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Capítulo 2:

 Propiedades de los materiales. (Eléctricas)

Ahora, le daremos un vistazo  a lo que implica  el primer grupo que mencionamos dentro de las propiedades físicas. Recuerda, este curso es tan sólo una introducción.

Propiedades eléctricas: Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica, que va más allá de simplemente proporcionar aislamiento.

Los electrones son los portadores de carga en los materiales conductores, semiconductores y muchos de los aislantes; en los compuestos iónicos son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. La movilidad de los portadores depende de los enlaces atómicos, de las imperfecciones de la red, de la microestructura y, en los compuestos iónicos, de las velocidades de difusión.

La aplicación de un campo magnético genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en el material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada. Dentro de un campo eléctrico aplicado los dipolos se alinean causando polarización. Existen cuatro mecanismos de polarización:

- Polarización electrónica. Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto implica una distorsión del arreglo electrónico, en la que el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.

- Polarización iónica. Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico. En consecuencia la carga se redistribuye minúsculamente dentro del material. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo. Estos dipolos temporalmente inducidos causan polarización y también pueden modificar las dimensiones generales del material.

- Polarización molecular. Algunos materiales contienen dipolos naturales, que, al aplicárseles un campo giran, hasta alinearse con él. En algunos materiales, como el titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.

Anteriormente, al hablar de polarización iónica, mencionamos la posibilidad de que hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción,  además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos permanentes del material

Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional: cuando se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos.

Cuando se encuentran entre capas de material conductor, los materiales dieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas,  esta propiedad se describe mediante:

- Constante dieléctrica, que es la relación de la permisividad del material con la permisividad en el vacío.

- Resistencia dieléctrica.  Es el campo dieléctrico máximo que puede mantener un material entre conductores.

La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo eléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos permanentes. Esto sucede de la siguiente forma: se toma un cristal cuyos dipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no hay polarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con dicho campo; finalmente, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la polarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedado permanentemente polarizado. Los materiales que retienen una polarización neta, una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.

Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los portadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro a través de él, en consecuencia,  los materiales dieléctricos  tienen siempre una alta resistividad eléctrica.

Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad eléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo,  una constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable. Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo que no se almacena carga localmente en el aislante.

Esto es lo esencial respecto a las propiedades eléctrica de los materiales. En nuestra próxima entrega, estudiaremos las propiedades magnéticas.

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