Alcance de La Quimica Aplicada en La Resistencia de Los Materiales Electricos

 

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del poder popular para la educación universitaria Universidad Politécnica Territorial José Antonio Anzoátegui

Alcance de la química aplicada en la resistencia de los materiales eléctricos

Profesor:

ING. Carlos Alcedan

Bachilleres:

Luis Argel Tomassi Domínguez C.I 27.213.762 Paola Cristina Calderón Álvarez C.I 27.316.936 Victoria Eugenia Páez Rondón C.I 28.279.989

PE2 Trayecto IV Fase 1

Pariaguán Mayo de 2020

 

INTRODUCCION

Actualmente y diariamente utilizamos distintos entes y herramientas, Estos resultantes se encuentran experimentados de distintos materiales producentes de clementes aleaciones. Los materialess se pued materiale pueden en clas clasifica ificarr en: mate materiale rialess polím polímeros, eros, materiales materiales metálico metálicos, s, , materiale materialess cerámicos cada uno de los cuales tienen distintas propiedades producido a su estructura y su composición. La propiedad de cada uno de los materiales, transforman de acuerdo a su fuerza de enlace, empaquetamiento de átomos y disposición atómica en cada sólido. Estas propiedades aprovechan para el diseño de estructuras y maquinarias en la ingeniería hoy en día. Es tra trasce scende ndenta ntall es estab tablec lecer er que al sem semeja ejante nte tie tiempo mpo que existe existenn distin distintos tos tipos tipos de materiales, existen también para cada uno de ellos, diferentes tipos de propiedades y sus resistividades, Es importante establecer entonces a partir de los tres tipos más referenciales de mate ma teri rial ales es clas clasif ific icad ados os de acue acuerd rdoo

a

su co comp mpor orta tami mien ento to el eléc éctr tric icos os::

co cond nduc ucto tore res, s,

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.

 

Alcance de la química aplicada en la resistencia de los materiales eléctricos

Para conocer los alcances de la química en la resistencia de los materiales eléctricos, se debe conocer primordialmente los átomos y su estructura. El átomo de hidrogeno se compone de sus partículas básicas, el protón y el electrón, en el cual se encuentran conformados como una esferaa ovalad esfer ovaladaa en el cual su bas basee exterio exteriorr está conform conformado ado por un electrón electrón y con un nucleó donde esta encuentra el protón siendo así un átomo de hidrogeno, si en casi fuera de helio, el numero de protones y electrones aumentarían, ya siendo concluida el entendimiento de los átomos deberemos comprender que es una resistencia, se puede decir que un cuerpo resistivo a la conducción de un flujo que recorre un material encuentra una fuerza opuesta similar, en muchos aspectos, a la fricción mecánica, esta oposición debida a las colisiones entre electrones, y entre el mismo con otros átomos del material, que transforma la energía eléctrica en calor , se denomina resistencia del material, su unidad de mediad es el ohmio (Ω). Para alambres del mismo tamaño físico sometidos a la misma temperatura, la resistencia relativa se determina solo por medio del tipo material, un aumento de longitud dará como resultado un incremento de la resistencia eléctrica para aéreas similares, el mismo material y la misma temperatura, el aumento del área, cuando las variables determinantes restantes permanezcan iguales, dará como resultado una dismin dis minuci ución ón de la res resist istenc encia, ia, fin finalm alment ente, e, en aum aumen ento to de la tempe temperat ratura ura,, para para alambr alambres es mecáni mec ánico coss de co const nstruc rucció ciónn idé idénti ntica ca y el mis mismo mo mat materi erial, al, da dará rá como como result resultado ado una mayor  mayor  resistencia. La exposición anterior revela que la resistencia es directamente proporcional a la longitud y el material empleado inversamente proporcional al área. En forma de ecuación, la resistencia de un conductor 20º (temperatura del ambiente) se expresa en la resistencia es igual resistividad característica del material por la longitud es pies entre la sección de corte transversal en circular  mils. Puesto que la temperatura puede tener efectos muy pronunciados sobre la resistencia de un conductor, es importante disponer de algún método para determinar la resistencia de cualquier  temperatu temp eratura ra dentr dentroo de límite límitess oper operacio acionale nales. s. Los valores de a para diferentes diferentes mate materiale rialess a una temperatura de 20 grados centígrados se han evaluado si alguno de ellos se enlista como se in indi dica ca en la tabl tabla, a, el carb carbón ón y la fami famili liaa rest restan ante te de mate materia riale less se semi mico cond nduc ucto tore ress ti tien enen en coeficiente de temperatura negativo. En otras palabras la resistencia del material disminuirá al incrementarse la temperatura y viceversa. Las Tablas de calibres de conductores se diseñaron  primordialmente para normalizar los tamaños de los alambres producido por todos los fabricantes de Estados Unidos. Como resultado de ello los fabricantes tienen un mercado mayor 

 

y los consumidores saben que siempre tendrán a su disposición alambres normalizados. Las tablas se diseñaron para ayudar a los usuarios en todas las formas posibles, por lo común incluyen datos tales como el área circular mils, 3l diámetro de Mils, los ohm por 1000 ft (304.8 m) a 20°C y el peso por 1000 ft (304.8 m) Los tamaños de La American American Wire Gage (AWG) para alambres de cobre redondo y sólido. También se ha incluido una columna que indica la corriente máxima per máxima permis misibl iblee en amp ampere eress det determ ermina inada da por la Nation National al Fire Fire Protec Protectio tionn Associ Associati ation on (asociación Nacional de protección contra incendios). La base para estos tamaños se determina  por las áreas de su sección tran transversal. sversal. A raíz del entendimiento obtenido podemos referirnos a los tipos de componentes o dispositivos que se emplean o funcionan de forma resistiva, uno de esos es el termistor, es un sensor que sirve para detectar temperatura a través de cambios de resistencia según el calor o frío detectados. Existen 2 tipos de sensores según su coeficiente de temperatura los NTC (coeficiente de temperatura negativo) negativo) y PTC (coeficiente de tempe temperatura ratura positivo). Solo existe una pequeña pequeña diferencia entre estos dos tipos de sensores, y es que mientras la temperatura aumenta, la resistencia disminuye en el caso del termistor NTC. Para el caso de los PTC, cuando la temperatura aumenta, también aumenta la resistencia. El funcionamiento se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor debido a cambios en la temperatura ambiente, alterando la concentración de portadores. La variación de la resistencia con la temperatura no es lineal a comparación de un RTD. Otro de los dispositivos también conocido como el las fotoceldas son resistencias y como ya sabemos Las resistencia resistenciass son la oposición al paso de la corriente eléctrica a circular cuyo valor en OHMIOS (unidad de resistencia eléctrica) cambia ante las variaciones de luz incidente. Una fotocelda presenta un bajo valor de su resistencia ante la presencia de luz, y, un alto valor de resistencia ante la ausencia de luz el cual corta el flujo de corriente cuando las  baterías están completamente cargadas. La fotocelda se emplea para controlar el encendido automático del alumbrado público. También se utiliza ampliamente en circuitos contadores electrónicos de objetos y personas, en alarmas, etc.

Entre otros también disponemos de los dispositivos en función resistivo como el varistor  que es un componente electrónico con una curva característica similar a la del diodo. Los varistores suelen usarse para proteger circuitos contra variaciones de tensión al incorporarlos en el circuito de forma que cuando el varistor se active, la corriente no pase por componentes sensibles. Un varistor también se conoce como Resistor Dependiente de Voltaje (VDR). La

 

función del varistor es conducir una corriente significativa cuando el voltaje es excesivo. Saliendo ahora a un tema ahora menos resistivo podemos hablar de   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. materiales metálicos superconductores, En algunos metales aparece un efecto de superconductividad cuando son enfriados a muy baja temperatura. Su resistencia desaparece por  debajo deb ajo de una temper temperatu atura ra crí crític ticaa que es espec específic íficaa para para cada cada mater material ial.. Cierto Ciertoss me metal tales; es; especialmente aquellos que tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos o residuales, y así exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor. Estos mate ma teria riale less supe superc rcon ondu duct ctor ores es reci recibe benn el no nomb mbre re de su supe perc rcon ondu duct ctor ores es.. En ca camb mbio io,, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales impuros es complejo e indivi ind ividua dual,l, partic particula ularme rmente nte co conn res respe pecto cto a la for forma ma có cómo mo res result ultan an afecta afectado doss en el es estad tadoo superconductor en presencia de un campo eléctrico o magnético. Estos superconductores se denominan superconductores. Entre materiales tenemos materiales cerámicos superconductores, existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como  perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una razón estequiometria de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también típicamente mezclas de muchos diferentes metales.

También poseemos conductores el cual definimos como los semiconductores que son materi mat eriale aless poc pocoo con conduc ductor tores, es, per peroo su suss ele electr ctrone oness pueden pueden saltar saltar fácilm fácilment entee de la Banda 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. Entre otros también tenemos el caso de Aislantes o dieléctricos: 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, que son aquellas que poseen estructura de banda con una gran brecha de energía, lo cual indica que su conductivida conductividadd eléctrica es bien baja. Esto se debe a que los electrones de valencia en estos tupos de materiales toman  parte en enlaces covalentes. Los polímeros por ello se utilizan en aplicaciones aplicaciones en los cuales se requieren aislamiento eléctrico para evitar cortocircuitos y descargas. Los polímeros en pocas

 

 palabras consisten en un buen material dieléctrico. No obstante debido a la baja conductividad, en muchos casos suelen acumular electricidad estática y crean campos electroestáticos que  producen daños a los materiales materiales que aíslan debido a las las pequeñas desc descargas argas contrarias que llegan llegan a causar. Entre la conductividad en los cerámicos es importante poder especificar la propiedad dieléctrica que tienen estos. La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. Por ejemplo, las líneas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislante como para resistir rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como para sostener los cables.

 No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la  propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos es usada para la pér pérdid didaa pro progre gresiv sivaa de di ele electri ctricid cidad ad de alta alta fre frecu cuenc encia, ia, usada usada en ap aplic licaci acione oness como como microondas y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplea emp leann en los con conden densad sadore oress para para sep separa ararr fís física icamen mente te sus pla placa cass y pa para ra increm increment entar ar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas. Como Co mo info inform rmac ació iónn adic adicio iona nal, l, la cons consta tant ntee di diel eléc éctri trica ca es la pr prop opie ieda dadd qu quee de desc scri ribe be el comportamiento de un dieléctrico en un campo eléctrico y permite explicar, tanto el aumento de la capacidad de un condensador como el índice de refracción de un material transparente. Siguie Sig uiendo ndo la teo teoría ría de sup superc ercond onduct uctivi ivida dad: d: mat materi eriale aless metál metálico icoss y ce cerám rámico icoss al reduci reducir  r   paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales supercondu superconductores. ctores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material mate rial se vuel vuelve ve nula, de esta mane manera ra la corriente puede fluir libremen libremente te por el material material (sin colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor. En la siguiente figura podemos observar  cual sería el comportamiento de la resistencia de un material en función f unción de la temperatura.

 

En el caso de la curva A, ocurriría si la resistencia eléctrica se debe completamente a la dispersión que los electrones sufrirían por las vibraciones de la red atómica. La curva B pudiera ocurrir si las dispersiones de los electrones por las impurezas que estuvieran presentes fuesen de magnitud mayor a lo común. La curva C se produciría si los electrones de la banda de conducción, disminuyeran rápidamente al disminuir la temperatura. Sin embargo, el cambio de conducción a superconducción se lleva a cabo, únicamente cuando el material alcanza una temperatura crítica Tc, a la cual los electrones tienen una misma energía pero un spin (el ímpetu angular angu lar intrín intrínseco seco de una partícul partícula) a) opue opuesto sto que al combinar combinarse se forma formann pares. pares. De esta manera, manera, cuando la frecuencia de las vibraciones de los átomos dentro de la red y la frecuencia de los  pares de electrones logra llegar a un movimiento armónico, ocurre la conductividad. conductividad. A continuación se presenta en una tabla las temperaturas críticas de algunos materiales comunes en la ingeniería

 

CONCLUSIONES

Para concluir se puede entender que el objetivo de estudio en los materiales nos  permite realizar diferentes análisis a la cual conlleva al entendimiento entendimiento de la creación de dispositivos o implementos con funciones diferentes o similares para un funcionamiento optimo y requerido en complementación de un sistema eléctrico, en detalles se pueden observar el la función de los material en exposición a cargas, calor u a otros componentes y trascendiera un resultado diferente o complementario. complementario. Se puede decir que corroborando a informaciones detalladas desde la matriz del material se puede entender la causa y efecto de todo inicio a la estructura de cada uno de los compuestos resultados que hoy en día hacen función en el área eléctrica, y entendiendo más allá del material, en la composición química haciendo ver un funcionamiento en el cual anatómicamente es imposible ver, pero sí de comprender el funcionamiento de los mecanismos. Dominando el tema se puede dar a pie a otros funcionamientos de manera compleja y  parecido y tener una base de entendimiento para avanzar en los estudios de la materia y sus  procesos para dar dar resultados convenientes convenientes que pue puedan dan ejercer un funcionamiento funcionamiento o mejora mejora que se necesito en cualquier ámbito eléctrico