Materiales eléctricos y Magnéticos

ADENDA
para la asignatura:
Materiales eléctricos y
Magnéticos
Código: 641078
CURSO 09 – 10
E.T.S. Ingenieros Industriales
INGENIERIA TECNICA INDUSTRIAL
Tabla de Contenido
1
CONTENIDOS __________________________________________________________________3
1.1
Unidad Didáctica 1 – Fundamentos de materiales ________________________________________3
1.2
Unidad Didáctica 2 – Materiales eléctricos, electrónicos y magnéticos ________________________6
1.3
Unidad Didáctica 3 – Circuitos magnéticos y conversión de energía _________________________9
2
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA ________________________________________________________11
3
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA _____________________________________________11
ASIGNATURA: MATERIALES ELECTRICOS Y MAGNETICOS
1 CONTENIDOS
De forma previa al estudio de la asignatura, se le recomienda al alumno haber superado
satisfactoriamente la formación correspondiente a Física y Química de la Carrera, así como repasar los
conceptos básicos relativos a estructura atómica y enlaces, así como los de corriente eléctrica,
conductividad, densidad de flujo magnético e intensidad de campo magnético.
1.1 Unidad Didáctica 1 – Fundamentos de materiales
Tema
Tema 1
Contenidos
Materiales en la ingeniería
En este tema se pretende introducir al alumno en el
mundo de los materiales y su aplicación en ingeniería
El alumno deberá obtener al final una visión clara de la
evolución del uso de los materiales con el tiempo, así
como de los tipos de materiales actualmente usados en
ingeniería
Adicionalmente deberá obtener nociones del proceso y
selección de materiales
El conocimiento de este tema se estructura según el
siguiente esquema:
• Perspectiva histórica de los materiales
• Concepto de Ciencia en Ingeniería de materiales
• Tipos de materiales
• Estructura y propiedades de los materiales
• Procesado y selección de materiales
Material
Shackelford, Capitulo 1 completo
(1.1 - 1.2 – 1.3 – 1.4 – 1.5 – 1.6)
Paginas 1 - 20
Tema
Tema 2
Contenidos
El enlace atómico
Material
Shackelford Capítulo 2 completo
(2.1 – 2.2 – 2.3 – 2.4 – 2.5 – 2.6)
Este tema pretende profundizar en los conceptos físicos
de la estructura atómica, así como de de los distinto tipos
de enlaces, de forma que el alumno pueda abordar con
conceptos claros el resto de los temas de la asignatura. El
estudio de este tema es una profundización a lo que el
alumno haya podido estudiar al respecto, de forma previa
en los cursos de física y química.
El conocimiento de este tema se estructura según el
siguiente esquema:
• Estructura atómica
• Enlaces
o Iónico
o Covalente
o Metálico
o De Van der Waals
• Clasificación de materiales en función del tipo de
enlace
Tema 3
Estructura cristalina
Este tema pretende que el alumno se familiarice con una
estructura de orden superior al enlace atómico, que son
las estructuras.
Para esto el alumno deberá adquirir un conocimiento
somero de los distintos tipos de redes y sistemas
cristalinos en los que se ordenan los átomos de los
compuestos con estructura ordenada o cristalina
Posteriormente, el alumno, deberá profundizar en como se
estructuran las construcciones moleculares de los
distintos materiales de estructura “ordenada” en función
de la disposición espacial de sus átomos.
El conocimiento de este tema se estructura según el
siguiente esquema:
• Sistemas y redes cristalinas
• Estructuras metálicas
• Estructuras poliméricas
• Estructuras semiconductoras
Shackelford Capitulo 3 parcial.
(3.1 – 3.2 – 3.3 – 3.4 – 3.5)
Tema
Tema 4
Contenidos
Defectos cristalinos y estructura no cristalina
En este tema se pretende que el alumno consiga un
conocimiento de la “realidad imperfecta” de las
estructuras atómicas en los materiales
Después de haber estudiado la “perfección” cristalina del
tema anterior, ahora deberá estudiar las faltas de
perfección reales, su clasificación y la incidencia que
estas imperfecciones tienen en el comportamiento de los
materiales.
El conocimiento de este tema se estructura según el
siguiente esquema:
• Imperfección química: Soluciones sólidas
• Defectos cristalinos:
o Puntuales o imperfecciones de dimensión
cero
o Lineales o imperfecciones
unidimensionales
o Superficiales o imperfecciones
bidimensionales
• Sólidos no cristalinos o con imperfección
cristalina tridimensional
Material
Shackelford Capitulo 4 parcial
(4.1 – 4.2 – 4.3 – 4.4 – 4.5)
1.2 Unidad Didáctica 2 – Materiales eléctricos, electrónicos y magnéticos
Tema
Tema 5
Contenidos
Conducción eléctrica y Materiales eléctricos.
En este tema se estudia una propiedad fundamental de los
materiales: la conducción eléctrica. Se estudiará como la
conducción eléctrica es una propiedad consecuencia de la
naturaleza electrónica del enlace atómico. Se retoman los
conceptos de niveles de energía, estudiados en el tema 2,
para estudiar la conducción eléctrica, para lo que se
definirá una nueva magnitud: la conductividad. Usaremos
esta magnitud para clasificar los materiales y estudiarlos
según sus capacidades de conducción.
Estructura del tema:
• Portadores de carga y conducción eléctrica
• Niveles y bandas de energía
• Materiales conductores
• Materiales aislantes
• Materiales semiconductores
• Materiales compuestos
• Clasificación de os materiales atendiendo a la
conductividad eléctrica
Material
Shackelford Capítulo 15
completo
(15.1 - 15.2 - 15.3 - 15.4 - 15.5 15.6 - 15.7)
Tema
Tema 6
Contenidos
Materiales electrónicos (semiconductores)
Material
Shackelford Capítulo 17
completo
(17.1 - 17.2 - 17.3 - 17.4 - 17.5 En este tema se analizaran en profundidad los materiales
de tipo semiconductor introducidos en el tema anterior. Se 17.6)
analizarán los materiales que intrínsecamente so
semiconductores, como el silicio puro. Se analizará
después los efectos de introducir impurezas, o dopado, en
los semiconductores resultando lo que se ha dado en
denominar semiconductores extrínsecos. Posteriormente
se completara el estudio pasando de estudiar elementos
semiconductores a estudiar compuestos semiconductores
tales como el Arseniuro de Galio (GaAs) de uso habitual
en la electrónica actual.
Una vez estudiados los semiconductores anteriores, que
presentan una estructura cristalina se pasa al estudio de
semiconductores con estructura no cristalina o amorfa de
creciente aplicación en energía solar fotovoltaica.
Finaliza el tema con una visión general el proceso de
fabricación de semiconductores y del uso de estos
semiconductores en dispositivos electrónicos como
anticipación de lo que se verá en asignaturas específicas
de Electrónica (Componentes y Circuitos Electrónicos,
Electrónica de Potencia, ….)
Estructura del tema:
• Semiconductores elementales intrínsecos
• Semiconductores elementales extrínsecos
o Tipo p
o Tipo n
• Compuestos semiconductores
• Semiconductores amorfos
• Procesado de semiconductores
• Dispositivos semiconductores
Tema
Tema 7
Contenidos
Materiales magnéticos
Este tema comienza con una breve introducción al
magnetismo como repaso de los conceptos aprendidos en
los cursos de Física, para pasar a estudiar dos fenómenos
magnéticos en materiales metálicos, como son el
ferromagnetismo y ferrimagnetismo.
Finaliza el capitulo con la aplicación de los conceptos
estudiados a la practica industrial en el desarrollo de
imanes metálicos y cerámicos
Material
Shackelford Capítulo 18
completo
(18.1 - 18.2 - 18.3 - 18.4 - 18.5)
Estructura del tema
• Conceptos generales sobre magnetismo
• Ferromagnetismo
• Ferrimagnetismo
• Imanes metálicos
• Imanes cerámicos
Tema 8
Selección de materiales eléctricos, electrónicos y
magnéticos. Estudio de casos
En este tema se presentan cinco casos prácticos de
aplicación de lo aprendido en los anteriores temas.
Estructura del tema
• Metal amorfo en distribución de energía eléctrica
• Sustitución de polímero termoestable por un
termoplástico en la fabricación de aislantes
industriales
• Soldadura de aleación metálica
• Diodos luminosos
• Polímeros como conductores eléctricos
Shackelford (20.3)
1.3 Unidad Didáctica 3 – Circuitos magnéticos y conversión de energía
Tema
Tema 9
Contenidos
Circuitos magnéticos
Material
Fraile Capitulo 1 parcial (1.3 )
En este tema el alumno hará su primera toma de contacto
con el concepto de circuito magnético de amplio uso
posteriormente en el estudio de Máquinas Eléctricas.
El tema plantea el estudio de flujos magnéticos y fuerzas
magnetomotrices mediante analogía con los circuitos
eléctricos de corriente continua estudiados en la Física del
Bachillerato
Tema 10
Estructura del tema
• Leyes de los circuitos magnéticos
• Ejemplos de aplicación
Energía y Perdidas de energía en los núcleos magnéticos
En este tema se profundiza en los conceptos de energía en
los circuitos magnéticos y en las particularidades de los
circuitos con componentes ferromagnéticos en cuanto a
los balances energéticos.
Estructura del tema
• Conceptos de Energía y Coenergía Magnéticas
• Pérdidas de energía en los núcleos
ferromagnéticos
o Por histéresis
o Por corrientes de Foucault
o Consecuencias tecnológicas
• Ejemplos de aplicación
Fraile Capitulo 1 parcial (1.4 –
1.5 )
Tema
Tema 11
Contenidos
Circuitos magnéticos excitados con corriente alterna
senoidal
Material
Fraile Capitulo 1 parcial (1.6 )
Este tema es una particularización del tema
correspondiente a Circuitos Magnéticos (tema 9) al caso
concreto y de uso generalizado en la industria de la
alimentación de circuitos magnéticos con corriente alterna
senoidal (en Transformadores y Máquinas Eléctricas
Rotativas).
Estructura del tema
• Conceptos generales sobre circuitos magnéticos
excitados con corriente alterna senoidal
• Circuito eléctrico equivalente de una bobina con
núcleo de hierro alimentada con corriente alterna
senoidal
o Caso de núcleo sin pérdidas
o Caso de núcleo con pérdidas
• Corriente de excitación en una bobina con núcleo
de hierro alimentada con corriente alterna senoidal
o Caso de núcleo sin pérdidas
o Caso de núcleo con pérdidas
• Ejemplos de aplicación
Tema 12
Conversión de energía en sistemas magnéticos con
movimiento.
Estructura del tema
• Conversión de energía en sistemas magnéticos con
movimiento de traslación. Electroimanes
• Conversión de energía en sistemas magnéticos con
movimiento de rotación. Máquinas eléctricas
rotativas.
Fraile Capitulo 1 parcial (1.7 –
1.8 )
2 BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
•
•
SHACKELFORD, J. F.: Introducción a la ciencia de los materiales para ingenieros. Ed. Prentice
Hall, 6ª edición.
FRAILE MORA, JESUS: Máquinas Eléctricas, Ed. Mc. Graw Hill, 5ª Edición
3 BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA
•
SMITH. W. F. ; HASHEMI, J. : Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Mc.
Graw Hill, 4ª edición.