Propiedades Eléctricas y Magnéticas

Propiedades eléctricas y magnéticas

Las propiedades eléctricas son fundamentales en la ciencia de materiales, determinando cómo interactúan los materiales con la electricidad y su eficacia para conducir corriente. 

Los conductores, tales como el cobre y el aluminio, se caracterizan por su baja resistividad y alta conductividad, permitiendo un flujo libre de electrones. Por otro lado, los aislantes, como el vidrio y la cerámica, presentan alta resistividad y baja conductividad, impidiendo el paso de la corriente eléctrica. Los semiconductores, como el silicio y el germanio, poseen una conductividad que puede ser ajustada y son cruciales en dispositivos electrónicos para el control y amplificación de señales. La resistividad eléctrica, que se mide en ohmios-metro, es una medida de la oposición de un material al flujo de corriente eléctrica, siendo inversamente proporcional a la conductividad. La conductividad térmica, que está relacionada con la capacidad de un material para transportar calor, a menudo muestra una correlación con la conductividad eléctrica.

                         

Propiedades eléctricas de los materiales

Las propiedades eléctricas de los materiales son aquellas que determinan su respuesta ante el paso de la corriente eléctrica, es decir, su capacidad de conductividad y resistividad (propiedad de transmitir la electricidad y resistencia al paso de la misma, respectivamente). De acuerdo a este criterio, los materiales se clasifican en tres categorías: conductores, aislantes y semiconductores.

La disposición de las partículas que conforman el átomo es la responsable de esta respuesta. Dos de las más importantes, los protones y los electrones, se caracterizan por tener carga eléctrica, una propiedad de la materia, al igual que la masa.

En el caso de los materiales conductores, es fácil establecer una corriente eléctrica en su interior, pues algunos poseen electrones libres, que no están vinculados a un átomo en particular. Normalmente, el movimiento de estos electrones es aleatorio, pero si algún agente externo se ocupa de moverlos ordenadamente, se genera una corriente.

Por el contrario, el núcleo atómico en los materiales aislantes es capaz de retener con más firmeza a los electrones, por lo que no es tan sencillo que circulen las cargas eléctricas a través de ellos.

Bandas de energía

 Los niveles de energía de los electrones en los átomos de un cristal no coinciden con los niveles de energía de los electrones para átomos aislados. En un gas, por ejemplo, se pueden despreciar las interacciones de unos átomos con otros y los niveles de energía no se ven modificados. Sin embargo, en un cristal el campo eléctrico producido por los electrones de los átomos vecinos modifica los niveles energéticos de los electrones de los átomos de sus alrededores.

Separación en bandas de los niveles energéticos en el carbono    De este modo el cristal se transforma en un sistema electrónico que obedece al principio de exclusión de Pauli, que imposibilita la existencia de dos electrones en el mismo estado, transformándose los niveles discretos de energía en bandas de energía donde la separación entre niveles energéticos se hace muy pequeña. La diferencia de energía máxima y mínima es variable dependiendo de la distancia entre átomos y de su configuración electrónica.

Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica  es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él. La conductividad varía con la temperatura (es una de sus características mas importante).

La conductividad en medios líquidos (Disolución) está relacionada con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos. La conductividad es el parámetro utilizado para medir la concentración de iones y la actividad de una solución.

Estructura de bandas semiconductoras

Los semiconductores son compuestos de átomos unidos juntos para formar una estructura uniforme.

Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia que son compartidos, que forma un enlace covalente con los cuatro átomos de Si circundantes.

La comprensión de cómo se organizan estos átomos es de vital importancia en la comprensión de las propiedades de los materiales de diferentes semiconductores, y la mejor manera de aplicar ingeniería ellos.

Semiconductores, como el silicio (Si) se componen de átomos individuales unidos entre sí en una estructura regular y periódica para formar un entramado por el cual cada átomo está rodeado por 8 electrones. Un átomo individual se compone de un núcleo formado por un núcleo de protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas que no tienen carga), rodeado por electrones. El número de electrones y protones es igual, de tal manera que el átomo es eléctricamente neutro, en general. Los electrones que rodean a cada átomo en un semiconductor son parte de un enlace covalente. Un enlace covalente se compone de dos átomos "compartiendo" un solo electrón. 

Semiconductores Intrínsecos

Son materiales naturales que se pueden emplear directamente en los dispositivos. Están formados por un único tipo de átomos, dispuestos para impedir el movimiento libre de electrones alrededor de la molécula.

Semiconductores extrínsecos

Para poder utilizarlos en dispositivos deben pasar por un proceso de dopado, que consiste en añadir una pequeña cantidad de átomos de otros elementos, como el antimonio, el arsénico o el fósforo, transformando los semiconductores intrínsecos en extrínsecos.

Conceptos generales del magnetismo

El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. El único imán natural conocido es un mineral llamado magnetita, sin embargo, todos los materiales son influidos, en mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

Tipos de comportamiento magnético

DIAMAGNETISMO

El diamagnetismo es un comportamiento que se deriva del cambio en el movimiento del electrón alrededor del núcleo, producido por la aplicación de un campo magnético, donde los electrones se mueven de tal manera que producen un momento dipolar magnético en la dirección opuesta al campo.

PARAMAGNETISMO

El paramagnetismo es un tipo de comportamiento magnético que está relacionado con las diferencias en el número de pobladores entre estados permitidos para los electrones desapareados en un determinado sistema de partículas.

FERROMAGNETISMO

Este es un comportamiento en el que existe un ordenamiento de largo rango de los momentos dipolares magnéticos de las partículas y de los espines de éstas. Esto se debe al efecto cooperativo que existe entre las partículas, es decir, la orientación del espín de una partícula se ve influenciado por el de las otras partículas en su entorno, por lo que se diferencia de los casos anteriores, en donde el magnetismo es no cooperativo y en consecuencia se observa un ordenamiento de corto rango, caracterizado por el desorden.

FERRIMAGNETISMO

Este es un ordenamiento en donde existe un efecto cooperativo, en el cual se pueden identificar dos subredes de átomos, que presentan espines de diferente magnitud y alineados en direcciones opuestas, una con respecto a la otra subred.

ANTIFERROMAGNETISMO

Este es un ordenamiento de largo rango, que se corresponde con la orientación anti paralela de los espines en un material.

Los materiales anti ferromagnéticos presentan un cambio de fase anti ferromagnética – paramagnética (AF-P), a una temperatura conocida como la temperatura de Néel (Tn).

Materiales magnéticos duros y blandos

Los materiales magnéticos, clasificados en blandos y duros, son esenciales en tecnología y electrónica. Los blandos, como el hierro silicio, se usan en transformadores, mientras que los duros, como los imanes de tierras raras, se aplican en dispositivos como altavoces y motores eléctricos.