Subsecretaria de educacin superiorDireccin general de educacinSuperior tecnolgicaInstituto tecnolgico de Pachuca

INSTITUTO TECNOLOGICO DE PACHUCA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES ELECTRICOS

TEMARIO

CATEDRATICO: ING. ISMAEL BERTIN T. MUOZ LEYVA

ALUMNO: CASTELAN GONZALEZ JUAN JESUS

INDICE PGINAPORTADA..1INDICE21. Microestructura Y Propiedades De Los Materiales.31.1 Soluciones Slidas Y Fases Intermedias..51.2 Diagramas De Fases De Equilibrio..71.3 Cermicas..91.4 Materiales Compuestos.122. Conduccin Elctrica De Los Materiales162.1 El Papel De Los Electrones172.2 Movimiento Electrnico..192.3 Dependencia Estructural De La Resistencia.21

3. Semiconductores233.1 Generalidades.243.2 Enlaces Y Conductividad.253.3 Semiconductores De Potencia...284. Materiales Magnticos.......................................................................294.1 Introduccin a los materiales magnticos...314.2 Momento magntico de un campo.344.3 Momento magntico atmico..365. Dielctricos.375.1 Permitividad385.2 Bombas De Energa.395.3 Ley De Coulomb445.4 Polarizacin475.5 Clasificacin De Los Dielctricos506. Superconductores.516.1 Antecedentes Y Generalidades....546.2 Materiales Superconductores...566.3 Aplicaciones De Los Superconductores57REFERENCIA BIBLIOGRAFICA...58

1. Microestructura Y Propiedades De Los MaterialesSlido cristalino: se puede decir que un slido cristalino podra ser el hielo; ya que este posee un ordenamiento estricto y regular, es decir, que sus tomos, molculas o iones ocupan posiciones especificas, estos slidos suelen tener superficies planas o caras que forman ngulos definidos entre s. Los slidos cristalinos adoptan diferentes formas y colores.Slido amorfo: amorfo quiere decir que estos slidos no tienen forma.Este slido carece de un ordenamiento bien definido y de un orden molecular definido, algunos de estos slidos son mezclas de molculas que no se apilan, es decir que no pueden ir unos arriba de otros. Algn ejemplo de este tipo de slidos son el hule y el vidrio.Celda unitaria: Es la unidad estructural que se repite en un slido, cada slido cristalino se representa con cada uno de los siete tipos de celdas unitarias que existen y cualquiera que se repita en el espacio tridimensional forman una estructura divida en pequeos cuadros.A un modelo simtrico, que es tridimensional de varios puntos que define un cristal se conoce como una red cristalina.Empaquetamiento de esferasLos requerimientos geomtricos generales para que se forme un cristal se entienden si se analizan las distintas formas en que se pueden empacar varias esferas idnticas. La manera en que las esferas se acomodan en capas determina el tipo de celda unitaria final.La estructura tridimensional se genera al colocar una capa encima y otra debajo de esta capa, de tal manera que las esferas de una capa cubren totalmente las esferas de la capa inferior.Empaquetamiento compacto de esferas: Las estructuras que los slidos cristalinos adoptan son aquellas que permiten el contacto ms ntimo entre las partculas, a fin de maximizar las fuerzas de atraccin entre ellas, cada esfera est rodeada por otras seis en la capa.El modelo de empaquetamiento compacto de esferas trabaja con capas compactas de esferas dispuestas unas sobre otras. Este modelo es muy til y eficaz para sistematizar y clasificar las estructuras ms corrientes y usuales de los slidos inicosEn ambos tipos de empaquetamiento cada esfera posee un nmero de coordinacin igual a 12. En ambos tipos de empaquetamiento existe dos tipos de huecos, octadrico (espacio vaco que queda entre seis tomos) y tetradrico (espacio vaco que queda entre cuatro tomos). Por cada N tomos de una estructura de empaquetamiento compacto existen N huecos octadricos y 2N tetradricos.Diferencias estructurales y de comportamiento de los slidos cristalinos y materiales vtreosCuando las molculas que componen un slido estn acomodadas regularmente, decimos que forman un cristal. Y al slido correspondiente le llamamos slido cristalino o fase cristalina Existen muchos ejemplos de slidos cristalinos como por ej., la sal de mesa (cloruro de sodio, Na Cl?) y el azcar (sacarosa, C 12 H 22 O 11).Los slidos como cristalinos porque las partculas macroscpicas que los forman (los cristales) tienen formas regulares: si examinamos cristales de cloruro de sodio bajo una lente de aumento, veremos que los cristales tienen forma de pequeos cubos.El vidrio es una sustancia amorfa porque no es ni un slido ni un lquido, sino que se halla en un estado vtreo en el que las unidades moleculares, aunque estn dispuestas de forma desordenada, tienen suficiente cohesin para presentar rigidez mecnica.

2.1 Soluciones Slidas Y Fases IntermediasUna solucin slida es una solucin en estado slido de uno o ms solutos en un solvente. Tal mezcla es considerada una solucin en lugar de un compuesto siempre que la estructura cristalina del disolvente permanezca sin cambios al ser sustituidos sus tomos por los tomos de los solutos y adems la mezcla permanezca homognea.El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante sustitucin, reemplazando cada partcula del disolvente por una partcula del soluto, o bien de forma intersticial, encajndose cada partcula de soluto dentro del espacio que hay entre partculas del disolvente. Ambos tipos de solucin slida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad fsica y elctrica del material disolvente.Algunas mezclas constituirn fcilmente soluciones slidas en un determinado rango de concentraciones, mientras que otras mezclas no constituirn nunca soluciones slidas. La propensin de dos sustancias a formar una solucin slida es un asunto complicado que depender de las propiedades qumicas, cristalogrficas y cunticas de los materiales en cuestin. Por regla general, se pueden formar soluciones slidas siempre que solvente y soluto tengan:* Similar radio atmico (menos del 15% de diferencia, para tener solubilidad total): Cuanto ms similares sean, menor distorsin de red y por tanto mayor solubilidad.* Igual estructura cristalina.* Similar electronegatividad: Los metales deben tener poca afinidad electroqumica para formar solucin solida. En caso de tener gran afinidad electroqumica se pierde el carcter metlico y se refuerza el carcter inico o covalente en la aleacin.* Similar valencia: Si el soluto aporta ms electrones a la nube electrnica que el disolvente se favorece la solubilidad.Las fases intermedias se representan como lneas verticales en los diagramas de fases porque suelen tener un pequeo intervalo de composicin lo que conduce a compuestos con frmula qumica definida (ej. Mg2Sn). Si presentan un intervalo de composicin suele tratarse de compuestos electrnicos (que se representan por una letra griega). Las fases intermedias tienen puntos de fusin superiores a los de los dos metales.

Reaccin peritctica: Lquido + Slido 1 --> Slido 2el slido 2 suele ser una fase intermedia.

* Reaccin monotctica se presenta cuando los metales son slo parcialmente solubles en estado lquido: Lquido 1 --> Lquido 2 + Slido

* Otras reacciones invariantes en estado slidoReaccin eutectoide: Slido 1 --> Slido 2 + Slido 3

* Reaccin peritectoide: Slido 1 + Slido 2 --> Slido 3

2.2 Diagramas De Fases De EquilibrioDiagramas de fases son representaciones grficas temperatura vs. Composicin a presin constante, que permiten conocer:- las fases presentes para cada temperatura y composicin- solubilidades a diferentes temperaturas de un componente en otro- temperatura de solidificacin, etc.

Los diagramas de fases se construyen a partir de datos experimentales de Anlisis Trmico diferencial (ATD), observacin metalogrfica y difraccin de rayos X.

Regla de las fases (Gibbs)FASES + GRADOS DE LIBERTAD = COMPONENTES + 2( si la presin se mantiene constante F + L = C + 1 )

Clasificacin simplificada de los diagramas de fases en metales

Solubilidad total en estado lquido- solubilidad total en estado slido presentan nicamente lneas de lquidus y slidus, forman soluciones slidas substitucionales

Reglas de Hume - Rothery (para que dos metales formen soluciones slidas substitucionales)deben cristalizar en el mismo sistematener idntica valenciaigual carcter electroqumicodimetros atmicos que no difieran en ms del 15%

- insolubilidad total en estado slido- aparicin de un punto invariante (eutctico E)- transformacin eutctica: Lquido--> Slido A + Slido B- la curva de enfriamiento de una composicin eutctica sigue el mismo patrn que la de un metal puro- el eutctico presenta una morfologa caracterstica

- solubilidad parcial en estado slido- lneas de solvus- soluciones slidas terminales- en aleaciones que presentan soluciones slidas terminales en que disminuye la solubilidad en estado slido con la temperatura puede producirse un endurecimiento por precipitacin y posterior envejecimiento (ej. Al-Cu)

2.3 CermicasTienen baja conductividad elctrica y trmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frgiles y quebradizos. Nuevas tcnicas de procesos consiguen que los cermicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.Entre los metales cermicos puros destacan el xido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno.Estos materiales presentan una estructura atmica formada por enlaces hbridos inico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades especficas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusin.Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elsticos y tenaces que stos.Segn su microestructura, podemos clasificarlos en: cermicos cristalinos, cermicos no cristalinos o vidrios y vitro cermicos.Cermicos cristalinosSe obtienen a partir de slice fundida. Tanto el proceso de fusin como el de solidificacin posterior son lentos, lo que permite a los tomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecnica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayora de los vidrios refractarios.Cermicos no cristalinosSe obtienen tambin a partir de slice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rpido, lo que impide el proceso de cristalizacin. El slido es amorfo, ya que los tomos no se ordenan de ningn modo preestablecidos.Vitro cermicosSe fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento tambin rpido. Qumicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus molculas determina la aparicin de microcristales que les confieren mayor resistencia mecnica y muy baja dilatacin trmica.

Propiedades y aplicacionesLos materiales cermicos se caracterizan por las siguientes propiedades: Son muy duros y presentan una gran resistencia mecnica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura. Son capaces de soportar altas temperaturas Tienen gran estabilidad qumica y son resistentes a la corrosin Poseen una amplia gama de cualidades elctricas.Los materiales cermicos son materiales ligeros. Su densidad vara segn el tipo de cermica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho ms duros que los metales. A diferencia de stos, se trata de materiales relativamente frgiles, ya que los enlaces inico-covalentes.Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible.Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales hbridos o compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polmero plstico o, incluso, de fibras cermicas inmersas en el material cermico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura.Los materiales cermicos tambin se utilizan en la fabricacin de otros materiales hbridos denominados cermet, abreviatura de la expresin inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de xido de aluminio, dixido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro.Para obtenerlos, se emplean dos tcnicas: el sintetizado y el fritado.El sintetizado consiste en compactar los polvos metlicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metlico junto al material cermico a una compresin dentro de un horno elctrico para obtener una aleacin.

Resistencia a la temperaturaEsta propiedad se fundamenta en tres caractersticas de los materiales cermicos: elevado punto de fusin, bajo coeficiente de dilatacin y baja conductividad trmica.* Su elevado punto de fusin supera el de todos los metales, si exceptuamos el volframio.* Su bajo coeficiente de dilatacin los hace particularmente resistentes a los choques trmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumen que determinan la aparicin de gritas y su posterior rotura.* Su baja conductividad trmica permite su empleo como aislantes.Resistencia a los agentes qumicosLa estructura atmica de los materiales cermicos es la responsable de su gran estabilidad qumica, que se manifiesta en su resistencia a la degradacin ambiental y a los agentes qumicos.Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los agentes qumicos a que vayan ser sometidos.La almina de elevada pureza se emplea en prtesis o implantes seos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosin, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo.

2.4 Materiales CompuestosEn ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos que cumplen las siguientes propiedades:* Estn formados de 2 o ms componentes distinguibles fsicamente y separables mecnicamente.* Presentan varias fases qumicamente distintas, completamente insolubles entre s y separadas por una interfase.* Sus propiedades mecnicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cermicos, los plsticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rgidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosin y el desgaste, propiedades stas que rara vez se dan juntas.A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prcticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricacin o la incompatibilidad entre materiales.La gran mayora de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.EstructuraAunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes:* Agente reforzante: es una fase de carcter discreto y su geometra es fundamental a la hora de definir las propiedades mecnicas del material.* Fase matriz o simplemente matriz: tiene carcter continuo y es la responsable de las propiedades fsicas y qumicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. Tambin lo protege y da cohesin al material.ClasificacinLos materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:Materiales Compuestos reforzados con partculasEstn compuestos por partculas de un material duro y frgil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz ms blanda y dctilTipos: Endurecidos por dispersin Formados por partculas verdaderasMateriales Compuestos reforzados con fibrasUn componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a traccin, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o polister que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no estn alineadas con las lneas de tensin. Tambin, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresin. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adicin a las fibras.En trminos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecnicas) sirven para resistir la traccin, la matriz (responsable de las propiedades fsicas y qumicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresin, incluyendo cualquier agregado.Los golpes o los esfuerzos cclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminacin.Materiales compuestos estructurales

Panel sandwich con ncleo en forma de panal.Estn formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometra y de su diseo. Los ms abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich.Los laminares estn formadas por paneles unidos entre si por algn tipo de adhesivo u otra unin. Lo ms usual es que cada lmina est reforzada con fibras y tenga una direccin preferente, ms resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material istropo, uniendo varias capas marcadamente anistropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de mxima resistencia forman entre s ngulos rectos.Los paneles sandwich consisten en dos lminas exteriores de elevada dureza y resistencia, (normalmente plsticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polmeros espumosos, cauchos sintticos, madera balsa o cementos inorgnicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construccin, en la industria aeronutica y en la fabricacin de condensadores elctricos multicapas.Ejemplos de materiales compuestos* Plsticos reforzados con fibra:* Clasificados por el tipo de fibra:* Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)* Plstico reforzado de fibra de carbono o CFRP o* Plstico reforzado de fibra de vidrio o GFRP o reinforced plastic GRP (informalmente, "fibra de vidrio")* Clasificados por la matriz:**** Termoplsticos reforzados por fibra larga.* Termoplsticos tejidos de vidrio.* Compuestos termoformados o termoestables.* Compuestos de matriz metlica o MMCs:* Cermet (cermica y metal).* Fundicin blanca.* Metal duro (carburo en matriz metlica)* Laminado metal-intermetal.* Compuestos de matriz cermica:* Hormign/Concreto* Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).* Hueso (matriz sea reforzada con fibras de colgeno)* Adobe (barro y paja)* Compuestos de matriz orgnica/agregado cermico* Madreperla o ncar* Concreto asfltico* Madera mejorada* Plywood* Tableros de fibra orientada.* Trex* Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)* Pycrete (serrn en matriz de hielo)Procesos de fabricacin* Moldeo SMZ* Moldeo por proyeccin* Moldeo por va hmeda contacto* Apilado por bolsa de vaco* Resine Transfer Moulding, RTM* Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM* Resine Infusion Moulding, RIM* Filament Winding* Fiber Placement* Pultrusin* Automatic Tape Laying, ATL* Eb couring

2. Conduccin Elctrica De Los MaterialesLa conduccin elctrica es el movimiento de partculas elctricamente cargadas a travs de un medio de transmisin (conductor elctrico). El movimiento de las cargas constituye una corriente elctrica. El transporte de las cargas puede ser a consecuencia de la existencia de un campo elctrico, o debido a un gradiente de concentracin en la densidad de carga, o sea, por difusin. Los parmetros fsicos que gobiernan este transporte dependen del material en el que se produzca.La conduccin en metales y resistencias est bien descrita por la Ley de Ohm, que establece que la corriente es proporcional al campo elctrico aplicado. Se calcula la conductividad para caracterizar la facilidad con la que aparece en un material una corriente de densidad (corriente por unidad de rea) j, definida como:j = EO por su recproco la resistividad :j = E / La conduccin en dispositivos semiconductores puede darse debido a una combinacin de campo elctrico (deriva) y de difusin. La densidad de corriente es entoncesj = E + D qnSiendo q la carga elctrica elemental y n la densidad de electrones. Los portadores se mueven en la direccin de decrecimiento de la concentracin, de manera que para los electrones una corriente positiva es resultado de una gradiente de densidad positivo. Si los portadores son "huecos", cmbiese la densidad de electrones n por el negativo de la densidad de huecos p.En los materiales linealmente anistropos, , y D son tensores.

3.5 El Papel De Los ElectronesElectrn, tipo de partcula elemental de carga negativa que forma parte de la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los tomos y las molculas. Los electrones estn presentes en todos los tomos y cuando son arrancados del tomo se llaman electrones libres.Los electrones intervienen en una gran variedad de fenmenos fsicos y qumicos. Se dice que un objeto est cargado elctricamente si sus tomos tienen un exceso de electrones (posee carga negativa) o un dficit de los mismos (posee carga positiva). El flujo de una corriente elctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conduccin del calor tambin se debe fundamentalmente a la actividad electrnica. El estudio de las descargas elctricas a travs de gases enrarecidos en los tubos de vaco fue el origen del descubrimiento del electrn. En los tubos de vaco, un ctodo calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o rectificar una corriente elctrica (vase Rectificacin). Si esa corriente se enfoca para formar un haz bien definido, ste se denomina haz de rayos catdicos. Si se dirige el haz de rayos catdicos hacia un objetivo adecuado se producen rayosX; si se dirigen hacia la pantalla fluorescente de un tubo de televisin, se obtienen imgenes visibles. Las partculas beta que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones.Los electrones tambin intervienen en los procesos qumicos. Una reaccin qumica de oxidacin es un proceso en el cual una sustancia pierde electrones, y una reaccin de reduccin es un proceso en el cual una sustancia gana electrones.En 1906, el fsico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de la gota de aceite, determin la carga del electrn: 1,60210-19 culombios; su masa en reposo es 9,109 10-31kg. La carga del electrn es la unidad bsica de electricidad y se considera la carga elemental en el sentido de que todos los cuerpos cargados lo estn con un mltiplo entero de dicha carga. El electrn y el protn poseen la misma carga, pero, convencionalmente, la carga del protn se considera positiva y la del electrn negativa.En 1897 Joseph John Thomson realiz su famoso experimento con un tubo de rayos catdicos, un tubo de cristal al que le haba hecho el vaco y cuando las placas metlicas del tubo se conectaban a una batera y se generaba corriente elctrica, poda observarse que el interior del tubo comenzaba a brillar.Thomson pens que los rayos catdicos eran partculas infinitesimales que se producan en el ctodo y eran atradas hacia el nodo, descubri adems que la trayectoria de estas partculas se alteraba si eran expuestas a un campo elctrico, Thomson llam a esas partculas "corpsculos". Tiempo despus esos corpsculos serian conocidos como electrones, as es comn en la historia de la fsica considerar a Thomson como el descubridor del electrn.El nombre "electrn" fue introducido por George J. Stoney en 1891 y en 1894 fue retomado por el terico britnico Joseph Larmor para denotar las caractersticas electromagnticas del ter |

Modelo de Thomson |El electrn no es una partcula de la realidad tal cual es, sino un concepto cambiante, que es muchas cosas diferentes a lo largo del tiempo. El trabajo del cientfico no es "descubrir" los secretos de una realidad ya dada, sino la de construir teoras y explorar en qu sentido corresponden con el mundo, pero esta correspondencia no es una sola.

3.6 Movimiento ElectrnicoAdems de sus notables descubrimientos experimentales Faraday hizo una contribucin terica que ha tenido una gran influencia en el desarrollo de la fsica hasta la actualidad: el concepto de lnea de fuerza y asociado a ste, el de campo.Oersted haba escrito que el efecto magntico de una corriente elctrica que circula por un alambre conductor se esparce en el espacio fuera del alambre. De esta forma la aguja de una brjula lo podr sentir y girar debido a la fuerza que experimenta.Por otro lado, ya desde tiempos de Gilbert se haban hecho experimentos como el mencionado en el captulo IV, el de una barra magntica con limaduras de hierro, donde se puede apreciar que las limaduras se orientan a lo largo de ciertas lneas.Asimismo, desde la poca de Newton se trat de encontrar el mecanismo por medio del cual dos partculas separadas cierta distancia experimentan una fuerza, por ejemplo, la de atraccin gravitacional. Entre los cientficos de esa poca y hasta tiempos de Faraday se estableci la idea de que exista la llamada accin a distancia. Esto significa que las dos partculas experimentan una interaccin instantnea. As, por ejemplo, si una de las partculas se mueve y cambia la distancia entre ellas, la fuerza cambia instantneamente al nuevo valor dado en trminos de la nueva distancia entre ellas.Antes de Faraday la idea de las lneas de fuerza se haba tratado como un artificio matemtico. Estas lneas de fuerza ya se haban definido de la siguiente forma: supongamos que hay una fuerza entre dos tipos de partculas, por ejemplo, elctricas. Sabemos que si son de cargas iguales se repelen, mientras que si sus cargas son opuestas se atraen. Consideremos una partcula elctrica positiva (Figura 8(a)), que llamaremos 1. Tomemos ahora otra partcula, la 2, tambin positiva, pero de carga mucho menor que la 1. A esta partcula 2 la llamaremos de prueba, pues con ella veremos qu pasa en el espacio alrededor de la partcula 1. La fuerza entre ellas se muestra en la figura. Ahora dejemos que la partcula de prueba se mueva un poco. Debido a que es repelida por la 1 se alejar y llegar a una nueva posicin que se muestra en la figura 8(b). Si se vuelve a dejar que la partcula de prueba se mueva un poco llegar a otra posicin, y as sucesivamente. La trayectoria que sigue la partcula de prueba al moverse en la forma descrita es una lnea de fuerza. Nos damos cuenta de que la fuerza que experimenta la partcula de prueba es siempre tangente a la lnea de fuerza. Ahora podemos repetir la experiencia colocando la partcula de prueba en otro lugar y as formar la lnea de fuerza correspondiente. De esta manera podemos llenar todo el espacio que rodea a la partcula 1 de lneas de fuerza, y nos percatamos de que todas ellas salen de la partcula 1.

Si la partcula 1 fuera de carga negativa, las lneas de fuerza tendran sentido opuesto a las anteriores, pues la partcula 1 atraera a la 2.De esta forma se pueden encontrar las lneas de fuerza de cualquier conjunto de cargas elctricas. En general stas son lneas curvas que empiezan en cargas positivas y terminan en cargas negativas.

3.7 Dependencia Estructural De La ResistenciaSe denomina resistencia elctrica, simbolizada habitualmente como R, a la dificultad u oposicin que presenta un cuerpo al paso de una corriente elctrica para circular a travs de l. En el Sistema Internacional de Unidades, su valor se expresa en ohmios, que se designa con la letra griega omega mayscula, . Para su medida existen diversos mtodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmmetro.Esta definicin es vlida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposicin presentada a la circulacin de corriente recibe el nombre de impedancia.Segn sea la magnitud de esta oposicin, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen adems ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenmeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prcticamente nulo.La conductividad elctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente elctrica a travs de s. Tambin es definida como la propiedad natural caracterstica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por l. Vara con la temperatura. Es una de las caractersticas ms importantes de los materiales.La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto, y su unidad es el S/m (siemens por metro).No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito para conducir corriente elctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la resistencia:

El conductor es el encargado de unir elctricamente cada uno de los componentes de un circuito. Dado que tiene resistencia hmica, puede ser considerado como otro componente ms con caractersticas similares a las de la resistencia elctrica.De este modo, la resistencia de un conductor elctrico es la medida de la oposicin que presenta al movimiento de los electrones en su seno, o sea la oposicin que presenta al paso de la corriente elctrica.Generalmente su valor es muy pequeo y por ello se suele despreciar, esto es, se considera que su resistencia es nula (conductor ideal), pero habr casos particulares en los que se deber tener en cuenta su resistencia (conductor real).La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo (), de su seccin (), del tipo de material y de la temperatura. Si consideramos la temperatura constante (20C), la resistencia viene dada por la siguiente expresin:

En la que es la resistividad (una caracterstica propia de cada material).Influencia de la temperaturaLa variacin de la temperatura produce una variacin en la resistencia. En la mayora de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros elementos, como el carbono o el germanio la resistencia disminuye.Como ya se coment, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de superconductores.Experimentalmente se comprueba que para temperaturas no muy elevadas, la resistencia a un determinado valor de t (), viene dada por la expresin:

Donde* = Resistencia de referencia a 20C.* = Coeficiente Olveriano de temperatura.* = Diferencia de temperatura respecto a los 20C (t-20).

3. SemiconductoresPara que la conduccin de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estn ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de conduccin). La separacin entre la banda de valencia y la de conduccin se llama banda prohibida, porque en ella no puede haber portadores de corriente. As podemos considerar tres situaciones:* Los metales, en los que ambas bandas de energa se superponen, son conductores.* Los aislantes (o dielctricos), en los que la diferencia existente entre las bandas de energa, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.* Los semiconductores, en los que el salto de energa es pequeo, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energa pueden conducir la electricidad; pero adems, su conductividad puede regularse, puesto que bastar disminuir la energa aportada para que sea menor el nmero de electrones que salte a la banda de conduccin; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o ms propiamente, poco variable con la temperatura.

4.8 GeneralidadesUn semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos qumicos semiconductores de la tabla peridica se indican en la tabla siguiente.Elemento | Grupo | Electrones enla ltima capa |Cd | II B | 2 e- |Al, Ga, B, In | III A | 3 e- |Si, C, Ge | IV A | 4 e- |P, As, Sb | V A | 5 e- |Se, Te, (S) | VI A | 6 e- |El elemento semiconductor ms usado es el silicio, aunque idntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear tambin el azufre. La caracterstica comn a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuracin electrnica sp.

4.9 Enlaces Y ConductividadSemiconductores intrnsecosUn cristal de silicio forma una estructura tetradrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus tomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energa necesaria, saltar a la banda de conduccin, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energas requeridas, a temperatura ambiente son de 1,12 y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso tambin se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energtico correspondiente a la banda de conduccin, a un hueco en la banda de valencia liberando energa. A este fenmeno, se le denomina recombinacin. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creacin de pares e-h, y de recombinacin se igualan, de modo que la concentracin global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la concentracin de electrones (cargas negativas) y "p" la concentracin de huecos (cargas positivas), se cumple que:ni = n = pSiendo ni la concentracin intrnseca del semiconductor, funcin exclusiva de la temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensin, se producen dos corrientes elctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conduccin, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tendern a saltar a los huecos prximos (2), originando una corriente de huecos en la direccin contraria al campo elctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conduccin.Semiconductores extrnsecosSi a un semiconductor intrnseco, como el anterior, se le aade un pequeo porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrnseco, y se dice que est dopado. Evidentemente, las impurezas debern formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente tomo de silicio.

Semiconductor tipo NUn Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones).Cuando el material dopante es aadido, ste aporta sus electrones ms dbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambin conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.El propsito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cmo se produce el dopaje tipo n considrese el caso del silicio (Si). Los tomos del silicio tienen una valencia atmica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los tomos de silicio adyacentes. Si un tomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla peridica (ej. fsforo (P), arsnico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un tomo de silicio, entonces ese tomo tendr cuatro enlaces covalentes y un electrn no enlazado. Este electrn extra da como resultado la formacin de "electrones libres", el nmero de electrones en el material supera ampliamente el nmero de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los tomos con cinco electrones de valencia tienen un electrn extra que "dar", son llamados tomos donadores. Ntese que cada electrn libre en el semiconductor nunca est lejos de un ion dopante positivo inmvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga elctrica neta final de cero....Semiconductor tipo PUn Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).Cuando el material dopante es aadido, ste libera los electrones ms dbilmente vinculados de los tomos del semiconductor. Este agente dopante es tambin conocido como material aceptor y los tomos del semiconductor que han perdido un electrn son conocidos como huecos.El propsito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un tomo tetravalente (tpicamente del grupo IVA de la tabla peridica) de los tomos vecinos se le une completando as sus cuatro enlaces. As los dopantes crean los "huecos". Cada hueco est asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene elctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protn del tomo situado en la posicin del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrn. Por esta razn un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un nmero suficiente de aceptores son aadidos, los huecos superan ampliamente la excitacin trmica de los electrones. As, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

4.10 Semiconductores De PotenciaDurante los ltimos 10 a 15 aos, y a raz del rpido progreso alcanzado en la tecnologa de semiconductores, los interruptores de potencia de silicio se han convertido en dispositivos muy eficientes, fiables y de cmoda aplicacin. Estos dispositivos han arraigado firmemente en aplicaciones de alta tensin y alta intensidad para controlar potencias de salida de entre un megavatio y varios gigavatios.

Los dispositivos semiconductores de potencia han puesto en marcha una revolucin tranquila, en el curso de la cual se estn perfeccionando soluciones electromecnicas mediante la adicin de electrnica de potencia, o incluso son sustituidas por completo por sistemas electrnicos de potencia.Se denomina electrnica de potencia a la rama de la ingeniera elctrica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energa, controlar el funcionamiento de maquinas elctricas, etc.Se refiere a la aplicacin de dispositivos electrnicos, principalmente semiconductores, al control y transformacin de potencia elctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro elctrico a consumos industriales o incluso la interconexin sistemas elctricos de potencia.El principal objetivo de esta disciplina es el procesamiento de energa con la mxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de prdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, as como semiconductores trabajando en modo corte/saturacin (on/off).Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:* Rectificador controlado de silicio (SCR en ingls)* Triac* IGBT* IGCT

4. Materiales MagnticosEl magnetismo es un fenmeno fsico por el que los materiales ejercen fuerzas de atraccin o repulsin sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnticas detectables fcilmente como el nquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magntico.Tambin el magnetismo tiene otras manifestaciones en fsica, particularmente como uno de los dos componentes de la onda electromagntica, como, por ejemplo, la luz.Cada electrn es por su naturaleza, un pequeo imn (vase Momento dipolar magntico electrnico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material estn orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imn casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma direccin, creando una fuerza magntica grande o pequea dependiendo del nmero de electrones que estn orientados.Adems del campo magntico intrnseco del electrn, algunas veces hay que contar tambin con el campo magntico debido al movimiento orbital del electrn alrededor del ncleo. Este efecto es anlogo al campo generado por una corriente elctrica que circula por una bobina (ver dipolo magntico). De nuevo, en general, el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magntico en el material, pero en ciertas condiciones, los movimientos pueden alinearse y producir un campo magntico total medible.El comportamiento magntico de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuracin electrnica.Los fenmenos magnticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de "Magnesia" en Asia Menor, de ah el trmino magnetismo. Saban que ciertas piedras atraan el hierro y que los trocitos de hierro atrados, atraan a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales.El primer filsofo que estudi el fenmeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filsofo griego que vivi entre 625a.C. y 545a.C.[1] En China, la primera referencia a este fenmeno se encuentra en un manuscrito del siglo IVa.C. titulado Libro del amo del valle del diablo: La magnetita atrae al hierro hacia s o es atrada por ste.[2] La primera mencin sobre la atraccin de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los aos 20 y 100 de nuestra era: La magnetita atrae a la aguja.

El cientfico Shen Kua (1031-1095) escribi sobre la brjula de aguja magntica y mejor la precisin en la navegacin empleando el concepto astronmico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya haban desarrollado la tcnica lo suficiente como para utilizar la brjula para mejorar la navegacin. Alexander Neckham fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta tcnica, en 1187.El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans Christian rsted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubri que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejerca una perturbacin magntica a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magntica situada en ese entorno.[3] Muchos otros experimentos siguieron, con Andr-Marie Ampre, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday y otros que encontraron vnculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetiz y explic estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell. Unific el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el electromagnetismo. En 1905, Einstein us estas leyes para comprobar su teora de la relatividad especial,[4] en el proceso mostr que la electricidad y el magnetismo estaban fundamentalmente vinculadas.El electromagnetismo continu desarrollndose en el siglo XX, siendo incorporado en las teoras ms fundamentales, como la teora de campo de gauge, electrodinmica cuntica, teora electrodbil y, finalmente, en el modelo estndar.

5.11 Introduccin A Los Materiales MagnticosExisten diversos tipos de comportamiento de los materiales magnticos: el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo.En los materiales diamagnticos, la disposicin de los electrones de cada tomo es tal que se produce una anulacin global de los efectos magnticos. Sin embargo, si el material se introduce en un campo inducido, la sustancia adquiere una imantacin dbil y en el sentido opuesto al campo inductor.Si se sita una barra de material diamagntico en el interior de un campo magntico uniforme e intenso, esta se dispone transversalmente respecto de aquel.Los materiales paramagnticos no presentan la anulacin global de efectos magnticos, por lo que cada tomo que los constituye acta como un pequeo imn. Sin embargo, la orientacin de dichos imanes es, en general arbitraria, y el efecto global se anula.As mismo, si el material paramagntico se somete a la accin de un campo magntico inductor, el campo magntico inducido en dicha sustancia se orienta en el sentido del campo magntico inductor.Esto hace que una barra de material paramagntico suspendida libremente en el seno de un campo inductor, se alinee con este.El magnetismo inducido, aunque dbil, es suficiente intenso como para imponer al efecto magntico. Para comparar los tres tipos de magnetismo se emplea la razn entre el campo magntico inducido y el inductor.ElectromagnetosUn electroimn es un imn hecho de alambre elctrico bobinado en torno a un material magntico, como el hierro. Este tipo de imn es til en los casos en que un imn debe estar encendido o apagado, por ejemplo, las grandes gras para levantar chatarra de automviles.Para el caso de corriente elctrica se desplazan a travs de un cable, el campo resultante se dirige de acuerdo con la "mano derecha regla." Si la mano derecha se utiliza como un modelo, y el pulgar de la mano derecha a lo largo del cable de positivo hacia el lado negativo (convencional actual", a la inversa de la direccin del movimiento real de los electrones), entonces el campo magntico recapitulacin de todo el cable en la direccin indicada por los dedos de la mano derecha.Como puede observarse geomtricamente, en caso de un bucle o hlice de cable est formado de tal manera que el actual es viajar en un crculo, a continuacin, todas las lneas de campo en el centro del bucle se dirigen a la misma direccin, lo que arroja un 'magntica dipolo ' cuya fuerza depende de la actual en todo el bucle, o el actual en la hlice multiplicado por el nmero de vueltas de alambre. En el caso de ese bucle, si los dedos de la mano derecha se dirigen en la direccin del flujo de corriente convencional (es decir, el positivo y el negativo, la direccin opuesta al flujo real de los electrones), el pulgar apuntar en la direccin correspondiente al polo norte del dipolo.Magnetos temporales y permanentesUn imn permanente conserva su magnetismo sin un campo magntico exterior, mientras que un imn temporal slo es magntico, mientras que est situado en otro campo magntico. Inducir el magnetismo del acero en los resultados en un imn permanente sino de hierro pierde su magnetismo cuando la induccin de campo se retira. Un imn temporal como el hierro es un material adecuado para los electroimanes. Magnets son hechas por acariciar con otro imn, la grabacin, mientras que fija en un campo magntico opuesta dentro de una solenoide bobina se suministra con una corriente directa. Un imn permanente puede ser la remocin de los imanes de someter a la calefaccin, fuertes golpes o, colocarlo dentro de un solenoide se suministra con una reduccin de corriente alterna.

Tipo de Material | Caractersticas |No magntico | No afecta el paso de las lneas de Campo magntico.Ejemplo: el Vaco. |Diamagntico | Material dbilmente magntico. Si se sita una barra magntica cerca de l, esta lo repele.Ejemplo: Bismuto (Bi), Plata (Ag), Plomo (Pb), Agua. |Paramagntico | Presenta un magnetismo significativo. Atrado por la barra magntica.Ejemplo: Aire, Aluminio (Al), Paladio (Pd), Magneto Molecular. |Ferromagntico | Magntico por excelencia o fuertemente magntico. Atrado por la barra magntica.Paramagntico por encima de la temperatura de Curie(La temperatura de Curie del hierro metlico es aproximadamente unos 770 C).Ejemplo: Hierro (Fe), Cobalto (Co), Nquel (Ni), Acero suave. |Antiferromagntico | No magntico aun bajo accin de un campo magntico inducido.Ejemplo: xido de Manganeso (MnO2). |Ferrimagntico | Menor grado magntico que los materiales ferromagnticos.Ejemplo: Ferrita de Hierro. |Superparamagntico | Materiales ferromagnticos suspendidos en una matriz dielctrica.Ejemplo: Materiales utilizados en cintas de audio y video. |Ferritas | Ferromagntico de baja conductividad elctrica.Ejemplo: Utilizado como ncleo inductores para aplicaciones de corriente alterna. |

5.12 Momento Magntico De Un CampoEl fenmeno del magnetismo es ejercido por un campo magntico, p.e. una corriente elctrica o un dipolo magntico crea un campo magntico, ste al girar imparte una fuerza magntica a otras partculas que estn en el campo.Para una aproximacin excelente (pero ignorando algunos efectos cunticos, vase electrodinmica cuntica) las ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de Biot-Savart en el caso de corriente constante) describen el origen y el comportamiento de los campos que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se observa siempre que partculas cargadas elctricamente estn en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente elctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del ncleo atmico. Estas tambin aparecen de un dipolo magntico intrnseco que aparece de los efectos cunticos, p.e. del spin de la mecnica cuntica.La misma situacin que crea campos magnticos (carga en movimiento en una corriente o en un tomo y dipolos magnticos intrnsecos) son tambin situaciones en que el campo magntico causa sus efectos, creando una fuerza. Cuando una partcula cargada se mueve a travs de un campo magntico B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz:

Donde es la carga elctrica de la partcula, es el vector velocidad de la partcula y es el campo magntico. Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza es perpendicular al movimiento de la partcula y al campo magntico.La fuerza magntica no realiza trabajo mecnico en la partcula, esto cambiara la direccin del movimiento de sta, pero esto no causa su aumento o disminucin de la velocidad. La magnitud de la fuerza es: donde es el ngulo entre los vectores y.Una herramienta para determinar la direccin del vector velocidad de una carga en movimiento, es siguiendo la ley de la mano derecha (vase Regla de la mano derecha).El fsico alemn Heinrich Lenz formul lo que ahora se denomina la ley de Lenz, sta da una direccin de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una induccin electromagntica.Se puede ver una muy comn fuente de campo magntico en la naturaleza, un dipolo. ste tiene un "polo sur" y un "polo norte", sus nombres se deben a que antes se usaban los magnetos como brjulas, que interactuaban con el campo magntico terrestre, para indicar el norte y el sur del globo.Un campo magntico contiene energa y sistemas fsicos que se estabilizan con configuraciones de menor energa. Por lo tanto, cuando se encuentra en un campo magntico, un dipolo magntico tiende a alinearse solo con una polaridad diferente a la del campo, lo que cancela al campo lo mximo posible y disminuye la energa recolectada en el campo al mnimo. Por ejemplo, dos barras magnticas idnticas pueden estar una a lado de otra normalmente alineadas de norte a sur, resultando en un campo magntico ms pequeo y resiste cualquier intento de reorientar todos sus puntos en una misma direccin. La energa requerida para reorientarlos en esa configuracin es entonces recolectada en el campo magntico resultante, que es el doble de la magnitud del campo de una magneto individual. (Esto es porque un magneto usado como brjula interacta con el campo magntico terrestre para indicar Norte y Sur)Una alternativa formulada, equivalente, que es fcil de aplicar pero ofrece una menor visin, es que un dipolo magntico en un campo magntico experimenta un momento de un par de fuerzas y una fuerza que puede ser expresada en trminos de un campo y de la magnitud del dipolo (p.e. sera el momento magntico dipolar).

5.13 Momento Magntico AtmicoLa causa fsica del magnetismo en los cuerpos, distinto a la corriente elctrica, es por los dipolos atmicos magnticos. Dipolos magnticos o momentos magnticos, en escala atmica resultan de dos tipos diferentes del movimiento de electrones. El primero es el movimiento orbital del electrn sobre su ncleo atmico; este movimiento puede ser considerado como una corriente de bucles, resultando en el momento dipolar magntico del orbital. La segunda, ms fuerte, fuente de momento electrnico magntico es debido a las propiedades cunticas llamadas momento de spin del dipolo magntico (aunque la teora mecnica cuntica actual dice que los electrones no giran fsicamente, ni orbitan el ncleo).El momento magntico general de un tomo es la suma neta de todos los momentos magnticos de los electrones individuales. Por la tendencia de los dipolos magnticos a oponerse entre ellos se reduce la energa neta, en un tomo los momentos magnticos opuestos de algunos pares de electrones se cancelan entre ellos, ambos en un movimiento orbital y en momentos magnticos de espn. As, en el caso de un tomo con orbitales electrnicos o suborbitales electrnicos completamente llenos, el momento magntico normalmente se cancela completamente entre ellos y solo los tomos con orbitales electrnicos semillenos tienen un momento magntico, su fuerza depende del nmero de electrones impares.La diferencia en la configuracin de los electrones en varios elementos determina la naturaleza y magnitud de los momentos atmicos magnticos, lo que a su vez determina la diferencia entre las propiedades magnticas de varios materiales.

5. DielctricosSe denomina dielctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo se pueden utilizar como aislantes elctricos.Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cermica, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrnico y la baquelita. Los dielctricos se utilizan en la fabricacin de condensadores, para que las cargas reaccionen. Cada material dielctrico posee una constante dielctrica k. que es conocida como la constante de proporcionalidad directa e inversamente proporcional hablando matemticamenteTenemos k para los siguiente dielctricos: vaco tiene k = 1; aire (seco) tiene k = 1,00059; tefln tiene k = 2,1; nylon tiene k = 3,4; papel tiene k = 3,7; agua tiene k = 80.Los dielctricos ms utilizados son el aire, el papel y la goma.La introduccin de un dielctrico en un condensador aislado de una batera, tiene las siguientes consecuencias:* Disminuye el campo elctrico entre las placas del condensador.* Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del condensador, en una relacin Vi/k.* Aumenta la diferencia de potencial mxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dielctrica).* Aumento por tanto de la capacidad elctrica del condensador en k veces.* La carga no se ve afectada, ya que permanece la misma que ha sido cargada cuando el condensador estuvo sometido a un voltaje.Normalmente un dielctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dielctrico. Es decir, si aumentamos mucho el campo elctrico que pasa por el dielctrico convertiremos dicho material en un conductor.Tenemos que la capacitancia con un dielctrico llenando todo el interior del condensador esta dado: C = kEoA / d (Donde Eo es la permitividad elctrica del vaco).

6.14 PermitividadLa permitividad (o impropiamente constante dielctrica) es una constante fsica que describe cmo un campo elctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vaco es 8,8541878176x10-12 F/m.La permitividad es determinada por la habilidad de un material de polarizarse en respuesta a un campo elctrico aplicado y, de esa forma, cancelar parcialmente el campo dentro del material. Est directamente relacionada con la susceptibilidad elctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga elctrica sea guardada con un campo elctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.En electromagnetismo se define un campo de desplazamiento elctrico D, que representa cmo un campo elctrico E influir la organizacin de las cargas elctricas en el medio, por ejemplo, redistribucin de cargas y reorientacin de dipolos elctricos. La relacin de ambos campos (para medios lineales) con la permitividad es

Donde es un escalar si el medio es istropo o una matriz de 3 por 3 en otros casos.

La permitividad, tomada en funcin de la frecuencia, puede tomar valores reales o complejos. Generalmente no es una constante ya que puede variar con la posicin en el medio, la frecuencia del campo aplicado, la humedad o la temperatura, entre otros parmetros. En un medio no lineal, la permitividad puede depender de la magnitud del campo elctrico.La unidad de medida en el Sistema Internacional es el faradio por metro (F/m). El campo de desplazamiento D se mide en culombios por metro cuadrado (C/m2), mientras que el campo elctrico E se mide en voltios por metro (V/m).D y E representan el mismo fenmeno, la interaccin entre objetos cargados. D est relacionado con las densidades de carga asociada a esta interaccin. E se relaciona con las fuerzas y diferencias de potencial involucrada. La permitividad del vaco, es el factor de escala que relaciona los valores de D y E en ese medio. Es igual a 8.8541878176...10-12 F/m. Las unidades de en el Sistema Internacional de Unidades es farad por metro (F/m). En el Sistema Internacional de Unidades, la fuerza se mide en newtons (N), la carga en coulombs (C), la distancia en metros (m), y la energa en julios (J). Como en todas las ecuaciones que describen fenmenos fsicos, usar un sistema consistente de unidades es esencial.6.15 Bombas De EnergaEn electricidad y electrnica, un condensador (capacitor en ingls) es un dispositivo que almacena energa elctrica, es un componente pasivo. Est formado por un par de superficies conductoras en situacin de influencia total (esto es, que todas las lneas de campo elctrico que parten de una van a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o lminas, separados por un material dielctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo elctrico, ya que acta como aislante) o por el vaco, que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga elctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, stas adquieren una carga elctrica de 1 culombio.La capacidad de 1 faradio es mucho ms grande que la de la mayora de los condensadores, por lo que en la prctica se suele indicar la capacidad en micro- F = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la excepcin. Estn hechos de carbn activado para conseguir una gran rea relativa y tienen una separacin molecular entre las "placas". As se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. Tambin se est utilizando en los prototipos de automviles elctricos.El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente frmula:

En donde:C: CapacidadQ1: Carga elctrica almacenada en la placa 1.V1 V2: Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2.Ntese que en la definicin de capacidad es indiferente que se considere la carga de la placa positiva o la de la negativa, ya que

Aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material dielctrico son sumamente variables. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cermicos, mica, polister, papel o por una capa de xido de aluminio obtenido por medio de la electrolisis.El condensador almacena energa elctrica, debido a la presencia de un campo elctrico en su interior, cuando aumenta la diferencia de potencial en sus terminales, devolvindola cuando sta disminuye. Matemticamente se puede obtener que la energa, almacenada por un condensador con capacidad C, que es conectado a una diferencia de potencial V1 V2, viene dada por:

Este hecho es aprovechado para la fabricacin de memorias, en las que se aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de los transistores MOS para ahorrar componentes.Los condensadores suelen usarse para: Bateras, por su cualidad de almacenar energa. Memorias, por la misma cualidad. Filtros. Adaptacin de impedancias, hacindolas resonar a una frecuencia dada con otros componentes. Desmodular AM, junto con un diodo. El flash de las cmaras fotogrficas. Tubos fluorescentes. Mantener corriente en el circuito y evitar cadas de tensin.* Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dielctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad elctrica relativa es la unidad, slo permite valores de capacidad muy pequeos. Se utiliz en radio y radar, pues carecen de prdidas y polarizacin en el dielctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas.

* Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dielctrico de condensadores: bajas prdidas, exfoliacin en lminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidacin o con la humedad. Sobre una cara de la lmina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas lminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos.

* Condensadores de papel. El dielctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algn otro tratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar.

* Condensadores autorregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autorregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situacin de sobrecarga que supere la rigidez dielctrica del dielctrico, el papel se rompe en algn punto, producindose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras.

* Dielctrico electroltico. El dielctrico es una disolucin electroltica que ocupa una cuba electroltica. Con la tensin adecuada, el electrolito deposita una capa aislante muy fina sobre la cuba, que acta como una armadura y el electrolito como la otra. Consigue capacidades muy elevadas, pero tienen una polaridad determinada, por lo que no son adecuados para funcionar con corriente alterna. La polarizacin inversa destruye el xido, produciendo una corriente en el electrolito que aumenta la temperatura, pudiendo hacer arder o estallar el condensador. Existen de varios tipos:

* Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolucin de cido brico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta prdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentacin y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentacin conmutadas.

* Condensadores de tantalio (tntalos). Es otro condensador electroltico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de prdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relacin capacidad/volumen, pero arden en caso de que se polaricen inversamente.

* Condensadores de corriente alterna. Est formado por dos condensadores electrolticos en serie, con sus terminales positivos interconectados.

* Condensadores de polister o Mylar. Est formado por lminas delgadas de polister sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas lminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, tambin se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno. Este el tipo de capacitor relativamente ms barato que hay.

* Condensadores styroflex. Otro tipo de condensadores de plstico, muy utilizado en radio, por responder bien en altas frecuencias y ser uno de los primeros tipos de condensador de plstico.

* Condensadores cermicos. Utiliza cermicas de varios tipos para formar el dielctrico. Existen tipos formados por una sola lmina de dielctrico, pero tambin los hay formados por lminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas.

* Condensadores sncrono. No es un condensador, sino un motor sncrono que se comporta como condensador.

* Dielctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura mvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca ms o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variacin de capacidad es proporcional al logaritmo del ngulo que gira el eje.

* Condensadores de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando as la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta.

6.16 Ley De CoulombLa ley de Coulomb puede expresarse como:La magnitud de cada una de las fuerzas elctricas con que interactan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.Coulomb desarroll la balanza de torsin con la que determin las propiedades de la fuerza electrosttica. Este instrumento consiste en una barra que cuelga de una fibra capaz de torcerse. Si la barra gira, la fibra tiende a regresarla a su posicin original, con lo que conociendo la fuerza de torsin que la fibra ejerce sobre la barra, se puede determinar la fuerza ejercida en un punto de la barra. La ley de Coulomb tambin conocida como ley de cargas tiene que ver con las cargas elctricas de un material, es decir, depende de sus cargas sean negativas o positivas.

Variacin de la Fuerza de Coulomb en funcin de la distancia.En la barra de la balanza, Coulomb coloc una pequea esfera cargada y a continuacin, a diferentes distancias, posicion otra esfera tambin cargada. Luego midi la fuerza entre ellas observando el ngulo que giraba la barra.Dichas mediciones permitieron determinar qu:* La fuerza de interaccin entre dos cargas y duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y as sucesivamente. Concluy entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas:Y En consecuencia:

* Si la distancia entre las cargas es, al duplicarla, la fuerza de interaccin disminuye en un factor de 4 (2); al triplicarla, disminuye en un factor de 9 (3) y al cuadriplicar, la fuerza entre cargas disminuye en un factor de 16 (4). En consecuencia, la fuerza de interaccin entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:

Asociando ambas relaciones:

Finalmente, se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relacin anterior en una igualdad:

La ley de Coulomb es vlida slo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximacin cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilneas uniformes. Es por ello que es llamada fuerza electrosttica.En trminos matemticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como:

Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia en el vaco, se atraen o repelen entre s con una fuerza cuya magnitud est dada por:

La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales:

Donde es un vector unitario que va en la direccin de la recta que une las cargas, siendo su sentido desde la carga que produce la fuerza hacia la carga que la experimenta.Al aplicar esta frmula en un ejercicio, se debe colocar el signo de las cargas q1 o q2, segn sean stas positivas o negativas.El exponente (de la distancia: d) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se sabe hoy en da, exactamente 2. Experimentalmente se sabe que, si el exponente fuera de la forma, entonces.

Representacin grfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.Obsrvese que esto satisface la tercera de la ley de Newton debido a que implica que fuerzas de igual magnitud actan sobre y. La ley de Coulomb es una ecuacin vectorial e incluye el hecho de que la fuerza acta a lo largo de la lnea de unin entre las cargas.

6.17 PolarizacinEn el electromagnetismo clsico, la polarizacin elctrica (tambin llamada densidad de polarizacin o simplemente polarizacin) es el campo vectorial que expresa la densidad de los momentos elctricos dipolares permanentes o inducidos en un material dielctrico. El vector de polarizacin P se define como el momento dipolar por unidad de volumen. La unidad de medida en el SI es coulomb por metro cuadrado.La polarizacin elctrica es uno de los tres campos elctricos macroscpicos que describen el comportamiento de los materiales. Los otros dos son el campo elctrico E y el desplazamiento elctrico D.Algunas sustancias, como por ejemplo el agua, presentan molculas denominadas molculas polares. En ellas el centro de las cargas positivas no coincide con el centro de las cargas negativas y, por tanto, hay una asimetra en la distribucin de cargas en la molcula, como se ilustra en la figura. Las sustancias cuyas molculas poseen cargas elctricas distribuidas en forma simtrica se denominan apolares.Considrese un dielctrico, no electrizado, cuyas molculas son polares y est alejado de influencias elctricas externas.

En estas condiciones, las molculas de esta sustancia estn distribuidas al azar, como se representa en la figura A. Al acercar a este dielctrico un cuerpo electrizado (por ejemplo, con carga positiva), la carga de este ltimo actuar sobre las molculas del aislante, haciendo que se orienten y alineen en la forma indicada en la figura B. Cuando esto sucede, se dice que el dielctrico est polarizado. La figura C muestra que el efecto final de esta polarizacin consiste en hacer aparecer cargas negativas y positivas distribuidas tal como se ve en la ilustracin. Obsrvese que an cuando la carga total del dielctrico es nula, la polarizacin hace que se manifiesten cargas elctricas de signos opuestos de manera similar a lo que sucede cuando se carga un conductor por induccin.Si el dielctrico estuviera constituido por molculas apolares, se observara el mismo efecto final, ya que con la aproximacin del cuerpo electrizado, las molculas se volveran polares y, por consiguiente, se alinearan como se muestra en la figura B.Polarizacin Electrnica

Consiste en el desplazamiento elstico y en la deformacin de las capas electrnicas de los tomos e iones. Donde se da concentracin de electrones en el lado del ncleo ms cercano al extremo positivo del campo.Los electrones son los primeros afectados dada su escasa masa. Esto quiere decir que con un pequeo campo elctrico se movern rpidamente y se separarn del protn.

E = 0 E 0

Este fenmeno se da en un periodo de tiempo muy pequeo, (10-15 10-14 seg. ). Y cuando el campo cesa, el tomo recobra exactamente sus caractersticas originales. Durante este fenmeno no existe consumo de energa, con lo que se considera un movimiento totalmente elstico. Este fenmeno que est presente en mayor o menor grado en todos los Dielctricos, es pequeo y temporal.

Polarizacin Inica

Se debe al desplazamiento elstico de los iones que estn ligados elsticamente. Este fenmeno se da durante tiempos cortos (10-13 10-12 seg.). Los iones se desplazan unos con respecto al otro formando una molcula elctricamente desbalanceada.Estos dipolos temporalmente inducidos causan polarizacin y tambin pueden modificar las dimensiones generales del material. Afecta a los materiales cermicos, dada su gran cantidad de enlaces inicos y separa los cationes en una direccin y los aniones en otra.

Los cationes y aniones, se alejan o se acercan dependiendo de la direccin del campo. Estos dipolos temporalmente inducidos causan polarizacin. La consecuencia es que la carga se distribuye dentro del material y se modifican las dimensiones del mismo. Se presenta en mayor o menor grado en los dielctricos en los que predomina una estructura inica.

Polarizacin Molecular

Se debe a que en muchos dielctricos las molculas de su estructura poseen un momento dipolar, aun en ausencia de un campo externo .La molcula dipolar se caracteriza por tener en forma natural un desplazamiento entre los centros de carga equivalente, lo que hace que la molcula en s, se comporte como un dipolo. Es por eso que aqu para el anlisis de polarizacin se debe considerar y la disposicin exacta de las cargas en el espacio.

Este fenmeno no es completamente elstico, porque cuando cesa el campo no toda la energa es reintegrada, ya que la orientacin del dipolo lleva un movimiento de desplazamiento y por lo tanto una perdida por friccin que no es recuperable .El tiempo en que se produce o desaparece el fenmeno es relativamente grande, comparado con los anteriores.

Este fenmeno se presenta en muchos dielctricos que contienen dipolos naturales (materiales dielctricos polares como l, Policloro de vinilo) y depende de la asimetra propia de la estructura molecular de la sustancia, que al aplicarle un campo elctrico se orientaran segn su direccin.

Polarizacin por Relajamiento

Se observa en materiales orgnicos y en algunas sustancias inicas cristalinas. En este caso los iones que se encuentran ligados en la estructura en forma dbil tienden a separarse sin romper la estructura, en funcin del campo aplicado. Considerando se esto, como un desplazamiento dentro de la estructura. El movimiento no es puramente elstico, dando lugar a que existan perdidas por desplazamiento.

Polarizacin Espontnea

Se presenta en materiales ferroelctricos (materiales cermicos sintticos como el titano de bario y de bismuto, que se mantienen polarizados a un despus de retirado el campo externo aplicado) en los que hay zona de la estructura en las cuales existe una orientacin preferencial de los dipolos llamados dominios. Bajo la accin del campo elctrico, los dominios se orientan, lo que origina una cierta deformacin en la estructura molecular del material. Ya que el movimiento es poco elstico se producen perdidas.

6.18 Clasificacin De Los DielctricosFerroelctrico: que posee ferroelectricidad: existencia en determinados cristales, de una polarizacin elctrica espontanea y permanente, reversible bajo la accin de un campo elctrico exterior. (Este fenmeno, claramente manifiesto en la sal de Seignette, presenta analogas con le ferromagnetismo, lo que justifica su nombre. La ferroelectricidad desaparece habitualmente por encima de una temperatura, llamada temperatura de transicin.) Tartrato potsico y sdico que fue obtenido por primera vez por Pierre Seignette, boticario de la Rochela.Piroelctrico: dotado de piroelectricidad: electricidad engendrada en un cuerpo por cambios de su temperatura. (Ciertos cristales hemidricos, tales como la turmalina, la boracita, el topacio, el cido tartrico, etc., se electrizan cuando se los somete a una variacin de temperatura: una de las extremidades del eje principal se carga positivamente, y la otra negativamente.)Piezoelctrico: que presenta piezoelectricidad: fenmeno presentado por determinados cristales que adquieren una polarizacin en su masa y cargas elctricas en su superficie al ser sometidos a tensiones mecnicas (efecto directo), y que se deforman bajo la accin de fuerzas internas al ser sometidos a un campo elctrico (efecto inverso).Los materiales piezoelctricos son cristales naturales o sintticos, minerales u orgnicos que no poseen centro de simetra. El efecto de una compresin o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas. Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carcter piezoelctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroelctricos, que presentan propiedades piezoelctricas tras ser sometidos a una polarizacin (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cermicas o polmeros polares bajo forma de microcristales orientados)

6. SuperconductoresSe denomina superconductividad a la capacidad intrnseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente elctrica sin resistencia y prdida de energa nulas en determinadas condiciones.La resistividad elctrica de un conductor metlico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor lmite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfra por debajo de su temperatura crtica. Una corriente elctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentacin. Al igual que el ferromagnetismo y las lneas espectrales atmicas, la superconductividad es un fenmeno de la mecnica cuntica.La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estao y el aluminio, diversas aleaciones metlicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayora de los metales ferromagnticos.Aunque la propiedad ms sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por s slo no tiene sentido termodinmico. En realidad un material superconductor es perfectamente diamagntico. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.El campo magntico distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magntico externo (lo cual conlleva un esfuerzo energtico alto, e implica la ruptura brusca del estado superconductor si se supera la temperatura crtica), y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a travs de pequeas canalizaciones denominadas vrtices de Abrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau y Aleksey Aleksyevich Abriksov.Cuando a un superconductor aplicamos un campo magntico externo dbil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vrtices para disminuir su energa. stos van aumentando en nmero colocndose en redes de vrtices que pueden ser observados mediante tcnicas adecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el nmero de defectos es tan alto que el material deja de ser superconductor. ste es el campo crtico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.La aparicin del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. stas son corrientes de electrones que no disipan energa, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de prdida de energa por generacin de calor. Las corrientes crean el intenso campo magntico necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energa sin gasto energtico, lo que representa el efecto ms espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crtica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energa.En los superconductores de tipo II, la aparicin de fluxones provoca que, incluso para corrientes inferiores a la crtica, se detecte una cierta disipacin de energa debida al choque de los vrtices con los tomos de la red.En los metales el calor especfico es una funcin de la temperatura. Cuando la temperatura es muy baja, pero el metal est en el estado normal (es decir, cuando an no est en estado superconductor) el calor especfico tiene la forma

donde a y b son constantes que se pueden medir mediante experimentos. El primer trmino (el trmino lineal) refleja la conduccin elctrica, mientras que el segundo trmino (el que vara con el cubo de la temperatura) se debe a los fonones (es decir, a las vibraciones de la red).Sin embargo, si seguimos enfriando y el metal pasa al estado superconductor, este comportamiento cambia radicalmente: el calor especfico tiene una discontinuidad en la temperatura crtica, aumentando sensiblemente, para despus variar de la forma

La siguiente grfica muestra la dependencia del calor especfico recin explicada (de color azul), y, adicionalmente, muestra cmo vara la resistividad (de color verde):

Ntese como el calor especfico aumenta bruscamente a un valor igual a unas 2.5 veces el valor en el estado normal. Este valor es independiente del material superconductor, y est explicado en el marco de la teora BCS.

7.19 Antecedentes Y GeneralidadesYa en el siglo XIX se llevaron a cabo diversos experimentos para medir la resistencia elctrica a bajas temperaturas, siendo James Dewar el primer pionero en este campo.Sin embargo, la superconductividad como tal no se descubrira hasta 1911, ao en que el fsico holands Heike Kamerlingh Onnes observ que la resistencia elctrica del mercurio desapareca bruscamente al enfriarse a 4K (-269C), cuando lo que se esperaba era que disminuyera gradualmente hasta el cero absoluto. Gracias a sus descubrimientos, principalmente por su mtodo para lograr la produccin de helio lquido, recibira dos aos ms tarde el premio Nobel de fsica. Durante los primeros aos el fenmeno fue conocido como supraconductividad.En 1913 se descubre que un campo magntico suficientemente grande tambin destruye el estado superconductor, descubrindose tres aos despus la existencia de una corriente elctrica crtica.Puesto que se trata de un fenmeno esencialmente cuntico, no se hicieron grandes avances en la comprensin de la superconductividad, puesto que la comprensin y las herramientas matemticas de que disponan los fsicos de la poca no fueron suficientes para afrontar el problema hasta los aos cincuenta. Por ello, la investigacin fue hasta entonces meramente fenomenolgica, como por ejemplo el descubrimiento del efecto Meissner en 1933 y su primera explicacin mediante el desarrollo de la ecuacin de London dos aos ms tarde por parte de los hermanos Fritz y Heinz London.Los mayores avances en la comprensin de la superconductividad tuvieron lugar en los aos cincuenta: en 1950 es publicada la teora Ginzburg-Landau, y en 1957 vera la luz la teora BCS.La teora BCS fue desarrollada por Bardeen, Cooper y Schrieffer (de sus iniciales surge el nombre BCS), gracias a lo cual los tres recibiran el premio Nobel de fsica en 1972. Esta teora se pudo desarrollar gracias a dos pistas fundamentales ofrecidas por fsicos experimentales a principios de los aos cincuenta:* el descubrimiento del efecto isotpico en 1950 (que vincul la superconductividad con la red cristalina),* y el descubrimiento de Lars Onsager en 1953 de que los portadores de carga son en realidad parejas de electrones llamados pares de Cooper (resultado de experimentos sobre la cuantizacin flujo magntico que pasa a travs de un anillo superconductor).

La teora Ginzburg-Landau es una generalizacin de la teora de London desarrollada por Vitaly Ginzburg y Lev Landau en 1950.[1] Si bien esta teora precede siete aos a la teora BCS, los fsicos de Europa Occidental y Estados Unidos le prestaron poca atencin por su carcter ms fenomenolgico que terico, unido a la incomunicacin de aquellos aos entre ambos lados del Teln de Acero. Esta situacin cambi en 1959, ao en que Lev Gor'kov demostr que se poda derivar rigurosamente a partir de la teora microscpica[2] en un artculo que tambin public en ingls.[3]En 1962 Brian David Josephson predijo que podra haber corriente elctrica entre dos conductores incluso si hubiera una pequea separacin entre estos, debido al efecto tnel. Un ao ms tarde Anderson y Rowell lo confirmaron experimentalmente. El efecto sera conocido como efecto Josephson, y est entre los fenmenos ms importantes de los superconductores, teniendo gran variedad de aplicaciones, desde la magnetoencefalografa hasta la prediccin de terremotos.Tras algunos aos de relativo estancamiento, en 1986 Bednorz y Mller descubrieron que una familia de materiales cermicos, los xidos de cobre con estructura de perovsquita, eran superconductores con temperaturas crticas superiores a 90 kelvin. Estos materiales, conocidos como superconductores de alta temperatura, estimularon un renovado inters en la investigacin de la superconductividad. Como tema de la investigacin pura, estos materiales constituyen un nuevo fenmeno que no se explica por las teoras actuales. Y, debido a que el estado superconductor persiste hasta temperaturas ms manejables, superiores al punto de ebullicin del nitrgeno lquido, muchas aplicaciones comerciales seran viables, sobre todo si se descubrieran materiales con temperaturas crticas an mayores.

7.20 Materiales SuperconductoresDebido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la superconductividad, los materiales ms comunes se suelen enfriar con helio lquido (el nitrgeno lquido slo es til cuando se manejan superconductores de alta temperatura). El montaje necesario es complejo y costoso, utilizndose en muy contadas aplicaciones como, por ejemplo, la construccin de electroimanes muy potentes para resonancia magntica nuclear.Sin embargo, en los aos 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura, que muestran la transicin de fase a temperaturas superiores a la transicin lquido-vapor del nitrgeno lquido. Esto ha abaratado mucho los costos en el estudio de estos materiales y abierto la puerta a la existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que supondra una revolucin en la industria del siglo XXI. La mayor desventaja de estos materiales es su composicin cermica, lo que lo hace poco apropiado para fabricar cables mediante deformacin plstica, el uso ms obvio de este tipo de materiales. Sin embargo se han desarrollado tcnicas nuevas para la fabricacin de cintas como IBAD (deposicin asistida mediante haz de iones). Mediante esta tcnica se han logrado cables de longitudes mayores de 1 kilmetro.

7.21 Aplicaciones De Los SuperconductoresLos imanes superconductores son algunos de los electroimanes ms poderosos conocidos. Se utilizan en los trenes maglev, en mquinas para la resonancia magntica nuclear en hospitales y en el direccionamiento del haz de un acelerador de partculas. Tambin pueden utilizarse para la separacin magntica, en donde partculas magnticas dbiles se extraen de un fondo de partculas menos o no magnticas, como en las industrias de pigmentos.Los superconductores se han utilizado tambin para hacer circuitos digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefona mvil.Los superconductores se usan para construir uniones Josephson, que son los bloques de construccin de los SQUIDs (dispositivos superconductores de interferencia cuntica), los magnetmetros conocidos ms sensibles. Una serie de dispositivos Josephson se han utilizado para definir el voltio en el sistema internacional (SI). En funcin de la modalidad de funcionamiento, una unin Josephson se puede utilizar como detector de fotones o como mezclador. El gran cambio en la resistencia a la transicin del estado normal al estado superconductor se utiliza para construir termmetros en detectores de fotones criognicos.Estn apareciendo nuevos mercados donde la relativa eficiencia, el tamao y el peso de los dispositivos basados en los superconductores de alta temperatura son superiores a los gastos adicionales que ellos suponen.Aplicaciones futuras prometedoras incluyen transformadores de alto rendimiento, dispositivos de almacenamiento de energa, la transmisin de energa elctrica, motores elctricos (por ejemplo, para la propulsin de vehculos, como en vactrains o trenes maglev) y dispositivos de levitacin magntica. Sin embargo la superconductividad es sensible a los campos magnticos en movimiento de modo que las