Tema 20 Propiedades eléctricas de los materiales.

Transcripción

1 Tema 20 Propiedades eléctricas de los materiales. Las propiedades eléctricas miden la respuesta del material cuando se le aplica un campo eléctrico. Conductividad eléctrica R i = V ; R= resistencia del material eléctrica R V La resistencia eléctrica depende de la geometría del material, y para muchos materiales es independiente de la corriente eléctrica. l A R = ρ l A ρ= resistividad del material. Es una propiedad del material (es independiente de la geometría). Muchas veces, la naturaleza eléctrica del material se define por la conductividad eléctrica (σ) σ = 1 ρ La conductividad es la facilidad con la cual, el material es capaz de conducir una corriente eléctrica. Los materiales sólidos poseen un rango muy amplio de conductividades eléctricas. 179

2 Dependiendo de la facilidad con que pueden conducir la corriente eléctrica pueden clasificarse en: conductores semiconductores aislantes Una corriente eléctrica resulta del movimiento de partículas cargadas eléctricamente en repuesta a fuerzas que actúan sobre ellas desde un campo eléctrico externo. La corriente puede ser causada por: Flujo de electrones (conducción electrónica) Flujo neto de iones cargados. Se da en los materiales iónicos y se llama conducción iónica. energía en los sólidos Los electrones de un átomo aislado poseen niveles de energía. (niveles 1,2,3, subniveles s, p, d, f) 180

3 Suponga que un material sólido consiste en N átomos separados unos de los otros. Los electrones de cada átomo ocupan su correspondiente nivel de energía. A medida los átomos se juntan para formar al material, sus electrones son perturbados por los electrones y los núcleos de los átomos adyacentes. Debido a esta influencia, cada nivel se divide en una serie de estados de energía muy cercanos formando la banda de energía de los electrones. La separación de estos estados depende de la distancia de separación entre los átomos y comienza con los niveles de energía más lejanos al núcleo. energía 2s (12 estados) Nivel 2s Energía energía 1s (12 estados) Nivel 1s Esquema para N = 12 átomos Energía distancia interatómica 181

4 energía Band gap energía La interacción entre los átomos forma bandas de energía donde se encuentran los electrones. Distancia de equilibrio entre los átomos del material. Distancia Interatómica... Las propiedades eléctricas de un material sólido resultan de esta estructura de bandas electrónicas. La banda que contiene los electrones de más alta energía, o electrones de valencia, se llama banda de valencia. La siguiente banda más energética es la banda de conducción. La mayoría de las veces está banda está vacía. Existen cuatro tipos de estructuras electrónicas a cero grados Kelvin. 1. conducción vacía Band gap vacíos Estructura característica de metales como el cobre valencia Estados Estados llenos 182

5 2. conducción vacía valencia llena Estructura de metales como el magnesio. La banda de valencia está llena, pero se traslapa con la banda de conducción, la cual sin el traslape estaría totalmente vacía. 3. conducción vacía Band gap valencia completa Estructura característica de los aislantes. La banda de valencia está completa y separada de la banda de conducción por un espacio grande (>2ev) 4. conducción vacía Band gap valencia completa Estructura de los semiconductores. Es igual a la de los aislantes con la diferencia que el banda gap es pequeño. (<2ev) es la energía Fermi. Es la energía que corresponde al estado lleno más alto. Solo los electrones con energía mayor que la energía Fermi pueden ser acelerados por la presencia de un campo eléctrico. Estos son los electrones que participan en la conducción y se llaman electrones libres. 183

6 Metales Estados vacíos Estados llenos Para que un electrón sea libre, debe ser enviado a uno de los estados vacíos disponibles sobre. Los metales de la estructura 1 y 2 tienen estados de energía vacantes adyacentes a los estados más altos llenos en. Por tanto, se necesitan de muy poca energía para enviar a los electrones a los estados vacíos. Generalmente, la energía proporcionado por el campo eléctrico es suficientemente para enviar grandes cantidades de electrones a los estados vacíos. Aislantes y semiconductores Conducción Electrón libre E Eg Band gap Valencia Agujero en la banda de valencia 184

7 Para aislante y semiconductores, no existen estados vacíos adyacentes a los estados de valencia completos. Para volverse libres, los electrones deben cruzar el band gap y llegar a la banda de conducción. Esto solo es posible dándole al electrón la diferencia de energía entre los dos estados, la cual es aproximadamente igual a Eg. Para muchos materiales, el band gap es varios ev en ancho. La mayoría de las veces la energía de excitación es de una fuente no-eléctrica como calor o luz. El número de electrones excitados térmicamente depende de Eg y de la temperatura. A una temperatura dada, a mayor Eg se tiene menor probabilidad que un electrón de valencia pase a la banda de conducción. Por tanto, a mayor Eg se tiene menor conductividad eléctrica a una temperatura dada. La diferencia entre semiconductores y aislantes depende de la band gap. Para los semiconductores es pequeña mientras que para los aislantes es grande. Al aumentar la temperatura de un semiconductor o un aislante resulta en un incremento de energía térmica disponible para excitar a los electrones. Por tanto, más electrones pueden pasar a la banda de conducción, lo cual mejora la conductividad. Movilidad de los electrones. Un campo eléctrico ejerce una fuerza sobre los electrones haciendo que éstos se aceleren. En una estructura cristalina perfecta, no existe interacción entre los electrones y los átomos. Bajo estas circunstancias todos los electrones libres deberían acelerarse mientras el campo eléctrico se mantenga aplicado, lo cual generaría una corriente eléctrica que se incrementa continuamente en el tiempo. Como se observa que la corriente alcanza un valor constante cuando se aplica en campo eléctrico, deben existir fuerzas de fricción que contrarrestan la aceleración del campo eléctrico. Las fuerzas de fricción resultan de la dispersión de los electrones en las imperfecciones de la estructura cristalina. Las imperfecciones pueden ser: Impurezas Vacancias Átomos intersticiales Dislocaciones 185

8 Las vibraciones térmicas de los átomos Cada choque causa que el electrón pierda energía cinética. La corriente eléctrica consiste en el movimiento neto de electrones. Si se incrementan los defectos de la estructura cristalina. La resistividad aumenta (o la conductividad disminuye) La resistividad de un metal depende: La contribución de las vibraciones térmicas (ρ t ) Las impurezas (ρ i ) La deformación plástica que tenga el material (ρ d ) ρ total = ρ t + ρ i + ρ d Los materiales cerámicos poseen iones cargados eléctricamente, estas cargas pueden moverse por difusión cuando se aplica un campo eléctrico. Conductividad total =conductividad por electrones + conductividad iónica La mayoría de materiales polímeros son malos conductores de la electricidad, debido a la poca disponibilidad de grandes cantidades de electrones libres. Existen polímeros con conductividad comparable a la de los metales. El mecanismo de conducción en estos materiales no se comprende bien, pero se supone que es electrónica. 186