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TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES ELECTRICOS

INDICE UNIDAD II CONDUCCION ELECTRICA DE LOS MATERIALES II.1.- EL PAPEL DE LOS ELECTRONES II.2.- MOVIMIENTO ELECTRONICO II.3.- DEPENDENCIA ESTRUCTURAL DE LA RESISTENCIA SEMICONDUCTORES III.1.- GENERALIDADES III.2.- ENLACES Y CONDUCTIVIDAD. III.3.- SEMICONDUCTORES DE POTENCIA MATERIALES MAGNETICOS IV.1.- INTRODUCCION A LOS MATERIALES MAGNETICOS IV.2.- MOMENTO MAGNETICO DE UN CAMPO IV.3.- MOMENTO MAGNETICO ATOMICO DIELECTRICOS V.1.- PERMITIVIDAD V.2.- BOMBAS DE ENERGIA V.3.- LEY DE COULOMB V.4.- POLARIZACION V.5.- CLASIFICACION DE LOS DIELECTRICOS SUPERCONDUCTORES VI.1.- ANTECEDENTES Y GENERALIDADES VI.2.- MATERIALES SUPERCONDUCTORES VI.3.- APLICACIONES DE LOS SUPERCONDUCTORES BIBLIOGRAFIA 3 3 7 9 26 28 33 47 54 57 66 67 71 71 74 75 82 86 87 97 103 122 138

UNIDAD III

UNIDAD IV

UNIDAD V

UNIDAD VI

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UNIDAD II CONDUCCION ELECTRICA DE LOS MATERIALES II.1. EL PAPEL DE LOS ELECTRONES. El electrn es una partcula subatmica. En un tomo los electrones rodean el ncleo, compuesto de protones y neutrones. Los electrones tienen la carga elctrica ms pequea, y su movimiento genera corriente elctrica. Dado que los electrones de las capas ms externas de un tomo definen las atracciones con otros tomos, estas partculas juegan un papel primordial en la qumica del electrn PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO. El electrn tiene una carga elctrica negativa y una masa, que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protn. Aunque la mayora de los electrones se encuentran formando parte de los tomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vaco. En algunos superconductores los electrones se mueven en pareja. Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del tomo se desplazan y hay un flujo neto de ellos en una direccin, este flujo se llama corriente elctrica. La electricidad esttica no es un flujo de electrones. Es ms correcto definirla como "carga esttica", y est causada por un cuerpo cuyos tomos tienen ms o menos electrones de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los ncleos de sus tomos. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el cuerpo est cargado negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo est cargado positivamente. Si el nmero total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo est en un estado elctricamente neutro. Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotn. De manera inversa, un fotn de alta energa puede transformarse en un electrn y un positrn. Electrones en la vida cotidiana: La corriente elctrica que suministra energa a nuestros hogares est originada por electrones en movimiento. El tubo de rayos catdicos de un televisor se basa en un haz de electrones en el vaco desviado mediante campos magnticos que impacta en una pantalla fosforescente. Los semiconductores utilizados en dispositivos tales informacin en: Electricidad Electrones en la industria: Los haces de electrones se utilizan en soldaduras Electrones en el laboratorio: El microscopio electrnico, que utiliza haces de electrones en lugar de fotones, permite ampliar hasta 500.000 veces los objetos. Los efectos cunticos del electrn son la base del microscopio de efecto tnel, que permite

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estudiar la materia a escala atmica. En la vida cotidiana: La corriente elctrica que suministra energa a nuestros hogares est originada por electrones en movimiento. El tubo de rayos catdicos de un televisor se basa en un haz de electrones en el vaco desviado mediante campos magnticos que impacta en un lugar de del atmico. La existencia del electrn fue postulada por el fsico irlands G. Johnstone Stoney como una unidad de carga en el campo de la electroqumica, y fue descubierto por Joseph John Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Influido por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, Thomson dedujo, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catdicos en el TRC, que existan unas partculas con carga negativa que denomin corpsculos. Aunque Stoney haba propuesto la existencia del electrn, fue Thomson quien descubri su carcter de partcula fundamental; pero para confirmar su existencia era necesario medir sus propiedades, en particular la carga elctrica. Este objetivo fue alcanzado por Robert Millikan en el clebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909. George Paget Thomson, hijo de J. J. Thomson, demostr la naturaleza ondulatoria de los electrones logrando observar su difraccin al atravesar una lmina de metal. El experimento condujo a la aparicin de un patrn de interferencia como el que se obtiene en la difraccin de otras ondas, como la luz, probando la dualidad onda corpsculo postulada por la mecnica cuntica en 1926 por De Broglie. Este descubrimiento le vali a G. P. Thomson el Premio Nobel de Fsica de 1937. El espn del electrn se observ por vez primera en el experimento de Stern y Gerlach. Su carga elctrica puede medirse directamente con un electrmetro y la corriente generada por su movimiento, con un galvanmetro. Seis aos antes de los descubrimientos de Thomson, Stoney haba propuesto la existencia de estas partculas y, asumiendo que tenan cargas elctricas, las denomin electrones. Posteriormente, otros cientficos demostraron experimentalmente que el electrn tiene una masa 2000 veces menor que el tomo de hidrgeno. CLASIFICACIN El electrn es un tipo de partcula subatmica denominada leptn, y parece ser una de las partculas fundamentales (es decir, que no puede ser dividida en constituyentes ms pequeos) de acuerdo con el modelo estndar de partculas. Como para cualquier partcula subatmica, la mecnica cuntica predice un comportamiento ondulatorio de los electrones en ciertos casos, el ms famoso de los cuales es el experimento de Young de la doble rendija en el que se pueden hacer interferir ondas de electrones. Esta propiedad se denomina dualidad onda corpsculo.

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Propiedades el electrn tiene una carga elctrica negativa de 1,6 1019 coulombs y una masa de 9,1 10-31 kg (0,51 MeV/c2), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protn. El electrn tiene momento angular intrnseco o espn de 1/2 (en unidades de Planck). Dado que el espn es semi-entero los electrones se comportan como fermiones, es decir, colectivamente son descritos por la estadstica de Fermi-Dirac. Aunque la mayora de los electrones se encuentran formando parte de los tomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vaco. Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del tomo se desplazan y hay un flujo neto de ellos en una direccin, forman una corriente elctrica. En algunos superconductores, los electrones que generan la corriente elctrica se mueven en pareja o pares de Cooper. La electricidad esttica no es un flujo de electrones. Es ms correcto definirla como "carga esttica", y es causada por un cuerpo cuyos tomos tienen ms o menos electrones de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los ncleos de sus tomos. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el cuerpo est cargado negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo est cargado positivamente. Si el nmero total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo est en un estado elctricamente neutro. Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotn. De manera inversa, un fotn de alta energa puede transformarse en un electrn y un positrn. El electrn es una partcula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensin espacial. Sin embargo, en las cercanas de un electrn pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto comn a todas las partculas elementales: la partcula influye en las fluctuaciones del vaco en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partcula ms las causadas por el efecto del vaco que la rodea. Hay una constante fsica llamada Radio clsico del electrn, con un valor de 2,8179 1015 m. Es preciso tener en cuenta que ste es el radio que se puede inferir a partir de la carga del electrn descrito desde el punto de vista de la electrodinmica clsica, no de la mecnica cuntica. Por lo tanto esta constante se refiere a un concepto desfasado, aunque til para algunos clculos. Electrones en el Universo Los cientficos creen que el nmero de electrones existentes en el universo conocido es de al menos 1079. Este nmero asciende a una densidad media de alrededor de un electrn por metro cbico de espacio. Basndose en el radio clsico del electrn y asumiendo un empaquetado esfrico denso, se puede calcular que el nmero de electrones que cabran en el universo observable es del orden de 10130. Por supuesto, este nmero es incluso menos significativo que el propio radio clsico del electrn.

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Electrones en la prctica En la vida cotidiana La corriente elctrica que suministra energa a nuestros hogares est originada por electrones en movimiento. El tubo de rayos catdicos de un televisor se basa en un haz de electrones en el vaco desviado mediante campos magnticos que impacta en una pantalla fluorescente. Los semiconductores utilizados en dispositivos tales como los transistores En la industria y el laboratorio El microscopio electrnico, que utiliza haces de electrones en lugar de fotones, permite ampliar hasta 500.000 veces los objetos. Los efectos cunticos del electrn son la base del microscopio de efecto tnel, que permite estudiar la materia a escala atmica. Los haces de electrones se utilizan en soldaduras. Los electrones y la teora En la teora relativista el electrn se consider una partcula cuasi puntual, ya que la consideracin de que fuera puntual conduca a diversas singularidades. La teora del radio clsico del electrn trataba de explicar la masa del electrn como un efecto inercial de la energa contenida en el campo gravitatorio del electrn. Dicho radio es una cantidad finita de difcil interpretacin, si el electrn no es puntual entonces cuando es acelerado en un campo electromagntico unas partes del electrn deban ser aceleradas en mayor proporcin que otras, o empezar a moverse antes, lo cual sugera que la forma del electrn deba cambiar, pero entonces la idea de interpretar la masa como asociada al campo no funcionaba bien. Esa y otras inconsistencias como el efecto de influencia causal del futuro en la expresin de la fuerza 1 revelaron que los modelos no-cunticos del electrn eran inadecuados. En la mecnica cuntica, un electrn en un campo electromagntico es descrito por la ecuacin de Dirac, mientras que el comportamiento colectivo de los electrones viene descrito por la estadstica de Fermi-Dirac. En el modelo estndar de la fsica de partculas forma un doblete con el neutrino, dado que ambos interaccionan de forma dbil. En la naturaleza existen adems otros dos "electrones masivos", el mun y el taun, con propiedades similares al mismo aunque sin embargo son partculas diferentes, que tienen una corta existencia y se desintegran muy rpidamente. El equivalente al electrn en la antimateria, su antipartcula, es el positrn, que tiene la misma cantidad de carga elctrica que el electrn pero positiva. El espn y la masa son iguales en el electrn y el positrn. Cuando un electrn y un positrn colisionan, tiene lugar la aniquilacin mutua, originndose dos fotones de rayos gamma con una energa de 0,500 MeV cada uno. Los electrones son un elemento clave en el electromagnetismo, una teora que es adecuada desde un punto de vista clsico, aplicable a sistemas macroscpicos.

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2.2 .MOVIMIENTO ELECTRONICO. MOVIMIENTO EN UN CAMPO ELCTRICO Cuando una partcula cargada est en una regin donde hay un campo elctrico experimenta una fuerza igual al producto de su carga por la intensidad del campo elctrico

.

Si la carga es positiva experimenta una fuerza en el sentido del campo Si la carga es negativa experimenta una fuerza en sentido contrario al campo

Si el campo es uniforme la fuerza es constante y tambin lo es la aceleracin, aplicando las ecuaciones del movimiento rectilneo uniformemente acelerado podemos obtener la velocidad de la partcula en cualquier instante o despus de haberse desplazado una determinada distancia:

De forma alternativa, podemos aplicar el principio de conservacin de la energa, ya que el campo elctrico es conservativo La energa potencial q(V'-V) se transforma en energa cintica. Siendo V'-V la diferencia de potencial existente entre dos puntos distantes x. En un campo elctrico uniforme V'-V=Ex

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MOVIMIENTO EN UN CAMPO MAGNTICO Una partcula que se mueve en un campo magntico experimenta una fuerza dada por el producto vectorial

. El resultado de un producto vectorial es un vector de

mdulo igual al producto de los mdulos por el seno del ngulo comprendido qvBse direccin perpendicular al plano formado por los vectores velocidad y campo. y el sentido se obtiene por la denominada regla del sacacorchos. Si la carga es positiva el sentido es el del producto vectorial figura: , como en la

Si la carga es negativa el sentido de la fuerza es contrario al del producto vectorial

.

Dicha partcula en un campo magntico uniforme y perpendicular a la direccin de la velocidad describe rbita circular ya que la fuerza y la velocidad son mutuamente perpendiculares. El radio de dicha rbita puede obtenerse a partir de la aplicacin de la ecuacin de la dinmica del movimiento circular uniforme: fuerza igual a masa por aceleracin normal.

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Mueve en una regin donde existe un campo elctrico, en un campo magntico, o en un campo elctrico Vamos a estudiar tres situaciones en las que una partcula cargada positiva o negativa se y magnticos cruzados (perpendiculares entre s). 1. El descubrimiento del electrn consta a su vez de dos experiencias

La medida de la relacin carga/masa del electrn efectuada por Thomson La medida de la cantidad fundamental de carga efectuada por Millikan

2. La separacin de istopos de un determinado elemento mediante un espectrmetro de masas. 3. La aceleracin de iones mediante un ciclotrn. 2.3. DEPENDENCIA ESTRCTURA DE LA RESISTENCIA. Se denomina circuito elctrico a una serie de elementos o componentes elctricos o electrnicos, tales como resistencias, inductancias, condensadores, fuentes, y/o dispositivos electrnicos semiconductores, conectados elctricamente entre s con el propsito de generar, transportar o modificar seales electrnicas o elctricas. En la figura podemos ver un circuito elctrico, sencillo pero completo, al tener las partes fundamentales:

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1. elctrica, en este caso la pila o batera. 2. Una fuente de energa Una aplicacin, en este caso una lmpara incandescente. Circuito abierto. 3. Unos elementos de control o de maniobra, el interruptor. 4. Un instrumento de medida, el Ampermetro, que mide la intensidad de corriente. Circuito cerrado. 5. El cableado y conexiones que completan el circuito. Un circuito elctrico tiene que tener estas partes, o ser parte de ellas. Los circuitos elctricos se clasifican de la siguiente forma: Por el tipo de seal:

De corriente continua De corriente alterna Mixtos

Por el tipo de rgimen:

Peridico Transitorio Permanente

Por el tipo de componentes:

Elctricos: Resistivos, inductivos, capacitivos y mixtos Electrnicos: digitales, analgicos y mixtos

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Por su configuracin:

Serie Paralelo

PARTES DE UN CIRCUITO

Figura 1: Circuito Ejemplo: Para analizar un circuito deben de conocerse los nombres de los elementos que lo forman. A continuacin se indican los nombres ms comunes, tomando como ejemplo el circuito mostrado en la figura 1.

Conductor: hilo de resistencia despreciable (idealmente cero) que une elctricamente dos o ms elementos. Generador o fuente: elemento que produce electricidad. En el circuito de la figura 1 hay tres fuentes, una de intensidad, I, y dos de tensin, E1 y E2. Nodo: punto de un circuito donde concurren varios conductores distintos. En la figura 1 se pueden ver cuatro nodos: A, B, D y E. Obsrvese que C no se ha tenido en cuenta ya que es el mismo nodo A al no existir entre ellos diferencia de potencial (VA - VC = 0).

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Rama: conjunto de todos los elementos de un circuito comprendidos entre dos nodos consecutivos. En la figura 1 se hallan siete ramales: AB por la fuente, AB por R1, AD, AE, BD, BE y DE. Obviamente, por un ramal slo puede circular una corriente.

CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA

Figura 2: Circuitos Divisores De Tensin, A), y de intensidad, B). En este punto se describirn los principales circuitos en corriente continua as como su anlisis, esto es, el clculo de las intensidades, tensiones o potencias. Dos o ms resistencias conectadas en serie forman un divisor de tensin. De acuerdo con la segunda ley de Kirchhoff o ley de las mallas, la tensin total es suma de las tensiones parciales en cada resistencia, por lo que seleccionando valores adecuados de las mismas, se puede dividir una tensin en los valores ms pequeos que se deseen. La tensin Vi en bornes de la resistencia Ri, en un divisor de tensin de n resistencias cuya tensin total es V, viene dada por:

En el caso particular de un divisor de dos resistencias (figura 2 a), es posible determinar las tensiones en bornes de cada resistencia, VAB y VBC, en funcin de la tensin total, VAC, sin tener que calcular previamente la intensidad. Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones de fcil deduccin:

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Este caso es el que se presenta, por ejemplo, a la hora de ampliar la escala de un voltmetro, donde R1 sera la resistencia de la bobina voltimtrica y R2 la resistencia de ampliacin de escala. Dos o ms resistencias conectadas en paralelo forman un divisor de intensidad. De acuerdo con la primera ley de Kirchhoff o ley de los nudos, la corriente que entra en un nudo es igual a la suma de las corrientes que salen. Seleccionando valores adecuados de resistencias se puede dividir una corriente en los valores ms pequeos que se deseen. En el caso particular de un divisor de dos resistencias (figura 2 b), es posible determinar las corrientes parciales que circulan por cada resistencia, I1 e I2, en funcin de la corriente total, I, sin tener que calcular previamente la cada de tensin en la asociacin. Para ello se utilizan las siguientes ecuaciones de fcil deduccin:

Este caso es el que se presenta, por ejemplo, a la hora de ampliar la escala de un ampermetro, donde R1 sera la resistencia de la bobina amperimtrica y R2 la resistencia shunt.

Figura 3: Ejemplo De Circuito Resistivo De Fuente nica.

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Se trata de una red de resistencias alimentadas con una sola fuente (figura 3). Para su anlisis se seguirn, en general, los siguientes pasos: 1. Se calcula la resistencia equivalente de la asociacin. 2. Se calcula la intensidad, I, que suministra la fuente, 3. Se calculan las intensidades y tensiones parciales. A modo de ejemplo de lo expuesto, se analizar el circuito de la figura 3 su poniendo los siguientes valores:

Resolucin: 1. Sea RABC la resistencia equivalente de la rama superior del circuito:

Y denominando Re a la resistencia equivalente:

2. A partir de la ley de Ohm se determina la intensidad, I, que proporciona la fuente:

3. A partir de la ley de Ohm:

R3 y R4 forman un divisor de intensidad para I1, por lo tanto:

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Figura 4: Ejemplo De Red General: Circuito De Dos Mallas. En el caso ms general, el circuito podr tener ms de una fuente. El anlisis clsico de este tipo de redes se realiza obteniendo, a partir de las leyes de Kirchhoff, un sistema de ecuaciones donde las incgnitas sern las corrientes que circulan por cada rama. En general, el proceso a seguir ser el siguiente: 1. Se dibujan y nombran de modo arbitrario las corrientes que circulan por cada rama. 2. Se obtiene un sistema de tantas ecuaciones como intensidades haya. Las ecuaciones se obtendrn a partir de: 1. Se aplica la primera ley tantas veces como nudos haya menos uno. 2. Se aplica la segunda ley a todas las mallas. Como ejemplo, se analizar el circuito de la figura 4 considerando los siguientes valores:

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Resolucin: 1. Se consideran las intensidades dibujadas en el circuito. 2. En el nudo A se cumple:

Y sumando las tensiones en ambas mallas (vea como determinar la polaridad de la cada de tensin de una resistencia en d. d. p.):

Dados los valores conocidos, tenemos:

Ordenando las ecuaciones se obtiene el siguiente sistema:

Cuyas soluciones son:

Donde el valor negativo de I3 indica que la corriente circula en direccin contraria a como se ha dibujado en el circuito. En anlisis de circuitos se puede observar el mtodo de las mallas que no simplifica el anlisis de circuitos de este tipo.

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Figura 5: Balance De Potencias. Por balance de potencias de un circuito elctrico se entiende la comprobacin de que la suma algebraica de las potencias que generan o "absorben" las fuentes es igual a la suma de potencias que disipan los elementos pasivos. Para ello es necesario analizar previamente el circuito, esto es, determinar las corrientes que circulan por cada una de sus ramas as como las cadas de tensin en bornes de las fuentes de intensidad si las hubiere. Como ejemplo, se realizar el balance de potencias del circuito de la figura 5 considerando los siguientes valores:

Resolucin: Aplicando la primera ley de Kirchhoff al nudo A y la segunda a la malla de la izquierda, se obtiene:

Operando se obtiene:

Y la tensin en bornes de la fuente de intensidad

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Terminado el anlisis, se realiza el balance de potencias cuyos resultados se presentan en la siguiente tabla:

Elementos activos

Elementos pasivos

Figura 6: Circuitos serie RL (superior) y RC (inferior) En CC.

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Figura 7: Comportamiento De Los Circuitos Serie RL y RC En CC. Los circuitos serie RL y RC (figura 6) tienen un comportamiento similar en cuanto a su respuesta en corriente y en tensin, respectivamente. Al cerrar el interruptor S en el circuito serie RL, la bobina crea una fuerza electromotriz (f.e.m.) que se opone a la corriente que circula por el circuito, denominada por ello fuerza contraelectromotriz. Como consecuencia de ello, en el mismo instante de cerrar el interruptor (t0 en la figura 7) la intensidad ser nula e ir aumentando exponencialmente hasta alcanzar su valor mximo, Io = E / R (de t0 a t1). Si a continuacin, en el mismo instante de abrir S (t2 en la figura 7) se har corto circuito en la red RL, el valor de Io no desaparecera instantneamente, sino que ira disminuyendo de forma exponencial hasta hacerse cero (de t2 a t3). Por otro lado, en el circuito serie RC, al cerrar el interruptor S (t0 en la figura 7), el condensador comienza a cargarse, aumentando su tensin exponencialmente hasta alcanzar su valor mximo E0 (de t0 a t1), que coincide con el valor de la f.e.m. E de la fuente. Si a continuacin, en el mismo instante de abrir S (t2 en la figura 7) se har corto circuito en la red RC, el valor de (Eo) no desaparecera instantneamente, sino que ira disminuyendo de forma exponencial hasta hacerse cero (de t2 a t3). En ambos circuitos se da por lo tanto dos tipos de rgimen de funcionamiento (figura 7):

Transitorio: desde t0 a t1 (carga) y desde t2 a t3 (descarga) Permanente: desde t1 a t2

La duracin del rgimen transitorio depende, en cada circuito, de los valores de la resistencia, R, la capacidad, C, del condensador y de la auto inductancia, L de la bobina. El valor de esta duracin se suele tomar como 5, donde es la denominada constante de tiempo, siendo su valor en cada circuito:

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Si R est en ohmios, C en faradios y L en henrios, estar en segundos. Matemticamente se pueden obtener las ecuaciones en rgimen transitorio de cada circuito que se muestran en la siguiente tabla:

Carga en RL

Descarga RL

en

Carga en RC

Descarga en RC

Circuitos De Corriente Alterna: En el presente apartado se vern las caractersticas de los circuitos bsicos de CA Senoidal que estn formados por los componentes elctricos fundamentales: resistencia, bobina y condensador (ver previamente su comportamiento en DC). En cuanto a su anlisis, todo lo visto en los circuitos de corriente continua es vlido para los de alterna con la salvedad que habr que operar con nmeros complejos en lugar de con reales. Adems se debern tener en cuenta las siguientes condiciones:

Todas las fuentes deben ser sinusoidales y tener la misma frecuencia o pulsacin.

Debe estar en rgimen estacionario, es decir, una vez que los fenmenos transitorios que se producen a la conexin del circuito se hayan atenuado completamente.

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Todos los componentes del circuito deben ser lineales, o trabajar en un rgimen tal que puedan considerarse como lineales. Los circuitos con diodos estn excluidos y los resultados con inductores con ncleo ferromagntico sern solo aproximaciones.

Figura 8: Circuito Serie RL (a) y Diagrama Fasorial (b). Supongamos que por el circuito de la figura 8a circula una corriente

Como VR est en fase y VL adelantada 90 respecto a dicha corriente, se tendr:

Sumando fasorialmente ambas tensiones obtendremos la total V:

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Donde, y de acuerdo con el diagrama fasorial de la figura 8b, V es el mdulo de la tensin total:

Y el gualo que forman los fasores tensin total y corriente (ngulo de desfase):

Tringulo impedancia bobina.PNG

Figura 9: Tringulo De Impedancias De Un Circuito Serie RL. La expresin representa la oposicin que ofrece el circuito al paso de la corriente alterna, a la que se denomina impedancia y se representa Z:

En forma polar:

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Con lo que la impedancia puede considerarse como una magnitud compleja, cuyo valor, de acuerdo con el tringulo de la figura 9, es:

Obsrvese que la parte real resulta ser la componente resistiva y la parte imaginaria la inductiva.

Figura 10: Circuito Serie RC (a) y Diagrama Fasorial (b). Supongamos que por el circuito de la figura 10a circula una corriente

Como VR est en fase y VC retrasada 90 respecto a dicha corriente, se tendr:

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Tringulo impedancia condensador.PNG

Figura 11: Tringulo De Impedancias De Un Circuito Serie RC. La tensin total V ser igual a la suma fasorial de ambas tensiones,

Y de acuerdo con su diagrama fasorial (figura 10b) se tiene:

Al igual que en el apartado anterior la expresin impedancia, ya que

es el mdulo de la

Lo que significa que la impedancia es una magnitud compleja cuyo valor, segn el tringulo de la figura 11, es:

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Obsrvese que la parte real resulta ser la componente resistiva y la parte imaginaria, ahora con signo negativo, la capacitiva.

Figura 12: Circuito Serie RLC (a) y Diagrama Fasorial (b). Razonado de modo similar en el circuito serie RLC de la figura 12 llegaremos a la conclusin de que la impedancia Z tiene un valor de:

Siendo

En el diagrama se ha supuesto que el circuito era inductivo ( se pueden dar los siguientes casos:

), pero en general

: circuito inductivo, la intensidad queda retrasada respecto de la tensin (caso de la figura 12, donde es el ngulo de desfase).

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: circuito capacitivo, la intensidad queda adelantada respecto de la tensin. : circuito resistivo, la intensidad queda en fase con la tensin (en este caso se dice que hay resonancia).

UNIDAD III SEMICONDUCTORESUn semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. MATERIALES SEMICONDUCTORES Los primeros semiconductores utilizados para fines tcnicos fueron pequeos detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocan como de galena. Ese nombre lo tom el radiorreceptor de la pequea piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que haca la funcin de diodo y que tenan instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonizacin se obtena moviendo una aguja que tena dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conoca que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubri que si a ciertos cristales se le aada una pequea cantidad de impurezas su conductividad elctrica variaba cuando el material se expona a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoelctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador tambin de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron transistor y que se convertira en la base del desarrollo de la electrnica moderna. Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen caractersticas intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulacin de la corriente elctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar seales de radio, amplificar seales de corriente elctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrnica digital, etc.

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ESTRUCTURA ATMICA Como sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente elctrica mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente elctrica son conductores. Analgicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prcticamente tampoco el conductor perfecto. Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica, conducen la corriente bajo ciertas condiciones. Lo que diferencia a cada grupo es su estructura atmica. Los conductores son, generalmente, metales esto se debe a que dichos poseen pocos tomos en sus ltimas rbitas y, por lo tanto, tienen tendencia a perderlos con facilidad. De esta forma, cuando varios tomos de un metal, se acercan los electrones de su ltima rbita se desprenden y circulan desordenadamente entre una verdadera red de tomos. Este hecho (libertad de los electrones) favorece en gran medida el paso de la corriente elctrica. Los aislantes, en cambio, estn formados por tomos con muchos electrones en sus ltimas rbitas (cinco a ocho), por lo que, no tienen tendencia a perderlos fcilmente y a no establecer una corriente de electrones. De ah su alta resistencia. Tambin existe otro tercer tipo de materiales, que cambia en mayor o menor medida la caracterstica de los anteriores, los semiconductores. Su caracterstica principal es la de conducir la corriente slo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras. Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrnica de estado slida est basada. La estructura atmica de dichos materiales presenta una caracterstica comn: est formada por tomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su ltima rbita), por lo que les es fcil ganar cuatro o perder cuatro. Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Peridica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen tomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra caracterstica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando sta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

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Los elementos qumicos semiconductores de la tabla peridica se indican en la tabla adjunta. Elemento Cd Grupo II B Electrones en la ltima capa 2 e3 e-

Al, Ga, B, In III A Si, C, Ge P, As, Sb Se, Te, (S)

IV A 4 eVA 5 e-

VI A 6 e-

TABLA 3.1 TABLA DE SEMICONDUCTORES 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. III.1 GENERALIDADES Semiconductores intrnsecos: Es un cristal de silicio que 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

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permanece invariable. Siendo "n" la concentracin de electrones (cargas negativas) y "p" la concentracin de huecos (cargas positivas), se cumple que: ni = n = p Siendo 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.

FIGURA 3.2 REFRESENTACION GRAFICA DE UN SMICONDUCTOR INTRISECOS Semiconductores extrnsecos: Si 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.

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FIGURA 3.3 SEMICONDUCTOR DE TIPO N (A) Y SEMICONDUCTOR DE TIPO P (B) SEMICONDUCTOR TIPO N Un 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.

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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 P Un 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. INCREMENTO DE SEMICONDUCTOR LA CONDUCTIVIDAD EN UN ELEMENTO

La mayor o menor conductividad elctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente tambin aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos

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semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad tambin aumenta. En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes mtodos: _Elevacin de su temperatura _Introduccin de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina _Incrementando la iluminacin. Con relacin a este ltimo punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias dependientes de la luz (LDR Light-dependant resistors), varan su conductividad de acuerdo con la cantidad de luz que reciben.

TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES Nmero Atmico 48 5 13 31 49 14 32 15 33 Nombre Elemento Cd (Cadmio) B (Boro) Al (Aluminio) IIIa Ga (Galio) In (Indio) Si (Silicio) IVa Ge (Germanio) P (Fsforo) Va As (Arsnico) Metaloide No metal 5 e+3, -3, +5 Metaloide 4 e+4 Metal del Grupo en la Categora Tabla Peridica IIa Metal Metaloide Electrones en la Nmeros ltima rbita valencia 2 e3 e+2 +3 de

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51 16 34 52

Sb (Antimonio) S (Azufre) No metal Se (Selenio) Te (Telurio) VIa Metaloide 6 e+2, -2 +4, +6

TABLA 3.1 TABLA DE SEMICONDUCTORES MECANISMO DE CONDUCCIN DE UN SEMICONDUCTOR Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente elctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones libres que saltan a la banda de conduccin y otro por el movimiento de los huecos que quedan en la banda de valencia cuando los electrones saltan a la banda de conduccin. Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una direccin, los huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conduccin de un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto. Ese mecanismo de movimiento se denomina "conduccin propia del semiconductor", que para las cargas negativas (o de electrones) ser "conduccin N", mientras que para las cargas positivas (de huecos o agujeros), ser "conduccin P". 3.2 ENLACES Y CONECTIVIDAD ENLACE QUMICO Se define como la fuerza de unin que existe entre dos tomos, cualquiera que sea su naturaleza, debido a la transferencia total o parcial de electrones para adquirir ambos la configuracin electrnica estable correspondiente a los gases inerte; es decir, el enlace es el proceso por el cual se unen tomos iguales o diferentes para adquirir la configuracin electrnica estable de los gases inertes y formar molculas estables. ENLACE INICO El enlace inico es la fuerza electrosttica que mantiene unidos a los iones en un compuesto inico.

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CARACTERSTICAS DEL ENLACE INICO -Se rompe con facilidad obtenindose los iones que lo forman, generalmente basta disolver la sustancias. -Las substancias con enlaces inicos son solubles en solventes polares. FORMACIN DE LOS COMPUESTOS INICOS Resulta de las interacciones electrostticas entre iones, que a menudo resulta de la transferencia neta de uno o ms electrones de un tomo o grupo de tomos a otro, es decir, es la atraccin de iones con carga opuesta (cationes y aniones) en grandes nmeros para formar un slido. Ejemplo: un tomo de sodio (Na) fcilmente puede perder un electrn para formar el catin sodio, que se representa como Na+, un tomo de cloro puede ganar un electrn para formar el ion cloruro Cl -, Se dice que el cloruro de sodio (NaCl), la sal comn de mesa es un compuesto inico porque est formado por cationes y aniones. El Na+ es el Cation y el Cl es el anion NaCl.

FUGURA 3.4 COMPUESTO IONICO ENLACE COVALENTE Enlace covalente es el enlace en el que dos tomos comparten dos electrones. Caractersticas del enlace covalente -Es muy fuerte y se rompe con dificultad. -Si la diferencia de electronegatividades entre los 2 tomos es marcada, tenemos un enlace polar y se favorecer la solubilidad de la sustancia en solventes polares. Ejemplo: un enlace O-H -Si la diferencia de electronegatividades es poca, tenemos un enlace no polar y se favorecer la solubilidad de la sustancia en solventes no polares. Ejemplo: un enlace C-H o C-C.

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TIPOS DE ENLACES COVALENTES Los tomos pueden formar distintos enlaces covalentes; en un enlace sencillo, dos tomos se unen por medio de un par de electrones. En muchos compuestos se formar enlaces mltiples, es decir, enlaces formados cuando dos tomos comparten dos o ms pares de electrones. Si dos tomos comparten dos pares de electrones, el enlace covalente se denomina enlace doble. Un triple enlace surge cuando dos tomos comparten tres pares de electrones. FORMACIN DE LOS ENLACES COVALENTES Se forma cuando dos tomos comparten uno o ms pares de electrones. Este tipo de enlace ocurre cuando la diferencia de electronegatividades entre los elementos (tomos) es cero o relativamente pequea. El enlace covalente se representa con una lnea recta que une a los 2 tomos, por ejemplo: O-H. Veamos un caso simple de enlace covalente, la reaccin de dos tomos de hidrgeno para formar una molcula H2. Un tomo aislado de hidrgeno tiene la configuracin electrnica del estado fundamental 1s1, con la densidad de probabilidad para este nico electrn esfricamente distribuida en torno al ncleo del hidrgeno (figura 3.5).

FIGURA 3.5 MOLECULA DE H2 Cuando dos tomos de hidrgeno se acercan uno a otro, el electrn de cada tomo de hidrgeno es atrado por el ncleo del otro tomo de hidrgeno tanto por su propio ncleo (figura 3.6).

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FIGURA 3.6 ATRACCION DE LAS MOLECULAS DE HIDROGENO Si estos dos electrones tienen espines opuestos de forma que pueden ocupar la misma regin (orbital), ambos electrones pueden ocupar preferencialmente la regin entre los dos ncleos. Porque son atrados por ambos ncleos. (figura 3.7):

FIGURA 3.7 DOS ATOMOS DE H UNIDOS

Los electrones son compartidos entre los dos tomos de hidrgeno, y se forma un enlace covalente simple. Decimos que los orbtales 1s se solapan, as que ambos electrones ahora estn en los orbtales de los dos tomos de hidrgeno. Mientras ms se aproximan los tomos, ms cierto es esto. En este sentido, cada tomo de hidrgeno ahora tiene la Configuracin del helio 1s2. Otros pares de tomos no metlicos comparten pares electrnicos para formar enlaces covalentes. El resultado de esta comparticin es que cada tomo consigue una configuracin electrnica ms estable (frecuentemente la misma que la del gas noble ms prximo).

ENLACES COVALENTES POLARES Y NO POLARES Los enlaces covalentes pueden ser polares y no polares. En un enlace no polar tal como el de la molcula de hidrgeno, H2, el par electrnico es igualmente compartido entre los dos ncleos de hidrgeno. Ambos tomos de hidrgeno tienen la misma electronegatividad (tendencia de un tomo a atraer los electrones hacia s en un enlace qumico), es decir que los electrones compartidos estn igualmente atrados por ambos ncleos de hidrgeno y por

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tanto pasan iguales tiempos cerca de cada ncleo. En este enlace covalente no polar, la densidad electrnica es simtrica con respecto a un plano perpendicular a la lnea entre los dos ncleos. Esto es cierto para todas las molculas diatnicas homonucleares, tales como H2, O2, N2, F2 Y Cl2, porque los dos tomos idnticos tienen electronegatividades idnticas. Por lo que podemos decir: los enlaces covalentes en todas las molculas diatmicas Homonucleares deben ser no polares. Un enlace covalente polar, tal como el fluoruro de hidrgeno los pares electrnicos estn compartidos desigualmente. El enlace H-F tiene algn grado de polaridad ya que H y F no son tomos idnticos y por lo tanto no atraen igualmente a los electrones. La electronegatividad del hidrgeno es 2,1 y la del fluor es de 4,0, claramente el tomo F con su mayor electronegatividad, atrae el par electrnico compartido mucho ms fuertemente que H. La distribucin asimtrica de la densidad electrnica est distorsionada en la direccin del tomo ms electronegativo F. Este pequeo desplazamiento de densidad electrnica deja a H algo positivo. El HF se considera una molcula diatmica heteronuclear, ya que Contiene dos clases de tomo. LOS MOMENTOS DIPOLARES Los momentos dipolares asociados con enlaces individuales slo pueden medirse en molculas diatmicas simples. Ms que pares seleccionados de tomos, lo que se sujeta a medicin son molculas enteras. Los valores medidos de momentos dipolares reflejan las polaridades globales de las molculas. Para las molculas poliatmica son el resultado de todos los dipolos de enlace de las molculas. El momento dipolo de una molcula formada por tres o mas tomos est determinado tanto por la polaridad de sus enlaces como por su geometra. La presencia de enlaces polares no necesariamente significa que la molcula presente un momento dipolo. Por ejemplo el dixido de carbono (CO2) es una molcula triatmica, por lo que su geometra puede ser lineal o angular. Cuando la molcula es lineal; no tiene momento dipolo y, cuando la molcula es angular; tiene un momento dipolo. En este caso, el momento dipolo de la molcula completa es la resultante de los dos momentos de enlace, es decir, de los momentos dipolos individuales de los enlaces C = O. el momento de enlace es una cantidad vectorial, lo que significa que tiene tanto magnitud como direccin. El momento dipolo medido es igual a la suma vectorial de los momentos de enlaces.

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TABLA 3.2 MOMENTOS DIPOLOS PREDICCIN DEL TIPO DE ENLACE ELECTRONEGATIVIDAD DE PAULING. USANDO LA ESCALA DE

La escala ms usada para medir electronegatividades se basa en una desarrollada por Linus Pauling. El observ que cuando se combinan los tomos de diferentes electronegatividades, sus enlaces son ms fuertes de lo esperado. Se cree que son dos los factores que contribuyen a la fuerza del enlace. Uno de ellos es el enlace covalente entre los tomos. El otro es la unin adicional producida por una atraccin entre los extremos opuestamente cargados del enlace dipolo. La fuerza extra del enlace se atribuy entonces a la unin adicional y Pauling utiliz este concepto para desarrollar su tabla de electronegatividades. Cuando se tenga algn inters en conocer algo acerca de la polaridad de un enlace, tal vez dicho inters se base en la diferencia de las electronegatividades entre los dos tomos unidos por el enlace. Si la diferencia es pequea, el enlace ser relativamente no polar, pero si es grande, el enlace ser polar. Si la diferencia en la electronegatividad es muy grande, el par de electrones se concentrar casi en forma exclusiva alrededor del tomo ms electronegativo y el enlace ser inico. Se ve por consiguiente, que el grado del carcter inico del enlace, segn sea medido por la cantidad por la carga soportada de los tomos en cada extremo podr variar desde cero hasta un 100%, dependiendo de las electronegatividades de los tomos unidos. Por ltimo, vale la pena tomar nota de las tendencias de electronegatividad dentro de la tabla peridica. Se observar que los elementos ms electronegativos se encuentran en la parte superior derecha de la tabla; los menos electronegativos se encuentran en la parte

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inferior izquierda. Esto consiste con las tendencias de la energa de ionizacin (El) y de la afinidad electrnica (AE).

FRMULAS DE LEWIS PARA MOLCULAS E IONES POLIATMICOS. Las formulas de Lewis las usamos para mostrar los electrones de valencia en dos molculas simples. Describir formulas de Lewis es un mtodo de contar los electrones que es til para la primera aproximacin para sugerir esquemas de enlaces. Es importante saber que las formulas de puntos de Lewis solo muestran el nmero de electrones de valencia, el nmero y las clases de enlaces y el orden en que estn conectados los tomos. No intentan mostrar las formas tridimensionales de las molculas e iones poliatmicos. REGLA DEL OCTETO Se basa en que un tomo diferente del hidrgeno tienden a formar enlaces hasta que se rodea de ocho electrones de valencia, es decir, un enlace covalente se forma cuando no hay suficientes electrones para que cada tomo individual tenga el octeto completo. Al compartir electrones en un enlace covalente, los tomos individuales pueden completar sus octetos. La regla del octeto funciona principalmente para los elementos del segundo periodo de la tabla peridica. Estos elementos solo tienen subniveles 2s 2p, los cuales pueden contener un total de ocho electrones. Cuando un tomo de uno de estos elementos forma un compuesto covalente, pueden obtener la configuracin electrnica de gas noble [Ne] al compartir electrones con otros tomos del mismo compuesto.

LIMITACIONES DEL LAS REGLAS DE OCTETO PARA LAS FORMULAS DE LEWIS Las formulas de Lewis normalmente no se escriben para compuestos que contienen metales de transicin d y f. los metales de transicin d y f utilizan en el enlace orbtales s y p.

1.- La mayora de los compuestos covalentes del berilio, Be. Debido a que Be contiene solo dos electrones en la capa de valencia, habitualmente forma solo dos enlaces covalentes cuando se enlaza con otros dos tomos. Por lo tanto se usa cuatro electrones como el nmero necesario para Be en la etapa 2, en la etapa 5 y 6 se usa solo dos pares de electrones para Be.

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2.- La mayora de los compuestos covalentes de los elementos del Grupo IIIA, especialmente boro, B. Estos elementos contienen solo tres electrones en la capa de valencia, as que a menudo forman tres enlaces covalentes cuando se enlazan a otros tres tomos. Por lo tanto, se usa seis electrones como el nmero necesario para los elementos IIIA contiene solo tres electrones en la etapa 2; y en las etapas 5 y 6 se usa solo tres pares de electrones para los elementos IIIA. 3.- Los compuestos o iones que contienen un nmero impar de electrones ejemplos son NO, con 11 electrones en la capa de valencia, y NO2, con 17 electrones en la capa de valencia. 4.- Compuestos o iones en los que el elemento central necesita ms de ocho electrones en la capa de valencia para mantener todos los electrones disponibles, D. cuando uno se encuentra con esto, se aaden las reglas extra a las etapas 4 y 6.

Etapa 4a: si C, el numero de electrones compartidos, es menor que el nmero necesario para enlazar todos los tomos al tomo central, entonces C se aumenta el nmero de electrones necesario. Etapa 6a: si C debe aumentarse en la etapa 4a, entonces los octetos de todos los tomos podran satisfacerse antes de que todos los electrones D hayan sido aadidos. Colocar los electrones extra sobre el elemento central. 5.- Es la distribucin tridimensional de los tomos de una molcula. La geometra de una molcula influye en sus propiedades fsicas y qumicas, como el punto de fusin, punto ebullicin, la densidad y el tipo de reaccin en que puede participar. La geometra alrededor de un tomo central dado de una molcula, es aquella que hace mnima la repulsin de los pares de electrones, los usados para formar enlaces y los no usados que quedan como pares libres alrededor de cada tomo en la molcula. Para comprender cabalmente este principio, se debe saber que la estructura electrnica de molculas en base a la configuracin de octetos, necesariamente deja en libertad pares de electrones. Obviamente, estos pares, ubicados alrededor de un tomo que se considere central, deben situarse de manera que la repulsin electrosttica entre dos pares, sea mnima. As, lo primero es hacer un balance electrnico de la molcula en base a octetos, luego decidir cual tomo se considera central para luego analizar que pasa con los pares de electrones alrededor de ste. 6.- La teora de enlace de valencia es una teora aproximada para explicar el enlace por par de electrones o covalente con la mecnica cuntica. De acuerdo con la teora sobre enlace valencia, se forma un enlace entre dos tomos cuando se satisfacen las condiciones siguientes:

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Un orbital de en un tomo viene a ocupar una porcin de la misma regin del espacio que ocupa un orbital del otro tomo. Se dice que los dos orbtales se traslapan. Esto se explica ya que a medida que el orbital de un tomo se traslapa con el otro, los electrones en orbtales comienzan a moverse alrededor de ambos tomos. Debido a que los electrones a ambos ncleos a la vez, jalan juntos a los tomos. La fuerza del enlace depende de la cantidad de traslape; mientras mayor sea la sobreposicin mayor ser la fuerza de la unin.

El nmero total de electrones en ambos orbtales no es mayor a dos. Lo dos orbtales no pueden contener ms de dos electrones, porque en una regin dada del espacio solo pueden estar dos electrones (esto ocurre siempre y cuando si los espines de los electrones son opuestos).

A medida que el orbital de un tomo se traslapa con el orbital de otro, los electrones en los orbtales empiezan a moverse alrededor de ambos tomos. Debido a que los electrones son atrados a ambos ncleos a la vez, jalan juntos a los tomos. La fuerza del enlace depende de la cantidad de traslape; mientras mayor sea la sobreposicin mayor ser la fuerza de la unin. Los dos orbtales no pueden contener mas de dos electrones, porque en una regin dada del espacio solo pueden estar dos electrones (y eso solamente si los espines de los electrones son opuestos).

IMPORTANCIA DEL ENLACE QUMICO El enlace es la unin entre los tomos de un compuesto. La unin o enlace entre los tomos tiene su origen en la estructura electrnica de los mismos. La actividad qumica de los elementos radica en su tendencia a adquirir, mediante su unin con otros tomos, la configuracin de gas noble (ocho electrones en la capa ms externa, salvo el helio que slo tiene dos), que es muy estable. Es corriente distinguir tres tipos principales de enlaces qumicos: inico, covalente y metlico. Aunque dichos enlaces tienen propiedades bien definidas, la clasificacin no es rigurosa, existiendo una transicin gradual de uno a otro, lo que permite considerar tipos de enlace intermedios. Gracias a estos enlaces se forman los compuestos qumicos, por ejemplo la sal.

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Todas las sustancias pueden existir, al menos en principio, en los tres estados: slido, lquido y gaseoso. En un slido, las molculas se mantienen unidas en forma organizada con poca libertad de movimiento. En un lquido las molculas estn unida, pero no en una posicin tan rgida y se puede mover libremente. En un gas, las molculas estn separadas por distancias que son grandes en comparacin con el tamao de las molculas. Los tres estados de la materia pueden ser convertibles entre ellos sin que cambie la composicin de la sustancia. CONDUCTIVIDAD La conductividad es una variable que se controla en muchos sectores, desde la industria qumica a la agricultura. Esta variable depende de la cantidad de sales disueltas presentes en un lquido y es inversamente proporcional a la resistividad del mismo. Con los instrumentos convencionales, la medida de la conductividad se obtiene aplicando un voltaje entre dos electrodos y midiendo la resistencia de la solucin. Las soluciones con conductividad alta producen corrientes ms altas. Para contener la intensidad de la corriente en una solucin altamente conductiva, es necesario disminuir la superficie de la sonda o incrementar la distancia entre los polos. Por esta razn se deben usar sondas diferentes para rangos de medida diferentes. Slo el mtodo de 4 anillos puede medir distintos rangos usando una nica sonda. Las ventajas de este mtodo respecto al de dos puntas (mtodo ampermetrico) son numerosas: lecturas lineales en un amplio rango, sin ninguna polarizacin, y sin necesidad de limpiezas exhaustivas por las incrustaciones. DEFINICIN La conductividad se define como la capacidad de una sustancia de conducir la corriente elctrica y es lo contrario de la resistencia. La unidad de medicin utilizada comnmente es el Siemens/cm (S/cm), con una magnitud de 10 elevado a -6 , es decir microSiemens/cm (S/cm), o en 10 elevado a -3, es decir, miliSiemens (mS/cm). CONDUCTIVIDAD DEL AGUA Agua pura: 0.055 S/cm Agua destilada: 0.5 S/cm Agua de montaa: 1.0 S/cm Agua para uso domstico: 500 a 800 S/cm Mx. para agua potable: 10055 S/cm Agua de mar: 52 S/cm

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CONDUCTIVIDAD Y DUREZA DEL AGUA Utilizando medidores de conductividad o slidos disueltos, es posible obtener con muy buena aproximacin, el valor de la dureza del agua, incluso en grados franceses. La dureza del agua est determinada por la concentracin de carbonato de calcio (CaCO3), la que constituye el 90% aproximadamente de los slidos disueltos en el agus. La unidad de medicin de dureza ms comn es el grado francs (of), definido como: 1 f = 10 ppm de CaCO3 Dividiendo por 10 las medidas en ppm obtenidas con un medidor de slidos disueltos, se obtiene el valor de dureza del agua en of. Como se sealaba anteriormente, 1 ppm = 2 S/cm de conductividad, por lo tanto: 1 f = 20 S/cm Dividiendo por 20 las medidas en S/cm, se obtiene el valor de dureza del agua en grados franceses. IMPORTANTE: Las mediciones de dureza del agua por medio de conductivmetros o medidores de TDS deben ser realizadas antes de los tratamientos de descalcificacin del agua. De hecho, estos dispositivos sustituyen el calcio (carbonato) con el sodio, diminuyendo el grado de dureza del agua, sin variar las concentraciones de slidos disueltos. CONDUCTIVIDAD Y DUREZA DEL AGUA

ppm 0-70 70-150 150-250 250-320 320-420

S/cm 0-140 140-300 300-500 500-640 640-840

f 0-7 7-15 15-25 25-32 32-42 superior 42

Dureza muy blanda blanda ligeramente dura moderadamente dura dura muy dura

superior a 420 superior a 840

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Sector Artes grficas

Aplicacin Baos de calibracin, procesado de pelculas

Produccin de Limpieza y control de filtros en las instalaciones, dosificacin de la cerveza y levadura sal en la levadura Tratamiento de las aguas de entrada en las instalaciones, control de agotamiento de resinas de suavizacin, control de membranas osmticas Hidropona y sistemas de regado Control de prdidas en los intercambiadores de calor, control de la concentracin de soluciones cidas y alcalinas y de la concentracin de sales en procesos productivos de Intercambiadores inicos, redichos de sales en el agua de las calderas, control de prdidas en humedecedores y condensadores Soluciones de grabado qumico, cincado, baos galvnicos, enjuague en la elaboracin de semi-conductores Preparacin de los minerales, procesado de la bauxita Conservas vegetales, lixiviacin, salmueras, centrales azucareras, elaboracin de quesos

Desalinizacin

Dosificacin fertilizantes

Industria qumica

Generadores calor/calderas Galvnica Elaboraciones metlicas

Industria alimenticia

Industria textil, Tratamiento de aguas residuales, baos blanqueantes y detergentes, papelera, curtidos mordientes

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GENERALIDADES DE LA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA La conductividad elctrica, se define como la capacidad que tienen las sales inorgnicas en solucin (electrolitos) para conducir la corriente elctrica. El agua pura, prcticamente no conduce la corriente, sin embargo el agua con sales disueltas conduce la corriente elctrica. Los iones cargados positiva y negativamente son los que conducen la corriente, y la cantidad conducida depender del nmero de iones presentes y de su movilidad. En la mayora de las soluciones acuosas, entre mayor sea la cantidad de sales disueltas, mayor ser la conductividad, este efecto contina hasta que la solucin est tan llena de iones que se restringe la libertad de movimiento y la conductividad puede disminuir en lugar de aumentas, dndose casos de dos diferentes concentraciones con la misma conductividad. Valores de conductividad de algunas muestras tpicas Temperatura de la muestra 25 C Agua ultrapura Agua de alimentacin a calderas Agua potable Agua de mar 5 % NaOH 50 % NaOH 10 % HCl 32 % de HCl 31 % HNO3 Conductividad, S/cm 0.05 1a5 50 a 100 53,000 223,000 150,000 700,000 700,000 865,000

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PRINCIPIOS La conductividad elctrica es el recproco de la resistencia a-c en ohms, medida entre las caras opuestas de un cubo de 1.0 cm de una solucin acuosa a una temperatura especificada. Esta solucin se comporta como un conductor elctrico donde se pueden aplicar las leyes fsicas de la resistencia elctrica. Las unidades de la conductividad elctrica son el Siemens/cm ( las unidades antiguas, eran los mhos/cm que son numricamente equivalentes al S/cm ). En la prctica no se mide la conductividad entre electrodos de 1 cm3 sino con electrodos de diferente tamao, rectangulares o cilndricos, por lo que al hacer la medicin, en lugar de la conductividad, se mide la conductancia, la cual al ser multiplicada por una constante ( k ) de cada celda en particular, se transforma en la conductividad en S/cm. Conductividad = Conductancia de la muestra * k k = d/A k: Constante de la celda d: distancia de la separacin de los electrodos A: Area de los electrodos As, un electrodo de 1 cm de separacin y con area de 1 cm , tendr una k = 1 La medicin elctrica se efecta mediante un puente de Wheastone para medir resistencias. Las resistencias R1 y R2 son fijas y su valor va de acuerdo al intervalo de conductividad que se pretende medir. La resistencia Rx es la que proporciona la solucin a la cual se le va a medir la conductividad. La resistencia R3 se vara en forma continua hasta poner en equilibrio el puente, de tal forma que no pase corriente hacia el medidor.

FIGURA 3.8 PUENTE DE WHEASTONE PARA MEDIR LA CONDUCTIVIDAD.

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III.3 SEMICONDUCTORES DE POTENCIA La introduccin de la tecnologa de transmutacin de neutrones en los aos setenta del pasado siglo hizo posible la fabricacin de dispositivos semiconductores de potencia con tensiones de bloqueo de ms de 1.000 V. Slo esta tcnica permite producir silicio con la homogeneidad de dopado requerida. Por aquel entonces, en esta categora de tensiones el tiristor era el nico dispositivo cuya tecnologa se dominaba correctamente. Sin embargo, el nmero de aplicaciones era muy limitado, ya que este dispositivo no permita el corte de corriente en un instante cualquiera. En los aos ochenta y noventa se unieron al tiristor varios dispositivos con capacidad de corte: el tiristor de corte de puerta o GTO (Gate Turn-Off Thyristor) y, posteriormente, el transistor bipolar con puerta aislada o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) y el tiristor conmutado con puerta integrada o IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor). Estos dispositivos incrementaron notablemente el espectro de definiciones de tareas explotables eficientemente. Gracias a estos dispositivos, los accionamientos elctricos de velocidad variable en el rango de megavatios representan hoy da la ms avanzada tecnologa y sera imposible imaginar la transmisin de energa elctrica y los sectores de estabilizacin de redes, donde las aplicaciones alcanzan sobradamente el rango de los gigavatios, sin la existencia de soluciones basadas en componentes semiconductores de potencia. Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Durante 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.

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Dentro de los dispositivos electrnicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, as como otros derivados de stos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunin o UJT, el transistor uniunin programable o PUT y el diodo Shockley.

FIGURA 3.9 DIODOS

FIGURA 3.10 DIODOS DE CONMUTACION

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FIGURA 3.11 TIRISTORES Existen tiristores de caractersticas especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO). Lo ms importante a considerar de estos dispositivos, es la curva caracterstica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la cada de tensin entre los electrodos principales. El componente bsico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conduccin). Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequea potencia. Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando est en estado de bloqueo, con pequeas cadas de tensin entre sus electrodos, cuando est en estado de conduccin. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias. Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro. El ltimo requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habr una mayor disipacin de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

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Ahora veremos los tres bloques bsicos de semiconductores de potencia y sus aplicaciones fundamentales: Semiconductores de alta potencia Dispositivo Intensidad mxima

Rectificadores estndar o rpidos 50 a 4800 Amperios Transistores de potencia Tiristores estndar o rpidos GTO 5 a 400 Amperios 40 a 2300 Amperios 300 a 3000 Amperios

Aplicaciones: Traccin elctrica: troceadores y convertidores, Industria: Control de motores asncronos, Inversores, Caldeo inductivo, Rectificadores. Etc. Mdulos de potencia Dispositivo Mdulos de transistores Intensidad mxima 5 a 600 A. 1600 V.

SCR / mdulos rectificadores 20 a 300 A. 2400 V. Mdulos GTO IGBT 100 a 200 A. 1200 V. 50 a 300A. 1400V.

Aplicaciones: Soldadura al arco, Sistema de alimentacin ininterrumpida (SAI), Control de motores, Traccin elctrica.

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Semiconductores de baja potencia Dispositivo Intensidad mxima SCR Triac Mosfet 0'8 a 40 A. 1200 V. 0'8 a 40 A. 800 V 2 a 40 A. 900 V.

Aplicaciones: Control de motores, aplicaciones domsticas, Cargadores de bateras, Control de iluminacin, Control numrico, Ordenadores, etc.

FIGURA 3.12 APLICACIONES

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ENCAPSULADO DE SEMICONDUCTORES DE POTENCIA. Los encapsulados para semiconductores de potencia eran poco ms que contenedores para los dispositivos, en la actualidad se estn convirtiendo cada vez ms en el elemento limitador de los sistemas electrnicos de corrientes fuertes. Por lo tanto, la atencin de los desarrolladores se est centrando cada vez ms en los aspectos de diseo del encapsulado para abordar sus limitaciones. FORMAS DE ENCAPSULADO En el campo de las altas potencias se han establecido dos formas de encapsulado conceptualmente distintas: el mdulo aislado y el encapsulado de contacto a presin 1 . La principal diferencia entre ellos es que, en el primer caso, el circuito elctrico est separado galvnicamente del disipador trmico por un aislador cermico, mientras que en el diseo de contacto a presin la corriente circula verticalmente por todo el mdulo, es decir, tambin a travs del disipador trmico. Ambas formas de encapsulado son apropiadas fundamentalmente para los IGBT e IGCT. En la prctica, sin embargo, los IGCT slo se ofrecen en encapsulados de contacto a presin, mientras que los IGBT se fabrican en ambas variantes. El encapsulado aislado predomina actualmente en sistemas con bajas potencias de salida (generalmente por debajo de 1 MW), ya que el circuito se puede implementar con una menor complejidad mecnica y, por tanto, con menores costes. Por otro lado, el encapsulado de contacto a presin se prefiere por varias razones para potencias superiores a 10 MW. Aqu discutiremos las dos razones ms importantes: En los sistemas con potencias de salida muy altas, los semiconductores se han de conectar en paralelo y/o en serie. Para este ltimo caso, especialmente, los encapsulados de contacto a presin tienen una gran ventaja, ya que los mdulos se pueden disponer apilados y separados slo por disipadores trmicos. Un ejemplo son las instalaciones de transmisin de energa elctrica HVDC (corriente continua y alta tensin), en las que se conectan en serie hasta 200 mdulos. El encapsulado de contacto a presin debe utilizarse si la aplicacin requiere garantizar la circulacin ininterrumpida de corriente (por ejemplo, un inversor de una fuente de corriente, pero tambin todos los sistemas que han de responder al fallo de un semiconductor o a un fallo de control, descargando la energa del enlace de CC poniendo en circuito los semiconductores). En un encapsulado de contacto a presin, los polos metlicos se funden cuando falla un semiconductor, garantizado en consecuencia una va conductora de corriente con baja impedancia. Por otro lado, en el encapsulado aislado la corriente circula a travs de hilos de soldadura, que en caso de fallo pueden evaporarse dejando abierto el circuito.

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REQUISITOS DE LA TECNOLOGA DE ENCAPSULADO Crear un diseo de encapsulado es un desafo que comprende dos factores principales: Los semiconductores de potencia modernos operan con una disipacin continua de potencia de 100200 W/Cm2 de silicio. Esta densidad de potencia es (por rea de superficie) aproximadamente una magnitud mayor que la de una placa de cocina calentada a la mxima potencia. Esto impone extraordinarias exigencias a la tecnologa de encapsulado y a los materiales utilizados. El coeficiente de dilatacin trmica (CTE) del silicio es aproximadamente de cinco a diez veces menor que el de la mayora de los metales (Cu, Al) adecuados para acoplamiento elctrico y trmico. Esto significa que componentes vitales en el encapsulado (contactos de los hilos de conexin, soldaduras) estn sometidos a considerables esfuerzos termomecnicos durante los cambios de carga, lo que limita considerablemente su vida til. Como consecuencia de estos requisitos, no queda ms remedio que utilizar materiales caros y muy sofisticados. Formas comunes de encapsulado para semiconductores de alta potencia: Un mdulo aislado (3.13) y un mdulo de contacto a presin (3.14 muestra un IGCT tpico). En los mdulos de encapsulados aislados, el semiconductor f est aislado galvnicamente del disipador trmico. Los contactos elctricos dentro del mdulo se hacen con hilos soldados. En caso de fallo del dispositivo, los hilos tienden a vaporizarse y el mdulo deja de conducir.

FIGURA 3.13 MODULO DE ENCAPSULADO AISLADO. En los mdulos de contacto a presin, la corriente de carga entra por una superficie k y sale por la superficie opuesta. Las bajas resistencias elctrica y trmica de los contactos estn aseguradas por la alta presin mecnica aplicada sobre esas superficies. En caso de fallo, las piezas polares metlicas j se funden y la corriente puede seguir circulando por el mdulo.

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FIGURA 3.14 MODULO DE CONTACTO A PRESION

UNIDAD IV 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

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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. Existen unos cuantos materiales que son magnticos de forma natural, o que tienen el potencial de convertirse en imanes. Algunos de estos materiales son: Hierro Hematita Magnetita Gases ionizados, (como el material del que estn hechas las estrellas )

Se puede hacer un imn para atraer objetos que contengan material magntico, como el hierro, aunque este no est magnetizado. Pero no se puede hacer un imn para atraer materiales plsticos, de algodn o de cualquier otro material, como roca de silicato, pues estos no son materiales magnticos. El que un material contenga hierro, o cualquier otro material magntico, no significa que sea un imn. Para que un material magntico se pueda convertir en un imn ha de tener condiciones especiales. Esto se debe a que un imn es un objeto de donde emana la fuerza del magnetismo. Historia 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 625 a. C. y 545 a. C. En China, la primera referencia a este fenmeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV a. C. titulado Libro del amo del valle del diablo: La magnetita atrae al hierro hacia s o es atrada por ste. 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.

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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 Orsted, 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, 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. Tipos de materiales magnticos Electromagnetos: Un 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.

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Magnetos temporales y permanentes: Un 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 un 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. IV.1.- INTRODUCCION A LOS MATERIALES MAGENTICOS El magnetismo, en el estado actual de la ciencia, se nos presenta como una propiedad general de la materia; es decir, cualquier sustancia en siempre activa frente a un campo magntico. Tal actividad se manifiesta porque al colocar un cuerpo en un campo magntico se pone en movimiento hacia las regiones de campos ms dbiles (cuerpos diamagnticos) o hacia las regiones de campos ms intensos (cuerpos paramagnticos). Existen sustancias, como las ferromagnticas, que son capaces de crear campos magnticos B en el espacio; es decir, producen fuerzas sobre corriente. A las sustancias que son capaces de producir campos magnticos sin que pasen por ellas corrientes libres (producidas por generadores), se le llama imanes permanentes. Se dice, en este caso, que la materia est imantada. Ampar tuvo la idea genial de explicar los fenmenos de los imanes, diciendo que por estos pasan unas corrientes internas no disipativas, las cuales son responsables de la produccin de los campos magnticos B. A estas corrientes se les llaman amperianas o internas. Hoy sabemos que las corrientes amperianas son a escala atmica, y que el momento cintico propio del electrn es el responsable principal de la imantacin de las sustancias. En lo que sigue, para analizar la influencia de las sustancias sobre el campo magntico en las que se introducen, es suficiente considerar la materia formada por un conjunto de espiras elementales situadas en el vaco. Las dems propiedades de los tomos resultan irrelevantes en lo que concierne a nuestro anlisis En algunos materiales, a los que llamaremos materiales magnticos, se observa que sus tomos o iones se comportan como si fuesen pequeos imanes que interactan entre s. En estos casos se dice que los tomos tienen un momento magntico diferente de cero, el cual se caracteriza por su magnitud y la direccin en la que est orientado. En lo sucesivo, a estos pequeos imanes los denominaremos espines magnticos o simplemente espines. Pero no todos estos materiales se comportan de la misma manera, debido a que sus propiedades magnticas dependen de dos factores. stos son: la magnitud de sus espines individuales, y

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la orientacin relativa de stos: Si los espines no tuviesen ninguna interaccin, ya sea entre ellos o con sus alrededores, entonces cada uno de ellos podra apuntar en cualquier direccin, puesto que no tendra preferencia alguna. Sin embargo, ste no es en general el caso: la orientacin que tomar cada uno de ellos depender del balance de varios factores que pueden resumirse en factores internos y externos. Como su nombre lo indica, los factores internos dependen de las caractersticas intrnsecas de cada material, esto es, del tipo de interacciones entre los espines. Por otro lado, los factores externos son los que estn relacionados con el ambiente, es decir, que dependen de la interaccin del sistema con sus alrededores. Como ejemplo de factores externos tenemos la posible existencia de un campo magntico producido por una fuente ajena al material, y por otro lado, de manera muy importante, la temperatura ambiental, ya que el medio ambiente funciona como una fuente de calor y agitacin para el material. Un ejemplo tpico de un material magntico, que todos conocemos, es el de los imanes permanentes. En este caso, una gran parte de los espines est alineada permanentemente en la misma direccin relativa. Y aunque el campo producido por cada uno estos espines es muy pequeo, al sumarse sus contribuciones individuales se produce un campo magntico que puede observarse macroscpicamente. En el otro extremo tenemos los materiales paramagnticos. En estos materiales los espines apuntan en direcciones totalmente azarosas, por lo que las contribuciones de los espines individuales tienden a anularse. Como consecuencia, a nivel macroscpico no se observa un campo magntico resultante. Sin embargo, existen localmente pequeos campos magnticos producidos por los espines, y un pequeo "imn de prueba" sentir las variaciones de este campo a lo largo del material. Interacciones entre los espines Las interacciones entre los espines son originadas por mecanismos diversos, algunos de los cuales no son del todo conocidos. Sin embargo, para nuestra discusin, nicamente es pertinente conocer el efecto de dichas interacciones, sin importar las causas que las originan. Lo que s es necesario sealar es que debido a un principio muy general de la naturaleza, la orientacin final de los espines ser aquella en donde la energa libre del sistema sea mnima. Para explicar a qu nos referimos, haremos una analoga entre un par de espines microscpicos y dos imanes permanentes. Esta analoga nos permitir hacernos una idea acerca de lo que sucede a nivel molecular.

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Si tomamos dos imanes permanentes, observaremos que los extremos de uno y otro se atraen o se repelen, debido a que cada uno de ellos tiene dos tipos de polos magnticos. Como consecuencia, si los ponemos en contacto veremos que tienden a alinearse de una cierta manera que resulta "natural" para ellos. Decimos entonces que los imanes han tomado su posicin de mnima energa, o de equilibrio. Si ahora tratamos de girar uno de ellos 180, veremos que necesitamos hacer un trabajo; esto es, dado que esta nueva posicin es de energa mayor que la anterior, necesitaremos suministrar energa para lograr y mantener esta nueva posicin, ya que en el momento en que dejemos de administrar esta energa extra, o sea, en cuanto dejemos de hacer fuerza para detener a los imanes y les permitamos girar libremente, stos cambiarn de direccin y se alinearn de nueva cuenta en su antigua direccin, esto es, regresarn a su estado de mnima energa. Algo similar sucede a nivel microscpico con los materiales a que nos hemos referido, nicamente que en vez de tener un par de imanes, tendremos un nmero del orden de 1023 pequeos imanes interactuando entre s. Entonces, cada par de espines tratar localmente de orientarse de la forma ms natural posible, es decir, de manera que la energa de ese par sea mnima. Como resultado de este proceso tenemos una gran diversidad de comportamientos en los diferentes materiales magnticos. Propiedades de los materiales magnticos Los mat

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