaces iónicos.

ENLACE COVALENTE. La combinación de no metales entre sí no puede tenerlugar mediante este proceso de transferencia deelectrones, en estos casos, el enlace consiste en unacompartición de electrones; el enlace covalente es laformación de pares electrónicos compartidos,independientemente de su número. El par compartido esaportado por sólo uno de los átomos formándose entoncesun enlace que se llama coordinado o dativo.

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Si los átomos son no metales pero distintos (como en elóxido nítrico, NO), los electrones son compartidos enforma desigual y el enlace se llama covalente polarporque la molécula tiene un polo eléctrico positivo yotro negativo, y covalente porque los átomos compartenlos electrones, aunque sea en forma desigual. Estassustancias no conducen la electricidad, ni tienenbrillo, ductilidad o maleabilidad.

PUNTO DE FUSIÓN. Sellar otro tubo capilar por uno de los extremos (estoes calentándolo), introducir neftaleina al tubo capilar,esto es usando el tubo de vidrio y dejándolo caer paraque la neftaleina se vaya hasta el fondo. Despuésamarrarlo al termómetro y sumergirlo en el aguacaliente. Cuando la neftaleina se vuelve liquido, es enese momento es el punto de fusión del agua. Naftaleno 80su punto de fusión

CONDUCTIBILIDAD Ningún solvente puro conduce la corriente eléctrica. Yningún soluto puro conduce la corriente eléctrica, amenos que este en estado líquido. Pero una soluciónpuede conducir la corriente. Para que esto suceda, lasolución debe estar formada por un soluto electrolito(es decir, compuestos formado por enlaces iónicos noorgánicos) y por un solvente polar como el agua, lo cualforma una solución electrolita.

Las soluciones de Na Cl (sal común) o Cu SO 4 (sulfatocúprico) en agua conducen la electricidad a toda suintensidad. Pero, el acido acético o vinagre común(CH3−COOH) al disolverse en agua produce iones loscuales pueden conducir la electricidad, pero solo

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levemente. Las sustancias iónicas conducen laelectricidad cuando están en estado líquido o endisoluciones acuosas, pero no en estado cristalino,porque los iones individuales son demasiado grandes paramoverse libremente a través del cristal.

CONDUCTIVIDAD DEL ENLACE COVALENTE La falta de conductividad en estas sustancias se puedeexplicar porque los electrones de enlace estánfuertemente localizados atraídos por los dos núcleos delos átomos enlazados. La misma explicación se puede darpara las disoluciones de estas sustancias en disolventesdel tipo del benceno, donde se encuentran las moléculasindividuales sin carga neta moviéndose en la disolución.

Dada la elevada energía necesaria para romper un enlacecovalente, es de esperar un elevado punto de fusióncuando los átomos unidos extiendan sus enlaces en lastres direcciones del espacio como sucede en el diamante;no obstante, cuando el número de enlaces es limitadocomo sucede en la mayor parte de las sustancias(oxígeno, hidrógeno, amoníaco, etc.) con enlacescovalentes, al quedar saturados los átomos enlazados enla molécula, la interacción entre moléculas que setratará más adelante, será débil, lo que justifica quecon frecuencia estas sustancias se encuentren en estadogaseoso a temperatura y presión ordinarias y que suspuntos de fusión y ebullición sean bajos.

CONDUCCIÓN EN POLÍMEROS Los polímeros tienen una estructura de banda con unagran brecha de energía, lo cual indica que suconductividad eléctrica es bien baja. Esto se debe a quelos electrones de valencia en estos tupos de materialestoman parte en enlaces covalentes. Los polímeros por

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ello se utilizan en aplicaciones en los cuales serequieren aislamiento eléctrico para evitarcortocircuitos y descargas. Los polímeros en pocaspalabras consisten en un buen material dieléctrico. Noobstante debido a la baja conductividad, en muchos casossuelen acumular electricidad estática y crean camposelectroestáticos que producen daños a los materiales queaíslan debido a las pequeñas descargas contrarias quellegan a causar.

9.3 FerromagnetismoEl ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que seproduce ordenamiento magnético de todos los momentosmagnéticos de una muestra, en la misma dirección ysentido. Un material ferromagnético es aquel que puedepresentar ferromagnetismo.

La interacción ferromagnética es la interacciónmagnética que hace que los momentos magnéticos tiendan adisponerse en la misma dirección y sentido. Ha deextenderse por todo un sólido para alcanzar elferromagnetismo.Generalmente, los ferromagnetos están divididos endominios magnéticos, separados por superficies conocidascomo paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos los momentosmagnéticos están alineados. En las fronteras entredominios hay cierta energía potencial, pero la formaciónde dominios está compensada por la ganancia en entropía.

Al someter un material ferromagnético a un campomagnético intenso, los dominios tienden a alinearse conéste, de forma que aquellos dominios en los que losdipolos están orientados con el mismo sentido y

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dirección que el campo magnético inductor aumentan sutamaño.

Este aumento de tamaño se explica por lascaracterísticas de las paredes de Bloch, que avanzan endirección a los dominios cuya dirección de los dipolosno coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminarel campo, el dominio permanece durante cierto tiempo.

Hay una serie de materiales cristalinos que presentanferromagnetismo. La tabla de la derecha muestra unaselección representativa de ellos, junto con sustemperaturas de Curie, la temperatura por encima delcual dejan de exhibir la magnetización espontánea.

El ferromagnetismo no es una propiedad que depende sólode la composición química de un material, sino quetambién depende de su estructura cristalina y laorganización microscópica.

El acero eléctrico, por ejemplo, es un materialproducido a escala industrial cuyas propiedadesferromagnéticas han sido optimizadas para hacer uso deellas en aplicaciones donde se requiere elestablecimiento de campos magnéticos de maneraeficiente. Sin embargo hay aleaciones ferromagnéticas de

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metal, cuyos componentes no son ferromagnéticos,llamadas aleaciones Heusler.

Por el contrario existen aleaciones no magnéticas, comolos tipos de acero inoxidable, compuesta casiexclusivamente de metales ferromagnéticos.

En los materiales ferromagnéticos un campo magnéticoexterno produce una alineación de los momentos dipolaresmagnéticos, que puede persistir aunque no haya campomagnético externo. La causa es debida a la fuerteinteracción entre momentos dipolares magnéticos deátomos vecinos, llegando a crear grandes regiones detamaño microscópico llamados dominios magnéticos.

Estos dominios magnéticos pueden crecer de tamaño cuandoel campo magnético externo aumenta, y aunque éstedesaparezca, los dominios magnéticos persisten. El ciclocompleto de magnetización de un material ferromagnéticose denomina ciclo de histéresis. A cierta temperatura,denominada temperatura de Curie, la agitación térmicadestruye la alineación de los dipolos y los materialesferromagnéticos se transforman en paramagnéticos.

9.4 Campos magnéticos alternosHay dos tipos de campos magnéticos, alternos ycontinuos, los que cambian de polaridad como las ondasde radio y las ondas magnéticas atómicas y los camposmagnéticos continuos producidos por una fuente constantecomo la tierra o un imán.

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Los campos magnéticos alternos se dividen a su vez enpulsantes desfasados 180º como las ondas de radio y lasondas atómicas que son alternas, en fase, continuas yhelicoidales.

La resolución de circuitos magnéticos excitados concorriente alterna es semejante a la resolución decircuitos magnéticos con corriente continua ladiferencia está en la tensión aplicada a la bobina yaque no solo aparece la resistencia del bobinado sino quetambién aparece la reactancia del mismo.

En continua I=

UR ;

en alterna I=

U√R2+X2R

Otra de las diferencias con los campos continuos es queen los circuitos magnéticos excitados con alternaaparecen pérdidas magnéticas.

Las pérdidas magnéticas son de dos tipos pérdidas porcorrientes parásitas y las pérdidas por histéresis.

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Las pérdidas por corrientes parásitas o pérdidas deFoucault se deben a que los campos magnéticos alternosgeneran f.e.m alternas en planos perpendiculares a ladirección del campo. Estas f.e.m. dan origen acorrientes parásitas en el hierro del circuito magnéticolas cuales generan calor por efecto Joule.

Para reducir las pérdidas por corrientes parásitas setrabaja con núcleos de hierro laminado.

Las pérdidas por histéresis se deben al ciclo dehistéresis característico de los circuitos magnéticos enhierro.

La superficie que abarca el lazo de histéresisrepresenta energía ya que dimensionalmente en el sistemaM.K.S. es el producto:

[Wb]⋅[A ][m2 ]⋅[m ]

=[V⋅seg ]⋅[A ]

[m3]=

[W⋅seg][m3]

=[J][m3 ]

lo cual es unidad de energía por unidad de volumen quese traduce en calor.

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9.5 Materiales magnéticos blandosLos materiales magnéticos blandos son fácilmente magnetizables y desmagnetizables.

El uso de estos materiales está centrado en núcleos paratransformadores, motores, generadores, equipos decomunicación de alta sensibilidad, etc.

Para entender mejor su funcionamiento debemos observarel ciclo de histéresis:

Presentan curvas de histéresis de apariencia estrechacon bajos campos coercitivos y alta saturación, teniendo por tanto altas permeabilidades magnéticas (().

Esto es debido a la presencia de pocas imperfecciones ydefectos que constituyen obstáculos al movimiento deparedes de los dominios magnéticos ó al giro de laimanación dentro de un dominio.

Pérdidas.MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 216

Pérdidas por histéresis: Son debidas a la disipación deenergía requerida para desplazar las paredes de losdominios magnéticos durante la imantación ydesimanación.

Estas pérdidas aumentan por la presencia de impurezas,imperfecciones, precipitados, dislocaciones, etc.; queactúan como barreras que impiden el desplazamiento delas paredes de dominios durante el ciclo de imanación.

El área encerrada por la curva de histéresis es una medida de la energía perdida debida a la histéresis magnética.

Perdidas por corrientes parásitas o corrientes de Foucault: Si se inducen corrientes eléctricas, producen perdidas al calentar el material por efecto Joule. Estaspérdidas son severas cuando opera a altas frecuencias. Se minimiza utilizando materiales con resistividades eléctricas elevadas.

Por esto los materiales cerámicos, son mejores que los metálicos.

Características:

• Imantación de saturación alta • Permeabilidad alta • Campo coercitivo pequeño • Remanencia pequeña • Ciclo de histéresis pequeño

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• Respuesta alta a campos magnéticos de alta frecuencia • Resistividad eléctrica alta.

9.6 Aceros laminadosEl acero que sale del horno alto de colada de lasiderurgia es convertido en acero bruto fundido enlingotes de gran peso y tamaño que posteriormente hayque laminar para poder convertir el acero en losmúltiples tipos de perfiles comerciales que existen deacuerdo al uso que vaya a darse del mismo.

El proceso de laminado consiste en calentar previamentelos lingotes de acero fundido a una temperatura quepermita la deformación del lingote por un proceso deestiramiento y desbaste que se produce en una cadena decilindros a presión llamado tren de laminación.Estos cilindros van conformando el perfil deseado hastaconseguir las medidas adecuadas. Las dimensiones delacero que se consigue no tienen tolerancias muyajustadas y por eso muchas veces a los productoslaminados hay que someterlos a fases de mecanizado paraajustar su tolerancia.

El tipo de perfil de las vigas de acero, y lascualidades que estas tengan, son determinantes a laelección para su aplicación y uso en la ingeniería yarquitectura. Entre sus propiedades están su forma operfil, su peso, particularidades y composición químicadel material con que fueron hechas, y su longitud.

Entre las secciones más conocidas y más comerciales, quese brinda según el reglamento que lo ampara, seencuentran los siguientes tipos de laminados, se

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enfatiza que el área transversal del laminado de aceroinfluye mucho en la resistencia que está sujeta porefecto de fuerzas.Todas las dimensiones de las secciones transversales delos perfiles están normalizadas de acuerdo con CódigoTécnico de la Edificación.

Ángulos estructurales L Es el producto de acero laminadoque se realiza en iguales que se ubicanequidistantemente en la sección transversal con lafinalidad de mantener una armonía de simetría, en ángulorecto.

Su uso está basado en la fabricación de estructuras paratechados de grandes luces, industria naval, plantasindustriales, almacenes, torres de transmisión,carrocerías, también para la construcción de puertas ydemás accesorios en la edificación de casas.Vigas HProducto de acero laminado que se crea en caliente, cuyasección tiene la forma de H. Existen diversas variantescomo el perfil IPN, el perfil IPE o el perfil HE, todasellas con forma regular y prismática. Se usa en lafabricación de elementos estructurales como vigas,pilares, cimbras metálicas, etc., sometidaspredominantemente a flexión o compresión y con torsióndespreciable.

Su uso es frecuente en la construcción de grandesedificios y sistemas estructurales de gran envergadura,así como en la fabricación de estructuras metálicas parapuentes, almacenes, edificaciones, barcos, etc...

Canales U

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Acero realizado en caliente mediante láminas, cuyasección tiene la forma de U. Son conocidas como perfilUPN. Sus usos incluyen la fabricación de estructurasmetálicas como vigas, viguetas, carrocerías, cerchas,canales, etc.

Perfiles TAl igual que en anterior su construcción es en calienteproducto de la unión de láminas. Estructuras metálicaspara construcción civil, torres de transmisión,carpintería metálica.

Barras redondas lisas y pulidasProducto laminado en caliente, de sección circular ysuperficie lisa, de conocimiento muy frecuente en elcampo de la venta de varillas. Sus usos incluyenestructuras metálicas como lo pueden ser puertas,ventanas, rejas, cercos, elementos de máquinas, ejes,pernos y tuercas por recalcado en caliente o mecanizado;pines, pasadores, etc.

PletinasProducto de acero laminado en caliente, de secciónrectangular. Entre sus usos está la fabricación deestructuras metálicas, puertas, ventanas, rejas, piezasforjadas, etc.

Barras cuadradasProducto realizado en caliente por láminas, su uso esmuy frecuente y muy conocido. Se usan en la fabricaciónde estructuras metálicas, puertas, ventanas, rejas,piezas forjadas, etc.

Barras hexagonalesDe igual manera que en los anteriores su composición es

de laminas producidasMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 220

en caliente, de sección hexagonal, y superficie lisa.

Generalmente se observa en la fabricación de elementos

de ensamblaje para, pernos, tuercas, ejes, pines,

chavetas, herramientas manuales como barretas, cinceles,

puntas, etc. Los cuales pueden ser sometidos a revenido

y a temple según sea el caso.

9.7 Materiales magnéticos durosLos materiales magnéticos duros se caracterizan por unaalta fuerzaCoercitiva Hc y una alta inducción magnética remanenteBr; de este modo, los ciclos de histéresis de estosmateriales son anchos y altos, figura 4.7.b. La tabla4.3 resume los materiales magnéticos duros comúnmenteutilizados y sus propiedades más relevantes. Estosmateriales se imanan en un campo magnético losuficientemente fuerte como para orientar sus dominiosmagnéticos en la dirección del campo aplicado. Una partede la energía aplicada del campo se convierte en energíapotencial que se almacena en el imán permanenteproducido. Un imán permanente, por consiguiente, seencuentra en un estado de energía relativamente alto,comparado con un imán que no está imanado. Losmateriales magnéticos duros son difíciles de desimanar,una vez imanados debido básicamente a sus altasconstantes de anisotropía cristalina y a defectos queimposibilitan el movimiento de las paredes de dominio.Para comparar las fuerzas de los imanes permanentes seescoge el cuadrante izquierdo superior de la curva dehistéresis, y a partir de ella se calcula el productoenergético máximo, (BH)máx , que es el máximo valor delproducto de B por H. Este producto es una medida de laenergía potencial magnética de un material magnético

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duro por unidad de volumen y teóricamente se demuestraque no puede superar el valor 2 / 2

0 s m M. Por tanto, y con el objetivo de maximizar el producto energético máximo es interesante trabajar con materiales de alta imanación de saturación.

9.8 FerritasSon materiales cerámicos ferrimagnéticos que se preparanmezclando óxidode hierro (Fe2O3) con otros óxidos y carbonatos en forma depolvo. Los polvos son posteriormente prensados y sinterizadosa elevadas temperaturas. Las imanaciones de las ferritas sonlo suficientemente altas como para tener un valor comercial,pero su saturación magnética no es tan elevada como laproducida por materiales ferromagnéticos. Las ferritas tienenestructura de dominios y las curvas de histéresis sonparecidas a las de los materiales ferromagnéticos. Comoéstos, las ferritas también se dividen en blandas y duras.

Ferritas magnéticamente blandas. Tienen la composiciónMOFe2O3 (M = Fe2+,Mn2+, Zn2+) con estructura de espinela inversa, variante de laestructura cristalina del mineral espinela (MgOAl2O3).Presentan imanaciónes de saturación elevadas aunque menor queen los materiales ferromagnéticos. Cabe destacar su altaresistividad eléctrica siendo prácticamente aislantes. Estomotiva bajas pérdidas de energía por corrientes parásitas,

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factor importante por ejemplo en aplicaciones a altasfrecuencias. Sus aplicaciones más importantes son en bajaseñal transformadores e inductores de baja energía, núcleosde memoria, cabezas de grabación, por ejemplos espinelas Mn-Zn y Ni-Zn, aparatos audiovisuales, transformadores de líneasó bobinas de convergencia para televisión.

Ferritas magnéticamente duras. Su fórmula general esMO6Fe2O3 (M = Ba2+,Sr2+) con estructura cristalina hexagonal. Estos materialespresentan una gran coercitivadad y una elevada anisotropíamagnetocristalina. Encuentra aplicaciones en generadores,servomotores y motores, aplicaciones electrónicas tales comoimanes para auriculares y timbres de teléfonos y receptores,dispositivos de retención de puertas, precintos y pestillos óen el diseños de juguetes.

Ejemplo deFerrita

9.9 Aceros electromagnéticosEl acero eléctrico, también llamado acero magnético,acero al silicio, o acero para transformadores, es un

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acero especial fabricado para poseer determinadaspropiedades magnéticas, tales como una zona dehistéresis pequeña (poca disipación de energía porciclo), que equivale a bajas pérdidas en el núcleo y unaalta permeabilidad magnética.

El material se fabrica habitualmente en forma de chapaslaminadas en frío de 2 mm de espesor o menos. Estaschapas se apilan y una vez reunidas, forman los núcleosde transformadores o de estatores y rotores de motoreseléctricos. Las láminas se pueden cortar a su formafinal mediante troquelado; para cantidades pequeñas, elmaterial se puede cortar con láser o por electroerosión.

El acero eléctrico es una aleación de hierro con uncontenido de silicio que varía de cero a 6,5% (Si:5Fe).El silicio aumenta significativamente la resistenciaeléctrica del acero, lo que disminuye las corrientes deFoucault inducidas por el campo magnético y por lo tantoreduce las pérdidas en el núcleo. Se pueden añadirtambién manganeso y aluminio hasta en una proporción de0,5%.

Sin embargo, la estructura del grano así logrado aumentatanto la dureza como la fragilidad del metal, lo cualtrae desventajas durante la laminación. Durante elproceso de aleación, los niveles de concentración decarbono, azufre, oxígeno y nitrógeno deben mantenersebajos, ya que estos elementos elevan la presencia decarburos, sulfuros, óxidos y nitruros. La presencia deestos compuestos, aun en partículas tan pequeñas como unmicrómetro de diámetro, aumenta las pérdidas porhistéresis mientras que reduce la permeabilidadmagnética. El carbono tiene un efecto más perjudicialque el azufre y el oxígeno, pues provoca una gradualreducción de las propiedades magnéticas al precipitar en

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forma de carburos, lo que a su vez resulta en un aumentode las pérdidas en el material.

Por estas razones, el nivel de carbono se debe manteneren 0,005% o menos. Para reducirlo, se puede recocer elacero en un ambiente descarbonizante, por ejemplo, ricoen hidrógeno.

Hay dos tipos principales de acero eléctrico: con granoorientado y no orientado.Los aceros eléctricos de grano orientado normalmentetienen un nivel de 3% de silicio (Si: 11Fe). Esprocesado de tal manera que las propiedades óptimas sedesarrollan en la dirección de la laminación, debido aun control estricto de la orientación de los cristalescon respecto a la lámina. Debido a la orientaciónespecial, la densidad de flujo magnético se incrementaen un 30% en la dirección de laminación, aunque su puntode saturación magnética se reduce en un 5%. Se utilizapara fabricar núcleos de transformadores de altaeficiencia y electroimanes.

El acero eléctrico no orientado por lo general tiene unnivel de silicio de 2 a 3,5% y tiene propiedadesmagnéticas isotrópicas, esto es, similares en todas lasdirecciones, por lo cual es menos costoso y es apropiadopara su utilización en aplicaciones donde la direccióndel flujo magnético no es rectilínea, mayormente enconstrucciones con simetría cilíndrica (máquinaseléctricas rotantes). También se utiliza cuando laeficiencia es menos importante o cuando la geometría deconstrucción no deja espacio suficiente para alinearapropiadamente los componentes y así aprovechar laspropiedades anisotrópicas de las chapas eléctricas degrano orientado.

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Propiedades magnéticasLas propiedades magnéticas del acero eléctrico dependendel tratamiento térmico, puesto que el aumento deltamaño medio de los cristales disminuye las pérdidas porhistéresis. Las pérdidas por histéresis se determinanmediante una prueba estándar y para los gradoscomunmente disponibles de acero eléctrico, pueden variarde 2 a 10 vatios por kilogramo para una frecuencia de 60Hz y un flujo magnético de 1,5 Tesla.

Existen también aceros eléctricos semielaborados, loscuales son entregados en un estado tal que, después dedarle a las chapas la forma final mediante troquelado,un posterior y último tratamiento térmico desarrolla eltamaño de grano deseado de 150 micrómetros. Los acerostotalmente elaborados generalmente se entregan conrevestimiento aislante, tratamiento térmico completo, ypropiedades magnéticas definidas, para aplicacionesdonde la operación de troquelado no degradasignificativamente las propiedades del material.

Una curvatura excesiva, un tratamiento térmicoincorrecto, o incluso una manipulación o almacenajeincorrectos del acero pueden afectar negativamente a laspropiedades magnéticas y aumentar el ruido debido a lamagnetostricción.

9.10 Aleaciones magnéticas Aleación hierro-silicioEs una de las aleaciones más utilizadas como materialmagnético blando, ya que soluciona en gran parte laspérdidas por histéresis y las corrientes parasitarias, yes menor la inducción por saturación y la temperatura deCurie, todo ello gracias al silicio. La proporción deMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 226

este no puede superar el 4% debido a que a partir deentonces la ductilidad comienza a disminuir. Se sueleutilizar en la fabricación de transformadores, apilandoláminas de hierro-silicio con una capa de aislante entreellas. Dichas láminas tienen la particularidad de tenerlos granos orientados para tener menos pérdidas.

Aleaciones niquel-hierroEstos materiales magnéticos blandos se emplean comosustituto de la aleación hierro-silicio en aplicacionesque se necesite una permeabilidad relativamente altapara campos bajos. Existen dos tipos: con 50% de níquel,con moderada permeabilidad y alta inducción desaturación; y con 79% de níquel con alta permeabilidad ymenor inducción de saturación. Estas aleaciones tienenpermeabilidades altas porque sus energías de anisotropíamagnética y de magnetostricción son pequeñas. Se suelenemplear en transformadores de instrumentación, relés deinstrumentación y para laminados de rotores y estatores.

Aleaciones de alnicoEl alnico es uno de los materiales magnéticos duroscomercialmente más importantes. Tienen una alta energíaproducto (40 a 70 kJ/m3), una alta inducción deremanente (0,7 a 1,35 T) y un moderado campo coercitivo(40 a 160 kA/m). Este tipo de aleaciones se obtienen apartir del hierro con adición de Aluminio, Níquel yCobalto más un 3% de Cobre aunque también se le puedeañadir Titanio. Este tipo de material es quebradizo ypara su elaboración se funde para posteriormenterecurrir a procesos de metalurgia de polvo. Su finalidadprincipal es la producción de grandes cantidades depequeños artículos de formas complejas.

Aleaciones de tierras raras

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Los imanes de aleaciones de tierras raras tienenpropiedades superiores a cualquier otro materialmagnético comercial. Su energía producto alcanza valoresde 240kJ/m3 y las coercitividades rondan los 3200kA/m.Hay dos grupos principales de materiales magnéticos detierras raras: uno es la monofase SmCo5 y el otro sonlas aleaciones endurecidas por precipitación decomposición aproximada Sm(Co,Cu)7,5 . Los imanes de monofase SmCo5 tienen un mecanismo decoercitividad basado en la nucleación y fijación de lasparedes del dominio en las superficies y fronteras degrano. Se trabajan mediante procesos de metalurgia depolvo utilizando partículas finas. Durante lacompactación las partículas se alineen por la acción delcampo magnético y posteriormente son sinterizados paraevitar el crecimiento de las partículas. Los valores dela energía producto son de entre 130 y 160 kJ/m3.En el endurecimiento por precipitación de la aleación deSm (Co,Cu)7,5,parte del cobalto es sustituido por elCobre en el SmCo5 por medio de un fino precipitado a unatemperatura de envejecimiento de unos 400º C. Elprecipitado formado es coherente con la estructuraanterior y se basa en la fijación homogénea de lasparedes del dominio de las partículas precipitadas. Aligual que el anterior se recurre a métodos de metalurgiade polvos para su conformación. Los valores típicos dela energía producto en una aleaciónSm(Co0,68Cu0,10Fe0,21 Zr0,01)7,4 son de 240Kj/m3 y de1,1 T de inducción remanente. Los imanes de Sm-Co se utilizan en dispositivos médicostales como los pequeños motores de bombas implantables yválvulas, en relojes de muñeca, tubos de onda progresivay en motores y generadores de corriente continúasíncronos.

Aleaciones magnéticas de neodimio-hierro-boroMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 228

El descubrimiento de este tipo de material es muyreciente, hacia 1984. Su energía producto, alrededor de300kJ/m3, es una de las mayores entre los materialesmagnéticos. Se producen mediante metalurgia de polvo,solidificando rápidamente mediante cintas de hiladofundido. La alta coercitividad y energía producto deeste material son resultado de una nucleación inversa delos dominios magnéticos que habitualmente nuclean en lasfronteras de grano de las matrices de los granos. Se emplean en motores eléctricos, en especial en losmotores de arranque de automóviles, gracias a ser máspotente que otros materiales.

Aleaciones magnéticas de hierro-cromo-cobaltoEstas aleaciones son similares a las de alnico enestructura metalúrgica y propiedades magnéticaspermanentes, pero poseen como ventaja que pueden serconformables en frío. La composición típica de estaestructura guarda la siguiente proporción: 61% dehierro, 28% de cromo y 11% de Cobalto. Los valores delas propiedades magnéticas son de 1,0T a 1,3T deinducción remanente, de 150 A/cm a 600 A/cm decoercitividad y de 10kJ/m3 a 45kJ /m3. Se emplean enimanes permanentes para receptores telefónicos.

9.11 Aceros especialesAcero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), conun máximo de hasta 2.5% C.

Las propiedades del acero pueden ser mejoradas, mediantela adición de elementos como: cromo (Cr), níquel(Ni),molibdeno (Mo), vanadio (V), tungsteno (W), cobalto(Co), manganeso (Mn),entre otros. Al adicionar estoselementos, el acero se denominará “aleado”.MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 229

ACERO AL CARBONO: Fe + CMn – Si son elementos presentes en el acero comodesoxidantes.

ACEROS ALEADOS: Fe + C + elementos aleantesEj. Un acero inoxidable del tipo 304, posee en sucomposición química aparte del Fe y C, porcentajesimportantes de cromo y níquel que le dan el carácter deinoxidable. Esta adición de Cr y Ni, han cambiadonotablemente las características del material base y lasdiferencias físicas y mecánicas son evidentes.

Los elementos aislantes pueden darle al acerocaracterísticas como: resistencia al desgaste,tenacidad, resistencia mecánica, inoxidabilidad, dureza,etc.

En nuestro medio podemos decir que la resistencia aldesgaste, dureza y tenacidad va ligada a aceros gradoherramienta y para ellos debemos usar un artificio detratamiento térmico.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS son operaciones decalentamiento y enfriamiento, a temperaturas ycondiciones controladas, a las que se somete al aceropara poderlo utilizar.

Los principales tratamientos térmicos son:

- TEMPLE- CEMENTACIÓN- NITRURACIÓN- RECOCIDOS

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TEMPLE El temple tiene como objetivo el endurecimiento delacero en toda la sección. Dureza se requiere por ejem.en aplicaciones de aceros grado herramienta, en dondecon ella, vamos a tener resistencia al desgaste enoperaciones de trabajo en frío u operaciones con moldesde plástico o trabajo en caliente, principalmente.

El temple es una operación de calentamiento,mantenimiento y enfriamiento brusco.

La temperatura de temple es propia de cada acero, porej.: DF2 (790-850 ºC) y XW5 (940-980ºC). Así mismo elenfriamiento se deberá hacer en el medio que elfabricante sugiere como aceite, agua, sales, al aire,etc. Se debe tomar exactamente el medio adecuado, casocontrario tenemos el riesgo de no lograr durezasadecuadas o fisurar el material. Esta información estáen el catálogo de aceros de IBCA.

DUREZALa dureza que se obtiene se mide en diferentes escalas,recordando que dureza es la característica de losmateriales a no dejarse rayar o penetrarse por otros.Dos son las escalas más usadas: Dureza Brinell y DurezaRockwell.

Normalmente se habla de dureza Brinell (HB) paramateriales que no tienen altas durezas y de Rockwell C(HRC) para materiales muy duros. Puede haberequivalencias entre HRC y HB, así como la hay entremilímetros y pulgadas, para saberlo debemos recurrir a

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tablas de equivalencia como laque se maneja en elcatálogo de aceros de IBCA.

REVENIDO EN EL ACERORevenido es una operación de calentamiento a unatemperatura controlada, con la finalidad de disminuir ladureza excesiva del material, darle tenacidad yconseguir la dureza que se requiere para la aplicación.

Para determinar la temperatura a la cual debemos elevaral acero, el fabricante ha hecho varios ensayos que segrafican en curvas y que permiten al templador, en formaexacta disponer de la temperatura que utilizará.Para ej. tenemos la siguiente curva del acero DF2.

CEMENTACIÓNPersigue un objetivo similar al temple, que es elendurecimiento, pero en este caso no se realiza en todala sección del material, sino en una capa superficial

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que no supera 1 mm de espesor. Se aplica a aceros quetienen ≤0.20 %C, como nuestros aceros 7210, 147-My 1018.

La cementación se da por difusión de carbono en lasuperficie del acero y esto se da en medios sólidos comoel carbón vegetal, líquido como las sales de cianuro ygaseoso como el uso de gas propano (tecnología deDETESA).El proceso se da por el calentamiento a latemperatura de cementación o carburización (donde sedifunde el carbono). Posteriormente se procede a hacerel enfriamiento en el medio que indica el fabricante.

Revenido se hace inmediatamente, para eliminar la durezaexcesiva y darle más tenacidad. Aplicable en piñonería,pines, bocines o generalmente en piezas duras demaquinaria. La cementación finalmente tiene dureza en lasuperficie del material y un núcleo tenaz. En aceroscomo nuestro 7210 o 147-M se pueden lograr durezas de58-60 HRC.

NITRURACIÓNSimilar a la cementación, se logra un endurecimientosuperficial, pero de capa mucho más delgada (0.3-0.4mm). La condición es que el acero debe estar pretemplado (como nuestros 705 o 709). Los aceros debentener por lo menos Cr-Al-Mo en su composición química ylos aceros que pueden nitrurarse son XW5, XW41, 8407,705, 709 y 718. La capa nitrurada puede ser dardiferentes durezas dependiendo del tipo de acero, porej. aceros como 8407, XW41 o XW5 pueden lograr durezassuperiores a 65 HRC. 705, 709, 718 puede lograr comomáximo 54 HRC.

Los aceros inoxidables no deben nitrurarse, ya quepierden resistencia a la corrosión. Los materiales que

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no están en el grupo de nitrurables, no logran efecto deendurecimiento.

RECOCIDOSNormalmente su objetivo es ablandamiento, pero ciertostipos son aplicables para alivios de tensiones: Elrecocido como tal sirve para el ablandamiento de losaceros que por algún motivo están endurecidos y serequiere dejarlos en baja dureza para por ej. unaoperación de mecanizado.

Posterior se puede volver a hacer un tratamiento deendurecimiento, pero una Planta como DETESA no podrá dargarantía ya que los materiales que son continuamentecalentados tienden a sufrir fatiga térmica y puede haberproblemas de fisuras o deformaciones. El recocido dealivio de tensiones se usa como su nombre indica, paraaliviar las tensiones producidas por:

1. Mecanizado: cuando se desbasta más del 30% delmaterial en bruto. Tiene como objetivo de que alrealizarlo se presentarán las deformaciones, previo a laoperación final de mecanizado, así:- Mecanizado de desbaste- Alivio de tensiones- Mecanizado de acabado + tolerancia para absorber lasdeformaciones producidas por el tratamiento térmico- Tratamiento térmico- Rectificado, el cual se puede realizar debido a latolerancia que se dejó previo tratamiento térmico- Puesta en producción

Nota recordatoria: Para lo que es nitruración gaseosa,se sugiere en forma obligatoria que se haga un alivio detensiones, previo a dejar la medida final, caso

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contrario a la temperatura de nitruración se presentarándeformaciones.

2. Por operación de soldadura: Cuando se suelda un aceroespecial, se debe homogenizar la estructura afectada porel calor, para evitar fragilidad y baja resistenciamecánica ante una carga elevada.

UNIDAD 10

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MATERIALES SUPERCONDUCTORES

(SUPERCONDUCTIVIDAD)

10.1 Características fundamentalesUn material superconductor es aquel que no presentaresistencia eléctrica alguna, los materialessuperconductores que se conocen actualmente estánenfriados a temperaturas bajísimas, creo que la más altaque se conoce está a los 64 grados Kelvin lo cual es

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todavía muy baja, es por eso que no se usan enelectrónica, debido a que deben estar a estastemperaturas.

La CONDUCTIVIDAD eléctrica de un material, yespecíficamente de un metal, es una propiedad de lamateria que palpamos cotidianamente. En efecto, cuandoconectamos cualquier aparato eléctrico, un radio, untostador, la plancha o encendemos la luz, permitimos quela corriente eléctrica fluya a través de los cables quetiene el aparato. Los cables se fabrican por lo común deun metal rojizo que en realidad es una aleación con unalto contenido de cobre. Se usa cobre porque es buenconductor de la corriente eléctrica. También el oro y laplata son buenos conductores, pero demasiado costosospara utilizarlos comercialmente. Pero tomemos al cobrecomo ejemplo de buen conductor. ¿Cuál es lacaracterística de este metal que le permite conducirfácilmente la corriente eléctrica? Recordemos que laestructura de elementos metálicos como el cobre, laplata, el aluminio, etc., permite la existencia deelectrones que no están firmemente ligados a los núcleosde los átomos metálicos. Estos electrones puedenvisualizarse como si estuvieran brincando o inmigrandode un átomo a otro del metal y, por lo tanto, ocupan unvolumen mayor que el de los electrones firmementeligados a los núcleos.

Así pues, cuando un trozo de metal se somete a unadiferencia de potencial eléctrico los electrones queentran al metal por la terminal negativa producen undesplazamiento o corriente de los electrones nolocalizados, de manera que por cada carga que entra alconductor una cantidad equivalente sale por la terminalpositiva. Esto produce la imagen de que existe un flujode carga eléctrica a través del metal y eso es lo que

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comúnmente denominamos corriente eléctrica. Sin embargo,este desplazamiento de cargas no ocurre libremente.

Los electrones no localizados encuentran obstáculos ensu camino que son los propios núcleos del metal, juntocon los electrones fuertemente ligados a ellos. Laresistencia que oponen los núcleos al paso de loselectrones no localizados se manifiesta en el hecho deque, al fluir los primeros, el metal se calienta. Siquisiéramos visualizar este fenómeno de una manera mássimple, podríamos imaginar a los núcleos metálicos,mucho más masivos que los electrones, como un conjuntode obstáculos rígidos dispuestos de manera regular en elespacio. Los electrones no localizados, al serimpulsados por la diferencia de potencial externo,tratan de pasar a través de ellos sufriendo infinidad dechoques.

En cada choque, el electrón cede parte de su energíacinética al núcleo que vibra como un resorte alrededorde su posición. Estas vibraciones reflejan la energíaperdida por las colisiones de los electrones con losnúcleos y se manifiestan en forma de calor. Nosotros lospercibimos al notar que al paso de la corriente el metalse calienta.

Esta descripción sugiere entonces que, si enfriamos losconductores metálicos, el paso de los electrones nolocalizados entre los núcleos encontrará menosresistencia y por consiguiente fluirán con mayoragilidad. Y en efecto, esta propiedad se corrobora en ellaboratorio. La conductividad de un metal aumenta sidisminuimos la temperatura. También nos podemospreguntar si esta disminución tiene un límite, esto es,si debajo de una cierta temperatura la resistencia queopone el metal al paso de la corriente, o sea de loselectrones no localizados, ya no disminuye.

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Estas cuestiones constituían un continuo dolor de cabezapara los físicos teóricos a fines del siglo pasado.Dentro del esquema de la física clásica, imaginar lacorriente eléctrica como causada por el flujo de un "gasde electrones" a través de una malla formada por losnúcleos fijos en sus posiciones, era atractivo. Noobstante su simplicidad, tal planteamiento esincorrecto. En efecto, considerando el metal como unconjunto de electrones y de núcleos, de acuerdo con lateoría cinética de la materia, la inercia térmica delmetal, esto es, su capacidad calorífica, debía tener uncierto valor que no concordaba con el experimental. Porotra parte, la conductividad eléctrica misma, definidacomo la capacidad del metal para dejar pasar loselectrones resulta ser, a temperaturas normales, 20°C,inversamente proporcional a la temperatura, en tanto queeste modelo, el gas de electrones, predecía que deberíavariar como uno entre la raíz cuadrada de latemperatura.

La situación aquí descrita era la que prevalecía en1905-1911. Para entonces, el gran físico holandés H.Kamerlingh Onnes ya había revolucionado la tecnología delas bajas temperaturas y en 1908 había logrado licuar elgas helio alcanzando la temperatura récord de -267.8° Cen el laboratorio. Instigado por la curiosidad deaveriguar si en efecto la conductividad de los metalesdecrecía sin límites con la temperatura, en 1911 dio aconocer a la comunidad científica un descubrimientosorprendente. Usando mercurio para sus experimentos,encontró que la resistencia eléctrica del metal medidaen ohmios caía prácticamente a un valor igual a cero pordebajo de una temperatura aproximadamente igual a 4.2 K(Figura 36).

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Figura 36. Se ilustra el flujo de electrones (círculos blancos) a través de unamalla cristalina. Los iones pesados (círculos negros) actúan como "centros

disipadores". La corriente eléctrica es el desplazamiento efectivo de loselectrones durante un tiempo dado.

Este descubrimiento sorprendente marcó el inicio de todauna rama de la física de bajas temperaturas conocidaahora como superconductividad.

La propiedad que encontró Onnes en el mercurio se halogrado verificar hasta hoy en día en más de la mitad delos metales conocidos. Estos incluyen los llamadosmetales simples, aluminio, galio, indio y talio, estaño,plomo y, también, un grupo grande de los llamadosmetales de transición, que incluyen al titanio, vanadio,zirconio, niobio, molibdeno y otros conocidos comotierras raras.

Curiosamente, no existen metales superconductoresmonovalentes ni tampoco hexavalentes. Para cada uno delos metales señalados existe una temperaturacaracterística a la cual el valor residual de laresistencia eléctrica se hace cero. Para el mercurio esde 4.26 K. El niobio exhibe la más alta entre losmetales puros, 9.2 K. A esta temperatura característica

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de cada metal se le conoce como temperatura detransición.

La transición superconductiva ocurre dentro de unintervalo de .001 K alrededor de la temperatura detransición, razón por la cual se puede medir con muchaprecisión.

Pero la superconductividad no es sólo una propiedadcaracterística de algunos metales. Hoy en día se conocenmás de mil aleaciones y otros compuestos que exhibenesta propiedad. La temperatura de transición esusualmente mayor que para los metales puros. Algunosejemplos están dados en la tabla 1.

TABLA 1. Algunas aleaciones superconductoras

Aleación Temperatura de transición

Nb3-Ge 23.3 Nb3Sn 18.07Nb3Al 18.0NbSn 17.91V3Si 16.3V3Ga 15.3Nb-N 16

Además de la importancia que tiene la influencia delcampo magnético en las propiedades de lossuperconductores a través del efecto Meissner-Ochsenfeld, existen otras propiedades magnéticas que

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conviene mencionar. Si un superconductor que seencuentra a una temperatura menor que su temperatura detransición se somete a la acción de un campo magnético,existe un valor de dicho campo para el cual la propiedadsuperconductora desaparece. Al valor del campo en elcual esto ocurre se le conoce como el valor crítico delcampo o simplemente campo crítico. Se ha encontradoexperimental y teóricamente que dicho campo crítico sólodepende de la temperatura. Cuando ésta tiende a ser cadavez más baja, el valor del campo tiende a un valormáximo (Figura 39).

Figura 39. Se muestra el efecto de la superconductividad en un campomagnético. Una esfera de material ferromagnético (círculo izquierdo)concentra las líneas de fuerza del campo, mientras que una de materialsuperconductor (círculo derecho) expele el campo.

En 1956 el físico norteamericano H. W. Lewis descubrióque, para un conjunto de sustancias, algunas de ellassiendo metales con bajo punto de fusión y otras quetengan propiedades electrónicas semejantes a dichosmetales, existe una relación común que vincula el campocrítico a la temperatura cero, con la temperatura detransición. En general, estos superconductores, llamadossuaves, y todos los demás metales de transición que sonsuperconductores, tienen otras propiedades en común, porejemplo la misma longitud de penetración del campo

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magnético. Y aunque sólo los primeros, esto es lossuaves, muestran la relación empírica entre el campocrítico y la temperatura de transición por la similitudde otras propiedades se les conoce como superconductoresde tipo I.

Pero existen otros tipos de superconductores cuyascaracterísticas y propiedades son muy técnicas o bienson aún desconocidas para listar aquí. Y, curiosamente,estos superconductores son los que tienen la mayoraplicación en la práctica. Entre ellos están losllamados superconductores del tipo II que puedenformarse haciendo aleaciones de películas delgadas,formando compuestos con estos superconductores y deotras maneras diferentes.

La característica esencial de este tipo desuperconductores puede entenderse si recurrimos de nuevoal modelo simple de la conductividad metálica que hemosexpresado con base en el movimiento de los electrones nolocalizados por la malla metálica. Cuando un electrón nolocalizado viaja por dicha latiz, choca con los núcleosmetálicos fijos en los sitios de la malla. Si medimoscuál es la distancia promedio que recorre el electrónentre dos colisiones sucesivas, después de numerosascolisiones, se obtiene lo que se conoce como latrayectoria libre media. Claramente, esta cantidad tienedimensiones de longitud, al igual que la longitud por lacual penetra el campo magnético en el experimento deMeissner-Ochsenfeld. Una característica común a todoslos superconductores del tipo 1 es que la longitud depenetración del campo magnético (que es del orden de 10-6

cm) es mucho menor que la trayectoria libre media (quees del orden de 10-4 cm). En los superconductores deltipo II ocurre lo contrario y esto tiene comoconsecuencia que la forma en que ocurre la transiciónsuperconductiva, cuando un campo magnético estáMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 243

presente, difiere radicalmente del comportamiento queobedecen los superconductores del tipo I.

Si volvemos por un momento a la figura 39 veremos que latransición de un metal de su fase normal nosuperconductora a la fase superconductora, a unatemperatura dada, ocurre para uno y sólo un valor delcampo magnético crítico. La transición de fase, como lomuestra también la figura 35 es una transición súbita.En un superconductor del tipo II existe toda una gama devalores del campo magnético para los cuales el materiales simultáneamente superconductor y metal normal (Figura40). En esta región, llamada fase mixta, el materialpuede ser portador de una corriente eléctrica sinresistencia y, además, permanecer como tal aun si setrata de campos magnéticos grandes. Así se hanconstruido superconductores que, una vez que seestablece en ellos una corriente de 20 a 30 amperios,pueden generar campos magnéticos enormes sin requerirpara ello de energía alguna.

Figura 40. El comportamiento del campo magnético crítico para unsuperconductor I como función de la temperatura.

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10.2 Tipos de superconductores

Los superconductores se pueden clasificar en función de:

Su comportamiento físico, pueden ser de tipo I (conun cambio brusco de una fase a otra, o en otraspalabras, si sufre un cambio de fase de primerorden) o de tipo II (si pasan por un estado mixto enque conviven ambas fases, o dicho de otro modo, sisufre un cambio de fase de segundo orden).

La teoría que los explica, llamándose convencionales(si son explicados por la teoría BCS) o noconvencionales (en caso contrario).

Su temperatura crítica, siendo de alta temperatura(generalmente se llaman así si se puede alcanzar suestado conductor enfriándolos con nitrógeno líquido,es decir, si Tc > 77K), o de baja temperatura (si noes así).

El material de que están hechos, pudiendo serelementos puros (como el mercurio o el plomo),superconductores orgánicos (si están en forma defulerenos o nanotubos, lo cual los podría incluir encierto modo entre los elementos puros, ya que estánhechos de carbono), cerámicas (entre las quedestacan las del grupo YBCO y el diboruro demagnesio) o aleaciones.

10.3 Campos y densidades criticas

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Comportamiento eléctrico

La aparición del superdiamagnetismo es debida a lacapacidad del material de crear supercorrientes. Éstasson corrientes de electrones que no disipan energía, demanera que se pueden mantener eternamente sin obedecerel Efecto Joule de pérdida de energía por generación decalor. Las corrientes crean el intenso campo magnéticonecesario para sustentar el efecto Meissner. Estasmismas corrientes permiten transmitir energía sin gastoenergético, lo que representa el efecto más espectacularde este tipo de materiales. Debido a que la cantidad deelectrones superconductores es finita, la cantidad decorriente que puede soportar el material es limitada.Por tanto, existe una corriente crítica a partir de lacual el material deja de ser superconductor y comienza adisipar energía.En los superconductores de tipo II, laaparición de fluxones provoca que, incluso paracorrientes inferiores a la crítica, se detecte unacierta disipación de energía debida al choque de losvórtices con los átomos de la red.

Calor específico

En los metales el calor específico es una función de latemperatura. Cuando la temperatura es muy baja, pero elmetal está en el estado normal (es decir, cuando aún noestá en estado superconductor) el calor específico tienela forma

donde a y b son constantes que se pueden medir medianteexperimentos. El primer término (el término lineal)refleja la conducción eléctrica, mientras que el segundotérmino (el que varía con el cubo de la temperatura) se

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debe a los fonones (es decir, a las vibraciones de lared).

Sin embargo, si seguimos enfriando y el metal pasa alestado superconductor, este comportamiento cambiaradicalmente: el calor específico tiene unadiscontinuidad en la temperatura crítica, aumentandosensiblemente, para después variar de la forma

La siguiente gráfica muestra la dependencia del calorespecífico recién explicada (de color azul), y,adicionalmente, muestra cómo varía la resistividad (decolor verde):

Nótese como el calor específico aumenta bruscamente a unvalor igual a unas 2.5 veces el valor en el estadonormal. Este valor es independiente del materialsuperconductor, y está explicado en el marco de lateoría BCS.MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 247

10.4 Propiedades magnéticas de los Superconductores

Comportamiento magnético

Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores esla ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir quese trate de un material de conductividad infinita, ya que estetipo de material por sí sólo no tiene sentido termodinámico. Enrealidad un material superconductor de tipo I es perfectamentediamagnético. Esto hace que no permita que penetre el campo, loque se conoce como efecto Meissner.

El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los detipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnéticoexterno (lo cual conlleva un esfuerzo energético alto, e implicala ruptura brusca del estado superconductor si se supera latemperatura crítica), y los de tipo II, que son superconductoresimperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra através de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices deAbrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son dehecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev DavidovichLandau y Aleksey Alekséyevich Abrikósov.

Cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campomagnético externo débil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos,el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices paradisminuir su energía. Éstos van aumentando en número colocándoseen redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicasadecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el número dedefectos es tan alto que el material deja de ser superconductor.Éste es el campo crítico que hace que un material deje de sersuperconductor y que depende de la temperatura.

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10.5 Superconductores duros y blandosSUPERCONDUCTORES BLANDOS

Los superconductores de tipo 1 o superconductoresblandos son superconductores que en presencia de uncampo magnético establecen corrientes superficiales queimpiden que dicho campo penetre en el material; estefenómeno se conoce como efecto Meissner.

Fueron los primeros superconductores en serdescubiertos, y su comportamiento está ampliamenteexplicado dentro del marco de la teoría BCS, propuestaen 1957.

Propiedades

Todos ellos son elementos puros (si bien no quieredecir que todos los elementos puros sean de estetipo), como el aluminio, el mercurio (que fue elprimer superconductor que se identificó) o el plomo.

Tienen una única temperatura crítica Tc por encimade la cual dejan de comportarse como tales de manerabrusca, y por lo tanto empiezan a tener resistenciaeléctrica, en contraposición a los superconductoresde tipo II (los cuales tienen dos temperaturascríticas, entre las cuales se hallan mezclados elestado superconductor y el estado normal). El cambioes tan brusco que, por ejemplo, en el caso del galiosucede en un intervalo de temperatura de 2·10-5 K.1

Su temperatura crítica es muy baja, no superior alos 7 Kelvins (que es el caso del plomo en ausenciade campos magnéticos).

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Tienen un único campo magnético crítico Hc.

La magnetización de la muestra aumenta según aumentael campo magnético externo para contrarrestarlo yque en el interior dicho campo sea nulo, lo que dalugar al efecto Meissner; en cuanto se alcanza elcampo magnético crítico, la magnetización caebruscamente a cero.

El campo magnético crítico es relativamente bajo,por lo general no superior a los 0.2 Teslas, si loscomparamos con los superconductores de tipo II (quepueden ser cientos de veces superiores).

El parámetro de Ginzburg-Landau es (y por logeneral ), lo que significa que la longitud depenetración es mucho menor que la longitud decoherencia de Ginzburg-Landau.

Todos ellos son a su vez superconductoresconvencionales, es decir, se pueden explicarmediante la teoría BCS (por el contrario, sólo unospocos superconductores de tipo II sonconvencionales).

SUPERCONDUCTORES DUROS

Superconductores tipo ii o superconductores duros. Estospresentan propiedades magnéticas muy diferentes a losdel Tipo I que ya hemos analizado.

Los superconductores de tipo II son aquellos materialesque en lugar de pasar bruscamente del estadosuperconductor al estado normal (como sí hacen los detipo I), van gradualmente de uno a otro.

El primer superconductor de este tipo fue descubierto en1930 por Wander Johannes de Haas y J. Voogd, aunque noMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 250

se pudo reconocer como tal hasta el descubrimiento delefecto Meissner.

PROPIEDADES:

Grupo heterogéneo: al contrario que los de tipo I(que son todos elementos puros), lossuperconductores de este tipo son un grupoheterogéneo: pueden ser aleaciones, cerámicas oelementos puros; entre estos últimos encontramos tansólo cuatro: el carbono (pero sólo los fulerenos ylos nanotubos, pues cuando se encuentra en forma dediamante o grafito nunca alcanza el estadosuperconductor), el niobio, el tecnecio y elvanadio.

Dos temperaturas críticas: si no aplicamos ningúncampo magnético vemos que hay un intervalo detemperaturas, entre Tc1 y Tc2, en el que el materialestá en un estado mixto (también conocido como fasede Shubnikov, por Lev Shubnikov) en el que convivenel estado superconductor y el normal (mientras queen los superconductores de tipo I el paso de unestado a otro es discontinuo). Si vamos aumentandoel campo magnético, estas dos temperaturas vansiendo cada vez más bajas, y si es el campo es losuficientemente grande, el material no es conductorni siquiera en el cero absoluto.

Dos campos magnéticos críticos: por otro lado, sifijamos la temperatura cuando la sustancia está enestado superconductor y aplicamos un campomagnético, encontramos una situación parecida: apartir de un cierto valor Hc1 el campo comienza apoder penetrar el material, y si lo aumentamos hastaun valor Hc2 el estado superconductor desaparece porcompleto.

La magnetización aumenta según aumenta el campomagnético externo para contrarrestarlo y que en el

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interior dicho campo sea nulo, lo que da lugar alefecto Meissner; pero al contrario de lo que pasa enlos superconductores de tipo I (donde lamagnetización se anula bruscamente cuando se alcanzael campo magnético crítico) en los de tipo II lamagnetización alcanza el máximo en Hc1, tras el cualempieza a disminuir gradualmente (permitiendo asíque el campo magnético externo vaya penetrando en lamuestra) y no se anula hasta alcanzar Hc2.

Aún no hay una teoría satisfactoria que losexplique: la mayoría de ellos (con excepcionesnotables como el niobio) son no convencionales, esdecir, la teoría BCS no explica plenamente suspropiedades.

El parámetro de Ginzburg-Landau es (y por logeneral ), lo que significa que la longitud depenetración es mucho mayor que la longitud decoherencia de Ginzburg-Landau.

La mayoría son no convencionales, es decir, suspropiedades no están explicadas dentro del marco dela teoría BCS (con algunas excepciones como elniobio o el diboruro de magnesio, que sí que sonconvencionales).

En 1957, por vez primera, el científico soviéticoAbrikosov publicó un estudio teórico en el que señalabaque podía haber otra clase de superconductores conpropiedades diferentes de los estudiadosexperimentalmente hasta entonces. Daba comocaracterística esencial de estos materiales el hecho deque presentan una energía superficial negativa parafronteras que separan la parte que se encuentra enestado normal de la parte que se encuentra en estadosuperconductor en el material. Recordemos que la energía

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superficial es la energía mínima que se necesita paracrear una superficie en un material. De esta manera, lainmensa mayoría de los materiales conocidos en lanaturaleza tienen una energía superficial positiva, loque significa que es necesario invertir cierta cantidadde energía para formar una superficie en un material.

Por ejemplo, si tenemos un trozo de metal, para crearuna nueva superficie en él (por ejemplo, partiéndolo)tendremos que invertir cierta cantidad de energía. Deeste modo queda claro el significado de tener unaenergía superficial negativa entre una parte en elestado normal y una parte en el estado superconductor.Para un superconductor duro (o Tipo II) será másconveniente, porque disminuirá su energía total, tenerla frontera más grande posible entre su parte en estadonormal y su parte en el estado superconductor. Estacircunstancia explica la existencia del llamado estadomixto en los superconductores Tipo II.

Visto de una manera un poco distinta, se puede decirque, como un material toma siempre la configuración deenergía libre total mínima, tendremos que para un valorde la energía superficial negativa suficientementegrande entre una parte normal y una partesuperconductora del material, podrían formarse un grannúmero de regiones normales en él cuando se aplicara uncampo magnético. La configuración que tomaría elmaterial sería tal que el área entre la parte normal yla parte conductora sería lo más grande posible, lo quepodría lograrse si el material superconductor sedividiera en una mezcla, a muy fina escala, de regionesnormales y superconductoras cuyas fronteras fueranparalelas al campo magnético aplicado. De hecho, estaconfiguración existe y se le denomina estado mixto.

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Es muy importante distinguir entre lo que es el estadomixto y lo que es el estado intermedio. Recuérdese queel estado intermedio aparece en los superconductoresTipo I en virtud de la forma geométrica de la muestra;que lleva a asignarle un valor del factor dedesmagnetización diferente de cero. El estado mixto, porotra parte, es una característica intrínseca de lossuperconductores Tipo II y que aparece aun si la formade la muestra es tal que lleve a asignarle un valor delfactor de desmagnetización igual a cero. Además, laestructura del estado intermedio es relativamente gruesay puede verse a simple vista. El estado mixto, encambio, presenta una estructura mucho más fina, con unaperiodicidad de menos de 10-5 cm.

El superconductor en el estado mixto está atravesado porfinos cilindros de material en estado normal que sonparalelos al campo magnético aplicado. Estos cilindrosreciben el nombre de núcleos normales, los cuales quedandistribuidos en un arreglo periódico triangular. Alestudiar con detalle la energía libre del estado mixtodel superconductor Tipo II, se obtiene que la estructuradel estado mixto es como la que se muestra en la figura16. También se encuentra que las propiedades delsuperconductor en el estado mixto varían de una maneraperiódica con la posición.

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Figura 16. Estructura del estado mixto. Éste sólo se presenta en lossuperconductores Tipo II y es muy diferente en su origen al estado

intermedio.

Hacia el centro de cada núcleo normal, el número deelectrones en el estado superconductor tiende a cero.

El material, como un todo, es diamagnético. El campomagnético aplicado recibe la oposición de un campomagnético generado por corrientes superficiales quecirculan alrededor del perímetro de la muestra.

Dentro de cada núcleo normal que atraviesa al materialhay un flujo magnético que tiene la misma dirección queel flujo del campo aplicado. El flujo, dentro de cadanúcleo normal, es generado por un vórtice de corrientepersistente que circula alrededor de él, con un sentidode rotación opuesto al de la corriente en el perímetrode la muestra.

El flujo total generado en cada núcleo por la corrienteque contiene es igual a un flujón, que es un cuanto deflujo magnético. El flujón tiene un valor de h /2e =2.07 x 10-15 Weber. MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 255

¿CÓMO SE MAGNETIZAN?

Pasemos ahora a ver la manera como se magnetizan lossuperconductores Tipo II. El comportamiento de estaclase de superconductor al aplicar un campo magnético esel que se muestra en las figuras 17 y 18. Puede verseque para campos magnéticos aplicados, Ha, cuya intensidadestá por debajo de un cierto valor Hc1 el material secomporta como un superconductor Tipo I. El efectoMeissner (exclusión total del campo magnético en elinterior de la muestra) está presente. Cuando el campomagnético aplicado alcanza el valor Hc1, la penetraciónde flujo magnético deja de ser cero. Esto ocurre envirtud de que se formaron los núcleos normales con susvórtices asociados que permiten la penetración de flujoen la muestra. Para campos aplicados con intensidadesentre Hc1 y Hc2, el número de vórtices que ocupa lamuestra está gobernado por el hecho de que se repelenentre sí.

Figura 17. Fases de un superconductor Tipo II, en términos del campoaplicado y de la temperatura.

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Figura 18. Magnetización de un superconductor Tipo II al aplicar un campomagnético.

El hecho de que los vórtices se repelan entre sí puedeser entendido fácilmente al notar que, por lascorrientes que circulan en ellos, son equivalentes aelectroimanes normales con polaridades iguales. Elnúmero de núcleos normales, por unidad de área, para laintensidad dada de campo magnético aplicado, es tal quehay un equilibrio entre la energía libre del materialdebida a la presencia de cada núcleo no diamagnético (olo que es lo mismo, cada núcleo de material en el estadonormal) y la existencia de la repulsión mutua entre losvórtices.

Conforme aumenta la intensidad del campo magnéticoaplicado, los núcleos de material normal aumentan ennúmero por unidad de área y de esta manera aumenta elflujo magnético que penetra la muestra. Así, a partir deHc1 la magnetización tiende a cero de una manera suave,lisa, como puede verse en la figura 18. Cerca del valorde Hc2 la magnetización cambia linealmente con el campoaplicado. Sin embargo, cuando el campo llega al valor deHc2, existe un cambio discontinuo en la pendiente de la

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gráfica con respecto al campo aplicado. Para valores deHa, mayores que Hc2, la muestra pasa al estado normal.

Por otro lado, los superconductores Tipo II presentantambién ciclos de histéresis de la magnetización conrespecto al campo magnético aplicado. La figura 19muestra un ciclo de histéresis típico de un metalsuperconductor duro. Este ciclo contrasta con el ciclotípico de un metal ferromagnético normal, como el que semuestra en figura 20.

Figura 19. Ciclo de histéresis, para la magnetización, típica de unsuperconductor Tipo II.

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Figura 20. Ciclo de histéresis para la magnetización, típico de un materialferromagnético. Difiere considerablemente del correspondiente al

superconductor Tipo II.

Los ciclos de histéresis para los superconductores durosse presentan cuando en las muestras se tienen defectos(impurezas, vacancias en la red cristalina,dislocaciones en la red, etc.). Estos defectos estorbanel desplazamiento de los vórtices, anclándolos yrestringiendo su movimiento.

En un material que esté casi libre de defectos y que seencuentre en el estado mixto, los vórtices puedenmoverse muy fácilmente por el superconductor. Si sesuprime el campo magnético aplicado, los vórticesdesaparecen y la magnetización resulta reversible, loque significa que no existe un ciclo de histéresis. Así,para materiales superconductores Tipo II en un estadomuy puro y casi libre de defectos, no hay ciclos dehistéresis.

Los defectos en el material superconductor al anclar losvórtices restringiendo o impidiendo su movimiento,retrasan la entrada del flujo magnético y tambiénprevienen parcialmente su salida. Esto resulta en curvasde histéresis.

Del mismo modo que existen corrientes críticas para lossuperconductores Tipo I, también existen corrientescríticas para los superconductores duros.

Bajo la acción de un campo magnético aplicado, de unaintensidad menor que la del campo magnético críticoinferior, un material de Tipo II se encuentra en unestado en el que se da completamente el efecto Meissner

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y se comporta como un superconductor Tipo 1. Claro queesto ocurrirá si el material es muy puro y con muy pocosdefectos. Para valores del campo entre Hc1 y Hc2, lacorriente crítica es muy pequeña, pero distinta de cero.Sin embargo, la mayoría de las muestras no son perfectasy para éstas la corriente crítica es bastante grande aunpara campos magnéticos aplicados entre Hc1 y Hc2, siendosu valor mucho mayor que para el caso de los materialesdel Tipo 1.

La dependencia del valor de la corriente crítica con laperfección y pureza del material es de mucha importanciatecnológica porque, en la práctica, se requiere que loselectroimanes superconductores soporten una corrienteeléctrica lo más grande posible, manteniendo su estadosuperconductor.

LOS ACOPLAMIENTOS

En la teoría de Bardeen, Cooper y Schrieffer sobre lasuperconductividad se hace un conjunto de suposicionessobre la interacción electrón-fonón-electrón, ahoraconocido como la aproximación del acoplamiento débil.Según ésta, los fonones que intervienen en lainteracción electrón-fonón-electrón no son muyenergéticos, comparados con las agitaciones térmicas delos electrones a la temperatura crítica.

Por otro lado, existe cierto número de metalessuperconductores para los cuales la aproximación deacoplamiento débil no es satisfactoria ya que no dapredicciones correctas de las propiedades de estosmateriales, por ejemplo el plomo (Pb) y el mercurio(Hg). A los superconductores cuyas propiedades no puedenser predichas con la teoría BCS (de Bardeen, Cooper ySchrieffer) se les llama de acoplamiento fuerte. Elnombre de acoplamiento fuerte proviene del hecho de que

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para estos materiales los fonones que intervienen en lainteracción atractiva electrón-fonón-electrón son muchomás energéticos que en los otros casos.

Por otro lado, el modelo de interacción electrón-fonón-electrón que se utilizó en la teoría BCS es muy simple einvolucró solamente un parámetro cuyo valor tiene queser evaluado a partir de algunos datos experimentales.Por ejemplo, puede ser obtenido a partir del valor de latemperatura crítica. Una vez fijado el valor de esteparámetro, la teoría BCS predice toda clase depropiedades de los superconductores. Claro que estapredicción sólo funciona en el caso de aquellosmateriales en los que vale la aproximación delacoplamiento débil.

La teoría del acoplamiento fuerte va más allá de lateoría BCS. No se introduce ningún modelo para lainteracción del par de electrones que constituyen el parde Cooper, sino que se considera el conjunto deinteracciones que tienen o sufren los electrones, losfonones y el acoplamiento entre ellos. Después se buscauna solución a las ecuaciones resultantes que lleve alestado superconductor. El conjunto de ecuacionesresultantes, para este caso, recibe el nombre deecuaciones de Eliashberg, en honor al científico que porprimera vez las propuso.

En este punto, es conveniente hacer notar que la ideabásica de apareamiento entre los electrones de espinesopuestos no se modifica sino, más bien, que elformalismo del acoplamiento fuerte se extiende paraincluir interacciones realistas y evitar la utilizaciónde la interacción tipo BCS. Así, en este formalismo, elestado superconductor está relacionado directamente (yen forma realista) con los parámetros que se tienen enel estado de conductividad normal. El precio que se paga

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por tomar este tratamiento realista de las interaccioneses que las ecuaciones que relacionan los parámetros delas propiedades de estado normal con los parámetros delas propiedades en el estado superconductor se vuelvensumamente complicadas. Sin embargo, estas ecuaciones sonmuy precisas.

Las propiedades de los superconductores pueden obtenerseresolviendo las ecuaciones de Eliashberg, así seexplican muchos resultados experimentales que noquedarían claros con la teoría BCS. Finalmente, esconveniente señalar que para los superconductoresconvencionales (no para los nuevos materialessuperconductores cerámicos) se entiende muy bien lanaturaleza del estado superconductor.

EL EFECTO DE PROXIMIDAD

Este efecto, que había sido sugerido por Cooper en 1961,consiste en que las propiedades superconductoras de laspelículas metálicas delgadas pueden verse seriamenteafectadas por el contacto directo con otros metales: sitenemos capas delgadas de material superconductordepositadas sobre un metal en estado normal podríanpasar al estado normal a pesar de estar a unatemperatura inferior a la temperatura crítica y enausencia de un campo magnético (que, como hemos visto,puede destruir el estado superconductor).Recíprocamente, si tenemos capas delgadas de material enestado normal depositadas sobre un material en estadosuperconductor podrían pasar al estado superconductor.

Los primeros experimentos que verificaron la existenciadel efecto de proximidad fueron realizados por Meissnerentre 1958 y 1960, quién encontró que una película de

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cobre depositada sobre estaño (encontrándose el estañoen estado superconductor) se volvía superconductora.

El argumento intuitivo para justificar la aparición delefecto de proximidad puede expresarse de la siguientemanera. Como explicó Cooper en 1961, es necesariodistinguir entre el alcance de la interacción atractivaentre electrones y la distancia sobre la cual, como unresultado de esta interacción, los electrones estáncorrelacionados en pares de Cooper. El alcance de lainteracción atractiva es muy corto, del orden de 1angstrom (del orden del tamaño de la celda unitaria enla red cristalina). La distancia de correlación para lospares de Cooper es del orden de 104 angstroms (o 10-4

cm). En virtud de esta longitud de coherencia grandepara los pares de Cooper, éstos pueden extenderseconsiderablemente dentro de una región en la cual lainteracción entre electrones no es atractiva. Así,cuando una película delgada de material superconductorestá en contacto con una película de material en estadonormal, la formación de pares de Cooper puede extendersea ambas capas.

Es interesante hacer notar que las teorías existentessobre el efecto de proximidad sólo dan una concordanciacualitativa con los resultados experimentales.

También hay bastantes dificultades en lo que se refierea la parte experimental del efecto de proximidad. Poruna parte, es difícil obtener a nivel microscópicofronteras bien definidas entre los metales. Depositarpelículas delgadas a la temperatura ambiente puedellevar a que se produzca algo de difusión de un materialen el otro y la formación de aleaciones si losmateriales no se seleccionan adecuadamente. Por otraparte, depositar películas delgadas a bajas temperaturas

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dificulta mucho la determinación precisa del espesor deellas.

LOS NUEVOS MATERIALES SUPERCONDUCTORES

Hemos mencionado ya que en abril de 1986 se anunció eldescubrimiento de unos nuevos materialessuperconductores que eran cerámicos y que presentabanuna temperatura de transición superior a cualquiera delos materiales existentes en esas fechas. Al escribirestas líneas la temperatura crítica de transiciónsuperconductora más alta reportada es de alrededor de135K, bastante arriba de la temperatura de ebullicióndel nitrógeno líquido, que es un refrigerante de preciomuy económico y fácil de obtener en México. También hayindicios muy prometedores de que se podrán logrartemperaturas de transición quizá por arriba de 200K.

El descubrimiento de este nuevo tipo de superconductoresfue realizado por J. C. Bednorz y K. A. Müller en unlaboratorio de investigación de la compañía IBM enZurich, Suiza. Por vez primera, después de más de 12años fue posible encontrar una sustancia con unatemperatura de transición superior a 23.3 Kelvin. En suinvestigación leyeron un artículo científico que resultapieza clave en su trabajo. Se debía a los científicosfranceses C. Michel, L. Er-Rakho y B. Raveau, y en él sepresentaba un nuevo material cuyas características deser un óxido metálico nuevo de cobre de valencia mixtalo convertían en candidato ideal para presentarsuperconductividad, de acuerdo con las hipótesis detrabajo de Bednorz y Müller. La composición de estematerial es: BaLa4Cu5 O13·4. Bednorz y Müller empezaron aexplorar sus propiedades, variando la concentración deBa. En la primavera de 1986 publicaron su artículoanunciando la superconductividad a una temperatura de 35Kelvin en esta clase de compuestos. En éstos, el arreglo

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de los iones corresponde a una geometría típicamenteconocida como perouvskita y que es muy común entre losmateriales llamados ferroeléctricos.

El rápido progreso que se ha alcanzado para encontrarmateriales de este tipo, con temperaturas de transiciónsuperconductora cada vez más altas, ha sido realmentesorprendente. Muy pocos avances científicos, si es queha habido alguno, han generado tal flujo de actividadcientífica casi frenética en todo el mundo y, al mismotiempo, un interés inmediato y muy grande entre elpúblico en general. Lo que la inmensa mayoría pensaba yacomo algo imposible es ahora algo real y palpable: tenersuperconductividad a temperaturas mayores que las elnitrógeno líquido.

El trabajo de Bednorz y Müller les valió el premio Nobelde Física de 1987. Es interesante notar que es lasegunda vez que se otorga un premio Nobel a temasrelacionados con la superconductividad.

Casi inmediatamente después del anuncio deldescubrimiento de Bednorz y Müller, muchos grupos decientíficos en el mundo se lanzaron a tratar de obtenertemperaturas de transición más altas. Uno de los gruposmás exitosos ha sido el del doctor Paul Chu, de laUniversidad de Houston, uno de los primeros en darsecuenta de la importancia del descubrimiento de Bednorz yMüller, quien se dedicó de lleno a la investigación deeste tipo de materiales. Pronto encontraron que latemperatura crítica podía ser aumentada a 57 Kelvinaplicando presión al material. Tanto la magnitud delcambio en Tc, como el hecho de que aumentara con lapresión aplicada eran anormales si se comparan con lossuperconductores conocidos con anterioridad a estosnuevos materiales. Con esto en mente, Chu y suscolaboradores empezaron a buscar maneras de simular una

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"presión interna" en estos materiales reemplazando ellantano (La) con iones parecidos, como el de itrio (Y).A fines de febrero de 1987, Chu anunció que habíaencontrado un compuesto que tenía una temperatura detransición al estado superconductor mayor de 90 Kelvin.La composición de este material está dada por YBa2Cu3Ox.Casi simultáneamente se anunció la obtención de unmaterial de composición semejante y propiedadessimilares en China. En unos pocos días, concomposiciones que eran variantes de la reportada por Chuy sus colaboradores, una docena de grupos alrededor delmundo informaron sobre la obtención de materialessuperconductores cerámicos con temperaturas detransición arriba de los 90 Kelvin, que ya han sidopreparados en la Universidad Nacional Autónoma deMéxico; la manera de sintetizarlos es muy sencilla ypuede efectuarse con la tecnología que está al alcancede los países del llamado Tercer Mundo.

Es muy claro que disponer de materiales superconductoresde temperatura crítica por arriba del nitrógeno líquidoes una realidad en nuestro país y en muchas otrasnaciones tercermundistas. También comienza a ser muyclaro que con ellos el mundo no volverá a ser el mismo.Es muy probable que, una vez más, la física cambiaránuestra manera de vivir como ocurrió con el advenimientodel motor eléctrico, del transistor, etcétera.

Vale la pena señalar que las perouvskitas de cobre yoxígeno, los nuevos materiales superconductores, habíansido muy estudiadas en la última década, especialmentepor Raveau, Michel y colaboradores. Gran parte de sutrabajo sentó las bases para alcanzar un rápido progresoinmediatamente después del descubrimiento de Bednorz yMüller. El interés inicial por estos materiales radicóen la alta movilidad del oxígeno a temperaturaselevadas, lo que altera su comportamiento eléctrico, deMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 266

manera tal que se había sugerido, como una de susposibles aplicaciones, la de sensor de oxígeno. Muchosestudios han dejado bien claro ahora que las propiedadessuperconductoras del compuesto de itrio (Y), bario (Ba)y cobre (Cu) (muy ampliamente conocido como el 1-2-3,por su composición: YBa2Cu3Ox) dependen críticamente enla cantidad y en el ordenamiento de oxígeno, que a suvez depende de los detalles del proceso para suobtención.

Por considerarlo de interés, general y para exhibir lasencillez de la preparación de estos materiales, vamos adar un pequeño resumen de la manera más usual deprepararlos.

Se trata de una reacción de estado sólido que se preparamezclando polvos de tres materiales: óxido de itrio(Y2O3), carbonato de bario (BaCO3) y óxido de cobre, (CuO). Las proporciones de la mezcla son de 1:2:3>,tornadas en el orden que las hemos mencionado. Se muelela muestra en un mortero (de ágata, por ejemplo), hastaobtener un grano muy fino. Luego se procede a horneareste polvo para lograr una buena oxidación. Se puedenutilizar crisoles de cuarzo, alúmina o platino. Laalúmina parece permanecer inerte, siempre que latemperatura no sobrepase los 1 000°C durante demasiadotiempo. La reacción de estado sólido tiene lugarsuavemente en un lapso de 10 a 12 horas, manteniendo latemperatura. constante en 900°C. Posteriormente, elpolvo se vuelve a moler y se preparan por compresiónunas pastillas que luego son horneadas, volviendo acalentarlas por varias horas. El proceso es simple y aveces ha de repetirse varias veces hasta conseguir laformación del compuesto. Hay que tener cuidado de que lapresión parcial de oxígeno durante el calentamiento delpolvo no sea demasiado baja, de que no se saquen lasmuestras del horno demasiado pronto, pues de ser así noMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 267

se encontrará la superconductividad por arriba de latemperatura del nitrógeno líquido.

Las temperaturas de transición más altas y mejordefinidas se obtienen cuando la muestra se calienta enuna atmósfera de oxígeno y se deja enfriar lentamentedesde 900°C hacia la temperatura ambiente en un procesode varias horas.

La preparación de la muestra 1-2-3 en el seno de unaatmósfera inerte evita totalmente la obtención de unamuestra superconductora.

En cuanto a las mediciones de las propiedadessuperconductoras de estas muestras es convenienteseñalar lo siguiente.

Las caídas abruptas de la resistividad eléctrica a ceroconstituyen un indicador pobre, y además peligroso, dela presencia del estado superconductor. Estecomportamiento, puede provenir de muchas situaciones queno corresponden a un estado superconductor y que tienenque ser cuidadosamente exploradas antes de emitirconclusión alguna acerca de si se tiene o no unsuperconductor. Por ejemplo, es común que se encuentreque las caídas abruptas del valor de la resistenciahacia cero se deban a problemas de corto circuitos o, enla técnica de las cuatro puntas que es tan usual paraeste tipo de mediciones, al problema de las faseseléctricas. En la práctica se encuentra que las muestrasque han sido sobreprocesadas y que contienen muchasfases distintas del material son más susceptibles depresentar este tipo de problemas, ya que son tanheterogéneas en su comportamiento eléctrico que puedenllevar a trayectorias alternativas para la corrienteentre los electrodos y a resistencias de contacto quevarían grandemente con la temperatura.

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Por otro lado, se sabe ya que en estos materiales setienen pares de Cooper. En efecto, el 30 de abril de1987 se tuvo la evidencia experimental de su presencia.El experimento se realizó en la Universidad deBirmingham, Inglaterra, siguiendo el mismo principio quese utilizó en un experimento realizado en 1961 con elmismo fin. Claro que se empleó equipo más refinado. Enesencia, el experimento se refiere a la determinación dela cuantización del flujo magnético que está dada entérminos de los portadores de carga del material, queresulta ser de dos veces la carga de un electrón, o loque es lo mismo, la carga que corresponde a un par deCooper. Sin embargo, no existe una teoría convincente,hasta el momento, de cómo se forman estos pares deCooper.

Por otro lado, se ha reportado ya la manera en que elcalor específico de estos materiales varía con latemperatura. Se produce de manera muy diferente de comosucede en el caso de los superconductoresconvencionales. En los superconductores cerámicos elcalor específico varía linealmente con la temperatura.En tanto que en el caso de los superconductoresconvencionales, como ya hemos visto, se da una variaciónexponencial con la temperatura.

La estructura de estos materiales corresponde a laestructura conocida como perouvskita, que es unaestructura típica de los materiales ferroeléctricos.Además, el contenido, de oxígeno parece ser sumamenteimportante para las propiedades superconductoras.

Uno de los problemas más importantes a resolver en estosmateriales y que se ha estudiado poco hasta el momento,es el que se refiere al deterioro del material, pues altransferir un cierto tiempo el material deja depresentar propiedades superconductoras. El tiempo para

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que esto ocurra es de semanas y depende mucho del tipode atmósfera en que se conserven las muestras. Lacomplejidad química de los materiales superconductoresde alta temperatura crítica implica una estabilidadlimitada. De los sistemas de alta Tc, el 1-2-3 es el mássusceptible de deterioro, y los de lantano, bario, cobrey oxígeno son de los más estables. El deterioro se puedeevitar dando a los materiales un recubierta deprotección de un material que no reaccione con laatmósfera circundante.

Como ya se ha mencionado, existe en todo el mundo unenorme interés por estos nuevos materiales. Hay paísestercermundistas que han emprendido proyectos nacionalesde superconductividad que tienen como fin el estudio ylas aplicaciones de estos nuevos materiales que van atener una tremenda importancia económica en un futuro nolejano. Dentro de esos países contamos a la India y aChina. Esta última ya tiene un programa muy competitivoen el ámbito mundial. Por otro lado, varios de loscientíficos que encabezan actualmente los estudios defabricación y caracterización de estos materiales son dela India, país que ha decidido invertir una parteapreciable de su producto interno bruto en apoyar suproyecto nacional de superconductividad.

En México tenemos algunos especialistas en el tema desuperconductividad, y aunque existen los expertos enmetalurgia necesarios para la obtención de estosmateriales, no se ha dado el trabajo conjunto entreambos grupos. De este modo, la actividad en México sobrelos nuevos superconductores se redujo, casi en sutotalidad, a la obtención de muestras, caracterizándolaspor la medición de algunas de sus propiedades. No seabordó el problema de su aplicación. En la actualidadprácticamente no existen grupos de investigación ensuperconductividad ni en la preparación de nuevosMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 270

materiales superconductores cerámicos. Se mencionaba,por un tiempo, un plan nacional de superconductividad.Hasta ahora no se ha producido tal plan. Hay que teneren cuenta que es necesario emprender la formación derecursos humanos en este importante campo para poderabordar un proyecto de esta naturaleza con la seriedadadecuada.

Japón tiene un proyecto nacional de superconductividaddesde la década de los setenta. Tal es la relevancia deestos materiales para este país. En 1987 Estados Unidosemprendió también, un programa nacional desuperconductividad con un considerable apoyo financiero,tanto gubernamental, como privado.

Sin embargo, el esfuerzo económico más grande noproviene de los gobiernos de los distintos países, sinode la industria privada. Así, varias compañíasindustriales de Estados Unidos, Japón y naciones deEuropa están realizando enormes esfuerzos por utilizarlos nuevos materiales superconductores.

Cabe señalar que este descubrimiento científico,calificado ya varias veces de espectacular y esotérico,puede ahora reproducirse, con muy poco dinero (alrededordel equivalente de un salario mínimo mensual)prácticamente en cualquier laboratorio de química ofísica de una escuela preparatoria, o de nivelequivalente, en nuestro país. Es muy claro que, a lolargo y ancho del mundo (y ojalá nuestro México no sequede fuera de este movimiento) hay una actividad cadavez mayor de toda una generación de científicos eingenieros que se están formando ya con un bagajecultural que incluye el conocimiento y aplicación denuevos materiales sobre los cuales volcarán toda sucreatividad e ingenio para explotar todas susposibilidades.

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En el siguiente y último capítulo presentaremos algunasde las posibles aplicaciones de los materialessuperconductores, tanto de los superconductoresconvencionales, como de las perspectivas que ofrecen losnuevos materiales cerámicos superconductores.

10.6 Imanes Superconductores

Los imanes superconductores son algunos de loselectroimanes más poderosos conocidos. Se utilizan enlos trenes maglev, en máquinas para la resonanciamagnética nuclear en hospitales y en el direccionamientodel haz de un acelerador de partículas. También puedenutilizarse para la separación magnética, en dondepartículas magnéticas débiles se extraen de un fondo departículas menos o no magnéticas, como en las industriasde pigmentos.

Los superconductores se han utilizado también para hacercircuitos digitales y filtros de radiofrecuencia ymicroondas para estaciones base de telefonía móvil.

Los superconductores se usan para construir unionesJosephson, que son los bloques de construcción de losSQUIDs (dispositivos superconductores de interferenciacuántica), los magnetómetros conocidos más sensibles.Una serie de dispositivos Josephson se han utilizadopara definir el voltio en el sistema internacional (SI).En función de la modalidad de funcionamiento, una uniónJosephson se puede utilizar como detector de fotones ocomo mezclador. El gran cambio en la resistencia a latransición del estado normal al estado superconductor seutiliza para construir termómetros en detectores defotones criogénicos.

Están apareciendo nuevos mercados donde la relativaeficiencia, el tamaño y el peso de los dispositivosMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 272

basados en los superconductores de alta temperatura sonsuperiores a los gastos adicionales que ellos suponen.

Aplicaciones futuras prometedoras incluyentransformadores de alto rendimiento, dispositivos dealmacenamiento de energía, la transmisión de energíaeléctrica, motores eléctricos (por ejemplo, para lapropulsión de vehículos, como en vactrains o trenesmaglev) y dispositivos de levitación magnética. Sinembargo la superconductividad es sensible a los camposmagnéticos en movimiento de modo que las aplicacionesque usan corriente alterna (por ejemplo, lostransformadores) serán más difícil de elaborar que lasque dependen de la corriente continua.

La introducción de la tecnología de IMANESSUPERCONDUCTORES, ha permitido que los físicos alcancenenergías más altas en los aceleradores circulares. Sepueden obtener campos magnéticos más intensos, debido aque, en una bobina superconductora, no hay resistencia.En los electroimanes convencionales la resistencia causacalentamiento de la bobina, y se pierde tanta energía enforma de calor, que el gasto de potencia de los imaneses muy alto. Las bobinas superconductoras han permitidoobtener campos magnéticos más elevados operados en formaconfiable y a menor costo de potencia.

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Figura I. El efecto Meissner. En esta figura se muestra la "levitación" de unimán por la presencia de un superconductor. Esto ocurre debido al efectoMeissner. El imán, que en la fotografía tiene la forma de una moneda, seencuentra suspendido por fuerzas magnéticas. La pastilla cerámica seencuentra en la parte inferior y esta inmersa en nitrógeno líquido paramantenerla a una temperatura por debajo de su temperatura de transicióny para que pueda así encontrarse en el estado superconductor. El efectoMeissner consiste en lo siguiente: al acercar un imán a un materialsuperconductor se genera, magnéticamente, una imagen de él como si elsuperconductor fuera un espejo. De esta manera, el imán es siemprerepelido por su imagen o lo que es lo mismo, por el superconductor. Lafuerza de repulsión es capaz de contrarrestar el peso del imán, produciendola levitación. Una aplicación de este efecto se da en vehículos de transportemasivo que "flotan" sin fricción con el piso y que reciben el nombre demagneplanos, porque virtualmente se desplazan volando. La pastillacerámica es del compuesto 1-2-3 de itrio, Bario y cobre con unatemperatura de transición de 89 Kelvin . La pastilla se preparó en el Institutode Física de la UNAM en donde se tomó también la fotografía.

Figura II. Aquí se presenta un esquema de cómo se produce el efectoMeissner. Al acercar un imán (A) a un superconductor (B), se produce en esteuna imagen magnética (C) que lo repele. La intensidad de la fuerza derepulsión determina la altura a la que puede "flotar" el imán. Conforme máspoderoso sea el imán, más poderosa será su imagen y mas intensa será lafuerza de repulsión, produciendo una flotación a mayor altura. Todo estoocurre sin importar si el imán está quieto, trasladándose o girando sobre símismo. Siempre aparece una imagen instantánea de el en elsuperconductor, que lo repele y lo hace flotar. Por el efecto Meissner

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sabemos que el estado superconductor es un estado de la materia en el queno existe resistencia al paso de la corriente eléctrica y en el que loselectrones se hallan en un estado muy especial de gran poder y correlaciónde unos con otros. En virtud de este estado, los campos magnéticos nopueden penetrar al superconductor. La manera en que el superconductorgenera la imagen del imán es moviendo a los electrones, generandocorrientes superficiales que, a su vez, generan un campo magnético quecorresponden exactamente a la imagen del imán , produciéndose así larepulsión y, por lo tanto, la levitación.

Figura III. Un superconductor en presencia de un imán. El imán quedarepresentado por un campo de fuerzas magnéticas simbolizadas por B.Cabe señalar que un campo magnético puede ser generado no solamentepor materiales ferromagnéticos, sino también por cualquier corrienteeléctrica. Esto es, cualquier corriente eléctrica es equivalente a un imán ycapaz de desviar a una brújula colocada en su vecindad. La respuesta delsuperconductor ante la presencia del campo magnético se ilustra en lafigura IV.

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Figura IV. Cuando el campo magnético B intenta penetrar alsuperconductor, éste genera corrientes eléctricas superficiales que producenun campo magnético que se opone a B, cancelándolo en el interior delsuperconductor después de una distancia de la superficie del material quees, típicamente, del orden de un angstrom. Este fenómeno, que es el efectoMeissner, constituye una de las características esenciales de unsuperconductor. Sin el efecto Meissner, no podemos decir que tenemos unsuperconductor. Hay que hacer notar que cuando un material no tieneresistencia eléctrica recibe el nombre de conductor perfecto. Así, todosuperconductor es un conductor perfecto, ya que tiene resistencia eléctricacero. Pero el ser un conductor perfecto no es suficiente para ser unsuperconductor. Es necesario agregar el efecto Meissner. En otras palabras,aunque un superconductor es un conductor perfecto, no todo conductorperfecto es un superconductor. La diferencia estriba en el efecto Meissner.Puede demostrarse que las propiedades magnéticas de un conductorperfecto no llevan al efecto Meissner, son propiedades distintas de las de unsuperconductor. En esencia, en un conductor perfecto el campo magnéticosiempre debe ser constante y en el superconductor siempre debe ser cero,que es un requerimiento mucho más fuerte.

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Figura V. Las corrientes críticas para un superconductor Tipo I. La corrientecrítica se define como aquella para la cual se destruye el estadosuperconductor. En virtud de que cuando un alambre porta una corrienteeléctrica se genera a su alrededor un campo magnético, las corrientescriticas y los campos críticos están íntimamente relacionados. Por esoesperamos que exista un valor máximo de la corriente que unsuperconductor puede llevar y que esta corriente máxima dependa delcampo magnético aplicado a la muestra. En ausencia de campo magnético,las corrientes críticas de los superconductores pueden ser muy altas. Porejemplo, para el caso de plomo, si tenemos un alambre de 1 mm dediámetro, enfriado a la temperatura de ebullición del helio líquido (4.2 K) elalambre puede llevar hasta 140 amperios de corriente superconductora,esto es, sin resistencia eléctrica. En un campo magnético la corriente críticaes menor. La figura muestra la forma en que la corriente crítica se reducepor la presencia de un campo magnético aplicado externamente. Aquí, elcampo magnético está en dirección paralela al eje del cilindro, de maneraque el factor de desmagnetización por la forma es cero. La expresiónalgebraica de esta variación está dada por:

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Donde HC es el campo crítico para una temperatura dada, Ha es el campoaplicado, IC es la corriente crítica y R es el radio del alambre.

Figura VI. Alambre superconductor cilíndrico Tipo I que lleva una corriente I,con un campo magnético, Ha, aplicado a lo largo del alambre. Al pasar unacorriente por el alambre se genera un campo magnético perpendicular a él,HI. El campo magnético resultante es la suma vectorial de estos dos. En estecaso el factor de desmagnetización por la forma es cero. Los dos vectoresestán formando un ángulo recto, de manera que la magnitud del camporesultante se halla por el teorema de Pitágoras y lleva a la relación entre elcampo crítico, campo aplicado y corriente crítica dada en la figura V y quecorresponde al arco de una elipse.

Figura VII. Muestra cilíndrica superconductora Tipo I en el seno de uncampo magnético perpendicular al eje del cilindro. En este caso, el factor dedesmagnetización es ½. La corriente fluye en una dirección perpendicular alplano de la página. De este modo, el campo aplicado, Ha, y el campogenerado por la corriente que circula por el alambre se suman en la partesuperior de la sección transversal del alambre y se restan en la parteinferior. Si suponemos campos suficientemente débiles, que no lleven a la

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muestra al estado intermedio, la corriente crítica para este caso está dadopor:

Donde la notación es la misma que en la figura V.

Figura VIII. El estado intermedio es una consecuencia de la formageométrica del superconductor. Es sabido en electromagnetismo que elcampo resultante en el interior de un cuerpo puede ser mayor que el campoaplicado externamente debido al factor de desmagnetización por la forma(véase el capítulo II, "El estado intermedio"). Como consecuencia, existen enla periferia de la muestra, regiones sometidas al campo crítico aun antes deque el campo externo llegue al valor del campo crítico para la sustanciacorrespondiente. A primera vista uno pudiera esperar que toda la muestrapasara al estado normal tan pronto se llegara al campo crítico en superiferia, pero caeríamos en el absurdo de que toda la muestra pasara alestado normal con un campo aplicado inferior al campo crítico de lasustancia. Como consecuencia, tendríamos un cuerpo con regiones en elestado normal cerca de su periferia y en estado superconductor cerca de sucentro, tal como se muestra. Está configuración resulta imposible desostener, en virtud de que se puede aplicar el mismo razonamiento a laporción de material que queda en el estado superconductor, hastatransformar toda la muestra al estado normal. La solución a este problema

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se halla dándose cuenta de que las fases normales superconductoraspueden coexistir una junto a la otra del mismo modo que coexiste un liquidocon su vapor. De esta manera se puede tener, alternadamente, regiones enel estado superconductor y regiones en el estado normal, llegándose de estemodo a una configuración de equilibrio.

Figura IX. Evidencia experimental del estado intermedio. Uno de los métodospara la observación del estado intermedio se basa, como en este caso, en latendencia de las partículas de material ferromagnético (limaduras de hierro,por ejemplo) a acumularse en regiones de alta densidad de campomagnético, y de partículas de material superconductor (que es undiamagneto perfecto, ya que no permite el paso de ningún campomagnético a su interior) a acumularse en regiones de baja intensidad decampo magnético. La fotografía, tomada de un trabajo realizado en 1957 ypublicado por B. M. Baloshova e I. W. Sharvin en el vol. 4, p. 54 de la revistaSoviet Physics. JETP, también de 1957, muestra una esfera de plomo de 3 cmde diámetro por debajo de su temperatura de transición superconductora,cubierta de un polvo de niobio (que se vuelve superconductor a unatemperatura mayor que la temperatura de transición del plomo y es undiamagneto perfecto en la fotografía). La alternancia de las zonas claras yoscuras muestra la alternancia de zonas en estado normal con zonas en elestado superconductor. El factor de desmagnetización por la forma para laesfera es de 1/3 y se encuentra en el estado intermedio. Las zonas oscurasson superconductoras.

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Figura X. Valores de la energía libre de un superconductor sometido a uncampo magnético externo y con un factor de desmagnetización distinto decero. La línea continua muestra la evolución de la energía libre del materialconforme aumenta la intensidad del campo magnético aplicadoexternamente. Se puede ver claramente que para el estado intermedio laenergía del material es menor que si permaneciera totalmente en el estadosuperconductor y que también es menor que la energía que tendría elmaterial si pasara todo al estado normal. En la naturaleza todas las cosastienden a un estado de energía mínima. Así, el superconductor con un factorde desmagnetización por la forma distinto de cero "prefiere" encontrarse enel estado intermedio para valores del campo aplicado comprendidos entreH'C y HC, que ser totalmente superconductor o totalmente normal.

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Figura XI. Película delgada superconductora en el seno de un campomagnético. Ya hemos visto que un campo magnético externo penetra unoscuantos angstroms en el interior de un superconductor. Este hecho tieneconsecuencias relevantes en el caso de las películas delgadas. El campomagnético crítico para un material aumenta si éste se presenta en forma depelícula delgada. La magnitud del aumento depende de las dimensiones dela muestra con respecto a la profundidad de penetración del campo a partirde la superficie. El efecto es notable solamente si el volumen contenidodentro de la profundidad de penetración del campo magnético escomparable con el volumen total de la muestra. Se puede demostrar quepara temperaturas no muy cercanas a la temperatura de transición (desdeluego, por debajo de ésta) el aumento del campo crítico será mayor de 10%si el espesor de la película es inferior a 5 000 angstroms. Para el caso deuna película muy delgada, digamos de 100 angstroms o menos, el campocrítico puede crecer por un factor de 10, especialmente si la temperatura dela muestra es cercana a la temperatura crítica del material. De aquí laimportancia tecnológica de obtener películas delgadas superconductoras,especialmente con los nuevos materiales cerámicos superconductores dealta temperatura crítica.

Figura XII. Sección transversal típica de una película delgada obtenida porevaporación. Nótese la disminución gradual del espesor en los bordes. Unaconsecuencia importante de la dependencia del valor del campo crítico en elespesor de la película del material es que la definición de la transiciónmagnética de una película delgada depende mucho de la naturaleza de susbordes. Por regla general, los bordes de las películas preparadas son comose muestra. Al ser los bordes más delgados que el resto de la película, tienenun campo crítico mayor. Si la prueba para verificar que la película delgadaes superconductor consiste en pasar una corriente a través de ella y ver siaparece una diferencia de potencial en sus bordes, éstos permanecerán enel estado superconductor y darán lugar a una resistencia cero aun si el restode la película ya se encuentra en estado normal. Esto tiene dos

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consecuencias inmediatas: primero, la intensidad de campo magnético alcual aparece un voltaje (esto es, transición al estado normal) puede serconsiderablemente mayor que el verdadero campo crítico de la película;segundo, como es muy poco probable que los bordes sean perfectamenteuniformes a lo largo de la película, la transición del estado de resistenciacero al estado normal puede ser muy ancha con respecto al campomagnético aplicado externamente. Para obtener una transición muchomejor definida, lo que generalmente se hace es recortar los bordes paratener los extremos del mismo grosor que el resto de la película.

Figura XIII. Variación de la banda de energía prohibida a los electronessuperconductores con respecto a la temperatura. Una de las característicasmás importantes de un superconductor es la presencia de una banda deenergía prohibida a los electrones, situación semejante a la que se tiene enun semiconductor. La presencia de esta banda hace que los electronessuperconductores requieran, al menos, la energía que corresponde a laanchura de esta banda para pasar al estado normal. Conforme crece latemperatura, disminuye la energía para hacer que un electrón pase alestado normal, esto es, para que se rompa un par de Cooper. Cualquierteoría que explique la superconductividad tendrá que predecir la variaciónde esta banda correctamente. La figura muestra la predicción que serealiza, por la teoría de BCS (teoría de Bardeen, Cooper y Schrieffer,formulada en 1957). Los resultados experimentales para lossuperconductores convencionales (no para los nuevos superconductores

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cerámicos de alta temperatura crítica) se apegan muy bien a laspredicciones de la teoría BCS. Para los nuevos materiales cerámicos aún haymucha controversia sobre la manera en que esta banda cambia con latemperatura, mas hay indicaciones de que la variación de esta banda con latemperatura se parece mucho a la predicción que se hace con la teoría BCS,pero todavía se requieren más verificaciones.

Figura XIV. Esquema de un electrón viajando a través de la red cristalina. Enlos materiales superconductores convencionales, la red cristalina de ionesdesempeña un papel importantísimo en la aparición de lasuperconductividad. Puede demostrarse que cuando existe una fuerzaefectiva de atracción entre dos electrones, pertenecientes a un metal, estoselectrones quedan ligados entre sí, sin importar la intensidad de la fuerza. Ala pareja de electrones ligados entre sí se les conoce como par de Cooper.Actualmente es muy claro que para los superconductores convencionales elorigen de la fuerza de atracción es la interacción electrón-electrón mediadapor la red cristalina. A esta interacción se le conoce comúnmente como deelectrón-fonón-electrón. Para los nuevos superconductores cerámicos setiene ya muy claro que existen los pares de Cooper. Sin embargo, aún no esclaro el mecanismo o mecanismos que llevan a su formación. Hayevidencias de que la red cristalina interviene en la formación de los pares deCooper, pero no como el único mecanismo.

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Figura XV. Esquema de la solución numérica de las ecuaciones que resultanpara la energía de un par de Cooper. El valor de la energía de los doselectrones en el metal que interaccionan atractivamente queda dada por laintersección de la recta señalada como I/V y las curvas verticales en lafigura. Puede verse que existen muchas respuestas posibles para el valor dela energía, sin embargo, solamente existe una solución de valor negativopara la energía que implica que los electrones quedan ligados el uno alotro. La letra V representa a la intensidad de la fuerza de atracción. Nóteseque sin importar que tan débil sea la atracción entre los electrones del par,siempre existirá una intersección del lado de energías negativas. Estosignifica que siempre se podrá obtener una pareja de electrones ligadosentre sí cuando exista una interacción efectiva de atracción entre ellos, sinimportar que tan débil sea esta.

Figura XVI. Diagrama de niveles de energía de dos metales normales através de los cuales se da el llamado efecto túnel de los electrones para

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pasar de un metal a otro. La zona representa estados electrónicos yaocupados por los electrones en cada metal. La parte blanca muestra losestados disponibles. A temperatura cero, el paso de los electrones de unmetal a otro queda completamente prohibido por el principio de exclusiónde Pauli. Cuando se aplica un voltaje positivo al metal de la derecha, demanera tal que los niveles de energía de Fermi, EF, ya no coinciden, hayestados ocupados en el metal de la izquierda al mismo nivel que estadosdesocupados en el metal de la derecha y el efecto túnel puede ocurrir, comose indica por las flechas. Es evidente que el número de estados que quedandisponibles para el proceso dependen del voltaje aplicado, y si laprobabilidad de tunelamiento es constante, como ocurre por voltajesaplicados muy pequeños, la corriente resultante varía linealmente con elvoltaje aplicado.

Figura XVII. Esquema que muestra el tunelamiento de electrones entre unmetal normal y un superconductor. Las figuras a), b) y c) muestran lasrelaciones entre los niveles de energía a temperaturas muy cercanas a 0Kelvin, para varios valores de la diferencia de potencial, V, aplicada alsuperconductor con respecto del metal normal. Si V es positiva el proceso detunelamiento comienza cuando V alcanza el valor D/e, donde D es laanchura de la banda de energía prohibida y e es la magnitud de la carga deun electrón, lo que se puede ver en la parte d) de la figura. Esto ocurreporque en estas circunstancias la parte más baja de los valores de lasenergías de los estados excitados de los pares de Cooper en el

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superconductor coincide con el nivel de Fermi del metal normal, como semuestra en la parte b) a partir de este momento es posible, para loselectrones en el metal normal, pasar por tunelamiento a los estadosdisponibles en la banda de energía de estados excitados delsuperconductor. Al aumentar el voltaje aplicado al superconductor,aumenta el número de partículas que pasan a él por el efecto túnel. Si elvoltaje aplicado al superconductor es negativo, el tunelamiento comienzacuando el voltaje alcanza el valor de -D/e. Aquí, comienza a ocurrir unproceso nuevo, el rompimiento de un par de Cooper. Este proceso estádescrito en la parte c). Puede verse como un par de Cooper se rompe y unode los electrones pasa por tunelamiento a un estado del metal normal porarriba de la energía de Fermi. El otro electrón del par salta a la banda deenergía prohibida del superconductor y queda en uno de los estadosexcitados. El número de pares que pueden romperse de esta maneraaumenta en relación al voltaje aplicado. Nótese que una manera de medirla anchura de la banda de energía prohibida en el superconductor esmidiendo el voltaje al cual comienza la corriente de tunelamiento. Hay queseñalar que a temperaturas mayores puede ocurrir que una corriente muypequeña fluya para voltajes entre D/e y -D/e. Esto ocurre en virtud de que aestas temperaturas hay unos cuantos electrones excitados en estados porarriba del nivel de Fermi en el metal normal que pueden, si existe un voltajepositivo aplicado, pasar por tunelamiento a la banda de estados excitadosdel superconductor. También existen por la excitación térmica, algunosestados vacíos por debajo del nivel Fermi en el metal normal que quedandisponibles para el tunelamiento de los electrones del materialsuperconductor que provengan del rompimiento de un par de Cooper, siexiste un voltaje aplicado con un signo negativo. De cualquier manera, esmuy marcado y notable el aumento en la corriente de tunelamiento cuandoel voltaje aplicado es D/e o -D/e.

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Figura XVIII. Tunelamiento de electrones individuales entre dossuperconductores idénticos. Las partes a), b), y c) muestran la relación entrelos niveles de energía. La parte c) muestra la corriente de tunelamientoelectrónico resultante. A temperaturas cercanas al cero absoluto eltunelamiento se da tanto de izquierda a derecha como de derecha aizquierda, de modo que no hay un flujo neto de corriente. Supongamos queahora aplicamos un voltaje positivo al superconductor de la izquierda conrespecto al de la derecha. El diagrama de energías del de la izquierda se vaa desplazar hacia abajo con respecto al de la derecha, por el signo negativode la carga electrónica y por una cantidad de magnitud eV, como se ilustraen la parte b). Ahora tenemos un flujo neto de electrones por tunelamientodel superconductor de la derecha al de la izquierda, porque los electronesde la izquierda no tienen estados disponibles en el superconductor de laderecha a los cuales llegar por tunelamiento, en tanto que los de la derechasí tienen estados accesibles en los de la izquierda a los cuales llegar portunelamiento. La corriente aumenta con V hasta que los estados accesiblesde la izquierda quedan por arriba de los estados ocupados por loselectrones de la derecha, de manera que los electrones de la derecha ya nopueden pasar por tunelamiento a la izquierda. Puesto que las energías detodas las partículas están dentro de un intervalo de KBT,, a partir del nivelmas bajo, esta etapa se alcanza cuando eV ~ KBT, o sea, cuando V ~ 10-4

Volts. Si V se aumenta más, la corriente permanece prácticamenteconstante, porque los electrones que son capaces de pasar por el efectotúnel, que son los que están en el superconductor de la derecha,

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permanecen constantes en número. Sin embargo, cuando V alcanza lamagnitud 2D /e, un proceso adicional, el rompimiento de un par de Cooper,empieza a ser posible, como se muestra en la parte c) de esta figura. Uno delos electrones que resulta del rompimiento del par puede pasar portunelamiento al superconductor de la izquierda para ocupar el nivel masbajo de la correspondiente banda de estados excitados. El segundo electrónpasa a la parte mas baja de estados excitados del superconductor de laderecha. Como resultado de este proceso se tiene un flujo de electronesadicionales de derecha a izquierda y la corriente aumenta rápidamente. Si Vsigue aumentando mas allá de 2D/e, se sigue dando este proceso con laúnica diferencia de que ahora los electrones van a pasar a estadosexcitados. Existiran más combinaciones de estados excitados que puedenservir como estados finales y la corriente de tunelaje aumenta rápidamente,como se indica en la parte d) de la figura. Cuando se tienensuperconductores diferentes el proceso de tunelamiento es completamenteanálogo.

Figura XIX. Efecto Josephson. Cuando los pares de superelectrones (esto es,los pares de Cooper) pasan por el efecto túnel a través de una unión túnelsumamente delgada, se da el efecto Josephson. Este resulta de lainterferencia entre ondas macroscópicas de corrientes superconductoras. Sise genera una corriente a través de una unión túnel sumamente delgada,las hondas superconductoras son coherentes, pero difieren por algúndesfasamiento que depende del tamaño de la barrera túnel. Hay dos efectos

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principales: el efecto dc y el efecto ac. En el efecto dc, una corriente dc fluiráa través de la junta túnel aún en ausencia de voltaje aplicado o campomagnético aplicado. En el efecto Josephson ac, si existe un voltaje aplicado através de la unión túnel, se observarán oscilaciones de corriente de radiofrecuencia (rf). Si se aplica un voltaje oscilante de radio frecuencia, se puedereducir una corriente dc. En la figura se presenta un diagrama del efectoJosephson: a) es una supercorriente, I, que se divide a través de dos unionesy sufre un cambio de fase Dq, debido a un potencial aplicado. En b) el flujomagnético, f, induce una supercorriente adicional, Is, que sufre un cambiode fase +d y -d en las uniones. En c) se tiene la medición de la supercorrienteresultante en un SQUID de baja temperatura crítica, que muestrainterferencia en el transporte de corriente.

Figura XX. Esquema utilizado para definir un campo termodinámico críticopara un superconductor tipo II. El triángulo rectángulo se traza de maneraque tenga un área igual a la parte sombreada dentro de la curva demagnetización. Es posible demostrar, por un cálculo termodinámico, que eltrabajo hecho por el campo magnético sobre la muestra para magnetizarlacambia la energía libre del material al pasar del estado superconductor alestado normal y que se da por la diferencia entre las energías libres delestado normal y el estado superconductor. Este trabajo está dado por elárea encerrada en la curva de magnetización y es (1/2) mo HC2V, donde V esel volumen de la muestra para un superconductor tipo I y HC es el campo

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crítico. Esto también es válido para un superconductor tipo II, donde HC

queda definido a través de esta figura.

Figura XXI. Corrientes críticas para alambres fabricados con unsuperconductor tipo II. La gráfica a) se refiere a un alambre con muy pocasimperfecciones (muy pocas dislocaciones, vacancias, impurezas y cualquierotro tipo de imperfección) y en el seno de un campo magnético aplicado a lolargo del alambre. La gráfica b) se refiere a un material con un númeroapreciablemente grande de imperfecciones y con un campo magnéticoaplicado perpendicularmente al alambre. En un campo magnético cuyaintensidad es menor que el campo crítico, HC1, un superconductor tipo II seencuentra completamente en un estado superconductor y se comportacomo un superconductor tipo I. Cuando el campo aplicado es mayor que HC1

pasa al estado mixto. El valor de la corriente crítica para campos menoresque HC1 queda determinado del mismo modo que para el caso de lossuperconductores tipo I, donde HC pasa a ser HC1. De hecho, esto ocurre asísólo en el caso de muestras que presentan muy pocas imperfecciones, comose ve en la parte a) de esta figura. De otro modo, se tiene el comportamientomostrado en la parte b). Es un hecho ampliamente conocido que cuando unsuperconductor pasa al estado mixto, el valor de la corriente crítica estácontrolado casi completamente por imperfecciones del material. Conformemás imperfecto es el material, más grande es el valor de la corriente crítica.Un alambre altamente imperfecto puede llevar hasta alrededor de 105

amperios/cm2. Recíprocamente un espécimen bastante perfecto tiene una

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corriente crítica pequeña, del orden de unos cuantos miliamperios/cm2,cuando se encuentra en el estado mixto. Esta dependencia de la corrientecrítica con la imperfección del material es de una importancia tecnológicamuy grande, puesto que los electroimanes superconductores requierenalambre de resistencia cero y una gran capacidad de portar corriente, estoes, de una corriente crítica muy grande. Cabe señalar que los nuevossuperconductores cerámicos de alta temperatura corresponden a lossuperconductores tipo II.

Figura XXII. Estructura cristalina del sistema Yba2 Cu3 O7. Este compuesto sedescubrió en un intento de reemplazar al lantano en el compuesto de La-Ba-Cu-O. Con otra tierra rara, el itrio (Y). Se observó una temperatura detransición mucho más elevada, 93K. Éste fue el primer compuestodescubierto que tenía una temperatura de transición superconductora porarriba de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido. La figuramuestra la estructura por capas del sistema Y-Ba-Cu-O, con elempaquetamiento (a) y la coordinación (b).

10.7 Cerámicos Superconductores

La cerámica técnica que se ocupa de la utilización demateriales cerámicos en aplicaciones tecnológicas. La

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palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuyaraíz sánscrita significa "quemar". En su sentidoestricto se refiere a la arcilla en todas sus formas.Sin embargo, el uso moderno de este término incluye atodos los materiales inorgánicos no metálicos que seforman por acción del calor (ver sinterización).

Hasta los años 1950, los materiales más importantesfueron las arcillas tradicionales, utilizadas enalfarería, ladrillos, azulejos y similares, junto con elcemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámicase describe en alfarería. También puede buscarse lahistoria del rakú, singular técnica milenaria oriental.

Históricamente, los productos cerámicos han sido duros,porosos y frágiles. El estudio de la cerámica consisteen una gran extensión de métodos para mitigar estosproblemas y acentuar las potencialidades del material,así como ofrecer usos no tradicionales. Esto también seha buscado incorporándolas a materiales compuestos comoes el caso de los cermets, que combinan materialesmetálicos y cerámicos.

EJEMPLOS DE MATERIALES CERÁMICOS

Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvoabrasivo.

Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópterosy cubiertas de tanques.

Carburo de silicio (Si C ), empleado en hornosmicroondas, en abrasivos y como materialrefractario.

Diboruro de magnesio (Mg B 9875446548), es unsuperconductor no convencional.

Óxido de zinc (Zn 4O ), un semiconductor.

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Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos detransformadores magnéticos y en núcleos de memoriasmagnéticas.

Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico. Óxido de uranio (U O 2), empleado como combustible en

reactores nucleares Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2Cu3O7-x),

superconductor de alta temperatura. talio-bario-calcio

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA CERÁMICA

Los materiales cerámicos son generalmente frágiles ovidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos detensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden aser materiales porosos. Los poros y otras imperfeccionesmicroscópicas actúan como entallas o concentradores deesfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzosmencionados.

El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altosdel orden de 311 GPa en el caso del Carburo de Titanio(TiC). El valor del módulo de elasticidad depende de latemperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentarésta.

Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sinembargo, debido a la rigidez de la estructura de loscomponentes cristalinos hay pocos sistemas dedeslizamientos para dislocaciones de movimiento y ladeformación ocurre de forma muy lenta. Con losmateriales no cristalinos (vidriosos), la fluidezviscosa es la principal causa de la deformaciónplástica, y también es muy lenta. Aun así, es omitido enmuchas aplicaciones de materiales cerámicos.

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Tienen elevada resistencia a la compresión si lacomparamos con los metales incluso a temperaturas altas(hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las grietasincipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargasde tracción o cizalladura las grietas tienden asepararse, dando lugar a la fractura.

Los valores de tenacidad de fractura en los materialescerámicos son muy bajos (apenas sobrepasan el valor de 1MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentadosconsiderablemente mediante métodos como el reforzamientomediante fibras o la transformación de fase en circonia.

Una propiedad importante es el mantenimiento de laspropiedades mecánicas a altas temperaturas. Su grandureza los hace un material ampliamente utilizado comoabrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO.

Una de las áreas de mayores progresos con la cerámica essu aplicación a situaciones eléctricas, donde puedendesplegar un sorprendente conjunto de propiedades.

AISLAMIENTO ELÉCTRICO Y COMPORTAMIENTO DIELÉCTRICO.

La mayoría de los materiales cerámicos no sonconductores de cargas móviles, por lo que no sonconductores de electricidad. Esto se debe a que losenlaces iónico y covalente restringen la movilidadiónica y electrónica, es decir, son buenos aislanteseléctricos. Cuando son combinados con fuerza, permiteusarlos en la generación de energía y transmisión.

Las líneas de alta tensión son generalmente sostenidaspor torres de transmisión que contienen discos deporcelana, los cuales son lo suficientemente aislantes

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como para resistir rayos y tienen la resistenciamecánica apropiada como para sostener los cables.

Una sub-categoría del comportamiento aislante es eldieléctrico. Un material dieléctrico mantiene el campomagnético a través de él, sin inducir pérdida deenergía. Esto es muy importante en la construcción decondensadores eléctricos.

La cerámica dieléctrica es usada en dos áreasprincipales: la primera es la pérdida progresiva dedielectricidad de alta frecuencia, usada en aplicacionestales como microondas y radio transmisores; la segunda,son los materiales con alta dielectricidad constante(ferroeléctricos). Aunque la cerámica dieléctrica esinferior frente a otras opciones para la mayoría de lospropósitos, generalmente ocupa estos dos dichos muybien.

SUPERCONDUCTIVIDAD.

Bajo ciertas condiciones, tales como temperaturasextremadamente bajas, algunas cerámicas muestransuperconductividad. La razón exacta de este fenómeno noes conocida, aunque se diferencian dos conjuntos decerámica superconductora.

El compuesto estequimétrico Y Ba 2Cu3O7-x, generalmenteabreviado YBCO o 123, es particularmente muy conocidoporque es fácil de hacer, su manufactura no requiereningún material particularmente peligroso y tiene unatransición de temperatura de 90 K (lo que es superior ala temperatura del nitrógeno líquido, 77 K). La x de lafórmula se refiere al hecho que debe ser ligeramentedeficiente en oxígeno, con un x por lo general cercano a0.3.

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El otro conjunto de cerámicas superconductoras es eldiboruro de magnesio. Sus propiedades no sonparticularmente destacables, pero son químicamente muydistintos a cualquier otro superconductor en que no esun complejo de óxido de cobre ni un metal. Debido a estadiferencia se espera que el estudio de este materialconduzca a la interiorización del fenómeno de lasuperconductividad.

SEMICONDUCTIVIDAD.

Hay cierto número de cerámicas que son semiconductivas.La mayoría de ellas son óxidos de metales de transiciónque son semiconductores de tipos II-IV, como el óxido dezinc.

La cerámica semiconductora es empleada como sensor degas. Cuando varios gases son pasados a través de unacerámica policristalina, su resistencia eléctricacambia. Ajustando las posibles mezclas de gas, se puedenconstruir sensores de gas sin demasiado costo.

FERROELECTRICIDAD, PIEZOELECTRICIDAD Y PIROELECTRICIDAD.

Un material ferroeléctrico es aquel que espontáneamenteposee una polarización eléctrica cuyo sentido se puedeinvertir mediante aplicación de un campo eléctricoexterno suficientemente alto (histéresisferroeléctrica). Estos materiales exhiben múltiplespropiedades derivadas de su polarización espontánea, enausencia de un campo eléctrico externo, y de laposibilidad de su inversión (memorias de ordenador). Lapolarización espontánea puede modificarse mediantecampos eléctricos (electrostricción) o de tensionesmecánicas (piezoelectricidad) externos y mediantevariaciones de la temperatura (piroelectricidad). Lapolarización espontánea y su capacidad de modificación

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es también el origen de la alta constante dieléctrica opermitividad de los ferroeléctricos, que tieneaplicación en condensadores.

Un material piezoeléctrico es aquel que, debido a poseeruna polarización espontánea, genera un voltaje cuando sele aplica presión o, inversamente, se deforma bajo laacción de un campo eléctrico. Cuando el campo eléctricoaplicado es alterno, este produce una vibración delpiezoeléctrico. Estos materiales encuentran un rangoamplio de aplicaciones, principalmente como sensores -para convertir un movimiento en una señal eléctrica oviceversa-. Están presentes en micrófonos, generadoresde ultrasonido y medidores de presión. Todos losferroeléctricos son piezoeléctricos, pero hay muchospiezoeléctricos cuya polarización espontánea puedevariar pero no es invertible y, en consecuencia, no sonferroeléctricos.

Un material piroeléctrico desarrolla un campo eléctricocuando se calienta. Algunas cerámicas piroeléctricas sontan sensibles que pueden detectar cambios de temperaturacausados por el ingreso de una persona a un cuarto(aproximadamente 40 microkelvin). Tales dispositivos nopueden medir temperaturas absolutas, sino variaciones detemperatura y se utilizan en visión nocturna ydetectores de movimiento.

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10.8 Aplicaciones

PUEDE decirse que existen tres tipos de aplicaciones dela superconductividad:

1) La producción de grandes campos magnéticos. Al decirgrandes nos referimos tanto a una gran intensidad delcampo magnético como al espacio en el cual se crea elcampo.

2) La fabricación de cables de transmisión de energía.Aunque éstos ya se manufacturan a partir de lossuperconductores convencionales (no de los nuevossuperconductores cerámicos), actualmente no soncompetitivos comercialmente con respecto a los cablesaéreos normales, a menos de que cubran una grandistancia (de cientos de kilómetros). En los casos enque las líneas de transmisión deben ser subterráneas,habría cierta ventaja económica con la utilización delos cables superconductores.

3) La fabricación de componentes circuitos electrónicos.Estos dispositivos electrónicos fueron ideadosoriginalmente con la intención de utilizar la transiciónde estado normal a estado superconductor como uninterruptor, mas resultaron decepcionantes con respectoa los logros alcanzados por los transistores depelículas delgadas y se ha abandonado su uso en esteaspecto. Este panorama puede cambiar con eldescubrimiento de los nuevos materiales superconductorescerámicos. Cabe mencionar que son de gran interés losdispositivos basados en la utilización del llamadoefecto Josephson (que es el efecto de "tunelamiento"conocido por la mecánica cuántica, pero de corriente desuperconductividad aun en ausencia de un voltajeaplicado). Resultan superiores a otras tecnologías y

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tienen un gran campo de aplicación que va desde ladetección de señales del infrarrojo lejano que provienendel espacio exterior, hasta pequeñísimos camposmagnéticos que se producen en el cerebro humano. Tambiénla corriente Josephson a voltaje cero dependefuertemente de un campo magnético aplicado, lo que llevaa la posibilidad de tener un interesante interruptorpara circuitos lógicos en las computadoras.

La aplicación más importante, en cuanto a la cantidad dematerial empleado, es y será por mucho tiempo laproducción de campos magnéticos, que se emplean,principalmente, en los laboratorios de física con finesde investigación, y es común ver pequeños electroimanessuperconductores que sirven para producir camposmagnéticos con intensidades del orden de 103 Oersted.Dentro de la investigación en el campo de la física,también se utilizan electroimanes superconductores paragenerar campos magnéticos altamente estables, útiles enlos estudios de la resonancia magnética nuclear y lamicroscopía electrónica de alta resolución. Son muyutilizados en las cámaras de burbujas que sirven para ladetección de partículas y que requieren camposmagnéticos muy intensos.

Por otro lado, se espera que los motores y generadoressuperconductores tendrán enormes consecuencias en losocial y económico, en unos años más, pues para suelaboración se utilizan campos magnéticos intensos.También se desea utilizar electroimanes superconductorespara la levitación de trenes de transporte de pasajeroso de carga.

Es conveniente señalar las propiedades que se requierenen los superconductores comerciales:

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1) La mayor temperatura crítica posible. Esto se debe aque, cuanto mayor sea, más elevada podrá ser latemperatura de operación del dispositivo fabricado,reduciéndose de esta manera los costos por refrigeraciónrequeridos para alcanzar el estado superconductor enoperación.

2) El mayor campo magnético crítico posible. Como sepretende utilizar el superconductor para generar camposmagnéticos intensos, mientras mayor sea el campomagnético que se quiere generar, mayor tendría que serel campo crítico del material superconductor.

3) La mayor densidad de corriente crítica posible. Amayor densidad de corriente crítica que la muestra puedasoportar antes de pasar al estado normal, más pequeñopodrá hacerse el dispositivo, reduciéndose, de estamanera, la cantidad requerida de material superconductory también la cantidad de material que debe refrigerarse.

4) La mayor estabilidad posible. Es muy común que lossuperconductores sean inestables bajo cambios repentinosde corriente, de campos magnéticos, o de temperatura, obien ante choques mecánicos e incluso por degradacióndel material al transcurrir el tiempo (como ocurre enmuchos de los nuevos materiales superconductorescerámicos). Así que, si ocurre algún cambió súbitocuando el superconductor está en operación, éste podríaperder su estado superconductor. Por eso es convenientedisponer de la mayor estabilidad posible.

5) Facilidad de fabricación. Un material superconductorserá completamente inútil para aplicaciones en granescala si no puede fabricarse fácilmente en grandescantidades.

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6) Costo mínimo. Como siempre, el costo es el factor másimportante para considerar cualquier material utilizadoen ingeniería y deberá mantenerse tan bajo como seaposible.

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UNIDAD 11

PRODUCTOS ELABORADOS DE CARBON YSOLDADURA

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11.1 Propiedades y característicasprincipales

El carbono es un elemento notable por varias razones.Sus formas alotrópicas incluyen una de las sustanciasmas blandas (el grafito) y la mas dura (el diamante).

Presenta una gran afinidad para enlazarse químicamentecon otros atomos pequeños, incluyendo otros atomos decarbono con los que puede formas largas cadenas, y supequeño radio atomico le permite formar enlacesmultiples.

Junto con el Oxigeno forma el Dioxido de Carbono, vitalpara la vida de las plantas. Con el Hidrogeno formanumerosos compuestos denominados genéricamentehidrocarburos esenciales para la industria y elMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 304

transporte en la forma de combustibles de fosiles, ycombinado con oxigeno e hidrogeno forma gran variedad decompuesto como, acidos grasos, esteres; además esvector, a través del ciclo carbono-nitrogeno, de partede la de energía producida por el Sol.

Es solido a temperatura ambiente. Dependiendo de lascondiciones de formación, puede encontrarse en lanaturaleza en distintas formas alotrópicas, carbonoamorfo y cristalino en forma de grafito o diamante.

El carbono se forma por la descomposición de vegetalesterrestres, hojas, maderas, cortezas y esporas, que seacumulan en zonas pantanosas, laguneras o marinas depoca profundidad.

Los vegetales muertos quedan cubiertos de agua, libresde oxigeno, en el fondo de una cuenca. De ahí comienzauna lenta transformación por la acción de bacteriasanaerobias. Asi con el tiempo comienza una producciónprogresiva de carbono.

Existen diferentes tipos de carbones minerales enfunción del grado de carbonificacion que hayaexperimentado la materia vegetal que origino el carbón.

Estos van desde la turba, que es el menos evolucionado yen que la materia vegetal muestra poca alteración, hastala antracita que es el carbón mineral con una mayorevolución.

Esta evolución depende de la edad del carbón, asi comode la profundidad y condiciones de presión, temperatura,entorno, etc: en que las que la materia vegetalevoluciono hasta formar el carbón mineral.

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El rango de un carbón mineral se determina en función decriterios tales como su contenido en materia volátil,contenido en carbono fijo, humedad, poder calorífico,etc.

Asi a mayor rango, mayor es el contenido en carbono fijoy mayor el poder calorífico, mientras que disminuye suhumedad natural y la cantidad de materia volátil.

Existen varias clasificaciones de los carbones según surango. Una de las mas utilizadas divide a los carbonesde mayor a menor rango en:

- Antracita- Bituminoso bajo en volátiles- Bituminoso medio en volátiles- Bituminoso alto en volátiles- Sub-Bituminoso- Lignito- Turba

La Hulla es un carbón mineral de tipo bituminoso medio yalto en volátiles.

Una de las propiedades de los elementos no metales comoel carbono es por ejemplo que los elementos no metalesson malos conductores del calor y la electricidad.

Debido a su fragilidad, los no metales como el carbono,no se pueden aplanar para formar laminas ni estiradospara convertirse en hilos.

El estado del carbono en su forma natural es solido (nomagnético). El punto de fusión y de ebullición es de -273K y 5ºC.

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Las características del carbono son las siguientes:

CarbonoSímbolo químico CNúmero atómico 6Grupo 14Periodo 2Aspecto negro (grafito) Incoloro

(diamante)Bloque pDensidad 2267 kg/m3Masa atómica 12.0107 uRadio medio 70 pmRadio atómico 67Radio covalente 77 pmRadio de van der Waals 170 pmConfiguraciónelectrónica

[He]2s22p2

Electrones por capa 2, 4Estados de oxidación 4, 2Óxido ácido débilEstructura cristalina hexagonalEstado sólidoPunto de fusión diamante: 3823 KGrafito:

3800 K KPunto de ebullición grafito: 5100 K KCalor de fusión grafito; sublima: 105 kJ/mol

kJ/molElectronegatividad 2,55Calor específico 710 J/(K·kg)

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Conductividadeléctrica

61×103S/m

Conductividad térmica 129 W/(K·m)

11.2 Productos eléctricos de carbónA continuación de enlistaran algunos de los productoseléctricos hechos a base de carbón:

1. Productos de fibra de carbón2. Barras y Varillas de carbón3. Placas y hojas de carbón4. Discos de carbón5. Anillos de carbón6. Rodamientos de carbón7. Carbones para arcos eléctricos8. Ánodos de carbón9. Electrodos de carbón10. Varillas de aportación y electrodos de carbón para

soldadura fuerte11. Válvulas de carbón12. Filtros de carbón13. Tubos de carbón14. Escobillas de carbón15. Filamentos de carbón16. Anillos de carbón para reguladores de voltaje

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17. Anillos de carbón para pistones18. Elementos de carbón para resistencias19. Cojinetes y bloques lubricantes de carbón20. Componentes para pararrayos y para disipadores de

sobre-voltaje de arco de carbón.21. Revestimientos interiores de carbón para hornos22. Colectores de corriente de carbón para pantógrafos

de ferrocarril, tranvía y grua.23. Correderas y patines para ascensores y montacargas24. Ánodos de carbón para aluminio25. Ánodos de carbón para galvanización26. Ánodos de carbón para protección catódica27. Electrodos de carbón para electroerosión28. Electrodos de carbón para fundir y afinar metales29. Electrodos de carbón para puesta a tierra30. Electrodos de carbón para hornos eléctricos31. Electrodos de carbón para rectificadores del arco de

mercurio32. Carbones de arco para usos industriales33. Carbones de arco para alumbrado34. Carbón activo35. Carbón artificial36. Carbón para lámparas de arco37. Carbón y productos de carbón para acumuladore38. Productos de carbón para reóstatos39. Productos de carbón para telefonía40. Productos de carbón para la industria eléctrica.

11.3 AplicacionesEl carbón suministra el 25% de la energía primariaconsumida en el mundo, solo por detrás del petróleo.

Además es de las primeras fuentes de energía eléctrica,con 40% de la producción mundial.

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Las aplicaciones principales del carbón son:- Generación de energía eléctrica. Las centralestérmicas de carbón pulverizado constituyen la principalfuente mundial de energía eléctrica.

- Coque. El coque es el producto de la pirolisis delcarbón en ausencia de aire. Es utilizado comocombustible y reductor en distintas industriasprincipalmente en los altos hornos.

- Siderurgia. Mezclando minerales de hierro con carbónse obtiene una aleación en la que el hierro se enriqueceen carbono, obteniendo mayor resistencia y elasticidad.Dependiendo de la cantidad de carbono se obtiene:

A) Hierro dulceB) AceroC) Fundición

- Industrias varias. Se utiliza en las fábricas quenecesitan mucha energía en sus procesos, como lasfabricas de cemento y de ladrillos.

- Uso domestico. Históricamente el uso del carbón fuepara uso domestico como combustible. Hoy en dia se usapara calefacción.

- Carbo-quimica. La carbo-quimica es practicada enAfrica del Sur y China. Mediante el proceso degasificación se obtiene del carbón un gas llamado gas desíntesis, compuesto principalmente de hidrogeno ymonóxido de carbono.

El gas de síntesis es una materia prima básicaque puede transformarse en numerosos productosquímicos de interés como, por ejemplo:a) Amoniaco

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b) Metanolc) Gasolina y Gasoleo de automoción a través del

proceso Fischer-Tropsch (proceso quimico parala producción de hidrocarburos liquidos apartir de gas de síntesis, CO Y H2)

- Petróleo sintetico. Mediante el proceso delicuefacción directa, el carbón puede ser transformadoen un crudo similar al petróleo.

Estas dos ultimas aplicaciones antiguas son muycontaminantes y requieren de mucha energía,desperdiciando asi un tercio del balance energéticoglobal.

Debido a la crisis del petróleo se han vuelto autilizar.

Asi como se vio anteriormente el uso principal en laindustria del carbono es como componente dehidrocarburos, especialmente los combustibles fosiles(petróleo y gas natural). Otros usos son:

- El isotopo radiactivo carbono 14, se usa en ladatación radiométrica.

- El grafito se combina con arcilla para fabricar lasminas de los lápices. Además e utiliza como aditivo enlubricantes. Las pinturas antirradar utilizadas en elcamuflaje de vehículos y aviones militares están basadasigualmente en el grafito.

- El diamante. Se origina con temperaturas y presionesaltas en el interior de la Tierra. Se emplea para laconstrucción de joyas y como material de corteaprovechando su dureza.

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- Como elemento de aleación principal de los aceros.- En varillas de protección de reactores nucleares.

- El carbón activo se emplea en sistemas de filtrado ypurificación de agua.

- El carbón amorfo (hollín) se añade a la goma paramejorar sus propiedades mecánicas. Además se emplea enla formación de electrodos, de las baterías.

- La fibra de carbono se añade a resinas de poliéster,donde mejoran mucho la resistencia mecánica sin aumentarel peso obteniéndose los materiales denominados fibrasde carbono.

- Las propiedades químicas y estructurales de losfulerenos, en la forma de nanotubos, prometen usosfuturos en el incipiente campo de la nanotecnología.

El carbón vegetal es quizás el primer material de carbónutilizado por el hombre y su uso data probablementedesde el mismo momento que se comienza a utilizar elfuego. Se usa mayoritariamente como combustible, no solode uso domestico sino también industrial, especialmenteen los países en vías de desarrollo.

La producción de carbón vegetal tiene un importanteimpacto ambiental que es necesario disminuir.

Un uso fundamental del carbón vegetal es su empleo en lametalurgia.

La metalurgia del hierro no hubiese sido posible sin elcarbón vegetal ya que las elevadas temperaturas que se

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requieren para fundir los minerales no pueden alcanzarseutilizando solo madera o combustibles vegetales.

Además, el carbono que contiene el carbón vegetal actuacomo reductor de los oxidos del metal que forman losminerales y con la técnica apropiada parte de estecarbono puede alearse con el hierro para dar lugar alacero, mucho mas duro que el hierro, lo cual fuefundamental para el desarrollo de herramientas masresistentes.

Dado que el carbón vegetal es un material poroso, otrade sus aplicaciones es su uso como adsorbente (capacidadde atrapar moléculas o iones).

Otras de sus aplicaciones del carbón se suscitan acontinuación: Los plásticos se fabrican a partir de polímeros

sintéticos de carbono. El carbono, en forma de coque, se utiliza para

reducir el mineral de hierro en el metal de hierro. Cuando se combina con el silicio,

tungsteno, boro y titanio, el carbono forma algunosde los compuestos más duros conocidos. Estos seutilizan como abrasivos en herramientas de corte yesmerilado.

11.4 Soldadura, principiosfundamentales

La soldadura es un proceso de fabricación en donde serealiza la unión de dos materiales, (metales otermoplásticos), usualmente logrado a través de lacoalescencia (fusión), en la cual las piezas sonMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 313

soldadas fundiendo ambas y pudiendo agregar un materialde relleno fundido (metal o plástico), para conseguir unbaño de material fundido (el baño de soldadura) que, alenfriarse, se convierte en una unión fija.

A veces la presión es usada conjuntamente con el calor,o por si misma, para producir la soldadura.

Lo anterior contrasta con la soldadura blanda y lasoldadura fuerte, que implica el derretimiento de unmaterial de bajo punto de fusión entre piezas de trabajopara formar un enlace entre ellos, sin fundir las piezasde trabajo.

Muchas fuentes de energía diferentes pueden serutilizadas para la soldadura, como:

- Una llama de gas- Un arco eléctrico- Un laser - Un rayo de electrones- Procesos de friccion o ultrasonido, etc.

La energía necesaria para formar la unión entre dospiezas de metal generalmente proviene de un arcoeléctrico.

La energía para soldaduras de fusión o termoplásticosgeneralmente proviene del contacto directo con unaherramienta o un gas caliente.

La soldadura es un proceso industrial, pero asi mismo,poder hecha al aire libre, debajo del agua y en elespacio.

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Existen diversos procesos de soldadura, los cuales acontinuación se describen:

Soldadura Electrica. Uso de la electricidad como fuentede energía para la unión metalica.

Soldadura por arco. Este proceso de soldadura usa unafuente de alimentación para crear y mantener un arcoeléctrico entre un electrodo y el material base paraderretir los metales en el punto de soldadura.

La fuente de alimentación puede ser alimentada por CD,asi como CA, y electrodos consumibles o no consumibles.En ocasiones, la región de la soldadura es protegida porun cierto tipo de gas inerte o semi inerte, conocidocomo gas de protección, y el material de relleno a veceses usado también.

El sistema de soldadura eléctrica o electrodo recubiertose caracteriza por la creación y mantenimiento de unarco eléctrico entre una varilla metalica llamadaelectrodo, y la pieza a soldar.

El electrodo recubierto esta constituido por un varillametalica a la que se le da el nombre de alma o nucleo,de forma cilíndrica, cuyo recubrimiento es unacomposición química de sustancias no metálicas, segúnlas características que se requieran en el uso.

El revestimiento puede ser básico, rutilico ycelulósico.

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Para realizar un soldadura por arco eléctrico se induceuna DDP entre el electrodo y la pieza a soldar, con locual se ioniza el aire entre ellos y pasa a serconductor, de modo que se cierra el circuito.

El calor del arco funde parcialmente el material de basey funde el material de aporte, el cual se deposita ycrea el cordon de soldadura.

La soldadura por arco eléctrico es utilizada comúnmentedebido a la facilidad de transporte y a la economía dedicho proceso.

Los elementos que se requieren para este procesoson.- Plasma. Esta compuesto por electrones que

transportan la corriente y que van del polonegativo al positivo., de iones metálicos que vandel polo positivo al polo negativo.

- Llama. Es la zona que envuelve al plasma ypresenta menor temperatura que este.

- Baño de fusión. Es la acción calorífica que elarco provoca la fusión del material.

- Cráter. Surco producido por el calentamiento delmetal.

- Cordon de soldadura. Esta constituido por elmetal base y el material de aportación delelectrodo, y se pueden diferenciar dos partes: laescoria y sobre el espesor.

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- Electrodo. Son varillas metálicas preparadas paraservir como polo del circuito, en su extremo segenera el arco eléctrico.

En los electrodos existe un recubrimiento, elcual cumple con ciertas funciones como son:a) Función eléctrica del recubrimiento. La

estabilidad del arco depende de factores comoes la ionización del aire para que fluyaadecuadamente la electricidad. Para ellos seañaden productos químicos al revestimiento delelectrodo como sales de potasio, sodio y bario.

b) Función física de la escoria.

c) Función metalúrgica de la escoria. Elrecubrimiento tiene una importancia decisiva enla calidad de la soldadura, la soldadura dearco.

Existen diferentes tipos de soldadura por arco, yson :- Soldadura por arco manual con electrodos

revestidos.La característica mas importantes de este proceso es queel arco eléctrico se produce entre la pieza y unelectrodo metalico recubierto.

El recubrimiento protege el interior del electrodo hastael momento de la fusión. Con el calor del arco, elextremo del electrodo funde y se quema el recubrimiento,de modo que se obtiene la atmosfera adecuada para que se

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produzca la transferencia de metal fundido desde elnucleo del electrodo hasta el baño de fusión en elmaterial base.

Como son los propios electrodos los que aportan el flujode metal fundido será necesarionreponerlos cunado sedesgasten. Los electrodos están compuestos de dospiezas: el alma y el revestimiento.

1. El alma o varilla es alambre, de diámetrooriginal de 5.5mm) que se comercializa enrollos continuos.

2. El revestimiento se produce mediante lacombinación de una gran variedad de elementos(minerales varios, celulosa, mármol,aleaciones, etc.) convenientementeseleccionados y probbados por los fabricantes,que mantienen el proceso, cantidades yclasificaciones en rigurosod secreto.

En CC el arco es más estable y fácil de encender y lassalpicaduras son poco frecuentes, en cambio, el métodoes poco eficaz con soldaduras de piezas gruesas.

La CA posibilita el uso de electrodos de mayor diamtero,con lo que el rendimiento a mayor escala tambiénaumenta.

El cualquier caso, las intensidades de corriente oscilanentre 10 y 500 Amperes.

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Su campo de aplicaciones es enorme casi en todos lostrabajos de pequeña y mediana soldadura de taller seefectúan con electrodo revestido, se puede soldar metalde casi cualquier espesor y se pueden hacer uniones decualquier tipo.

- Soldadura por electrodo no consumible protegido.En este tipo de soldadura se utiliza como mediode protección un chorro de gas que impide lacontaminación de la junta. Este tipo de soldadura también es llamadoSoldadura TIG, el cual, se caracteriza por elempleo de un electrodo permanente que normalmentees de tungsteno.

La inyección del gas a la zona de soldeo se consiguemedianteuna canalización que llega directamente a la punta delelectrodo, rodeándolo. Dada la elevada temperatura deltungsteno (funde a 3410ºC), acompañada de la proteccióndel gas, la punta del electrodo apenas se desgasta trasun uso prolongado.

Los gases mas usados, para la protección, son el argón,el helio y mezclas de ambos.

La soldadura TIG se trabaja con CC y CA. En CC ypolaridad directa, las intensidades de corriente son de50 a 500 Amperes. Con esta polarización se consiguemayor penetración y un aumento en la duración delelectrodo. Con polarización inversa, el baño de fusión

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es mayor pero hay menor penetración, las intensidadesoscilan entre 5 y 60 Amperes.

La CA combina las ventajas de las dos anteriores, peroen contra da un arco poco estable y difícil de cebar.

La gran ventaja de este método de soldadura es laobtención de cordones mas resistentes, mas ductiles ymenos sensibles a la corrosión que en el resto deprocedimientos, ya que le gas protector impide elcontacto entre la atmosfera y el baño de fusión.

- Soldadura por Electrodo consumible protegido.Este método (Soldadura MIG y Soldadura MAG) es elelectrodo el alimento del cordon de soldadura. Elarco eléctrico esta protegido por un flujocontinuo de gas que garantiza una unión limpia yen buenas condiciones.

Es este tipo de soldadura el gas es inerte, no participaen modo alguno en la reacción de soldadura. Su funciónes proteger la zona critica de la soldadura deoxidaciones e impurezas exteriores.

Se emplean gases inertes tales como Argon, Helio ymezcla de ambos.

En cambio en la soldadura MAG el gas utilizado participade forma activa en la soldadura. Su zona de influenciapuede ser oxidante o reductora, ya se utilicen gasescomo el dióxido de carbono o el argón mezclado conoxigeno.MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 320

El problema de usar CO2 es la soldadura es que la uniónresultante resulta muy porosa. Es por eso que se usasolo para soldar aceros, por lo que su uso quedarestringido a las ocasiones en la que es necesariosoldar grandes cantidades de material y en las que laporosidad resultante no es un problema a tener encuenta.

El uso de las soldaduras MIG y MAG es cada vez mas usadoen la industria. Ya que su flexibilidad es lacaracterística mas sobresaliente, ya que permite soldaraceros de baja aleación, aceros inoxidables, aluminio ycobre, en espesores a partir de los 0.5 mm, y en todaslas posiciones.

La protección por gas garantiza un cordon de soldaduracontinuo y uniforme, además libre de impurezas yescorias; además es un método limpio y compatible conlas medidas de protección para el medio ambiente.

- Soldadura por Arco Sumergido.Este proceso de soldadura, también llamado SAW,tiene como detalle mas característico el empleode un flujo continuo de material protector enpolvo a granulad, llamado FLUX.

Esta sustancia, FLUX, protege al arco y al baño defusión de la atmosfera, de tal forma que ambospermanecen invisibles durante la soldadura. Parte deesta sustancia funde, y con ello protege y estabiliza el

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arco, genera escoria que aisla el cordon, e inclusopuede contribuir a la aleación.

El resto del FLUX, no fundido, se recoge tras el pasodel arco para su reutilización.

Este proceso es totalmente automatizado y permiteobtener grandes rendimientos.

El electrodo de soldadura SAW es consumible, con lo queno es necesario la aportación externa de fundente. Esteproceso se comercializa en forma de hilo, macizo o huecocon el FLUX dentro de alrededor de 0.5mm de espesor.

- El FLUX es una mezcla de compuestos minerales varioscomo SiO2, CaO, MnO, etc. Con determinadascaracterísticas de escorificacion, viscosidad, entreotros patrones.

- El FLUX, normalmente, se obtiene por fundidos (seobtiene por fusión de los elementos), aglomerados (secohesionan con aglomerantes, cerámicos, silicatopotásico, etc.), y mezclados mecánicamente (simplesmezclas de otros FLUXES).

Dependiendo del equipo y del diámetro del hilo delelectrodo, este proceso, soldadura SAW, se trabaja conintensidades de hasta 1600 Amperes, con CC (electrodopositivo y base negativa) y CA.

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Este proceso se usa para unir metales férreos yaleaciones, y para recubrir materiales contra lacorrosión.

Además, permite la soldadura de piezas con pocaseparación entre ellas. El arco actua bajo el FLUX,evitando salpicaduras y contaminación del cordon, yalimentándose, si es necesario, del propio FLUX queademás evita que el arco se desestabilice por corrientesde aire.

La soldadura SAW puede aplicarse a gran velocidad enposiciones de sobremesa, para casi cualquier tipo dematerial y es altamente automatizable.

Una característica mejora del proceso SAW es lasoldadura en tándem, mediante la cual se aplican doselectrodos a un mismo baño. Asi se aumenta la calidad dela soldadura, ya que uno de los electrodos se encarga dela penetración y el volumen del cordon, mientras que elsegundo maneja los parámetros de geometría y tamaño.

- Este proceso, tiene una desventaja, y es que solo sepuede aplicar en posiciones de sobremesa y cornisa, yaque de otra manera el FLUX se derramaría.

- Este proceso tiene su mayor campo de aplicación en lafabricación de tuberías de acero en espiral, y engeneral, en la soldadura de casi cualquier tipo deaceros (especialmente los inoxidables)

1- Soldeo Blando y Fuerte.MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 323

El soldeo blando y fuerte es un proceso en elcual no se produce la fusión de los metales base,sino únicamente del metal de aportación.1. El soldeo blando se da a temperaturas

inferiores a 450ºC2. El soldeo fuerte se da a temperaturas

superiores a 450ºC3. El soldeo fuerte a altas temperaturas se da a

temperaturas superiores a 900ºC.

2- Soldadura a Gas.

- El proceso a gas mas común es la soldaduraoxiacetilénica, también conocida como soldadura autógenao soldadura oxi combustible.

- Es uno de los procesos mas viejos y mas versátiles,pero ya no en la industria.

- Es usada para soldar tuberías , como para trabajos dereparación. El equipo es relativamente barato y simple,generalmente empleando la combustión del acetileno enoxigeno para producir una temperatura de la llama desoldadura de cerca de 3100ºC. Puesto que la llama esmenos concentrada que un arco eléctrico, causando unenfriamento mas lento de la soldadura, que puedeconducir a mayores tendiones residuales y distorsion desoldadura, aunque facilita la soldadura de aceros dealta aleación.

Existen otros métodos de soldadura a gas como:a) Soldadura de acetileno y aire

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b) Soldadura de hidrogeno y oxigenoc) Soldadura de gas a presión

Los anteriores métodos son muy similares, generalmentediferenciándose solamente en el tipo de gases usados.

La soldadura a gas también es usada en la soldadura deplástico, aunque la sustancia calentada es el aire, ylas temperaturas son mucho mas bajas.

3- Soldadura por Resistencia.- La soldadura por resistencia implica la generación decalor pasando corriente a través de la resistenciacausada por el contacto entre dos o mas superficies demetal.

- Se forman pequeños charcos de metal fundido en el áreade soldadura a medida que la elevada corriente, 1 a 100Amperes, pasa a través del metal.

- Los métodos de la soldadura por resistencia soneficientes y causan poca contaminación, pero susaplicaciones son algo limitadas y el costo del equipopuede ser alto.

- La soldadura por puntos, es un ejemplo de esteproceso, y es usado par ajuntar hojas de metal solapadasde hasta 3mm de grueso. Para sujetar las hojas de metalse requieren dos electrodos y para pasar corriente através de las hojas,

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- Las ventajas del método incluye el uso eficiente de laenergía, limitada deformación de la pieza de trabajo,altas velocidades de producción, fácil automatización, yel no requerimiento de materiales de relleno.

- La fuerza de la soldadura es perceptiblemente másbaja, comparada a otros procesos de soldadura, haciendoel proceso conveneinte para ciertas aplicaciones.

La soldadura de costura, confía en dos electrodos paraaplicar presión y la corriente para juntar hojas demetal. Sin embargo, en vez de electrodos de punto, loselectrodos con forma de rueda, ruedan a lo largo y amenudo alimentan la pieza de trabajo, haciendo posiblelas soldaduras continuas largas.

Otros métodos de soldadura por resistencia son :1. Soldadura de destello2. Soldadura de proyección3. Soldadura de volcano.

4- Soldadura por rayo de energía.- Este método de soldadura, también llamado soldadurapor rayo laser y soldadura con rayo de electrones, es unproceso relativamente nuevo que ha llegado a serabsolutamente popular en aplicaciones de altaproducción.

- La diferencia entre los dos anteriores procesos desoldadura son en la fuente de energía.

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- La soldadura por rayo laser emplea un rayo laseraltamente enfocado, mientas que la soldadura de rayo deelectrones es hecha al vacio y usa un haz de electrones.

- Ambas tienen una densidad de energía alta de energía,haciendo posible la penetración de soldadura profundda yminimizando el tamaño del área de la soldadura.

- Ambos procesos son extremadamente rapidos, y sonfáciles de automatizar, haciéndolos altamenteproductivos.

- Las desventajas primarias son sus muy altos costos deequipo (aunque estos están disminuyendo) y unasusceptibilidad al agrietamiento.

- Un proceso de soldadura en puerta es la soldadura delaser hibrido, que usa lo principios de l soldadura derayo laser y de la soldadura de arco incluso mejorespropiedades de soldadura.

5- Soldadura de Estado Solido,Un ejemplo de este tipo de proceso es la soldaduraultrasónica, es usada para conectar hojas o alambresfinos hechos de metal o termoplásticos, haciéndolosvibrar en alta frecuencia y bajo alta presión.

El equipo y los métodos implicados son similares a losde la soldadura por resistencia, pero en ves decorriente eléctrica, la vibración proporciona la fuentede energía.

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En este proceso no implica el derretimiento de losmetales; en su lugar, la soldadura se formaintroduciendo vibraciones mecánicas horizontalmente bajopresión.

Cuando se están soldando plásticos, los materiales debentener similares temperaturas de fusión, y lasvibraciones son introducidas verticalmente.

La soldadura ultrasónica se usa para hacer conexioneseléctricas de aluminio o cobre, y también es muy comúnun proceso de soldadura de polímeros.

Otro proceso de soldadura, es la soldadura explosiva, elcual implica juntar materiales empujándolos juntos bajouna presión extremadamente alta.

La energía de impacto plastifica los materiales,formando una soldadura, aunque solamente una limitadacantidad de calor sea generada.

El proceso es usado para materiales disimiles desoldadura, tales como soldadura de aluminio con acero oplacas compuestas.

Otros procesos de soldadura de estado solido son:a) Soldadura de coextrusionb) Soldadura en frioc) Soldadura de difusiónd) Soldadura por friccion (incluyendo la soldadura

por friccion-agitacion)e) Soldadura por alta frecuencia

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f) Soldadura por presión calienteg) Soldadura por inducciónh) Soldadura de rodillo.

11.5 Materiales empleados

La calidad de la soldadura también depende de lacombinación de los materiales usados para el materialbase y el material de relleno. Tales ejemplo pueden sor:

a) Los aceros. La soldabilidad de aceros esinversamente proporcional a una propiedad conocidacomo la templabilidad del acero, que mide laprobabilidad de forma martensita durante eltratamiento de soldadura.

La templabilidad del acero depende de la composiciónquímica, con mayores cantidades de carbono y deotros elementos de aleación resultando en mayortemplabilidad y por lo tanto una soldabilidad menor.

b) Aluminio. La soldabilidad de las aleaciones dealuminio varia significativamente dependiendo de lacomposición química de la aleación usada. Lasaleaciones de aluminio son susceptibles alagrietamiento caliente.

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11.6 AplicacionesLas aplicaciones de la soldadura varia según lasnecesidades en la industria, se mencionaran algunas deellas:

a) En la construcción de puentes y edifciosb) Producción de tuberías, recipientes, calderas,

tanquesc) Construcción navald) Automóviles, ferrocarriles, etc

UNIDAD 12

ESTABILIDAD DE LOS MATERIALES ENAMBIENTE DE SERVICIO

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12.1 Estabilidad de servicio.Fiabilidad

En la actualidad, la mayor parte de los bienes yservicios se obtienen y se hacen llegar a susdestinatarios mediante unos “sistemas productivos”, amenudo de gran dimensión tanto por el número de personasque trabajan en ellos como por el tamaño y el valor delas instalaciones y equipos que utilizan.

A lo largo de su ciclo de vida cada sistema pasa pordiferentes fases. La última de ellas es la deconstrucción y puesta en marcha, hasta que se alcanza elrégimen normal de funcionamiento. Durante esta últimafase, llamada de operación, que es la únicaauténticamente productiva, el sistema se ve sometido a

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fallos que entorpecen o, incluso, interrumpen temporal odefinitivamente su funcionamiento.

El objeto del mantenimiento es, precisamente, reducir laincidencia negativa de dichos fallos, ya seadisminuyendo su número o atenuando sus consecuencias.Decimos que algo falla cuando deja de brindarnos elservicio que debía darnos o cuando aparecen efectosindeseables, según las especificaciones de diseño conlas que fue construido o instalado el bien en cuestión.

En general, todo lo que existe, especialmente si esmóvil, se deteriora, rompe o falla con el correr deltiempo. Puede ser a corto plazo o a muy largo plazo. Elsolo paso del tiempo provoca en algunos bienes,disminuciones evidentes de sus características,cualidades o prestaciones.

Del estudio de los fallos de los productos, equipos ysistemas es de lo que trata la fiabilidad. En sentidocoloquial, decimos que alguien o algo sonfiables sipodemos confiar en él o ello. Asociamos fiabilidad a lacapacidad de depender con seguridad de algo o alguien.

Los sistemas creados por el hombre tienen porobjeto satisfacer una determinada necesidad. Para ellodeben funcionar de una forma específica en undeterminado entorno. Antes o después, todos los sistemasllegan a un instante en el que no pueden cumplirsatisfactoriamente aquello para lo que fueron diseñados.

El fallo del sistema tendrá unas repercusiones quedependerán del tipo de sistema, y del tipo de misión queeste desempeñando y del momento en que se produzca elfallo. Es deseable que los sistemas diseñados sean

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fiables, en el sentido de que el usuario pueda operarlossin que exista un elevado riesgo de fallo.El nivel de fiabilidad, o seguridad de operaciónsatisfactoria, dependerá de la naturaleza del objetivodel sistema. El que un sistema tenga cierta fiabilidadllevara un coste y un esfuerzo asociado, por lo que laexigencia de fiabilidad para un sistema debe adecuarse asu objetivo y transcendencia.

La fiabilidad es claramente un factor esencial en laseguridad de un producto. Para lograr los objetivos deun rendimiento funcional adecuado, limitación de loscostes del ciclo de vida, y seguridad, la fase deldiseño es el momento en que puede lograrse unainfluencia importante sobre los mismos.Por consiguiente, la mayoría de los estudios defiabilidad y de los métodos desarrollados se centran enel diseño de productos.

La ingeniería de fiabilidad es el estudio de lalongevidad y el fallo de los equipos. Para lainvestigación de las causas por las que los dispositivosenvejecen y fallan se aplican principios científicos ymatemáticos. El objetivo estriba en que una mayorcomprensión de los fallos de los dispositivos ayudará enla identificación de las mejoras que pueden introducirseen los diseños de los productos para aumentar su vida opor lo menos para limitar las consecuencias adversas delos fallos.

La palabra fiabilidad tiene una definición técnicaprecisa y no totalmente equivalente a la entendidacomo fiabilidad humana. Esta es:

Definición: Fiabilidad es la probabilidad de que undispositivo realice adecuadamente su función

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prevista a lo largo del tiempo, cuando opera en elentorno para el que ha sido diseñado.

Debe observarse que hay cuatro atributos específicosde esta definición. Estos son: (1) probabilidad; (2) un funcionamiento adecuado; (3) calificación con respecto al entorno; (4) tiempo.

Lo importante es que los equipos y sistemas quediseñamos y adquirimos para satisfacer nuestrasnecesidades nos den las prestaciones que de ellosesperamos con un elevado nivel de seguridad y confianzaen su correcto funcionamiento, que dependerá siempretanto de la importancia que para nosotras tenga lafunción desempeñada por ese equipo o sistema como lasconsecuencias de los fallos que puedan presentarse.

Y aquí es donde entra en acción la disciplina de lafiabilidad. Por ello, es necesario considerar lafiabilidad como una disciplina mas en el diseño decualquier sistema, desde el análisis de la necesidadidentificada hasta la retirada de servicio del sistemadiseñado, y de forma integrada con el resto dedisciplinas de apoyo logístico.

12.2 Corrosión y oxidaciónLos materiales están expuestos continuamente a los másdiversos ambientes de interacción material-ambienteprovoca, en muchos casos, la pérdida o deterioro de laspropiedades físicas del material.

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Los mecanismos de deterioro son diferentes según setrate de materiales metálicos, cerámicos o polímeros(plásticos). Así, en el hierro, en presencia de lahumedad y del aire, se transforma en óxido, y si elataque continúa acaba destruyéndose del todo. Desde elpunto de vista económico, la corrosión ocasiona pérdidasmuy elevadas.

En los materiales metálicos, el proceso de deterioro sellama oxidación y corrosión. Por otro lado, en loscerámicos las condiciones para el deterioro han de serextremas, y hablaremos también de corrosión. Sinembargo, la pérdida de las propiedades de los materialespolímeros se denomina degradación.En el deterioro de los materiales podemos distinguir dosprocesos:1. Oxidación directa: Resulta de la combinación de losátomos metálicos con los dela sustancia agresiva.

Ejemplos:2 Fe + O2 → 2 FeO (herrumbre-óxido) (oxidación poroxígeno como causa) Fe + S →FeS (sulfuro) (oxidación por azufre comocausa)

Esto lleva a que el metal, con el tiempo, pase de tenerun estado libre (puro) a tener un estado combinado conotros elementos (óxidos, carbonatos,sulfatos,...)

En este caso, los productos de la reacción quedanadheridos a lasuperficie del metal. En algunos casos, seforman películas protectoras que losaíslan del agenteMATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 335

corrosivo. El caso más corriente es el ataque poroxígeno. Eneste caso, sobre el metal se forma una capade óxido que, en algunos casosauto protege al metal deuna mayor oxidación. Cu, Ni, Sn, Al, Cr,... Losambientesson secos.Pero el oxígeno no es el único agente, pues tambiénpuede intervenir elcloro (Cl2), el azufre (S), elhidrógeno (H2), el monóxido de carbono (CO), eldióxidode carbono (CO2),...

En los procesos de oxidación, los metales pasan de suestado elemental a formar iones positivos (cationes) porpérdida de electrones.

Siendo n el número de electrones que se pierden. A estareacción se le llama reacción de oxidación o reacciónanódica.

El proceso de oxidación se acelera si la temperatura deeleva.2. Corrosión electroquímica o corrosión en líquidos. Eneste caso, el metal esatacado por un agente corrosivo enpresencia de un un electrolito. (Un electrólito oelectrolito es cualquier sustancia, normalmente líquida,que contiene iones libres, que se comportan como unmedio conductor eléctrico.

Normalmente un electrolito es una disolución, en la queel disolvente suele ser agua y el soluto otrasustancia). El ejemplo más conocido es el agua del mar

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(el cloruro sódico es un agente corrosivo), que actúacomo electrolito.

Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos,ya que en la superficie del metal se generan “micropilasgalvánicas” en las que la humedad actúa comoelectrolito. El metal actúa como ánodo (polo positivo)y, por lo tanto, se disuelve. Así, el electrolito actúacomo medio conductor a través del cual viajan las cargasque abandonan los electrones del ánodo que se corroe, elmetal.

Existe un tipo de corrosión de tipo electroquímico queaparece cuando se juntan metales diferentes o sonconectados eléctricamente. Al producirse el contacto, elmetal más electronegativo desempeña el papel de ánodo y,por tanto, sufre la corrosión.

12.3 Pared y celdas galvánicasPares galvanizadasSe llama par galvánico al formado por dos partesdistintas de una superficie metálica o de dos metalesdistintos, que en contacto conun electrólito (generalmente agua), tienenuna diferencia de potencial, por lo que se formauna pila galvánica en la queel ánodo (potencial más negativo) se corroe mientras queel cátodo (potencial menos negativo) no sufrecorrosión(sufre reducción, es decir recibe electrones).

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El flujo de corriente es del ánodo al cátodo (en elelectrólito por medio de iones y en el metal por mediode electrones). Al formarse el par galvánico el ánodo sepolariza positivamente (a potencial menos negativo) y elcátodo se polariza negativamente (a potencial másnegativo).

A mayor diferencia de carga mas rápida es la corrosióndel material más electronegativo.

Celdas galvánicasLas baterías o pilas galvánicas fueron inventadas en elaño de 1800 por el físico italiano Alessandro Volta. Apartir del descubrimiento de Luigi Galvani de que elanca de una rana colgada de un gancho de cobreexperimenta una contracción cuando se pone en contactocon la superficie de otro metal, lo cual fueerróneamente interpretado por Galvani como “electricidadanimal”. Volta descubrió que cuando se ponen en contactodos metales de diferente tipo se produce una corrienteeléctrica.

Experimentando con diferentes tipos de metales Voltaconstruyo su primera batería mediante el apilamiento- deahí el nombre de pila- en una columna de vidrio, deplacas alternadas de cobre, papel secante empapado ensalmuera, y zinc, sucesivamente hasta completar lacolumna. Finalmente al unir los dos extremos mediante uncable conductor circula una corriente eléctrica altravés del cable.

El descubrimiento de Volta hizo posible el manejocontrolado de la corriente eléctrica gracias a lo cualfue posible producir la electrólisis, que condujo aimportantes descubrimientos como la composición químicadel agua y de muchas otras sustancias. En la actualidad

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existe un sinnúmero de artefactos, desde los automóvileshasta los satélites, que dependen para su funcionamientode diferentes tipos de baterías eléctricas.

Las celdas galvánicas producen energía eléctrica apartir de ciertas reacciones químicas. Esta celda estáformada por dos electrodos y, al igual que en la celdaelectrolítica, la reducción ocurre en el cátodo y laoxidación en el ánodo, pero difiere de ella, en que elcátodo y el ánodo están, cada uno, en solucionesdiferentes, ya que es esta celda la solución de ionesZn+², se encuentra separada de la solución que contieneiones Cu+², por medio de una barrera porosa a través dela cual pueden difundirse los iones. Esta separación sehace, porque de esta forma es que se obtendrá laelectricidad.

La reacción se lleva a cabo hasta que se cierra elinterruptor que se encuentra en el circuito externo. Laelectricidad que se produce es suficiente para encenderuna lámpara. El electrodo de Zn pierde electrones,convirtiéndolo en ánodo y ocurriendo oxidación. Elelectrodo de Cu se convierte en cátodo debido a que ganaelectrones, ocurriendo la reducción.

Es una sustancia conductora llamada electrolito. A suvez, cada hemicelda está constituida por un electrodometálico y una solución de una de las sales del metal.

Producción de celdas galvánicasUna celda galvánica es un sistema que permite obtenerenergía a partir de una reacción química de óxido-reducción. Dicha reacción es la resultante de 2reacciones parciales (hemirreacciones) en las cuales unelemento químico es elevado a un estado de oxidaciónsuperior (hemirreacción de oxidación), a la vez que otroelemento es reducido a un estado de oxidación inferior

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(hemirreacción de reducción). Estos cambios de estado deoxidación implican transferencia de electrones delelemento que se oxida al elemento que se reduce.

El diseño constructivo en una pila determina que cadauna de estas 2 hemirreacciones ocurra en“compartimentos” independientes llamados hemiceldas. Elmedio que posibilita el transporte interno de cargaeléctrica entre ambos compartimentos es una sustanciaconductora llamada electrolito. A su vez, cada hemiceldaestá constituida por un electrodo metálico y unasolución de una de las sales del metal.

Para obtener energía eléctrica es necesario conectar loselectrodos de la pila al aparato que se desee hacerfuncionar mediante conductores eléctricos externos

En estas condiciones la pila descarga externamente suenergía, la que es aprovechada por el aparato para sufuncionamiento, mientras que internamente se producen enlos electrodos las hemirreacciones mencionadas.

Se denominan electrodos a las superficies metálicassobre las cuales se producen las hemirreacciones deoxidación y de reducción.

Ánodo: es el electrodo en el cual se produce la reacciónde oxidación (el electrodo negativo de la pila).

Cátodo: es el electrodo en el cual se produce lareacción de reducción ( el electrodo positivo de lapila).

Transportación de la energía

En la conductividad eléctrica, la energía estransportada a través de la materia mediante la

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conducción de cargas eléctricas, mejor conocido comocorriente eléctrica. Para producir esta corriente senecesitan conductores o portadores que conduzcan lacorriente a través de los materiales y para que existauna fuerza capaz de ponerlos en movimiento. Estosportadores pueden ser electrones, si se trata demetales, o los iones positivos o negativos, si sonsoluciones electrolíticas.

El cobre es muy común en la conducción metálica. En losmetales encontramos un conjunto ordenado de ionespositivos inmerso en una nube de electrones. Los ionesse encuentran relativamente fijos y los electrones semueven libremente por todo el metal. Cuando un campoeléctrico actúa sobre el metal, los electrones sedesplazan y transportan cargas eléctricas negativas.

La conducción eléctrica como tal se realiza de formadiferente. Las soluciones electrolíticas, contieneniones positivos y negativos, no hay electrones libres ensolución. Los iones no tienen posiciones fijas sino queson libres de moverse por toda la masa de la solución.Cuando un campo eléctrico actúa sobre una soluciónelectrolítica, los iones son atraídos según su carga yestos movimientos constituyen la corriente eléctrica.

Tipos de pilaUna de las primeras pilas eléctricas, la Pila Daniell.Una pila Daniell está formada por un electrodo de zincsumergido en una disolución diluida de sulfato de zinc yotro electrodo de cobre sumergido en una disoluciónconcentrada de sulfato de cobre. Ambas disolucionesestán separadas por una pared porosa. En esta situaciónla tensión de disolución del zinc es mayor que lapresión osmótica de los iones Zn++ y el electrodo se

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disuelve emitiendo Zn++ y quedando cargadonegativamente.

En la disolución de sulfato de cobre, debido a su altaconcentración de iones Cu, depositándose Cu++ sobre elelectrodo de este metal que de este modo queda cargadopositivamente. En estas condiciones existirá unadiferencia de potencial de 1 voltio aproximadamenteentre ambos electrodos.

Similar a la anterior es la Pila de Volta, consideradala primera en su especie. En esta los electrodos sontambién zinc y cobre y el electrolito es ácidosulfúrico. Al disolverse ambos metales en el ácido, elcobre adquiere un potencial mayor que el zinc,estableciéndose por tanto una diferencia de potencial deaproximadamente 1 voltio entre ambos. Esta pila tiene elinconveniente de que al desprenderse hidrógeno en elproceso, este se deposita en parte sobre el cobreimpidiendo el paso de corriente, por lo que se dice queen estas condiciones la pila se ha polarizado.

Otra pila basada en el mismo principio es la PilaLeclanché. En esta el electrolito es una solución decloruro amónico (Cl NH4), siendo el electrodo negativode zinc y el positivo una placa de carbón rodeado de unamezcla de bióxido de manganeso y carbón pulverizadointroducido en un vaso de paredes porosas. El bióxido demanganeso actua como despolarizante, parta evitar elfenómeno de la polarización citado en la pila de Volta.

La tensión de disolución del Zn hace a este disolverseformando cloruro de zinc y adquiriendo el electrodo unpotencial negativo respecto a la solución. Los ionesNH4+ del cloruro amónico se descargan sobre el electrodode carbón produciendo NH3 e hidrógeno, el cual actuando

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sobre el bióxido de manganeso (Mn O2) lo reduce a óxidomanganoso (Mn O).

Tenemos finalmente las denominadas pilas secas, que sonlas que normalmente utilizamos. Estas son pilas deLeclanché en las que la disolución de cloruro amónico yla mezcla de carbón y bióxido de manganeso se hasustituido por una pasta formada por bióxido demanganeso, cloruro de zinc, carbón de cok, agua y unapequeña cantidad de grafito. El recipiente de zinc es elelectrodo negativo y una barra de carbón introducida enla pasta el positivo. El cierre del recipiente se hacecon una pasta no conductora que lo hace hermético.

Puesto que son fuente de energía, las baterías tienendos parámetros fundamentales a tener en cuenta: elvoltaje y la capacidad. El voltaje en la mayoria de lasbaterías lo tienen ajustado a 1,5 V este valor puedevariarse. La capacidad de la batería viene medida enamperios hora, o más generalmente en el caso de pilaspequeñas en miliamperios hora (mAh).

A modo de ejemplo, 100 mAh indica que es posible obteneruna corriente de 100 mA durante una hora (o 200 mAdurante media hora) antes de que se agote la batería.Esta relación no es lineal, pues una corriente máselevada hace que se acorte la vida de la batería,mientras que una corriente más suave puede alargar laduración de la misma.

Pila primaria: es una pila basada en una reacciónquímica irreversible, y por lo tanto, es una pila norecargable (posee un solo ciclo de vida).

Pila secundaria: es aquella pila basada en una reacciónquímica reversible y, por lo tanto, es recargable. Se

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pueden regenerar sus elementos activos pasando unacorriente eléctrica en sentido contrario al de descarga.Posee ciclos de vida múltiples.

Pila botón: es una pila de tamaño reducido, de formachata y redonda.

Batería: se denomina así a una unidad productora deenergía eléctrica, constituida por varias pilas.

Pila de combustible: Mecanismo electroquímico en el cualla energía de una reacción química se conviertedirectamente en electricidad. A diferencia de la pilaeléctrica o batería, una pila de combustible no se acabani necesita ser recargada; funciona mientras elcombustible y el oxidante le sean suministrados desdefuera de la pila

Los objetos se galvanizan para evitar la corrosión, paraobtener una superficie dura o un acabado atractivo, parapurificar metales (como en la refinación electrolíticadel cobre), para separar metales para el análisiscuantitativo o como es el caso de la electrotipia, parareproducir un molde. Los metales que se utilizannormalmente en galvanotécnia son: cadmio, cromo, cobre,oro, níquel, plata y estaño. Las cuberterías plateadas,los accesorios cromados de automóvil y los recipientesde comida estañados son productos típicos degalvanotécnia.

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12.4 Prevención de la corrosión

Impedir la corrosión implica impedir reaccioneselectroquímicas. Es decir,eliminar la posible presenciade un electrolito que actúe como medio conductor parafacilitar una reacción de transferencia de electronesdesde un metal anódico.

Así, las soluciones podrían ser:

Protección por recubrimiento: Es decir, crear una capa obarrera que aisle el metal del entorno. Dentro de estetipo de protección podemos hallar

a) Recubrimientos no metálicos: siendo los máscomunes...• Pinturas y barnices: Es económico y exige que lasuperficie esté limpia de óxidos y grasas• Plásticos: Son muy resistentes a la oxidación y sonflexibles, pero apenas resisten el calor. El másempleado es el PVC.• Esmaltes y cerámicos: Tiene la ventaja de resistir lasaltastemperaturas y los desgastes.

c) Recubrimientos metálicos:

Inmersión: Se recubre el metal a proteger en un baño demetalfundido. El metal al solidificar forma una finacapa protectora. Los metales más empleados son:

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a) Estaño (la técnica se llama estañado): latas deconserva.b) Aluminio: (la técnica se llama aluminización): Eseconómico y con calidad.c) Plomo: (la técnica se llama plombeado): Para recubrircables y tuberías.d) Cinc: (la técnica se llama galvanizado): Para vigas,vallas, tornillos,...y otros objetos de acero.

Electrodeposición: En este caso se hace pasar corrienteeléctrica entredos metales diferentes que están inmersosen un líquido conductor que hace de electrolito. Uno delos metales será aquel que hará de ánodo, el cual seoxidará y sacrificará.

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El otro metal, el que sedesea proteger, hará de cátodoyambos estarán inmersos en electrolito que estarán enuna cuba. Cuando pasa la corriente eléctrica, sobre elmetal catódico se crea una fina capa protectorahecha delmaterial procedente del metal anódico, pues la pilaobliga aceder electrones al ánodo que alcanzarán alcátodo. Cuando el metalque hace de cátodo y se deseaproteger es acero y el otro que va aprotegerlo (que hacede ánodo) es cinc, el proceso se llama galvanizado.

Protección por capa química: Se provoca la reacción delas piezas con un agentequímico que forme compuestos ensu superficie que darán lugar a una capa protectora.

Por ejemplo: Cromatizado: Se aplica una solucion de ácido crómicosobre el metal aproteger. Se forma una capa de óxido decromo que impide su corrosión. Fosfatación: Se aplica una solución de ácido fosfóricoy fosfatos sobre el metal.

Se forma una capa de fosfatos metálicos que la protegendel entorno.

Protección catódica: Se fuerza al metal a comportarsecomo un cátodo, suministrándole electrones. Se empleaotro metal que estará en contacto con el metal que sedesea proteger, llamado“ ánodo de sacrificio”, el cualse corroe y acaba destruyéndose aportando electrones almetal. En definitiva, el metal “ánodo de sacrificio” sepone encontacto con el metal a proteger el cual recibe

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electrones del primero. Se necesita la presencia de unelectrolito. Se emplea mucho en tuberías enterradas.

Inhibidores: Se trata de añadir productos químicos alelectrolito para disminuir la velocidad de la corrosión.Ejemplo: Sales de cromo. Se echan a los radiadores delos coches.

12.5 Protección galvánica

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La protección catódica (CP) , es una técnica paracontrolar la corrosión galvánica de una superficie demetal convirtiéndola en elcátodo de una celdaelectroquímica.

El método más sencillo de aplicar la CP es mediante laconexión del metal a proteger con otro metal másfácilmente corrosible al actuar como ánodo de una celdaelectroquímica. Los sistemas de protección catódica sonlos que se usan más comúnmente para proteger acero, elagua o de combustible el transportepor tuberías y tanques de almacenamiento, barcos, ouna plataforma petrolífera tanto mar adentro como entierra firme.

La protección catódica (CP) puede, en bastantes casos,impedir la corrosión galvánica.

CP galvánicaActualmente, ánodo galvánico o ánodo de sacrificio serealiza en diversas formascon aleación de zinc, magnesio y aluminio. El potencialelectroquímico, la capacidad actual, y la tasa deconsumo de estas aleaciones son superiores para elaluminio que por el hierro. ASTM International publicanormas sobre la composición y la fabricación de ánodosgalvánicos.

Los ánodos galvánicos son diseñados y seleccionados paratener una tensión más "activa" (potencial electroquímicomás negativo) que el metal de la estructura (engeneral acero). Por un CP eficaz, el potencial de lasuperficie de acero ha estar polarizado más negativohasta que la superficie tenga un potencial uniforme. En este momento, la fuerza impulsora para la reacción decorrosión se elimina.

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El ánodo galvánico se sigue corroyendo, se consume elmaterial del ánodo hasta que finalmente éste debe serremplazado. La polarización es causada por el flujo deelectrones del ánodo en el cátodo. La fuerza impulsorapara el flujo de CP actual es la diferencia de potencialelectroquímico entre el ánodo y el cátodo.

CP por corriente forzadaPara estructuras más grandes, los ánodos galvánicos nopueden suministrar económicamente suficiente corrientepara proporcionar una protección completa.

Protección de corriente catódico forzado (CIPC) utilizaun sistema de ánodos conectados a un CC (o rectificadorde protección catódica). Los ánodos para los sistemasCIPC son tubulares y sólidos en forma de barras o cintascontinuas de diversos materiales especializados. Estosincluyen el silicio hierro fundido, grafito, mixta deóxido metálico, platino y niobio recubiertos con alambrey otros.

Un sistema típico de CIPC para un gasoducto incluiría unrectificador de corriente alterna accionando con unapotencia máxima de salida de CC de entre 10 y50 amperios y 50 Volt s. El terminal positivo de DC desalida se conecta a través de un cable de la matriz deánodos enterrados en el suelo (el ánodo groundbed).

Para muchas aplicaciones los ánodos se instalan en unmetro 60 m(200 pie) de profundidad, 25 cm (10-pulgadas)de diámetro vertical y relleno con conductores Coque (unmaterial que mejora el rendimiento y la vida de losánodos).

Un cable clasificado para la corriente de salida seespera se conecta el polo negativo del rectificador a la

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tubería. La salida de funcionamiento del rectificador seajusta al nivel óptimo después de realizar variaspruebas incluyendo medidas de [electroquímica[potencial].

Acero galvanizadoGalvanizado (o galvanizado, fuera de los EE.UU.)generalmente se refiere a de galvanizado en caliente,que es una forma de recubrimiento de acero con una capade zinc metálico. Recubrimientos galvanizados son muyduraderos en la mayoría de entornos, ya que combinan laspropiedades de barrera de una capa con algunos de losbeneficios de la protección catódica.

Si la capa de zinc está rayada o dañada a nivel local yel acero está expuesto, cerca de recubrimiento de zincforma una pila galvánica con el acero expuesto yprotegerlo de la corrosión. Esta es una forma deprotección catódica localizada - el zinc actúa comoun ánodo de sacrificio.

Para que la protección catódica pueda funcionar, elánodo debe tener un potencial menor (es decir, másnegativo) que el potencial del cátodo (la estructura aproteger). La siguiente tabla muestra qué metales sepueden combinar.

Metal Tensión

Acero inoxidable tipo 316 (inactivo) -0,05Monel -0,08

Tipo de acero inoxidable 304 (inactivo) -0,08Plata -0,13Titanio -0,15

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Aleación de Inconel 600 -0,17Acero inoxidable tipo 316 acero

inoxidable (activo)-0,18

Bronce de silicio -0,18Níquel 200 -0,20

Cobre -0,24Cuproníquel 70/30 -0,25

Bronce de manganeso -0,27Latón -0,29Cobre -0,36

Tipo de acero inoxidable 304 (activo) -0,53Plomo -0,55

Fundición gris -0,61Acero al carbono -0,61

Aluminio -0,75Cadmio -0,80

Alumini3003 -0,94Zinc -1,03

Hierro galvanizado -1,05Aleación de magnesio -1,6

Apantallamiento Catódico

La efectividad en los sistemas de protección catódica entuberías de metal puede ser discapacitada por el uso derecubrimientos dieléctricos de película sólida como lascintas de polietileno, mantas termo contraíbles, yrecubrimientos sencillos o múltiples de película solidaaplicados en fábrica. Este fenómeno ocurre debido a laalta resistividad eléctrica en estos recubrimientos. Lacorriente eléctrica protectora del sistema de proteccióncatódica es bloqueada o apantallada de poder alcanzar elmetal que está por debajo del recubrimiento debido a laalta resistividad de la película sólida.

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El apantallamiento catódico fue primeramente definido enlos años 1980 como un problema y fichas técnicas en eltema han sido regularmente publicadas desde entonces.

En 1999 se publicó un reportesobre un derrame de 20,600barriles (3,280 m3) de una línea de petróleo enSaskatchewan, Canadá, que contenía una definiciónexcelente sobre el problema de apantallamiento catódico.

“La situación triple del desprendimiento delrecubrimiento (de corrosión), la naturalezadieléctrica del recubrimiento y el medio ambienteelectroquímico único establecido bajo unrecubrimiento exterior, lo cual actúa como unabarrera contra la corriente eléctrica de la CP(protección catódica), es referida comoapantallamiento CP. La combinación del bloqueo ydesprendimiento permite que un ambiente corrosivoalrededor del exterior de la tubería pueda penetrarentre los huecos del recubrimiento exterior y lasuperficie de la tubería. Con el desarrollo de estefenómeno de apantallamiento de protección catódica,la corriente impresa del sistema de proteccióncatódica no puede tener acceso al metal expuestobajo el recubrimiento exterior y proteger lasuperficie de la tubería de las consecuencias de unambiente agresivo. El fenómeno del apantallamientode la protección catódica produce cambios en elgrado de potencial del sistema de proteccióncatódica del recubrimiento, lo cual son aún máspronunciados en áreas donde no hay suficiente oestán bajo los estándares de la corriente deprotección catódica emancipada por el sistema deprotección catódica de la tubería. Esto produce unárea sin suficiente protección catódica en latubería contra la perdida de metal agravado por unambiente exterior corrosivo.”

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El apantallamiento catódico es referenciado en unnúmero de los estándares en la lista de abajo. Lanueva regulación USDOT título 49 CFR 119.112, indicaen la sección para Requerimientos para diseñosadicionales para tubería de acero usando laalternativa de máxima presión de operaciónpermitida requiere que “la tubería debe estarprotegida contra la corrosión externa por unrecubrimiento no apantallante.”(ver sección derecubrimientos)

También, el estándar NACE SP0169 – 2007 defineapantallamiento en la sección 2, advierte contra eluso de materiales que crean un bloqueo eléctrico en lasección 4.2.3, advierte contra el uso derecubrimientos exteriores que crean un bloqueoeléctrico en sección 5.1.2.3, e instruye a losleyentes a tomar “acciones apropiadas” cuando losefectos del apantallamiento eléctrico de la corrientede protección catódica son detectados en una tuberíaen operación, sección 10.9.

12.6 EnvejecimientoA la perdida de propiedades por trascurso de tiempo sele llama envejecimiento.

El envejecimiento es algo natural en todos losmateriales lo cual pasa por el uso excesivo, falta deuso o uso continúo de los materiales. El envejecimientose manifiesta dependiendo de cada material. Por ejemplo:en los metales como corrosión. MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 354

Existen diversas pruebas para determinar elenvejecimiento de los materiales pero estas dependen deel material que se trate.

12.7 Estabilidad térmicaLos cambios en la temperatura pueden causar alteracionesconsiderables (dichas alteraciones son mecánicas yeléctricas) de las propiedades de los materiales,debidos principalmente a:

• ReblandecimientoLos materiales tienden a perder resistencia mecánicacon elevadas temperaturas.

• DegradaciónUna degradación puede ser tanto mecánica comoeléctrica, en una degradación mecánica puede ser queel material se haga menos manejable o que pierda surigidez, en una degradación eléctrica puede ser queuna resistencia pierda su valor establecido (puedeser que aumente o se reduzca).

• Transformaciones de fasesLos sistemas termodinámicos están caracterizados,entre otros parámetros, por un parámetro de orden.Este parámetro de orden depende de varios factores.Por ejemplo, por regla general, aumenta(sistema más ordenado) según desciendela temperatura. Esta dependencia es debida a que

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las fuerzas de cohesión prevalecen sobreel movimiento térmico, según disminuye éste.En el equilibrio cada fase tiene unas propiedadestermodinámicas definidas, como el parámetro deorden. En la coexistencia, las fases puedenintercambiar energía y materia, por lo que en elequilibrio los potenciales químicos de lasdiferentes fases son iguales.

Por lo tanto, en una transición de fase debencambiar continuamente tanto el potencial de Gibbs G,como .Las transiciones de fase ocurren cuandola energía libre de un sistema no es una funciónanalítica, en relación a algunas variablestermodinámicas. Esto sucede en sistemas con un grannúmero de partículas.

Las transiciones se clasifican según la continuidad delas derivadas del potencial de Gibbs G:

Transiciones de fase de primer orden: La primeraderivada de G es discontinua. Suelen caracterizarsepor la existencia de calor latente: En latransición, el sistema absorbe o libera una cantidadde energía proporcional al tamaño de éste. Duranteeste proceso, la temperatura del sistema permanececonstante pese a la transmisión de calor. Como laenergía no se puede transmitir instantáneamente,durante la transición coexisten regiones o dominioscon diferentes fases.

Para valores de los parámetros suficientementepróximos a la coexistencia de fases, la energíainterna G respecto a un parámetro no natural presenta dos mínimos: Uno global que caracteriza alestado estable, y otro local que caracteriza a un

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estado metaestable. El sistema en equilibrio seencuentra en el estado estable, pero unaperturbación suficiente puede llevar a un subsistemaal estado meta estable. No obstante, unaperturbación menor lo devolverá el estado estable.En la coexistencia de fases, los dos mínimos tienenel mismo valor. A cada mínimo le corresponde unvalor determinado del parámetro de orden, de ahí lacoexistencia de fases.

Ejemplo de transiciones de primer orden sonlos cambios de estado:La evaporación, licuefacción, fusión, ebullición ola sublimación.

Transiciones de fase de orden superior o continuo:La primera derivada de G es continua. No tienenasociado un calor latente. En las transiciones desegundo orden la segunda derivada de G esdiscontinua.Ejemplos de orden superior son latransición ferromagnética-paramagnética ola condensación de Bose-Einstein.

El paso de una transición de un orden a otro puede tenerlugar en un sistema, esto se produce en el puntocrítico. Por ejemplo, en relación a los estados deagregación de la materia, para un sistema dado, hay unacombinación de valores de presión y temperatura (llamadapunto crítico), a partir de la cual la transición delíquido a gas pasa a ser una transición de segundoorden. En ese punto, las densidades del líquido y delgas se igualan.

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Efecto de la temperatura sobre laresistencia mecánica

12.8 RadiaciónLa radiación produce ionización, excitación,desplazamiento atómico y cambios químicos en losmateriales. Esto afectará sus propiedadesnotablemente, dependiendo de una serie de factores,como cantidad y tipo de radiación, energía, rapidezcon que se suministra y el tipo de material.

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En casos como los reactores nucleares, el daño que laradiación produce en los componentes del reactorpuede ser considerable y producir un deteriororápido. Entonces se procura usar materialesresistentes a ese daño, para aumentar así la vidaútil del reactor. Sin embargo, en muchos otros casosse ha logrado el aprovechamiento de la radiación paraproducir efectos útiles.

Algunos ejemplos son la esterilización de productosmédicos, la preservación de alimentos y la vulcanización de hules. Tambiénpuede considerarse la implantación controlada deiones en una substancia para producir materiales conpropiedades novedosas.Se conoce una gran variedad de efectos producidos endistintas combinaciones radiación-material. Cada unode ellos merece estudio. Por ejemplo, el tipo deradiación importa principalmente por su penetración yla densidad de ionización producida: mientras que laspartículas a depositan toda su energía en unascuantas micras del material, los rayos g, en cambio,penetran hasta metros.

Desde luego, esta penetración depende de la energíade cada uno. Sobre la cantidad de radiaciónrequerida, podemos decir que, en términos generales,con mayor cantidad, mayores efectos, aunque éstos nosiempre son aditivos. Además, a veces dependen de quétan rápidamente es suministrada la dosis.

Los distintos materiales son afectados también demanera distinta. Un plástico puede ser reducido apolvo con rayos g, pero la misma dosis en un metal nolo afecta notablemente.Veamos, como ejemplo, unapráctica bien establecida desde hace muchos años: la

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esterilización de productos médicos. Sabemos que laradiación deposita energía en cualquier material muyeficientemente, y por lo tanto puede romper cualquierenlace químico mejor que el calor o las reaccionesquímicas convencionales.

Entonces pueden producirse de este modo reaccionesquímicas muy diferentes a las normales. Cualquierorganismo, como bacterias, virus, esporas de hongos ohuevecillos de parásitos, resiente estas reaccionesquímicas, y con ello se logra su destrucción. Unmecanismo para esto puede ser que la radiación dañedirectamente partes sensibles del microorganismo,como el ADN o alguna membrana vital.

Otra posibilidad es que la radiación produzca, enagua u otros materiales, radicales libres que puedanproducir nuevos compuestos químicos. En el agua, porejemplo, pueden formarse radicales H y OH, que luego,al reaccionar, forman H2O2, peróxido de hidrógeno, porcitar el ejemplo más sencillo. Al suceder estomillones de veces en un organismo, éste puede morir.Recordemos que un solo rayo g y su cascada deproductos secundarios pueden afectar químicamente amiles de moléculas, así que el proceso es de altaeficiencia.

En el caso de la esterilización de productos médicosla irradiación compite favorablemente con otrosmétodos, como el calentado, el secado, el enfriado oel uso de compuestos químicos tóxicos. Por un ladoahorra energía.

Aunque el costo inicial de un irradiador sea alto, suvida útil es larga y se puede procesar una grancantidad de productos distintos. Abre la posibilidad

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de almacenar por largos tiempos productos estériles,como jeringas y otros objetos desechables. Las jeringas se sellan dentro de pequeñas bolsas deplástico, luego se irradian para eliminar todomicroorganismo, pues la radiación penetra en labolsa. El producto esterilizado y sellado se puedeentonces almacenar, transportar y comercializar, sinque se requiera para su uso más que romper la bolsa.

El proceso ha venido a desplazar en buena medida a laesterilización repetida con autoclaves en loshospitales, que es engorrosa y puede no serconfiable.

Otra virtud de la irradiación para esterilizar es queno contamina, a diferencia del uso de compuestosquímicos. La toxicidad de estos compuestos, como elóxido de etileno, es lo que hace que esterilicen,pero después de usarse se tiran, y de un modo o deotro pasan al medio ambiente, para sumarse a la grangama de desechos químicos que poco a poco estánenvenenándolo. Al esterilizar es importante sabercuáles microorganismos se pretende destruir paraestimar la dosis necesaria, pues las distintasespecies presentan diferentes sensibilidades a laradiación.

Aunque lo deseable es una total inactivación delmicrorganismo, esto no siempre se puede garantizar al100%. Intervienen diversos factores, como el númerode microrganismos presentes en un principio, ladosis recibida, el tiempo de exposición y posiblesinhomogeneidades en su administración debidas a laforma y tamaño del producto, a la geometría delirradiador y a la energía de la radiación.

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Para los diferentes casos hay que establecer factoresde riesgo aceptable que permitan regular lascondiciones de irradiación. La eficiencia del procesose ve afectada también por presencia de oxígeno,humedad y agentes químicos que actúan comoprotectores o sensibilizadores.

La gran variedad de productos médicos que se prestanpara ser irradiados se puede clasificar en lossiguientes grupos: 1) objetos de contacto directo conel paciente durante el examen o la cirugía (jeringas,agujas, gasa, guantes, sondas, catéteres, esponjas,etc.); 2) partes para implantar permanente otemporalmente (válvulas, prótesis, partes paramarcapasos, contraceptivos, corazones artificiales,córneas artificiales, clavos, tornillos y otrosauxiliares para huesos, etc.); y 3) objetosauxiliares (filtros, máscaras, vestimenta, materialde laboratorio, etc.).

Muchos materiales (algunos plásticos, metales,vidrio, hules, papel) resisten la irradiación, puespara degradarse necesitarían dosis mucho más altasque las requeridas para esterilizarlas. Se debeverificar de todos modos que mantengan suspropiedades y que no despidan substancias tóxicas. Estos materiales pueden ser usados para el objeto quese desea esterilizar o para empaquetarlo, puestambién la envoltura recibe radiación.Entre la granvariedad de usos de la radiación destaca uno: lapreservación de alimentos.

A nivel mundial, como una cuarta parte del alimentoproducido se desperdicia a causa de la descomposicióno el mal aprovechamiento. En ciertos casos eldesperdicio puede llegar a ser hasta de 70%. Es claro

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que la conservación de alimentos merece tantaatención como la misma producción. Los métodos máscomunes para preservarlos son el secado, lafermentación, el envasado, el congelamiento y lafumigación. Algunos de estos métodos sonantiquísimos.

El secado ayuda a preservar granos. La fermentaciónse usa para producir vinos, cerveza, quesos, y otrosproductos de larga vida. El envasado y enlatado aalta temperatura ya desempeña un papel de primeraimportancia, especialmente para la población urbana.

Los alimentos se echan a perder por agentes físicos,químicos y biológicos; estos últimos incluyen losefectos de microorganismos e insectos. Cada tipo dealimento tiene su propio modo de descomposicióndependiendo del microorganismo. Algunos de éstospueden causar enfermedades y hasta pueden sermortales, como el que produce el botulismo.

La radiación ataca a los microorganismos,destruyéndolos totalmente o inhibiendo sucrecimiento, dependiendo de la especie y de la dosis.Si ésta es del orden de 2 a 5 kGy (200 a 500 krads),se logra una pasteurización que permite alargar eltiempo de almacenamiento; si es del orden de 10 kGy(106 rads), se puede almacenar el alimento sinnecesidad de refrigeración por largos periodos. Lasdosis requeridas varían de un alimento a otro.

Por ejemplo, con dosis de 30 a 100 Gy se lograinhibir la germinación de papas y cebollas. Losinsectos y otros parásitos dejan de reproducirse con30 a 200 Gy y son destruidos con 50 a 5 000 Gy. Con 1a 10 kGy se logra reducir a un millonésimo la

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cantidad de bacterias y esporas, y con l0 a 40 kGylos virus.

Hay una serie de estudios que se deben efectuar sobrelos efectos de la radiación en los alimentos antes deque éstos puedan ser consumidos; incluyen estudios devalor nutritivo y posible producción de substanciastóxicas o carcinógenas.

Sin embargo, un comité de expertos de la FAO, elOrganismo Internacional de Energía Atómica y laOrganización Mundial de la Salud ha determinado quecualquier alimento que haya recibido una dosis hastade 10 kGy no presenta ningún riesgo toxicológico. Para dosis mayores si es necesario un estudio concada tipo de alimento. En la actualidad más de 20países han aprobado el uso de radiación para un buennúmero de alimentos; algunos de ellos, como eltocino, con dosis hasta de 45 kGy.

Otras cuestiones que se deben aclarar son laaceptación por parte del público y posibles cambiosde sabor, consistencia y apariencia. Elempaquetamiento también es importante si se desea unalmacenaje largo, para asegurar que no produzcasubstancias tóxicas y que garantice la conservación.Los costos del proceso deben estudiarse para cadacaso en particular.

El tipo de alimento, su forma y tamaño y la dosisrequerida se consideran al decidir qué instalación serequiere para irradiar.

El tipo de irradiador más común es la fuente derayos g de 60Co o de 137Cs, y también se usanaceleradores de electrones, ya sea que se usen los

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electrones directamente o los rayos X que producen alchocar con un elemento pesado. Las fuentes derayos g deben ser de alta intensidad; generalmenteson de entre 25 000 Ci y 1 000 000 Ci. Con estacantidad de radiación es posible proporcionar lasdosis requeridas en unos cuantos minutos.

Hay varios tipos de instalación de irradiadores,algunos móviles, otros fijos. En general se requiereun sistema de colocación de la fuente en posición deirradiar, un blindaje para almacenar la fuente cuandono se usa, un transportador de alimentos que los hagacircular junto a la fuente por el tiempo necesario,un sistema de blindaje para el personal y un sistemade control y seguridad.

Hay que advertir que estos irradiadores no se puedenencender ni apagar. Lo más que se puede hacer esguardar la fuente dentro de un blindaje seguro cuandono se está usando. Esto crea la necesidad de unavigilancia permanente y a largo plazo, además de unproceso especial de desecharla cuando ya no se usa.

Si se emplean aceleradores de electrones, éstosgeneralmente tienen voltajes de entre dos y cincomillones de volts y corrientes del orden demiliamperes, de modo que puedan proporcionar decenasde kilowatts de potencia en forma de haz. Losaceleradores sí se encienden y apagan; pero en cambionecesitan una fuente de alimentación poderosa, ademásde mucho mantenimiento, y siempre hay peligro dedescompostura.

La irradiación de alimentos ha avanzado lentamente envirtud de dos factores. El primero es que ha sidosujeta a un gran escrutinio para demostrar su

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seguridad, a diferencia de otros métodos deconservación que, habiendo sido desarrollados enépocas pasadas, a veces hasta prehistóricas, no habíani conocimiento ni técnicas analíticas, ni necesidadpara corroborar su seguridad.

El otro factor es que el uso de la irradiación, sibien no resulta caro por el gran volumen que esposible irradiar con una instalación, obligaría amodificar los sistemas establecidos y a vecesarraigados de distribución, amén de afectar interesesde intermediarios. Tomemos el ejemplo del pescado.

Como conviene efectuar la irradiación lo más prontoposible después de la pesca, se abre la posibilidadde tener irradiadores en los buques pesqueros, quepodrían pasar temporadas más largas antes de regresara puerto. Esto implica buques grandes por el peso ytamaño del irradiador, y eliminación de lasembarcaciones pequeñas. Además, sería posible que elempaquetado se hiciera a bordo para evitarcontaminaciones posteriores.

Con este proceso se puede almacenar durante dos otres veces mas tiempo, y ello permite unadistribución más amplia, barata y segura. Sinembargo, requiere no sólo la parte técnica de lairradiación, sino también posibles cambios desistemas de recolección, empaquetado, almacenamiento,transporte y distribución; es decir, unatransformación integral del proceso, con laconsiguiente coordinación.

Los beneficios que es posible obtener con lairradiación de alimentos provienen no sólo de reducirdesperdicios. En comparación con otros métodos, como

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la refrigeración, puede repercutir en el abatimientode costos, pues consume poca energía. Aunque el costoinicial de un irradiador sea grande, dura muchosaños. Por otro lado, puede tener un buen efecto en elmedio ambiente al eliminar la necesidad de aditivos yfumigantes.

En los polímeros, que incluyen plásticos, hule,celulosa y fibras vegetales, la radiación tiene unefecto importante, tanto que hay algunos procesos deproducción de polímeros que llevan integrada unaetapa de irradiación. Es enorme la variedad que seconoce, e igualmente grande es el número de efectosque les produce la radiación. Hay polímeros cuyaspropiedades mejoran; hay otros que se degradan.Depende del polímero, de la dosis, del tipo deradiación, de posibles aditivos y de las condicionesde irradiación, entre otros factores.

Nuevamente puede decirse que el mecanismo básico esla formación de iones y radicales libres, que luegoprovocan reacciones químicas al recombinarse. Éstaspueden dar lugar a enlaces cruzados o reticulación,que produce cambios en las propiedades del polímero. También es posible producir la degradación orompimiento de macromoléculas con la emisión deproductos volátiles. Los tipos de enlace puedencambiar, por ejemplo, de enlaces sencillos a dobles,y si hay presencia de oxígeno se produce oxidación.Éstos son sólo unos ejemplos de los procesos másimportantes que se han identificado. De acuerdo contipo de polímero, pueden suceder todossimultáneamente, pero con diferentes intensidades yvelocidades.

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Las reacciones químicas en los polímeros irradiadosdesde luego dan lugar a cambios notables en suspropiedades macroscópicas, como son la cristalinidad,densidad, coeficiente de expansión térmica, módulo deelasticidad, y permeabilidad a los gases.

En el polietileno, por ejemplo, se ha observado unaumento de la estabilidad a altas temperaturas, unaumento de la resistencia a corrosión y una mayorresistencia a quebrarse. En general, algunaspropiedades útiles que se han observado son, a saber:mayor resistencia a la abrasión, mejores propiedadesde corte, resistencia a solventes, cambios en lacombustión, mayor estabilidad mecánica y nuevaspropiedades a altas temperaturas.

Se ha observado reticulación en polietileno,polipropileno, poliestireno, PVC, hules, poliamidas,etc. Sin embargo, se pueden diseñar materiales paraaplicaciones específicas; por ejemplo, poniendoaditivos como antioxidantes o retardadores de flamaque la irradiación haga resaltar.

Los irradiadores más útiles para polímeros son losaceleradores de electrones porque la dosis está muyconcentrada. Generalmente se requieren dosis delorden de los 5 kGy o menos. Un aspecto muy importantees cómo proporcionar la dosis uniformemente a lamuestra, sin que su forma y tamaño interfieran.

Por ejemplo, al irradiar cable para mejorar laresistencia eléctrica del recubrimiento, debe tratarde rotarse para que le llegue la radiación por todoslados y el alambre no haga sombra. La misma muestraabsorbe electrones, de modo que la dosis puede no serla misma en el frente que atrás. A veces se usan

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reflectores metálicos para regresar la radiación queya atravesó la muestra.

Todo esto requiere de una dosimetría cuidadosa, tantoen la muestra como para la seguridad del personal.También se tiene que diseñar para cada caso unsistema de transporte de muestras que sea resistentea la corrosión, porque la radiación intensa en elaire produce ozono y otros gases corrosivos.

La irradiación de los materiales puede dar lugar amúltiples fenómenos, algunas veces insospechados. Enla actualidad hay gran cantidad de científicosdedicados a esta química de radiaciones; entre cuyasaplicaciones, además de las ya mencionadas, secuentan el curado de pinturas y tintas, producción decompuestos de madera y polímero, mejoramiento defibras sintéticas, producción de membranasespeciales, degradación de desperdicios, conservaciónde alimento para ganado, y muchas otras.

Existe una técnica de modificación de materiales porradiación que, siendo aún de desarrollo reciente, hadesempeñado ya un papel vital en la industriaelectrónica: se trata de la implantación de iones.Como su nombre lo indica, consiste en bombardear lasuperficie de un material con átomos ionizadosprovenientes de un acelerador, forzándolos a penetrardentro del material y colocarse a cierta profundidad.

En la actualidad es posible tener haces de cualquierion, desde hidrógeno hasta uranio, si se tiene lafuente de iones apropiada. Además, pueden serlanzados sobre cualquier material, con lo cual seabre la posibilidad de crear nuevos materiales conpropiedades insospechadas. En las reacciones químicas

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convencionales, para que suceda una reacción se ponenen contacto los reactivos y tal vez se les eleve latemperatura o se les ponga un catalizador.

La reacción procede de acuerdo con las leyes de laquímica. En cambio, en la implantación de iones seestá forzando una combinación de átomos con unsólido, y por ello se producen compuestos queposiblemente no sucederían de otra manera. Uno puedeseleccionar la combinación deseada, gracias a lo cualse deja ver una enorme gama de posibilidades para lacreación de nuevos materiales.

Para la implantación de iones generalmente se usanaceleradores (implantadores) de energías de entre 10KeV y 1 MeV. Con estas energías los iones puedenpenetrar desde 0.01 hasta 1 micra, dependiendo deltipo de ion y del material, así que el tratamiento esesencialmente superficial. Puede uno esperar que seanlas propiedades superficiales del material las que sevean afectadas por el proceso, propiedades comoresistencia a la corrosión, fricción y durezasuperficial. Si después de la implantación secalienta la pieza, es posible que los átomosimplantados se difundan a una mayor profundidad.

En la industria electrónica moderna, de circuitosintegrados, la técnica de implantación de iones haencontrado su mayor utilidad, por haber un ajusteentre las necesidades de los materiales y lascaracterísticas de la técnica. Para producir los microcircuitos se requiereintroducir impurezas en un cristal (hasta ahora se hausado casi siempre silicio), las cuales modifican suspropiedades eléctricas para convertirlo ensemiconductor. Con objeto de lograr un gran número de

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circuitos en una sola oblea se deben introducircontrol y homogéneamente, y muy cerca de lasuperficie, entre 1012 y 1016 átomos de impurezas sobreuna superficie de 1 cm², dependiendo de laaplicación.

Esto se logra fácilmente con un implantador. Para darla forma del circuito se cubre con una mascarilladurante la implantación, dejando pasar los iones sóloa ciertas posiciones. La implantación es mucho másexacta que la difusión para introducir impurezas,siendo fácil controlar la cantidad, homogeneidad yprofundidad del depósito, mediante las señales decontrol que se dan al acelerador.

La implantación de iones en metales aún no se hausado extensamente, aunque se ha observado que esbenéfica en ciertos casos, pues aumenta laresistencia a la corrosión y oxidación, disminuye elcoeficiente de fricción y mejora las propiedades dedesgaste y fatiga. Todavía no se usa extensamente,por ser un proceso caro, pero en componentesespeciales ha resultado ser útil, por ejemplo, enciertas partes de maquinaria sujetas a un desgasteexagerado o en rótulas artificiales para rodillas.Promete ser una buena técnica para ahorrarmateriales, pues si se desean ciertas propiedades enla superficie, no es necesario que sea tratado todoel volumen.

Un ejemplo es el acero inoxidable, al cual el cromole da la resistencia a la oxidación, pero tambiéneleva el costo. Si se implanta cromo en la superficiese puede obtener la misma propiedad pero a bajo costopor el ahorro de cromo. En los metales se requierende 1014 a 1018 iones por cm2, por lo que se necesitan

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haces intensos para alcanzar estas dosis. Por otrolado, las demandas de homogeneidad no son tan severascomo en los semiconductores.

Algunas otras ventajas de tipo general que tiene laimplantación de iones son las siguientes: sucede abajas temperaturas, se evitan deformaciones de lapieza, no hay materiales de desperdicio y es posibleun control preciso de la profundidad. Cuando se usala implantación en vez de un recubrimiento, se evitanlos problemas de adherencia, pues no hay unainterfase marcada.

Durante la implantación de iones se produce daño enla red cristalina, pues los átomos incrustados puedenarrojar a los átomos originales de sus lugares.

Estos daños provocan cambios en las propiedades,cambios que habrá que sumar a los de la implantaciónmisma. Otro efecto es la erosión iónica del materialoriginal, pues el golpeo iónico puede hacer quealgunos de los átomos originales sean despedidos delmaterial. Cuando esta erosión es intensa, lasuperficie original va recediendo.

Si el material original es un compuesto, tal vez unode los elementos sea despedido más que el otro, locual daría lugar a un cambio importante en lacomposición química. Otro proceso que se ha observadoes el mezclado iónico.

En este caso, antes de la implantación se depositasobre la superficie una capa delgada de unasubstancia; al ser golpeada por los iones, los átomosde este recubrimiento se incrustan en el material, ysurgen características nuevas.

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Muchos de los beneficios que la implantación de ionesproduce en los materiales también se pueden crear conuna descarga gaseosa, que es la que produce la luz enun tubo de neón. Se trata de un recipiente al vacíoal que se le suministra una pequeña cantidad de gas yluego se le aplica un alto voltaje entre doselectrodos que están en contacto con el gas, como seindica en la figura 49.

Al aplicar el voltaje, el gas se ioniza, produciendoluz y una corriente eléctrica de electrones hacia elánodo (+) y de iones hacia el cátodo (-). La piezaque se desea modificar se coloca como cátodo, y losiones del gas, acelerados por el alto voltaje, labombardean y se incrustan en ella.

A fin de cuentas, el proceso es semejante a unaimplantación de iones. Tiene la ventaja de que sepuede aplicar el procedimiento a piezas grandes, elcosto del equipo es modesto y se puede llevar a caboen formas geométricas complicadas, pues los iones lellegan al cátodo desde todas direcciones.

Las desventajas de esta implantación son que se usanvoltajes más bajos (100 a 5 000 volts), lo cualredunda en menor penetración, y que no se puedecontrolar la profundidad de los iones.

Esquema de las partesprincipales de una descargagaseosa. Los iones positivos(+) son atraídos hacia elcátodo, al cual bombardean. El proceso se ha usado en elInstituto de Física de

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la UNAM para nitrurar aceros, aumentando así sudureza en la superficie. Se usa como gas una mezclade nitrógeno con hidrógeno.

Los iones de nitrógeno penetran en el acero, que esel cátodo, y como hay un calentamiento, luego sedifunden y llegan hasta varios cientos de micras deprofundidad. El proceso compite favorablemente con lanitruración convencional, pues es más barato enenergía y en cantidad de gas, no contamina, es másrápido y funciona a temperaturas menores.

La radiación, por lo visto, puede afectar a muchosmateriales. Qué tan importante son estos efectos yqué tanto los podemos aprovechar son motivos deanálisis cuidadosos.

En ciertos casos ya se usa masivamente, como en laesterilización de productos médicos, en la producciónde circuitos integrados o en la vulcanización dehules. Cuántos más procesos análogos tendremos en elfuturo dependerá tanto de nuestro empeño eninvestigar la física y la química de las radiacionesy de los materiales, como de los métodos detransferencia de tecnología al sector industrial y laaceptación por parte del público.

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12.9 Fallas de material

A N Á L I S I S D E F A L L A D E U N M A T E R I A L

El objetivo del análisis de falla de material esdeterminar las causas de la falla y prevenir paraque esta no vuelva a ocurrir. Determinar las causasde una falla puede ser bastante complejo y puederequerir múltiples técnicas de análisis y ensayos.Nuestro equipo técnico y científico esta formado porexpertos en diferentes áreas del conocimiento y conuna gran experiencia en la investigación de fallasde materiales.

Procedimiento de Análisis de Falla

Recopilación de información acerca de la falla Examen preliminar de la zona fallada y

selección de muestras. Estudio metalográfico completo del material

fallado o Examen macroscópico o Examen microscópico

Microscopía óptica Microscopía Electrónica (SEM) y

Microanálisis (EDAX). Análisis Químico de Material, depósitos y

productos de corrosión. Ensayos mecánicos. Análisis de elementos finitos

Normas/Especificaciones:

ASTM E2, E3, E7, E340, E350, A370, E407, E415,D934 and D2332

ASME I, II, V and VIII

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BS 7910 API RP 571

Es posible realizar estudios de análisis de fallas depiezas en temas que involucren problemas de:

Corrosión Rotura por Sobre Carga Fractura a Bajos Esfuerzos con Presencia de Grietas Corrosión bajo Tensión Esfuerzos Residuales Entre Otros

En general cualquier falla de materiales que se utilicenen Ingeniería.

Fractografía

La fractografía es altamente utilizada en la mecánica defractura para entender las causas de falla y verificalas predicciones teóricas identificando las fallasreales.

La fractografía es el método por el cual se realiza elanálisis de las características de la fractura en unmaterial para conocer sus causas y mecanismos y asíconocer los motivos que provocan la falla de materiales.

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ANEXO 11. Calcular el calibre de un Alambre de cobre cuyo

diámetro es de 1.2mm.

D= 1.2mm.

K=logDk−log11.684

log0.89−3=

log1.2−log11.684log0.89

−3=0.0791812−1.067591

−0.050609−3

K=−0.988409−0.050609

−3=19.530300−3=16.530300≅16 AWG

2. Calcular el calibre AWG de un alambre de cobre cuyodiámetro es 10mm.

D= 10mm.

K=logDk−log11.684

log0.89−3=

log10−log11.684log0.89

−3=1−1.067591−0.050609

−3

K=−0.067591−0.050609

−3=1.335552−3=−1.664447≅ 20AWG

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3. Calcular los CM de un conductor cuyo diámetro es de12.82mm.

D= 12.82mm.

A=πD2

4 =π(12.82)2

4 =129.082073mm2

1mm2−−−−1973.52CM

129.082073mm2−−−−X

X=(129.082073mm2 ) (1973.52CM)

1mm2 =254746.0527CMX=254.746MCM

4. Calcular los CM de un conductor cuyo diámetro es de0.5050plg.

D= 0.5050plg.

CM=[(0.5050 ) (1000) ]2=255025CMMCM=255.025

5. Calcular el calibre de un conductor de E.P.(Etileno-Propileno) cuyo diámetro es de 18.534mm.

D= 18.534mm.

A=πD2

4=π(18.534)2

4=269.791460mm2

1mm2−−−−1973.52CM

269.791460mm2−−−−X

X=(269.791460mm2 ) (1973.52CM)

1mm2 =532438.8421CMX=532.438MCM

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6. Calcular el calibre de un conductor para acometida,el cual aloja en su interior 7 hilos de cobre con undiámetro de 0.48mm.

D= 0.48mm.

A=πD2

4=π(0.48)2

4=0.180955mm2

(0.180955mm2 ) (7 )=1.266685mm2

K=logDk−log11.684log0.89

−3=log1.266685−log11.684log0.89

−3=0.102668−1.067591−0.050609

−3

K=−0.964923−0.050609

−3=19.066233−3=16.066233≅16 AWG

7. Calcular el calibre AWG de un alambre de aluminiocuyo diámetro es 1mm.

D= 1mm.

K=logDk−log11.684

log0.89−3=

log1−log11.684log0.89

−3=0−1.067591−0.050609

−3

K=−1.067591−0.050609

−3=21.094884−3=18.094884≅18 AWG

8. Calcular el calibre AWG de un alambre de Nicrom cuyodiámetro es 0.050mm.

D= 0.050mm.

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A=πD2

4=π(0.050)2

4=1.963495x10−3mm2

1mm2−−−−1973.52CM

1.963495x10−3mm2−−−−X

X=(1.963495x10−3mm2)(1973.52CM)

1mm2=3.874996CM

ANEXO 21. Calcular el calibre, la resistencia corregida a 20°C, la conductividad y su porcentaje, de un conductor dealuminio cuya resistencia medida es de 0.008782 Ω a unatemperatura ambiente de 25° C. Con una muestra de 25 cmy cuyo diámetro es de 1.01 mm.

Rt=0.008782Ω

tambiente=25°C

L=25cm

D=1.01mm

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k=log (1.01mm )−log(11.684mm)

log (0.89mm)−3=18AWG

Rt=4Rt=4 (0.008782Ω )=0.0351Ω

FC=1

1+α(t−20°C)=

11+0.0039(25°C−20°C)

=0.98087

RT=RtFC=(0.0351Ω)(0.98087)=0.03446Ω

A=πD2

4 =π(1.01mm)2

4 =0.8012mm2

ρv=RTAL

=0.03446Ω(0.8012mm2)1m

=0.02761 Ωmm2

m

γ=1ρv

=36.21x10−6Ωm−1

%γ=ρv(IACS)

ρv(calculado)x100=

0.017241 Ωmm2

m

0.02761 Ωmm2

m

x100=64.44 %

2. Un conductor de nicromo cuya resistencia se midió enel puente de Wheatstone es de 2.12 Ω a una temperaturade 24 °C en una muestra de 1 m de longitud ycuyo diámetro es 0.82 mm. El coeficiente de variación detemperatura es de 0.0001 °C.

Rt=2.12Ω

tambiente=24°C

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L=1m

D=0.82mm

α=0.0001°C

k=log (0.82mm )−log(11.684mm)

log (0.89mm)−3=19.79AWG≈20AWG

FC=1

1+α(t−20°C)= 11+0.0001(24°C−20°C)

=0.9996

RT=RtFC=(2.12Ω)(0.9996)=2.1192Ω

A=πD2

4=π(0.82mm)2

4=0.5281mm2

ρv=RTAL

=2.1192Ω(0.5281mm2)

1m=1.1191 Ωmm

2

m

γ= 1ρv

=0.8935x10−6Ωm−1

%γ=ρv(IACS)

ρv(calculado)x100=

0.017241 Ωmm2

m

1.1191 Ωmm2

m

x100=1.5406%

3. Un conductor de aluminio cuya resistencia se midió enel puente de Kelvin es de 0.006 Ω a una temperatura de22°C en una muestra de 1 m de longitud cuyo diámetro es

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de 1.60 mm. El coeficiente de variación de temperaturaes de 0.001 °C.

Rt=0.006Ω

tambiente=22°C

L=1m

D=1.6mm

α=0.0001°C

k=log (1.6mm)−log(11.684mm)

log (0.89mm)−3=14.06AWG≈14AWG

FC=1

1+α(t−20°C)= 11+0.001(22°C−20°C)

=0.998

RT=RtFC=(0.006Ω)(0.998)=0.005988Ω

A=πD2

4=π(1.6mm)2

4=2.0106mm2

ρv=RTAL

=0.005988Ω (2.0106mm2)1m

=0.01203 Ωmm2

m

γ= 1ρv

=83.06x10−6Ωm−1

%γ=ρv(IACS)

ρv(calculado)x100=

0.017241 Ωmm2

m

0.01203 Ωmm2

m

x100=143.31%

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 383

4. Calcular el calibre, la resistencia corregida a 20°C, la conductividad, y el porcentaje de esta de unconductor de cobre suave cuya resistencia leída en elpuente de Kelvin es de 0.013 Ω . A una temperatura de 22°C en una muestra de 0.5 m, cuyo diámetro es 1.217 mm.

Rt=0.013Ω

tambiente=22°C

L=0.5m

D=1.217mm

k=log (1.217mm)−log(11.684mm)

log (0.89mm)−3=16.40AWG≈16AWG

Rt=2Rt=2 (0.013Ω )=0.026Ω

FC=1

1+α(t−20°C)=

11+0.00382(22°C−20°C)

=0.9924

RT=RtFC=(0.026Ω)(0.9924)=0.0258Ω

A=πD2

4 =π(1.217mm)2

4 =1.1632mm2

ρv=RTAL

=0.0258Ω(1.1632mm2)1m

=0.03001 Ωmm2

m

γ=1ρv

=33.321x10−6Ωm−1

%γ=ρv(IACS)

ρv(calculado)x100=

0.017241 Ωmm2

m

0.03001 Ωmm2

m

x100=57.45 %

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 384

ANEXO 31. Si el modulo de elasticidad promedio del acero es205000 MPa. ¿Cuánto se deformara un cable de 2.5 mm dediámetro y 3 metros de largo, cuando soporta una cargade 500 kg?

Modulo de elasticidad del acero = E = 205000 MPa =

205000 X 106 Nm2 Diámetro = 2.5 mm = 0.0025 m

Longitud = 3 m Fuerza = F = 500 kg = 4900 N

Area=A=πD2

4=π(0.0025m)2

4=4.908X10−6m2

Esfuerzo=σ= FA

= 4900N4.908X10−6m2=998.37MPa

DeformaciónUnitaria=ε=σE=998.37MPa205000MPa

ε=(4.86X10−3 ) (100 )=0.48%

Sí:

3m=100%X=0.0144m=1.4cm X=0.48%

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 385

2. Una aleación de cobre tiene un modulo de elasticidadde 110000 MPa, una resistencia a la cedencia de 330 MPay una resistencia a la tensión de 350 MPa.

a)¿Cuanto esfuerzo será necesario para estirar en 0.15 cmuna barra de 3 m de aleación?

Modulo de elasticidad del acero = E = 110000 MPa =

110000 X 106 Nm2 Resistencia a la cedencia Rc = 330

MPa Resistencia a la tensión = Rt = 350 MPa

Sí:

1m=100cmX=0.0015+3=3.0015m X=0.15cm

Esfuerzo=σ=ε∗E= (0.005) (110000MPa )=55MPa

DeformaciónUnitaria=ε=lf−lili

=3.0015m−3.00m

3.00m

ε=5X10−4=0.0005

¿Qué tamaño de barra redonda se necesitaría para soportar una fuerza de 22000 N sin cedencia?

Area=A=Fσ

= 22000N330X106N /m2=6.66X10

−5m2

Diametro=D=√4∗Aπ =√ (4)(6.66X10−5m2)π =9.20X10−3m=9.20mm

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 386

3. Se tiene 25 m de alambre de cobre; su diámetro es de1.024 mm y su resistencia leída en el puente es de11.00X10−3Ω en 50 cm, a una temperatura de 23 °C si supeso fue de 15 gr. Al aplicarse carga hasta el limiteelástico de 19.5 DN su longitud en ese punto llega a 26cm; si la distancia entre marcas fue de 25 cm; y sucarga a la ruptura fue de 25 kg-f y la distancia entremarcas a la ruptura es de 27.5 cm.

Longitud = L = 25 mDiámetro = D = 1.024 mm = 0.001024 m1m=100cmX=longitud=0.5mX=50cm Resistencia = R = 11.00X10−3Ω en 50 cm (2) = 0.022 ΩTemperatura = T = 23° CPeso = P = 15 gr

α= 0.00393 °C−1

Calcular:

a) Calibre AWG y CM

K=log (1.024 )−log (11.684 )

log (0.89)−3=17.897=18AWG

CM=(D∗1000)2=(0.0403∗1000)2=1624.09CM=1.624MCM

1pul=25.4mmn=0.0403plgn=1.024mm

b) Su resistividad Volumétrica

ρv=¿

Rcorregida∗AreaLongitudEstandar

=(0.0217Ω)(0.8235mm2)

1m=0.01786 Ωmm

2

m¿

Resistenciacorregida=R∗Fc=(0.022Ω )(0.9883)=0.0217Ω

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 387

Fc= 11+α(t−20°C)

= 11+0.00393°C−1(23°−20°)

=0.9883

Area=A=πD2

4=π(1.024mm)2

4=0.8235mm2

c) Su resistividad gravimétrica

ρg=¿ Rcorregidapeso

longitudestandar∗longitudmedida ¿

ρg=¿ (0.0217Ω)(15gr)

(1m)(0.5m)=0.651Ωgr

2

m¿

d) Su % de conductividad

%φ=0.01724

ρv

X100=0.017240.01786

X100=96.528%

e) Deformación Unitaria

εunitaria=lf−lili

=26cm−25cm25cm

=0.04X100=4%

f) Deformación Permanente

εpermanente=lf−lili

=27.5cm−25cm

25cm=0.1X100=10%

g) Modulo de Young

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 388

ModulodeElasticidad=E= σεunitaria

=236.794MPa0.04

=5919.85MPa

DONDE:

F = Fuerza en el limite elástico = 19.5 DN = 19.5*10 = 195 N

Esfuerzo=σ=FA

=195N

8.235X10−7m2=236.794MPa

Area=A=πD2

4=π(0.001024m)2

4=8.235X10−7m2

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 389

1. Dibuje la curva esfuerzo-deformación de un materialelástico con punto de cedencia indicando cada una de suspartes.

Figura 1. Curva característica de un material elástico

2. El material MONEL (70 Ni, 30 Cu) tiene un modulo deelasticidad de 180000 MPa y un esfuerzo a la cedencia de450 MPa ¿Qué carga puede soportar una varilla de 18 mmde diámetro sin que se presente la cedencia? Si espermisible una elongación máxima de 2.5 mm en unavarilla de 2.1 m de longitud. ¿Qué carga podríaaplicarse a esa varilla?MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 390

Esfuer

Deformación

Rr

Rc

R

Rc = resistencia a la cedencia

Rt = resistencia a la tensión

Rr = resistencia a la ruptura

X = Fractura

Modulo de elasticidad del MONEL = E = 180000 MPa =

180000 X 106 Nm2 Esfuerzo a la cedencia = σcedencia = 450

MPa Diámetro = D = 18 mm = 0.018 m Elongación = 2.5 mm

Longitud = L = 2.1 m

a)

Fuerza = F =σced * Ainicial=(450X106 Nm2 ) (2.544X10−4m2 )=114.48KN

Area=A=πD2

4 =π(0.018m)2

4 =2.544X10−4m2

1kg=9.81Nx=cargaasoportar=11669.72kgx=114.48KN

b)

Fuerza=F=δAEL

=(0.0025m)(2.544X10−4m2)¿¿

F=54514.285N

1kg=9.81Nx=cargamáximaasoportar=5557.011kgx=54514.285N

3. Tenemos 1.20 m de alambre de cobre con diámetro de4.09 mm y un peso de 140.9 gr, su Resistencia leída enel Puente fue de 15X10−4Ω en un metro de longitud a unatemperatura de 18 °C; al aplicarse carga hasta el limite

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 391

elástico con 0.325 kilonewtons, su longitud fue de 28cm; si la distancia entre marcas a la ruptura fue de29.5 cm.

Longitud = L = 1.20 mDiámetro = D = 4.09 mm = 0.00409 m

Resistencia = R = 15X10−4Ω Temperatura = 18 °C Peso = 140.9 gr Coeficiente de expansión térmica = α=

0.00393 °C−1

Calcular:

a) Calibre AWG y CM

K=log (4.09)−log (11.684)

log (0.89)−3=6.007=6AWG

CM=(D∗1000)2=(0.1610∗1000)2=25921CM=25.921MCM

1pul=25.4mmn=0.1610plg n=4.09mm

b) Su conductividad

ρv=¿

Rcorregida∗AreaLongitudEstandar

=(15X10−4Ω)(13.138mm2)

1m=0.0198 Ωmm

2

m¿

Resistenciacorregida=R∗Fc=(15X10−4Ω ) (1.007)=1.510X10−3Ω

Fc= 11+α(t−20°C)

= 11+0.00393°C−1(18°−20°)

=1.007

Area=A=πD2

4=π(4.09mm)2

4=13.138mm2

φ=1ρv

=1

0.0198 Ωmm2

m

=50.505 mΩmm2

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 392

c) Su % de conductividad

%φ=0.01724

ρvX100=

0.017240.0198

X100=87.07%

d) Deformación Unitaria

εunitaria=lf−lili

=28cm−25cm25cm

=0.12X100=12%

e) Deformación Permanente

εpermanente=lf−lili

=29.5cm−25cm

25cm=0.18X100=18%

f) Modulo de Young

ModulodeElasticidad=E= σεunitaria

=24.752MPa0.12

=206.266MPa

DONDE:

F = Fuerza en el limite elástico = 0.325 KN = 0.325 X 103

N

Esfuerzo=σ=FA=

0.325X103N1.313X10−5m2=24.752MPa

MATERIALES ELECTROTÉCNICOS Página 393

Area=A=πD2

4=π(0.00409m)2

4=1.313X10−5m2

g) Esfuerzo de tensión a la ruptura

ρpermanente=Fruptura

A= 400N1.313X10−5m2=30.464MPa

BIBLIOGRAFÍA- Richard C. Dorf (1993). «Propiedad de los materiales magnéticos». Electrical Engineering Handbook. IEEE Press. ISBN 0-8493-0185-8.- Van Vlack Lawrence. Materiales Para Ingeniería Ed. CECSA 8ta Edición. 1992, EUA

- Ferrer Gimenéz C. Amigó Borrás V. Fundamentos de Ciencia de los Materiales Ed. UPV 2000, EUA

- Carrillo Macal Mariano Tecnología de los Materiales Eléctricos Ed. I.PN. 2002, México

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Callister Jr. W Introducción a la Ciencia de los Materiales. Ed. Reverté S.A. 3era. Edición. 2000, EUA

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http://insting.mxl.uabc.mx/~lydia/Materiales_ingenieriles.pdf

http://www.mailxmail.com/curso-introduccion-ciencia-materiales/propiedades-materiales-electricas

http://electrostatica777.blogspot.com/2010/02/clasificacion-materiales-electricos.html

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http://lular.es/a/tecnologia/2010/11/Que-es-la-permeabilidad-magnetica.html

http://campus.usal.es/~electricidad/Principal/Circuitos/Diccionario/Diccionario.php?b=id:154

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