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PROPIEDAD DE LOS MATERIALES

Equipo#3Nely Del Carmen len gomezDaniel gomez de la cruzAlejandro HuitronNarda Gonzlez MendozaIndic

Propiedades elctricas y magnticasPropiedades mecnicasPropiedades qumicas

Propiedades elctricas.En la actualidad da a da utilizamos distintos objetos y herramientas, estos de aqu se encuentran hechos de distintos materiales. Los materiales se pueden clasificar en:Materiales metlicosMateriales polmerosMateriales cermicosCada uno de los cuales tienen distintas propiedades debido a su estructura y su composicin.Las propiedades de cada uno de los materiales varan de acuerdo a su fuerza de enlace.Estas propiedades sirven para el diseo de estructuras y maquinarias en la ingeniera y en el da a da. Es importante establecer que al mismo tiempo que existen distintos tipos de materiales, existen tambin para cada uno de ellos, diferentes tipos de propiedades. Propiedades elctricas: basadas en como reacciona un material ante un campo elctrico.

Propiedades mecnicas: basadas en el comportamiento ante un fenmeno externo.Es importante establecer entonces a partir de los tres tipos ms referenciales de materiales clasificados de acuerdo a su comportamiento elctricos: conductores, semiconductores y dielctricos; los cuales podemos analizar de acuerdo a las propiedades antes mencionadas y vincularlos con la clasificacin de acuerdo a su estructura cristalina: metlicos, cermicos y polmeros. CONDUCTORES: Son aquellos con gran nmero de electrones en la Banda de Conduccin, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros.

SEMICONDUCTORES: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fcilmente de la Banda de Valencia a la de Conduccin, si se les comunica energa exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cermicos.

AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones estn fuertemente ligados al ncleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el polister; en lo que integran una gran cantidad de materiales cermicos y materiales polmeros.6

Las propiedades elctricas de un material describen su comportamiento elctrico -que en muchas ocasiones es ms crtico que su comportamiento mecnico- y describen tambin su comportamiento dielctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente elctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga elctrica (por deficiencia o exceso de los mismos) e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante. En los compuestos inicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga.Comportamiento elctrico y conductividadAdicional a esto la facilidad de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atmicos, las dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su micro-estructura, y de las velocidades de difusin (compuestos inicos). Para esto es necesario antes especificar que el comportamiento elctrico de cualquier material, el cual se deriva a partir de propiedades como la conductividad elctrica. Por eso la conductividad elctrica abarca un gran rango dependiente del tipo de material. Los electrones son precisamente los portadores de la carga en los materiales conductores (como los metales), semiconductores y muchos aislantes.

TEMPERATURA Y ESTRUCTURA: PARAMETROS QUE AFECTAN LA CONDUCTIVIDAD

La conductividad de un material se ve afectado por su estructura de bandas de energa a nivel atmico. Sin embargo, la conductividad es afectada tambin por el cambio de la energa cintica de los tomos o molculas debido al amplio incremento o disminucin de temperatura. De igual manera se afecta la conductividad por efecto del cambio o tipo de su estructura debido a las imperfecciones a nivel cristalino de la misma.Conductividad en los materialesConductividad en los materialesEn el caso de los metales cuando se incrementa bastante la temperatura de este, la energa trmica hace que los tomos vibren mucho ms, incrementando su energa interna (energa cintica de los tomos). Ya con esto, la movilidad de los electrones al igual que el recorrido libre medio (distancia promedio entre colisiones) se reduce, no as aumenta la resistividad del metal.

EFECTO DEL PROCESAMIENTO Y DEL ENDURECIMIENTO EN UN MATERIAL METLICO

Por lo general, un material metlico, es procesado o endurecido, antes de ser empleado o usado para alguna aplicacin tcnica. Estas prcticas afectan de maneras distintas a las propiedades elctricas de un material. En el caso del endurecimiento por solucin slida al agregar tanto tomos sustituciones como intersticiales se puede aumentar la resistencia mecnica. No as, al incrementar la cantidad de componente aleante en un material, la conductividad se ve disminuida.Propiedades magnticas

Las fuerzas magnticas se generan mediante el movimiento de partculas cargadas Elctricamente; existen junto a las fuerzas electrostticas. FUERZAS MAGNETICAS Distribuciones del campo magntico de : una espira por la que circula corriente y de un imn en forma de barra. En los materiales magnticos existen polos magnticos, Son anlogos a los dipolos elctricos. Los dipolos magnticos pueden considerarse como pequeos imanes formados por un polo norte y un polo sur. Dentro de un campo magntico, la fuerza del campo orienta los dipolos en la direccin del campo

14El campo magntico es la regin del espacio en la que se manifiestan los fenmenos magnticos. Estos se representan segn unas lneas de campo. Existe un campo magntico en una regin del espacio si al penetrar en ella una carga mvil experimenta una fuerza que dependa de su velocidadCAMPO MAGNETICOAl igual que los campos elctricos, los campos magnticos se pueden representar mediantes lneas de campo o lneas de fuerza que tendrn distinta forma segn sea el agente creador del campo

PROPIEDADES MAGNETICASPropiedades magnticas: basada en el comportamiento de un material en presencia de un campo magntico.

Propiedades MagnticasLos electrones, son, por as decirlo, pequeos imanes. En un imn todos los electrones tienen la misma orientacin creando una fuerza magntica.Un material magntico, es aquel que presenta cambios fsicos al estar expuesto a un campo magntico.

Se pueden clasificar en 8 tipos, pero solo tres son los que definiremos en profundidad.

Tipo de MaterialCaracteristicasDiamagnticoLas lineas magnticas de estos materiales, son opuestas al campo magntico al que estn sometidos, lo que significa, que son repelidos. No presenta ningn efecto magntico aparente.Ej: bismuto, plata, plomo, etc.ParamagnticoCuando estn expuestos a un campo magntico, sus lineas van en la misma direccin, aunque no estn alineadas en su totalidad. Esto significa, que sufren una atraccin similar a la de los imanes.Ej: aluminio, paladio, etc.FerromagnticoSon materiales que al estar a una temperatura inferior al valor determinado, presentan un campo magntico fuerte.Ej: hierro, cobalto, nquel, etc.Propiedades TermicasPROPIEDADES TERMICASPropiedades trmicas: basada en la reaccin de un material durante cambios de temperatura.

La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta practicamente a todas las caracteristicas de los materiales.Las propiedades mecanicas, electricas o magneticas sufren importantes cambios cuando la temperatura varia.Deben tenerse en cuenta los efectos termicos a la hora de dimensionar o seleccionar el material idoneo ya que algunas aplicaciones industriales requieren la utilizacion de materiales con propiedades termicas especificas.

Cuando un solido recibe energia en forma de calor, el material absorbe calor, lo transmite y se expande. Estos tres fenomenos dependen respectivamente de tres propiedades caracteristicas del material: la capacidad calorifica, su conductividad termica y de su coeficiente de dilatacion

Capacidad Calorifica Es la energa necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura. La capacidad calorfica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energa calorfica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma ms rigurosa, es la energa necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia trmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino tambin de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es caracterstica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorfica del agua de una piscina olmpica ser mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorfica depende adems de la temperatura y de la presin.Para medir la capacidad calorfica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorfica viene dada por:

donde:

C: es la capacidad calorfica, que en general ser funcin de las variables de estado.Q: es el calor absorbido por el sistema.Delta T: la variacin de temperaturaSe mide en unidades del SI julios por kelvin (J/K) (o tambin en cal/C).Al multiplicar por la masa molecular de la sustancia se obtendria la capacidad calorifica molar, menos usada en ingenieria.El calor no es una funcion de estado del sistema, sino que depende del camino, por tanto hay dos modos de medir el calor especifico. Uno manteniendo el volumen constante, cv, y el otro, manteniendo la presion constante, cp. El valor de cp es siempre mayor que el de cv, pero su diferencia es pequena para la mayoria de los solidos a temperatura ambiente o inferiores. En ingenieria se trabaja a presion constante.Conductividad TermicaLa Conductividad Trmica es la propiedad fsica de cualquier material que mide la capacidad de conduccin del calor a travs del mismo. La conductividad trmica es una capacidad elevada en los metales y en general en cuerpos continuos, y es ms baja en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales tales como la fibra de vidrio, denominados por ello, aislantes trmicosPara generar la conduccin trmica se necesita una sustancia, por tal razn, es nula en el vaco.El coeficiente de conductividad trmica () caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogneo obtenga una diferencia de 1 C de temperatura entre las dos caras. Este es un mecanismo molecular de transferencia de calor que se genera por la excitacin de las molculas.Se presenta en todos los estados de la materia con predominancia en los slidos.En mayor o menor medida, todos los materiales oponen resistencia al paso del calor a travs de ellos.

Los metales son los que tienen menor resistencia, por ello se dice que tienen buena conductividad trmica

Los materiales de construccin (yesos, ladrillos, morteros) tienen una

Los materiales que ofrecen una alta resistencia trmica se llaman aislantes trmicos especficos o sencillamente, aislantes trmicos.

Dilatacion Termica.La dilatacin trmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen debido a su temperatura. Afecta a todos los estados de agregacin de la materia.Cuando un cuerpo aumenta su temperatura, las partculas se mueven ms deprisa, por lo que necesitan ms espacio para desplazarse. Es por ello que el cuerpo necesita aumentar su volumen.Cuando en lugar de aumentar, la temperatura disminuye, el volumen del cuerpo tambin lo hace, hablndose en estos casos de contraccin trmica.

Estos fenmenos son especialmente importantes a la hora de fabricar determinadas estructuras como por ejemplo las vas de tren. Las industrias que fabrican los rieles los entregan con una longitud de unos 12 m. Es necesario unirlos (generalmente abulonados) para formar las vas. Durante el da la temperatura ambiente que pueden llegar a soportar ronda entorno a los 40 e incluso el acero puede alcanzar una temperatura muy superior. Dicha temperatura provoca dilataciones en las vas favoreciendo que en las uniones se provoquen deformaciones. Por esta razn, justamente en dichas uniones se deja una separacin de unos 5 mm denominado junta de dilatacin. Dilatacion de SolidosDe entre los estados de agregacin de la materia estudiados, el estado slido es el que tiene las fuerzas de cohesin ms fuertes, por lo que resulta ms dificil observar la dilatacin que en lquidos y gases. En funcin del nmero de dimensiones que predominan en el cuerpo, podemos distinguir tres casos:

Dilatacin lineal

Se produce cuando predomina una dimensin frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alhambres, barras...Dilatacin superficial

Se produce cuando predominan dos dimensiones (una superficie) frente a una tercera. Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: lminas, planchas...Dilatacin volumtrica o cbica

Se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente relevantes. Ejemplos de cuerpos que se dilatan de modo volumtrico son: los dados del parchs, o las estatuas de los jardines ...Dilatacion de los liquidosEl efecto de la dilatacin en los lquidos es ms evidente que en los slidos: al encontrarse sus molculas con ms libertad para moverse, el volumen que ocupa cada una aumenta ms facilmente con la temperatura, por lo que tambin lo hace el volumen del lquido en su conjunto. Su expresin es similar a la dilatacin volumtrica de los slidos.Valores tpicos del coeficiente de dilatacin

El coeficiente de dilatacin en el caso de los lquidos suele variar con la temperatura de forma ms pronunciada a lo que ocurre en los slidos. A continuacin se recogen algunos valores tpicos del coeficiente de dilatacin para lquidos a una temperatura de 20 C. Observa que son sensiblemente superiores al caso de los slidos. Esto implica que la dilatacin en los lquidos es ms evidente que en los slidos para un mismo material y un mismo cambio de temperatura.Propiedades QuimicasAl hablar de las propiedades quimicas de un material, en general nos referimos a dos conceptos basicos: la reactividad de los materiales, es decir, como se afecta un material ante la presencia de otro en condiciones de presion volumen y temperatura especificas; y la estabilidad de los materiales, donde se mide que tanto tiempo un material se mantiene sin sufrir cambio estructural alguno; esto dependera en muchos casos no solo del tiempo, sino de las condiciones ambientales a las que este sometido dicho material. En el caso de elementos puros, la posicion de estos en la tabla periodica nos permitira conocer a priori dichas propiedades. Ambas propiedades se encuentran relacionadas con los siguientes conceptos:

Potencial ionico. Es la energia que se requiere para quitar un electron de la capa mas externa (energia para formar cationes).

Electronegatividad. Esta cuantifica la capacidad de un elemento para atraer un electron y compartirlo con otro elemento.

Valencia. Es el numero de electrones que un atomo es capaz de ceder o aceptar, por lo que puede ser un valor positivo o negativo.

Radio ionico. Se deduce a partir de la distancia del enlace cuando un atomo esta enlazado con otro y controla las sustituciones en las redes cristalinas y la solubilidad de los elementos.Divididos por grupos, los elementos tienen las siguientes caracteristicas generales:

Los metales alcalinos, litio (Li), sodio (Na), potasio (K), rubidio (Rb), cesio (Cs) y francio ( Fr), son metales blandos de color gris plateado. Presentan densidades muy bajas y son buenos conductores de calor y la electricidad; reaccionan de inmediato con el agua, oxigeno y otras substancias quimicas, y nunca se les encuentra como elementos libres en la naturaleza.Los compuestos tipicos de los metales alcalinos son solubles en agua y estan presentes en el agua de mar y en depositos salinos. Los compuestos de los metales alcalinos son isomorfos, lo mismo que los compuestos salinos del amonio. Este radical presenta grandes analogias con los metales de este grupo.Estos metales, cuyos atomos poseen un solo electron en la capa externa, son monovalentes. Dada su estructura atomica, ceden facilmente el electron de valencia y pasan al estado ionico. Esto explica el caracter electropositivo que poseen, asi como otras propiedades.Metales alcalinos

Metales alcalinos-terrosEl nombre del grupo proviene de la situacion entre los metales alcalinos y los elementos terreos y del hecho de que sus "tierras" (nombre antiguo para los oxidos de calcio, estroncio y bario) son basicos (alcalis). Son: berilio (Be), magnesio (Mg), calcio (Ca), estroncio(Sr), bario (Ba) y radio (Ra).

Estos elementos tienen incompletas sus capas electronica por lo que con gran facilidad dan origen a iones. que. Este atributo le confiere diversas propiedades sobresalientes, como su coloracion particular, la capacidad de formar compuestos paramagneticos, poseer una actividad catalitica y en especial, una gran tendencia a formar iones complejos (contiene un cation metalico central unido o una o mas moleculas de iones), pueden modificar su spin sin variar su estado de oxidacion y nunca estan libres en los organismos biologicos (ligados a proteinas, metaloproteinas, metaloenzimas)Metales de TransicionNo metales y tierras rarasLos no metales varian mucho en su apariencia no son lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad. Sus puntos de fusion son mas bajos que los de los metales. Varios no metales existen en condiciones ordinarias como moleculas diatomicas. En esta lista estan incluidos cinco gases (H2, N2, 02, F2 y C12), un liquido (Br2) y un solido volatil (I2). El resto de los no metales son solidos que pueden ser duros como el diamante o blandos como el azufre.Contrario de los metales, son muy fragiles y no pueden estirarse en hilos ni en laminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxigeno), liquidos (bromo) y solidos (como el carbono). No tienen brillo metalico y no reflejan la luz. Muchos no metales se encuentran en todos los seres vivos: carbono,hidrogeno, oxigeno, nitrogeno, fosforo y azufre en cantidades importantes. HalgenosEl nombre halogeno, o formador de sal, se refiere a la propiedad de cada uno de los halogenos de formar, con el sodio, una sal similar a la sal comun (cloruro de sodio). Todos los miembros del grupo tienen una valencia de -1 y se combinan con los metales para formar halogenuros (tambien llamados haluros), asi como con metales y no metales para formar iones complejos. Los cuatro primeros elementos del grupo reaccionan con facilidad con los hidrocarburos, obteniendose los halogenuros de alquilo.Los halogenos, grupo de elementos quimicos puros formado por el fluor (F), el cloro (Cl), el bromo (Br), el yodo (Y) y el astato (At).La reactividad o capacidad de combinacion con otros elementos es tan grande en los halogenos que rara vez aparecen libres en la naturaleza. Se encuentran principalmente en forma de sales disueltas en el agua de mar o en extensos depositos salinos originados en epocas geologicas antiguas por evaporacion de mares interiores. El ultimo elemento del grupo, el astato, nombre que significa inestable, se obtiene al bombardear bismuto con particulas alfa (nucleos de helio), por lo que constituye un producto asociado a las distintas series radiactivas.Gases noblesEstos elemento se consideran inertes debido a que su estado de oxidacion es 0, teniendo 8 electrones en su ultima capa (2 electrones s y 6 electrones p), lo que les impide formar compuestos facilmente. Tienen una energia de ionizacion muy alta, por lo que son muy estables. Los elementos son: helio(He), neon (Ne), argon (Ar), cripton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn) y ununoctio (Uuo) descubierto en 2005 y producido exclusivamente en laboratorio.El helio es el segundo elemento mas abundante del Universo. En la atmosfera hay un 1% de gases nobles (fundamentalmente argon (0,94%)). En general, estos gases se obtienen por licuacion fraccionada de aire.PropiedadesMecanicasLas propiedades mecnicas pueden definirse como aquellas que tienen que ver con el comportamiento de un material bajo fuerzas aplicadas. Las propiedades mecnicas se expresan en trminos de cantidades que son funciones del esfuerzo o de la deformacin o ambas simultneamente.

Las propiedades mecnicas fundamentales son la resistencia, la rigidez, la elasticidad, la plasticidad y la capacidad energtica. La resistencia de un material se mide por el esfuerzo segn el cual desarrolla alguna condicin limitativa especfica. Las principales condiciones limitativas o criterios de falla son la terminacin de la accin elstica y la ruptura. La dureza, usualmente indicada por la resistencia a la penetracin o la abrasin en la superficie de un material, puede considerarse como un tipo o una medida particular de la resistencia. La rigidez tiene que ver con la magnitud de la deformacin que ocurre bajo la carga; dentro del rango del comportamiento elstico, la rigidez se mide por el mdulo de elasticidad.La elasticidad se refiere a la capacidad de un material de deformarse no permanentemente al retirar el esfuerzo. El trmino plasticidad se usa para indicar la capacidad de deformacin en el rango elstico o plstico sin que ocurra ruptura; un ejemplo de medicin de la plasticidad es la ductilidad de algunos metales, llamados dctiles. La capacidad de un material para absorber energa elstica depende de la resistencia y la rigidez; por ejemplo, la capacidad energtica en el rango de accin elstica se denomina resiliencia; la energa requerida para romper un material se denomina tenacidad.

Plasticidad: Capacidad de un material a deformarse ante la accin de una carga, permaneciendo la deformacin al retirarse la misma. Es decir es una deformacin permanente e irreversible. La plasticidad es la propiedad mecnica de un material inelstico, natural, artificial, biolgico o de otro tipo, de deformarse permanente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elstico, es decir, por encima de su lmite elstico. En los metales, la plasticidad se explica en trminos de desplazamientos irreversibles de dislocaciones. En los materiales elsticos, en particular en muchos metales dctiles, un esfuerzo uniaxial de traccin pequeo lleva aparejado un comportamiento elstico. Eso significa que pequeos incrementos en la tensin de traccin comporta pequeos incrementos en la deformacin, si la carga se vuelve cero de nuevo el cuerpo recupera exactamente su forma original, es decir, se tiene una deformacin completamente reversible. Sin embargo, se ha omprobado experimentalmente que existe un lmite, llamado lmite elstico, tal que si cierta funcin homognea de las tensiones supera dicho lmite entonces al desaparecer la carga quedan deformaciones remanentes y el cuerpo no vuelve exactamente a su forma. Es decir, aparecen deformaciones no-reversibles.

Dureza: Es la resistencia de un cuerpo a ser rayado por otro. Opuesta a duro es blando. El diamante es duro porque es difcil de rayar. Es la capacidad de oponer resistencia a la deformacin superficial por uno ms duro. La dureza es la oposicin que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetracin, la abrasin, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes; entre otras. Tambin puede definirse como la cantidad de energa que absorbe un material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho ms difcil de rayar. En metalurgia la dureza se mide utilizando un durmetro para el ensayo de penetracin. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. El inters de la determinacin de la dureza en los aceros estriba en la correlacin existente entre la dureza y la resistencia mecnica, siendo un mtodo de ensayo ms econmico y rpido que el ensayo de traccin, por lo que su uso est muy extendido.Hasta la aparicin de la primera mquina Brinell para la determinacin de la dureza, sta se meda de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material ms duro que se empleaba en los talleres.

Fragilidad: La fragilidad se relaciona con la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad. Aunque tcnicamente la fragilidad se define ms propiamente como la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformacin. Por el contrario, los materiales dctiles o tenaces se rompen tras sufrir acusadas deformaciones, generalmente de tipo deformaciones plsticas, tras superar el lmite elstico. Los materiales frgiles que no se deforman plsticamente antes de la fractura suelen dan lugar a "superficies complementarias" que normalmente encajan perfectamente.

La rotura frgil tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energa, a diferencia de la rotura dctil, ya que la energa absorbida por unidad de volumen viene dada por:Si un material se rompe prcticamente sin deformacin las componentes del tensor deformacin resultan pequeas y la suma anterior resulta en una cantidad relativamente pequea.

La fragilidad de un material adems se relaciona con la velocidad de propagacin o crecimiento de grietas a travs de su seno.