3.1.- Eléctrica y Magnéticas
3.2.- Térmicas
3.3.- Químicas
3.4.- Mecanicas
3.1.- Eléctrica y Magnéticas
En
la actualidad día a día utilizamos distintos objetos y herramientas,
estos de aquí se encuentran hechos de distintos materiales.
Los materiales se pueden clasificar en:
Materiales
metálicos
Materiales
polímeros
Materiales
cerámicos
Cada
uno de los cuales tienen distintas propiedades debido a su estructura
y su composición. Las propiedades de cada uno de los materiales varían de
acuerdo a su fuerza
de enlace (energía de enlace), disposición atómica y empaquetamiento de átomos
en cada sólido. Estas propiedades sirven para el diseño
de estructuras
y maquinarias en la ingeniería
y en el día a día.
Es
importante establecer que al mismo tiempo
que existen distintos tipos de materiales, existen también para cada uno de
ellos, diferentes tipos de propiedades. Las propiedades principalmente
frecuentadas en la ingeniería de los materiales son:
·
Propiedades eléctricas: basadas en como
reacciona un material ante un campo eléctrico.
·
Propiedades mecánicas: basadas en el comportamiento
ante un fenómeno externo.
·
Propiedades magnéticas: basada en el
comportamiento de un material en presencia de un campo magnético.
·
Propiedades térmicas: basada en la
reacción de un material en durante cambios de temperatura.
·
Propiedades ópticas: basadas en el
comportamiento de los materiales en presencia de ondas
luminosas (luz).
El
objetivo
de este informe
se enfocara en definición y descripción
de las propiedades eléctricas de un material en dependencia de si éste es
cerámico, metálico o polímero. De la misma manera, se enfocara en la evaluación
de cada propiedad
para reconocer las aplicaciones en la ingeniería. Principalmente entonces en
cuatro propiedades eléctricas más importantes: conductividad y di-electricidad;
superconductividad; y, polarización y piezoelectricidad.
Es
importante establecer entonces a partir de los tres tipos más referenciales de
materiales clasificados de acuerdo a su comportamiento eléctricos: conductores,
semiconductores
y dieléctricos; los cuales podemos analizar de acuerdo a las propiedades antes
mencionadas y vincularlos con la clasificación de acuerdo a su estructura
cristalina: metálicos, cerámicos y polímeros. Entonces a continuación se
explica brevemente tal clasificación de los materiales:
CONDUCTORES: Son
aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es
decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad).
Todos los metales
son conductores, unos mejores que otros.
SEMICONDUCTORES:
Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden
saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les
comunica energía exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el
Arseniuro de Galio; principalmente cerámicos.
AISLANTES O DIELECTRICOS:
Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto,
son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir.
Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo
que integran una gran cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros.
Las
propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico
-que en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico- y
describen también su comportamiento dieléctrico, que es propio de los
materiales que impiden el flujo de corriente
eléctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Los
electrones son aquellos que portan la carga eléctrica (por deficiencia o exceso
de los mismos) e intervienen en todo tipo de material sea este conductor,
semiconductor o aislante. En los compuestos iónicos, sin embargo, son los iones
quienes transportan la mayor parte de la carga. Adicional a esto la facilidad
de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atómicos, las
dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su micro-estructura, y de las
velocidades de difusión (compuestos iónicos). Para esto es necesario antes
especificar que es el comportamiento eléctrico de cualquier material, el cual
se deriva a partir de propiedades como la conductividad eléctrica. Por eso la conductividad
eléctrica abarca un gran rango dependiente del tipo de material. Los
electrones son precisamente los portadores de la carga en los materiales
conductores (como los metales), semiconductores y muchos aislantes, por ello al
observar la tabla siguiente podemos observar que dependiendo de su tipo y
estructura electrónica
la conductividad es alta o baja.
3.2.- Térmicas
En función de cambios de temperatura, aumento o disminución, algunas propiedades
físicas de los materiales pueden cambiar. Es por eso que al fabricar los materiales se
tenga un control muy estricto de la temperatura.
La capacidad calórica C es una propiedad indicativa de la habilidad de un material para
absorber calor de los alrededores. Representa la cantidad de energía requerida para
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 especifico c, que representa la capacidad
calórica por unidad de masa (J/kg°K) ó (cal/kg°K). Se mide de dos formas: a volumen
constante cv, y a presión exterior constante, cp. Se sabe que cp > cv, pero esta diferencia
es muy pequeña para la mayoría de sólidos a temperatura ambiente y por debajo de ella.,
así que en general se reporta cp y se escribe únicamente c.
3.3.- Químicas
Al hablar de las propiedades químicas de un material, en general nos referimos a dos
conceptos básicos: la reactividad de los materiales, es decir, como se afecta un material
ante la presencia de otro en condiciones de presión volumen y temperatura específicas; y
la estabilidad de los materiales, donde se mide que tanto tiempo un material se mantiene
sin sufrir cambio estructural alguno; esto dependerá en muchos casos no solo del tiempo,
sino de las condiciones ambientales a las que esté sometido dicho material. En el caso de
elementos puros, la posición de estos en la tabla periódica nos permitirá conocer a priori
dichas propiedades. Ambas propiedades se encuentran relacionadas con los siguientes
conceptos:
Potencial iónico. Es la energía que se requiere para quitar un electrón de la capa
más externa (energía para formar cationes).
Electronegatividad. Esta cuantifica la capacidad de un elemento para atraer un
electrón y compartirlo con otro elemento.
Valencia. Es el número de electrones que un átomo es capaz de ceder o aceptar,
por lo que puede ser un valor positivo o negativo.
Radio iónico. Se deduce a partir de la distancia del enlace cuando un átomo está
enlazado con otro y controla las sustituciones en las redes cristalinas y la
solubilidad de los elementos.
3.4.- Mecanicas
Al hablar del comportamiento de un material, siempre hacemos referencia a la respuesta
de éste ante fuerzas mecánicas externas. A partir de esta respuesta los materiales se
pueden caracterizar y clasificar mecánicamente.
La forma más sencilla de probar estos materiales es a través de ensayos simples, que
representan distintas condiciones de carga. Las propiedades de un material que aparecen
reportadas en diversos manuales, son los resultados de estas pruebas. Es por ello qua
hay que recordar que dichos valores son un promedio obtenido a partir de pruebas
ideales, por lo que son una referencia y no un valor total e inequívoco.
Ensayo de tensión
En este se mide la resistencia de un material a una fuerza constante o que se incrementa
lentamente. La máquina consta de mordazas con las cuales se sujeta la probeta y se
aplica una fuerza llamada carga para tensar al material.
El ensayo de compresión es muy similar al de tensión, pero en este caso se plica una
fuerza en sentido inverso, comprimiendo al material. Otra variación importante es el tipo
de probeta que se utiliza, pues aquí generalmente se usan probetas sólidas que pueden
ser cilíndricas o en forma de prismas de caras paralelas. Este tipo de ensayos es poco
frecuente en metales, a excepción de aquellos destinados a la construcción y es más
frecuente para materiales cerámicos o compuestos.
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