PROPIEDADES ELÉCTRICAS

Materiales Conductores

Por ejemplo, los metales (hilo de cobre) poseen una alta conductividad eléctrica necesaria para transportar corriente eléctrica y energía sin pérdidas significativas.

Materiales Semiconductores

Por ejemplo, los dispositivos fotoeléctricos. Se necesita optimizar sus propiedades eléctricas para la fabricación de fuentes prácticas y eficientes de energías alternativas.

Materiales Aislantes

Por ejemplo, cerámicos o polímeros, poseen una conductividad eléctrica muy baja (dielectricidad) para impedir la ruptura dieléctrica del material y los arcos eléctricos entre conductores.

PORTADORES DE CARGA Y CONDUCCIÓN

La conducción de carga en los materiales la realizan los portadores de carga. (El electrón, q=-0,16×10¹⁸ C, El hueco del e^–, q=+0,16×10¹⁸ C)

a) El modelo de Drude (1900)

Permite determinar variables de interés del problema de conducción en metales. Observó que los electrones no aceleran eternamente en un conductor en presencia de un campo eléctrico, por tanto, debe existir fricción interna. Ley de Ohm: J = σE (σ: conductividad eléctrica, Ω^-1m^-1).

Hipótesis del modelo de Drude:

• Los electrones están libres.
• Los electrones son independientes.

Tipos de ENLACES según los materiales:

• Metálico: los electrones están compartidos por todos los núcleos atómicos del material (nube electrónica). Facilidad de movimiento.
• Covalente: los electrones están compartidos por un par de átomos. Alto grado de localización electrónica y gran dificultad de movimiento por el material.
• Iónico: iones positivos y negativos forman el material mediante fuertes interacciones electrostáticas, por tanto, los electrones tienen una gran dificultad de movimiento por el material.

2) Modelo microscópico de la conducción eléctrica

En su movimiento por el material, las cargas eléctricas colisionan con su entorno:

• Red de núcleos atómicos y sus vibraciones (dependientes de la temperatura).
• Imperfecciones de la red de núcleos: defectos puntuales (impurezas, vacantes), defectos de línea (dislocaciones) y defectos de superficie.
• Resto de las cargas eléctricas.

Las colisiones se resisten al movimiento libre de la carga eléctrica y limitan su velocidad hasta cierto valor máximo, v_m. Propiedad intrínseca del material, resistividad eléctrica, ρ.

3) Modelo macroscópico de la conducción eléctrica

Para un material de longitud l, sección A y resistividad eléctrica ρ, la resistencia eléctrica total que ofrece al movimiento de la corriente eléctrica es R: (R= ρ. l/A)

En cada colisión las cargas eléctricas pierden cierta energía cinética que debemos reponer si queremos mantener una corriente eléctrica constante, I. La energía necesaria para cada carga es dV (ley de Ohm): (ΔV=RI). La energía perdida por toda la corriente eléctrica I en un tiempo t se transfiere al material cuya temperatura se eleva y comienza a irradiar calor (efecto Joule): (E=R.I².t)

TEORÍA DE BANDAS

Explica las diferencias entre las propiedades eléctricas de los distintos metales.

4) Teoría de bandas en la conducción eléctrica

Niveles electrónicos en un átomo aislado: Orbitales s, p, d, f: niveles de energía discretos y números cuánticos. Ocupación de los orbitales: Principio de exclusión de Pauli (dos electrones en cada distinto nivel de energía).

Niveles electrónicos en un sólido: Necesidad de superponer N orbitales s, N orbitales p, N orbitales d… Ocupación de los N orbitales: Principio de exclusión de Pauli (dos electrones en cada distinto nivel de energía). Los orbitales de cada átomo deben, por tanto, diferenciarse levemente de los de otro átomo para que el sólido pueda contener los 2N electrones. Ensanchamiento de los orbitales en una banda (o rango de energías).

La última banda de orbitales electrónicos de un sólido que contenga electrones se denomina banda de valencia. La primera banda de orbitales electrónicos de un sólido que contenga niveles de energía vacíos (no ocupados) se denomina banda de conducción. La energía del último nivel energético ocupado a T=0 K se denomina energía de Fermi: Conducción eléctrica de carga: un aporte de energía adicional excita a los electrones de la banda de valencia hasta los niveles de la banda de conducción: (corriente eléctrica de electrones o huecos).

4.1) La conductividad eléctrica en los metales

La conductividad eléctrica en los metales con defectos

En un metal puro la conductividad eléctrica está determinada por su estructura de bandas.

En un metal real (con defectos) la movilidad y velocidad de las cargas eléctricas depende críticamente del número y tipo de defectos estructurales. A mayor número de defectos, menor distancia entre colisiones, menor movilidad y menor conductividad eléctrica.

Factores que afectan a la conductividad eléctrica:

• La temperatura: Un aumento de la temperatura del material aumenta la energía de la vibración reticular (átomos de la red cristalina). Disminución de la movilidad de los electrones y de la conductividad eléctrica. Aumento lineal de la resistividad eléctrica con la temperatura.
• Las imperfecciones de la red: Los defectos reticulares (vacantes, impurezas, dislocaciones, fronteras de grano,…) son irregularidades de la red cristalina y, por tanto, dispersan las ondas electrónicas. Aumento de la resistividad del material.
• El procesamiento y endurecimiento de un material: estos métodos de procesamiento aumentan a su vez la resistividad eléctrica:
  • Endurecimiento por solución sólida: introducción de impurezas o vacantes.
  • Endurecimiento por dispersión o envejecimiento: introducción de precipitados en el material.
  • Endurecimiento por deformación en frío: creación de dislocaciones.
  • Endurecimiento por control del tamaño de grano: creación o aumento de fronteras de grano.

4.2) La conductividad eléctrica en cerámicos y polímeros

Conducción en materiales iónicos (cerámicos):

• Medio alternativo de transporte de carga eléctrica: difusión o movimiento de iones.
• La movilidad de los iones es varios órdenes de magnitud menor que la de los electrones.
• Conductividad eléctrica iónica es muy pequeña.
• Las impurezas y vacantes aumentan la conductividad iónica.
  • a) Las impurezas pueden también difundirse y ayudar al movimiento de los iones (o de la corriente eléctrica)
  • b) Las vacantes son necesarias para la difusión sustitucional de los iones (El aumento de la temperatura favorece la difusión y, por tanto, la conductividad iónica).

Conducción en polímeros: Habitualmente son materiales aislantes. Métodos para la reducción de la resistividad eléctrica en un polímero:

1. Adición de compuestos iónicos, precipitados o impurezas en la matriz polimérica.
2. Fabricación de polímeros con una buena conductividad eléctrica inherente.

4.3) La conductividad eléctrica en semiconductores

La conducción eléctrica en los semiconductores intrínsecos, Si y Ge: Un aporte de energía térmica o una diferencia de potencial externa es suficiente para que un número n_e de electrones de la banda de valencia salte el pequeño gap semiconductor y llegue a la banda de conducción.

Los semiconductores extrínsecos son semiconductores intrínsecos (Si o Ge) con un pequeño contenido de impurezas:

• a) Impurezas con exceso de electrones respecto al Si o al Ge.
• b) Impurezas con defecto de electrones respecto al Si o al Ge.

El electrón o hueco en exceso está débilmente ligado al núcleo de la impureza y, por tanto, puede ser excitado muy fácilmente.

4.4) Aislantes y propiedades dieléctricas

Aislamiento eléctrico: Impiden el paso de corriente eléctrica o la aíslan: aislantes cerámicos y plásticos (polímeros). Alta resistencia eléctrica y muy baja conductividad eléctrica. Gap energético entre las bandas de conducción y de valencia muy grande. Comportamiento dieléctrico. Bajo altos campos o voltajes eléctricos, un material dieléctrico puede perder su capacidad para impedir el paso de corriente eléctrica entre dos conductores, ruptura dieléctrica. Un aislante eléctrico debe ser material dieléctrico con una resistencia dieléctrica alta: R= V/d.

Polarización: En un material dieléctrico, los electrones están fuertemente ligados a sus respectivos núcleos atómicos sin poder abandonar sus posiciones de equilibrio. Al aplicar un campo eléctrico externo, cada átomo del dieléctrico se distorsiona levemente: su nube electrónica se desplaza una distancia muy pequeña respecto a su posición inicial, igual que su núcleo de carga positiva lo hace en sentido contrario. El resultado es un átomo deformado con un polo de carga positivo y otro negativo, dipolo eléctrico, p=q⋅d.

El resultado final en todo el material es la formación de Z dipolos por unidad de volumen, polarización del dieléctrico, P=Z⋅q⋅d . Aplicación: acumulación de carga eléctrica en los condensadores dieléctricos.

Electrostricción, Piezoelectricidad y Piroelectricidad: Propiedad de algunos materiales dieléctricos basada en la estrecha relación entre su estructura cristalina y la polarización.

• a) Electrostricción: Al aplicar una diferencia de potencial, el material se polariza, sus átomos y moléculas se distorsionan y el material en su conjunto cambia de tamaño.
• b) Piezoelectricidad: Al aplicar una presión sobre el material dieléctrico, este se contrae, sus átomos y moléculas cambian de tamaño y se forman dipolos eléctricos. Esta polarización produce, a su vez, una diferencia de potencial entre los extremos del material.
• La piroelectricidad es un fenómeno análogo pero causado por el calentamiento del material dieléctrico.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

1.1. Dipolos Magnéticos

En los materiales magnéticos existen dipolos magnéticos semejantes a los dipolos eléctricos, que pueden considerarse como imanes minúsculos formados por un polo norte y un polo sur. Un dipolo magnético se crea cuando una corriente eléctrica de intensidad circula por una espira.

Se define el momento magnético dipolar μ = I⋅S donde I es la intensidad de corriente que circula por la espira, y S el vector superficie o área de la espira. Cuando un dipolo magnético se encuentra en un campo magnético, tiende a orientarse en la dirección de dicho campo.

Origen de las propiedades magnéticas de los materiales

El electrón tiene momentos magnéticos relacionados con:

• Su movimiento orbital alrededor del núcleo. El electrón puede ser considerado como una pequeña espira de corriente con un momento magnético a lo largo de su eje de rotación.
• Su espín. Solo pueden tomar dos valores: ↑ o ↓

El momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos de sus electrones.

Tipos de Magnetismos:

1) Magnetismo débil:

• Diamagnetismo: dipolos magnéticos inducidos se orientan oponiéndose al campo magnético externo. Los átomos con orbitales completamente llenos. No existe momento magnético en ausencia de campo. Dirección de los momentos magnéticos. Efecto sobre las líneas de flujo en campo magnético homogéneo (líneas hacia afuera). Materiales: gases nobles, cristales iónicos, semiconductores.
• Antiferromagnetismo: compresión de todos los dipolos magnéticos debido a un alineamiento antiparalelo. Átomos con orbitales parcialmente llenos. Momento magnético: compensación total de la magnetización por el alineamiento antiparalelo. Dirección. Efecto sobre línea (todas rectas). Materiales: algunos óxidos.
• Paramagnetismo: alineamiento de dipolos magnéticos permanentes en la dirección del campo magnético externo. Átomos con orbitales parcialmente llenos. Momento magnético permanente sin campo externo. Dirección de momentos (desorden). Líneas de flujo (hacia dentro). Materiales: metales alcalinos y de transición.

2) Magnetismo fuerte:

• Ferromagnetismo: alineamiento espontáneo en todos los dipolos magnéticos dentro de una zona del cristal (dominio). Átomos con orbitales parcialmente llenos. Momento magnético grande, magnetización espontánea, formación de dominios. Dirección. Líneas de flujo (hacia dentro). Materiales: Fe, Co, Ni, aleaciones.
• Ferrimagnetismo: alineamiento espontáneo de parte de los dipolos magnéticos permanentes dentro de un dominio del cristal. Átomos con orbitales parcialmente llenos, estructura cristalina. Momento magnético: compensación parcial da lugar a una magnetización neta. Dirección. Líneas de flujo (hacia dentro). Materiales ferritas: óxidos con estructura de espinela.

Dominios e histéresis

Los dominios contiguos están separados por límites o paredes de dominio, en las que la dirección de magnetización cambia gradualmente. Los dominios suelen tener tamaño microscópico. La magnetización M neta para un sólido es la suma vectorial de las de los dominios, ponderadas por su fracción de volumen.

Los dominios se forman para minimizar la energía magnética. La estructura de dominios está determinada por varios tipos de energía. La estructura más estable es la que minimiza la energía potencial magnética del conjunto, que es la suma de las siguientes contribuciones:

1. Energía de canje: Es proporcional a la diferencia de energía entre los estados ferromagnético y antiferromagnético (espines paralelos o antiparalelos).
2. Energía de anisotropía: energía magneto-cristalina hace que la imanación se oriente preferentemente a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas llamadas “de fácil imanación”.
3. Energía de la pared de dominios: La pared de dominios o pared de Bloch es la zona de transición que separa dos dominios magnéticos adyacentes.
4. Energía magnetoestrictiva: Cuando el material se imana, la muestra se expande o contrae en la dirección de imanación. Esta deformación elástica reversible inducida magnéticamente se den…
5. Energía magnetostática: Es la energía potencial magnética de un material ferromagnético debida al campo magnético externo generado.

El ciclo de histéresis magnético está, por tanto, muy ligado a la estructura de dominios del material. Así como la imanación de saturación queda determinada solo por el tipo de material, la imanación remanente o el campo coercitivo dependen también de su microestructura, tamaño de grano, presencia de defectos y su relación con los dominios magnéticos. Los materiales ferro y ferrimagnéticos se clasifican en materiales blandos o duros, según su ciclo de histéresis.

Materiales blandos: Ciclos estrechos, (alta permeabilidad inicial y baja coercitividad). Deben alcanzar la saturación con campo pequeño (fácilmente magnetizables y desmagnetizables).

Se usan en dispositivos sometidos a campos magnéticos alternantes en los que las pérdidas de energía deben ser pequeñas. Los defectos estructurales (partículas no magnéticas, poros…) restringen el movimiento de las paredes y aumentan la coercitividad (perjudican) en este caso.

Materiales magnéticos duros. Se utilizan en imanes permanentes. Deben tener una alta resistencia a la desmagnetización. Tienen remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturación altas, permeabilidad inicial baja y altas pérdidas de energía de histéresis.