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Materiales Eléctricos

miércoles, 03 de abril de 2019

PROF Adj.: ING. RUBÉN O. VICIOLI

J. T. P.: ING. GABRIEL SOSA

Ayud. 1º: ING. FEDERICO GRACIÁ

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL MENDOZA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

CÁTEDRA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

- De la naturaleza física de la realidad o relacionado con ella, en

contraposición a lo espiritual.

- Son sustancias de las cuales están hechas o compuestas las

cosas.

Definición de Material

MATERIALES ELÉCTRICOS MATERIALES ELÉCTRICOS

¿Qué son los materiales?

Materiales Eléctricos

Clasificación de los materiales teniendo en cuenta su

comportamiento en presencia de campos eléctricos.

Definición de Resistencia

MATERIALES ELÉCTRICOS

Propiedad escalar que determina la proporción de

energía eléctrica convertida en energía térmica,

(efecto joule) mientras fluye una corriente eléctrica.

Esta propiedad o su inversa es la que determina las

características eléctricas de los materiales.

Los materiales que tienen poca resistencia eléctrica son

llamados conductores y los que presentan alta

resistencia son aislantes

Clasificación según su resistividad [ρ] MATERIALES ELÉCTRICOS

Conductores

Son aquellos que presentan una baja resistencia


Clasificación:

De acuerdo a su procedencia: Naturales

Artificiales

Propiamente dichos

Convierten energía E en luz

Que provocan una caída de E

Convierten energía E en Calor

Sólidos

Líquidos

Gaseosos

Blandos

Livianos

De alta resistencia mecánica

Según la función que cumplen:

Según su estado de agregación:

Según su característica mecánica:

Conductores


Propiedades Eléctricas

Resistividad o resistencia específica [ρ]:

s

lρR

cmΩρ o m

mmΩρ

2

Es la mayor o menor capacidad de un material para

conducir la corriente eléctrica

Conductores



Coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura

TTα1RR00T

Lo podemos suponer lineal

: coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura

γβα

: coeficiente de variación de la longitud con la temperatura

Dado que es del orden de las 100 veces mayor que se hace generalmente igual a

Para la mayoría de los metales es positivo

Cº

%1041α

Cº

%1039,3α

4AL

4CU

Conductores



Fuerza electromotriz (F.E.M.) de contacto

Sustancia Termo tensión mV/100º C Sustancia Termo tensión mV/100ºC

Bismuto -6,5 Iridio +0,63

Constantan -3,5 Plata +0,7

Cobalto -1,7 Cinc +0,7

Níquel -1,5 Oro +0,7

Paladio -0,5 Cobre +0,75

Sodio -0,2 Volframio +0,8

Torio -0,1 Acero V 2 V +0,8

Mercurio + - 0,0 Cadmio +0,9

Platino + -0,0 Latón +1,1

Carbón +0,3 Molibdeno +1,2

Estaño +0,4 Hierro +1,8

Plomo +0,4 Níquel cromo +2,2

Magnesio +0,4 Antimonio +4,5

Aluminio +0,4 Silicio +45

Manganina +0,6 Telurio +50

Rodio +0,65

Debido a los distintos potenciales electroquímicos de los diferentes

elementos, cuando se los une al efectuar una conexión eléctrica,

aparece una F.E.M. de contacto

Conductores



Fuerza electromotriz (F.E.M.) de contacto

La F.E.M. termoeléctrica se aprovecha también para sensar la

temperatura siendo denominada a este tipo de Juntura termo - cupla.

Materiales Polo Límite de °C Fuerza Electromotriz cada

Cu -Constantán + / - 400 4,25 mV

Fe -Constantán + 600 5,3 mV

NiCr - Constantán + 700 5,7 mV

NiCr -Ni - 900 3,7 mV

PtRh - Pt + / - 1.300 0,6 mV

Conductores


Características Físicas

Conductividad Térmica

Es el calor que circula, en la unidad de tiempo entre dos caras opuestas

de un volumen unitario por unidad de diferencia de temperatura entre

las caras.

Cºcm

Watts

cm

Cºcm

Wattsσ

2T

Siendo el calor de conducción

dx

dTσQ T

Conductores



Conductividad Térmica

Va acompañando a la conductividad eléctrica debido a que la transmisión de calor se

debe principalmente a los electrones libres.

En los conductores en los cuales no se desea su calentamiento se requiere altas

conductividades térmicas pero en los usados para producir calor se requiere que

presenten una elevada resistencia a la conducción del calor.

Material Resistividad ºC.cm / W

Conductibilidad W /ºC.cm

Capacidad calorífica específica J / cm3.ºC

Cobre

Aluminio

Hierro Batido

Chapa de Acero al carbón

Hierro colado

Acero al silicio (longitudinal)

Chapas de acero al silicio (transversal)

Mica (transversal)

Batista Barnizada

Goma

Cartón prensado, aceitado

Ladrillo

Cartón prensado, seco

Tejido sin tratar o fieltro

0.28

0.76

1.3

2.3

2.5

5.8

38 -130

360

500

640

640

1000

1000 -1300

150

3.6

1.3

0.79

0.43

0.39

0.17

0.03 - 0.008

0.003

0.002

0.002

0.002

0.001

0.0008 - 0.0001

0.00063

5.3

2.3

3.7

3.7

3.7

3.7

3.7

2.0

1.4

1.4

1.4

1.4

1.4

1.4

Conductores



Punto de Fusión

Tiene importancia de acuerdo a cual sea la temperatura de trabajo del conductor, porque

cerca de la temperatura de fusión se pierden tanto las cualidades mecánicas como

eléctricas.

Coeficiente de Dilatación Lineal

Tiene importancia en los casos en que sea necesario acoplar distintos materiales.

Conductores


Propiedades Mecánicas

Maleabilidad y ductilidad: La plata tiene gran capacidad para ser trabajada en alambres muy finos

(ductilidad) La capacidad del aluminio de ser muy maleable es muy útil para la construcción de

capacitores en los cuales se superponen láminas muy delgadas de aluminio y de algún material

aislante.

Resistencia Mecánica: resistencia a la tracción, compresión, etc.

Estiramiento a la rotura: importante cuando se desea efectuar arrollamiento del conductor.

Módulo de elasticidad: Debe tenerse en cuenta cuando se desea que el conductor además de

efectuar la conexión eléctrica posea características elásticas (interruptores y llaves selectoras).

Otras Características

Invariabilidad de las características – Envejecimiento

Resistencia a la oxidación y corrosión

Conductores


Aislantes de los Conductores

Muchas veces es necesario aislarlos para lo cual se los recubre con materiales especiales

Condiciones a tener en cuenta en su selección:

ELÉCTRICAS

RIGIDEZ DIELÉCTRICA

RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

FACTOR DE PÉRDIDAS

CONSTANTE DIELÉCTRICA

UNIFORMIDAD

FACTOR DE ESPACIO

QUÍMICAS

ESTABILIDAD QUÍMICA

NO CONTAMINABLE

NO ATAQUE

Conductores


DE

AMBIENTE

Aislantes de los Conductores

Muchas veces es necesario aislarlos para lo cual se los recubre con materiales especiales

Condiciones a tener en cuenta en su selección:

MECÁNICAS

ECONÓMICOS-INDUSTRIALES

TEMPERATURA

ESTABILIDAD TÉRMICA

RESISTENCIA A LA HUMEDAD

RESISTENCIA AL FUEGO

RESISTENCIA A LA LUZ SOLAR

RESISTENCIA A LOS AGENTES

QUÍMICOS

RESISTENCIA A LA

VIBRACIÓN Y CHOQUE

FLEXIBILIDAD

TENACIDAD

ADHERENCIA

COSTO

FACILIDAD

VIDA ÚTIL

Conductores


Cables

Están constituidos por varios alambres rodeados por una cubierta aislante

Tienen ciertas ventajas con respecto a los alambres

Facilitan la interconexión entre equipos por tener mayor flexibilidad para igual

diámetro que el alambre.

Soportan mejor los esfuerzos mecánicos.

Se pueden soldar con mayor facilidad.

Cuando las secciones deben ser

grandes se construyen los cables

toronados

(a) Torón concéntrico, (b) Haz concéntrico, (c) Otros tipos.

Conductores


Cable Litz

Cuando se utilizan conductores en frecuencia muy elevada, la corriente circula

por la superficie de los conductores, por una película muy delgada, por lo tanto

la parte interna del conductor no cumple ninguna finalidad eléctrica.

Es por ello que las bobinas para circuitos tanque de radio frecuencia suelen

estar construidas como un caño de cobre.

Factor de Penetración

ε = 6,62 cm f Hz

Para una frecuencia de 1 MHz, es de 6,6 μm.

Conductores


Cable Litz (cont.)

- Aprovechando esta ventaja es que se pueden utilizar materiales de mayor

conductividad.

- Un alambre de cobre hace de sostén mecánico, dando luego sucesivos

baños de plata hasta obtener el espesor requerido.

Sección del Cobre

Para frecuencias del orden de los 500 ó 100 MHz se toman alambres de cobre

cuyo diámetro es de 2·.

SCu = π×D×ε

Conductores


Cable Litz (cont.)

• Para una sección relativamente importante, se reúne la cantidad de

cable necesario, pero aislados entre sí por medio de esmaltes o

barnices.

• Este tipo de alambres se utiliza para la confección de bobinas de

radio frecuencia, lográndose un Q elevado.

• Al estar los alambres aislados entre si, en el caso de realizar una

disposición de los mismos de tal manera que resulten paralelos,

influye en la capacidad distribuida de los mismos pudiendo alcanzar

valores considerables.

• Para disminuir este efecto deben reunirse entrelazados entre sí.

• Para obtener una sección de 10 mm2 son necesarios de 200 a 300

alambres.

Conductores


Cable Coaxil

• Se utiliza para frecuencias superiores a los 100 MHz y tensiones de

hasta 100 V.

• Posee dos conductores concéntricos.

• Uno central, llamado núcleo, encargado de llevar la información

• Uno exterior llamado malla o blindaje, que sirve como referencia

de tierra y retorno de las corrientes.

• Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de

cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable.

• Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante.

https://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

https://es.wikipedia.org/wiki/Conc%C3%A9ntrico

https://es.wikipedia.org/wiki/Toma_de_tierra

https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica

https://es.wikipedia.org/wiki/Aislamiento_el%C3%A9ctrico

https://es.wikipedia.org/wiki/Diel%C3%A9ctrico

Conductores


Cable Coaxil (cont.)

Impedancia característica: Z0 = (138 ε)× log(a b) Ω

CD = 24×[ε log a b ] μF m Impedancia característica:

Conductores


Cable Coaxil (cont.)

• Variando convenientemente los valores de a y b se modifican sus

características.

• Se encuentran distintos tipos de cable coaxial que se caracterizan

por una variación discreta de Z0: 50, 100, 75, 500 Ω.

• Para que sea flexible, en lugar de efectuar la aislación entre

conductores por material en forma continua, se lo hace por medio de

perlas aislantes.

• Para este caso se tiene = 1 considerando el aire.

(a) Discos aislantes, (b) Lámina helicoidal.

No Conductores


MATERIALES NO CONDUCTORES

Se utilizan

Para evitar corrientes de conducción Aislantes

Para modificar el valor del campo eléctrico Dieléctricos

No Conductores


Aislante

Es un material de conductividad

prácticamente nula o muy baja, que

idealmente no permite el paso de

corriente.

Dieléctricos

Es un medio que tiene la propiedad

de que la energía requerida para

establecer en él, un campo eléctrico,

es recuperable total o parcialmente

como energía eléctrica.

Las propiedades aislantes están vinculadas a las corrientes de

conducción, mientras las dieléctricas al campo y a las corrientes de

desplazamiento.

Materiales para Fusibles



Son materiales metales o aleaciones metálicas

No muy alto punto de fusión

Al superar cierta corriente funden en forma neta (cortan

rápidamente)

Deben pasar directamente del estado sólido al estado de vapor

Corriente máxima que puede soportar

en régimen continuo sin cortarse In: corriente nominal

Corriente a la cual el fusible se funde If: corriente nominal

de fusión

Para intensidades pequeñas: In debe ser del orden del 30 - 50% de If

Para grandes corrientes: In debe ser del orden del 70 - 80% de If



2

3

daI

Corriente de fusión

Inercia Relativa Punto de fusión Masa relativa Valor de a

Cobre 1 1054 1 80

Plata 1.66 954 1.47 70

Aluminio 3.04 600 3.08 60

Plomo 6.08 325 20.25 11

Estaño 7 230 13.9 13

Aleación Pb-Sn 3.1 135 14.4 10



Materiales utilizados

Aleación plomo - estaño Corrientes de 5 a 30 A

En general Aleación de plata

Grandes corrientes Aluminio

Tiempo de Corte

Fusibles rápidos Fusibles con retardo

Materiales Conductores para Soldadura



En electrónica se utiliza una aleación de

estaño y plomo en porcentaje variable.

De acuerdo a este porcentaje varía la

temperatura de fusión de la aleación



Aleación Pb-Sn Color Temperatura de fusión Temperatura del

soldador

40/60 Rojo 118 °C 228 °C

60/40 Verde 234 °C 274 °C

50/50 Amarillo 212 °C 252 °C

Los distintos tipos se reconocen en el comercio por el color de cubierta

Estudio particular del cobre


Estudio Particular del Cobre

Elemento muy difundido en la naturaleza.

El cobre comercial se obtiene electrolíticamente lográndose purezas del orden del

99,9%.

Excelentes propiedades mecánicas (maleable, dúctil, resistente a la tracción,

compresión, etc.).

Temperatura de fusión : 1.083 ºC

Para uso en electrónica se lo encuentra en forma de láminas, planchas, barras,

alambres, cables, caños, etc.

A los alambres se los individualiza por calibres, pudiendo ser estos decimales o

norteamericanos.

Calibres Decimales: Estos están dados en décimas de mm y se los encuentra en calibres de origen

europeos y japoneses.

Calibres Norteamericanos: Los más usados son los calibres AWG. y B&C. Su distribución varía entre el

Nº 0000000 y el 50. Un aumento en el calibre significa una disminución

del diámetro del alambre.



Alambre de Cobre

El alambre de cobre se lo obtiene por medio de trefiladores mediante el siguiente

procedimiento:

Se lleva el lingote a unos 800ºC.

Se pasa luego por máquinas que reducen el diámetro a 1cm y es arrollado en

carretes después de refinados

Por último se pasa por las trefiladoras llevándolo al diámetro deseado.

Al salir de la última boquilla hay un dispositivo para efectuar el recocido del

alambre, pues en el proceso se agrieta.

Luego es arrollado en carretes apropiados.

Descargas Electroestáticas


Son aquellos fenómenos producidos exclusivamente por cargas

eléctricas y su posición, y no por su movimiento.

Todos los materiales son eléctricamente neutros.

Este equilibrio se puede romper, produciendo acumulación temporal

de partículas cargadas.

Los mecanismos que dan lugar a estos procesos son:

El contacto y la separación de materiales

La inducción por campos eléctricos externos.

El efecto corona.

Los cambios de temperatura rápidos.

La fractura mecánica.

La piezoelectricidad.

Descargas Electroestáticas (Cont.)


Estos mecanismos y procesos no suelen presentarse en forma aislada.

La electrificación resulta de una combinación de varios de ellos.

En semiconductores los mecanismos habituales son el contacto, la

separación y la inducción.

En trasformadores y líneas de alta tensión el efecto corona.

Las cargas generadas por contacto y separación, en los movimientos

ordinarios de un operario o en los movimientos de una línea de montaje,

o las cargas inducidas por un campo eléctrico, producen una elevación

del potencial del cuerpo humano o de un elemento en la línea, debido a

su capacidad con respecto a tierra.

Esta acumulación de cargas eléctricas implica una acumulación de

energía que se puede descargar a través de una parte sensible de un

circuito electrónico, hacia tierra o hacia otra parte del circuito.



Materiales y equipos de protección

Para resolver el problema de las descargas electrostáticas

se trata de evitar la generación de las mismas:

En el acoplamiento, evitando las descargas.

En el elemento afectado, minimizando los

efectos de las descargas.



Materiales y equipos de protección (cont.)

La generación de cargas electrostáticas solo se puede reducir

parcialmente.

Las áreas que requieren mayor atención son:

Suelos: los pulidos son peores que los rugosos, deben evitarse las

alfombras sintéticas. Si no se puede colocar todo el suelo antiestático, al

menos deben poseerlo las áreas de trabajo.

Calzado: El calzado ideal es el de suela de cuero, las suelas sintéticas,

mientras más gruesas peores.

Prendas de vestir: Las mejores prendas son las de algodón.

Superficies de trabajo: No deben utilizarse las de laminado de

melanina (por ejemplo formica). Los materiales antiestáticos más

comunes son el polietileno y la poliolefina tratados, y el nilón.




Cuando la generación de cargas electroestáticas sea inevitable, lo cual

ocurre en la mayoría de los casos, no queda más que evitar las

descargas.

Los materiales conductores, donde las cargas tienen alta movilidad, es

posible descargarlos conectándolos a tierra:

Alfombras.

Sillas conductoras.

Superficies de trabajo y suelos conductores.

Los operarios se descarguen el cuerpo antes de tocar

componentes, mediante muñequeras sobre la piel.

En los materiales no conductores no hay drenaje a tierra. Si su presencia

en las zonas de trabajo y sus inmediaciones es inevitable, para que no

se produzcan descargas se puede intentar neutralizar las cargas

mediante equipos ionizadores.

Interferencias Electromagnéticas



Se pueden definir como señales que perturban, no intencionalmente, el

funcionamiento de un sistema eléctrico o electrónico, afectando a las

magnitudes eléctricas o magnéticas de sus circuitos.

Definiciones:

• EMI, Electro Magnetic Interferences.

• EMC, Electro Magnetic Compatibility.

• EMS, ElectroMagnetic Susceptibility.

• EMP; Electro Magnetic Pulses.

• ESD, Electro Static Discharges.

• RFI, Radio Frecuency Interferences.



La compatibilidad electromagnética (EMC) es la aptitud de

un equipo para funcionar satisfactoriamente en un ambiente

electromagnético, sin introducir perturbaciones intolerables

en ese ambiente o en otros equipos y soportar las

producidas por esos equipos.

El termino susceptibilidad (EMS) y su opuesto, inmunidad,

se emplean para indicar la mayor o menor propensión de un

dispositivo o equipo a ser afectado por las interferencias, es

decir, el nivel de susceptibilidad de un equipo es la

propiedad que tiene éste para funcionar correctamente en

un ambiente de interferencias.



Tipos de Interferencias

De acuerdo al lugar físico donde ocurren:

Intersistema

Intrasistema

Según la respuesta del sistema interferido:

Activas: cuando dan lugar a respuestas del sistema como si éste

hubiera recibido una señal válida de control.

Pasivas: cuando una señal válida es invalidada a causa de la EMI.

Según su origen:

Naturales: ESD, ruido cósmico, radiaciones naturales, etc.

Provocadas o artificiales: funcionamiento de otros dispositivos o

sistemas eléctricos /electrónicos.



Tipos de Interferencias (cont.)

Según el medio de propagación:

Conducidas: cuando el medio de propagación es un

conductor eléctrico.

Radiadas: cuando la propagación se efectúa a través de

campos electroestáticos o electromagnéticos.

Acopladas: como caso particular de propagación por

radiación se puede incluir lo que se denomina habitualmente

acoplamiento capacitivo o inductivo entre conductores

próximos.




Según la frecuencia:

Perturbaciones de baja frecuencia (f<10 KHz): perturbaciones transmitidas

por la red y las fuentes de alimentación. Propagación por conducción.

Perturbaciones en la banda de 10 KHz a 150 KHz: EMI debidas a impulsos de

intensidad y fenómenos transitorios de tensión producidos por conmutación

de relés, interruptores u otros dispositivos electromecánicos.

Perturbaciones en la banda de 150 KHz a 30 KHz: mismo origen del punto

anterior, pero la propagación tiene lugar por radiación y acoplamiento.

Perturbaciones en la banda de 30 MHz a 300 MHz: propagación de este tipo

de EMI básicamente por radiación.

Perturbaciones en la banda de 500 MHz a 18 GHz: El origen de estas

perturbaciones suelen ser los equipos de comunicaciones o los propios

circuitos lógicos de conmutación muy rápida, propagación principal es la

radiación.




Según la tasa de repetitividad:

Continuas: interferencias aleatorias o impulsos con una duración

total superior a 200 ms.

Discontinuas: interferencias aleatorias o impulsos cuya duración

total no exceda los 200 ms.

Según la forma de captación en el circuito afectado:

Interferencias simétricas o de modo diferencial: cuando la

perturbación produce tensiones y /o corrientes diferenciales entre los

conductores activos superponiéndose, por tanto, la interferencia

directamente sobre la señal útil.

Interferencias asimétricas o de modo común: cuando las

perturbaciones producen tensiones y /o corrientes de modo común

entre los conductores activos y el conductor de retorno o común.



Blindaje

La mayoría de las interferencias electromagnéticas (EMI) se

deben a:

acoplamiento de campos eléctricos (acoplamiento

capacitivo).

campos magnéticos (acoplamiento inductivo).

campos electromagnéticos (acoplamiento por

radiación electromagnética).

Un método de protección frente a estos acoplamientos

consiste en evitarlos utilizando blindajes o pantallas

metálicas.



Blindaje (cont.)

Superficie metálica dispuesta entre dos regiones del espacio que se

utiliza para atenuar la propagación de los campos eléctricos, magnéticos

y electromagnéticos.

Sirve tanto para no dejar salir el flujo de las zonas encerradas por él,

como para evitar que en una zona protegida por el mismo entre campo

alguno.

contaminación por electromagnetismo: regimen legal ... · para la mayoría de los metales es...

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