La intensa demanda energética combinada con la rápida

La intensa demanda energética combinada con la rápida tasa de
crecimiento poblacional y la escasez de combustibles fósiles,
generan una gran polución y por ello se ha hecho una necesidad
optar por otras fuentes energéticas que sean amigables con el
ambiente. Las celdas de combustión de óxidos sólidos surgen
como una alternativa a la crisis energética actual.
Introducción
que el electrón lo hace a través de un material
conductor externo (carga). Al final de su camino
ambos se vuelven a reunir en el cátodo donde ocurre la
reacción de reducción o ganancia de electrones del
oxígeno gas para formar agua junto con el hidrógeno
oxidado. La imagen 1 ilustra el mecanismo descrito.
En un mundo donde los problemas energéticos se
agudizan, la búsqueda de tecnologías alternativas para
generar energía eléctrica se ha vuelto una necesidad.
El tema de las celdas de combustible como una
alternativa de alta eficiencia para la generación de
energía eléctrica ha resurgido con considerable ímpetu
en los últimos años. Estos dispositivos para convertir
directamente un combustible y oxígeno en
electricidad se conocen desde hace mucho tiempo. Los
hay de diversos tipos pero sólo se utilizaron en usos
muy particulares, sobre todo en el sector aeroespacial.
El verdadero interés en celdas de combustible como un
generador práctico vino hacia comienzos de 1960
cuando el programa espacial de los Estados Unidos
seleccionó las celdas de combustible para
proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales
Gemini y Apollo.
Características principales del fenómeno:
Una celda de combustible es un dispositivo
electroquímico que convierte directamente la energía
química de una reacción en energía eléctrica. Por
ejemplo, pueden generar electricidad combinando
hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin
ninguna combustión. Estas celdas no se agotan como
lo haría una batería, ni requieren recarga, ya que
producirán energía en forma de electricidad y calor en
tanto se les provea de combustible. En la práctica, la
corrosión y la degradación de materiales y
componentes de la celda pueden limitar su vida útil.
Imagen 1
Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente
eléctrica para mover un motor o encender un foco y
calor útil, por ejemplo, energía térmica.
La manera en que operan es mediante una celda
electroquímica que consiste en dos electrodos, un
ánodo y un cátodo, separados por un electrólito o
membrana de intercambio iónico. El oxígeno
proveniente del aire pasa sobre un electrodo y el
hidrógeno gas pasa sobre el otro. Cuando el hidrógeno
es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón;
al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado (ahora en forma
de protón) y el electrón toman diferentes caminos
migrando hacia el segundo electrodo llamado cátodo.
El hidrógeno lo hará a través del electrólito mientras
Teoría que lo justifica
A diferencia de las máquinas de combustión cuya
eficiencia está regida por el ciclo de Carnot y limitada
por la temperatura, la eficiencia teórica de las celdas
de combustible está dada por las leyes de Faraday, que
relacionan directamente la corriente producida en una
reacción electroquímica con la cantidad de material
reactivo, es decir, con la cantidad de combustible. La
mayor ventaja de las celdas de combustible es el hecho
1
de que no están limitadas por la temperatura, lo cual
les otorga el gran beneficio de alcanzar altas
eficiencias. Así, en teoría, cada molécula de hidrógeno
gas producirá dos electrones libres y junto con un
átomo de oxígeno reducido se generará una molécula
de agua. Tal reacción electroquímica es exotérmica,
por lo que además el calor desprendido puede ser
utilizado y así aumentar la eficiencia de las celdas de
combustible. Estas características de lograr alta
eficiencia durante la generación de electricidad y la
ventaja de presentar cero emisiones contaminantes
cuando el combustible es hidrógeno hacen de las
celdas de combustible los mejores candidatos para la
generación de energía eléctrica. Por otra parte,
también ofrecen la posibilidad de utilizar casi
cualquier combustible que contenga hidrógeno,
aunque hidrocarburos como el gas natural, metanol,
etanol, biogás y propano, así como el diésel y la
gasolina son los que mayor atención han recibido por
razones de tipo práctico.
favorece la cogeneración mediante el empleo, por
ejemplo, de turbinas de gas, ciclos convencionales de
vapor o ambos, incrementando así la eficiencia.
En la actualidad, el estado de la tecnología de las
diferentes celdas de combustible puede describirse en
el cuadro 1, el cual muestra algunas características de
las celdas y las temperaturas a las cuales operan.
La celda de combustible de óxido sólido, puede ser
usada en aplicaciones de potencia, incluyendo
estaciones de generación de energía eléctrica a gran
escala e industrial. Este tipo de celda no utiliza
electrólitos corrosivos sino electrólitos en estado
sólido y presenta diversas ventajas que para otro tipo
de celdas significan serios inconvenientes técnicos: un
sistema de óxido sólido normalmente utiliza un
material sólido cerámico (zirconia estabilizada de
ytrio) en lugar de un electrólito líquido, permitiendo
que la temperatura de operación alcance los 1 000oC.
Las eficiencias de generación de potencia pueden
alcanzar un 60%, mientras que la cinética de reacción
en estas celdas es muy rápida y no requiere reposición
de CO2 en el cátodo. Al igual que las MCFC, el
hidrocarburo alimentado puede ser reformado dentro
de la celda.
Principales aplicaciones y efecto representativo
Las celdas de combustible son en realidad una familia
de tecnologías que usan diferentes electrólitos y que
operan a diferentes temperaturas. Por ello se puede
hablar de celdas de combustible de alta temperatura,
las cuales operan a temperaturas mayores a 200oC y las
de baja temperatura, cuya operación puede llegar sólo
hasta los 200oC. Una diferencia derivada de la
temperatura de operación es el empleo de diferentes
materiales, principalmente electrólitos ya que a
temperaturas elevadas deben ser utilizados electrólitos
no acuosos. La clasificación de alta y baja temperatura
es quizá la más adecuada, debido a las aplicaciones
que unas y otras celdas tienen. En general, las celdas
de combustible de alta temperatura tienen como
objetivo principal la generación de energía eléctrica
para una potencia mayor a 1 MW, mientras que las de
baja temperatura se están diseñando para salidas
menores a 1 MW.
La razón principal por la que las celdas de combustible
de alta temperatura están diseñadas para aplicaciones
de generación de alta potencia es su mayor eficiencia,
comparada con las de baja temperatura. Ello se debe
parcialmente a que las reacciones de oxidación y de
reducción
no
requieren
de
materiales
electrocatalizadores, ya que ocurren con mayor
facilidad. Los electrocatalizadores son necesarios
cuando las reacciones ocurren a baja temperatura y
generalmente son materiales costosos basados en
metales nobles como el platino. Por otra parte, la
generación de vapor de alta temperatura con suficiente
energía calorífica en las celdas de alta temperatura
Ventajas del empleo de SOFC
En la práctica la eficiencia de las celdas de
combustible de óxidos sólidos pueden alcanzar
valores entre 50 y 80%. Estas celdas de combustión
representan un avance potencialmente revolucionario
para contrarrestar el efecto invernadero, pues ya que
en lugar de producir electricidad por medio de
2
combustión utilizan la reacción electroquímica entre
hidrogeno y oxigeno del aire para producir
electricidad, calor y agua. Es cierto que cuando una
celda utiliza hidrocarburos como fuente de hidrogeno,
en su proceso generará CO2. No obstante, gracias a su
capacidad de obtener altas eficiencias de conversión
combustible-electricidad, las celdas producen la
menor cantidad de CO2 en comparación con cualquier
tecnología actual que utilice combustibles fósiles para
producir electricidad.
Situación actual y conclusión
El área de investigación de las celdas de combustión
de óxidos sólidos sigue en intenso desarrollo. Por las
desventajas mencionadas, las SOFCs convencionales
no tienen una gran comercialización en el mercado de
aplicaciones portátiles. Sin embargo, una reducción en
el tamaño y cambios en la geometría les han ayudado
a tener más viabilidad. En la actualidad las celdas con
dichas características se llaman micro-SOFCs.
Generan potencias de 1-20 W y su tamaño y peso son
adecuados para su uso portátil. Existe dos tipos de
micro celdas: las planas y las tubulares. Ambas
disminuyendo la temperatura de operación y tienen
tiempos de arranque más corto. Japón ha logrado
desarrollos impresionantes en el campo de las SOFCs
micro tubulares. Sin embargo los retos para estos
dispositivos a nivel internacional sigue siendo: reducir
costos de fabricación, reducir costos de operación,
mejorar el desempeño de la celda, reducir la
temperatura de operación y extender la vida útil de las
celdas.
Otra ventaja fundamental es la alta flexibilidad que
tienen las celdas para aceptar una gran diversidad de
combustibles, lo cual las ubica como una tecnología
que permite una transición hacia tecnologías limpias y
el uso de fuentes de energía renovables.
Estas celdas son silenciosas ya que no contienen partes
móviles, por lo que no requieren lubricación. Pueden
ser independientes de la red de potencia o estar
conectada a ella con independencia en caso de falla.
Sus costos de mantenimiento son menores y se ha
estimado un ahorro en el costo del servicio eléctrico de
un 20 a un 40 % usando estos dispositivos. Su potencia
de operación es bastante flexible, puede ir desde los
5W hasta los 100MW. Como ya se había mencionado
antes, estas celdas no se agotan como lo haría una
batería, ni requieren recarga puesto que producirán
electricidad y calor mientras se les suministres
combustible.
La necesidad de recurrir a energías alternas ya no es
una opción, es un deber. Existen muchos proyectos de
energías limpias propuestos por institutos, escuelas y
empresas, cuyo fin es buscar o proponer opciones para
producir energía de una forma distinta a la
convencional. En dicha forma convencional el
deterioro al planeta ha sido atroz y desmedido. La
realidad es que por más interesantes y factibles que
sean los proyectos de energías alternas propuestos, si
no embonan con los intereses de las políticas
económicas capitalistas, no se llevan a cabo.
Es tiempo de mirar más allá del valor monetario de las
cosas, pues ésta corta visión del mundo no concuerda
con el equilibrio biológico. El costo de mirar el
planeta como solo una fuente de materias primas para
su explotación masiva, olvidándonos de que es “el
hogar”, nos llevará a una muerte lenta, pero segura.
Desventajas asociadas a la temperatura
La operación a altas temperaturas de las SOFCs, que
por un lado otorga flexibilidad en el procesamiento de
combustibles, tiene desventajas asociadas. Una de
ellas es que requiere un tipo de materiales específicos
para su fabricación. Las aleaciones metálicas para
operar a altas temperaturas resultan costosas. Debido
a esto la opción de usar materiales cerámicos (más
económicos) se reduce a sólo unos cuantos que cubran
las características térmicas y mecánicas requeridas.
Pero utilizar materiales cerámicos le quita
propiedades mecánicas a la celda, es decir pueden
Bibliografía
http://.iie.org.mx/reno99/apli.pdf boletinmensual2009
ser quebradizos y malos conductores de calor.
Consultado el línea 7-05-2015
Otra desventaja a considerar es lo que se conoce como
el “tiempo de arranque”. Al inicio de cada ciclo de
trabajo, la celda requiere de un calentamiento hasta la
temperatura de operación. Además del gasto térmico
que esto implica, esto se hace lentamente para no dañar
el dispositivo. Finalmente las propiedades de los
materiales que forman la celda se degradan con la
temperatura disminuyendo así su vida útil.
http://laboratorios.fi.uba.ar/cididi/webcididi/notastecnicas_pdf/lic_j
uarez2.pdf
Consultada en línea 9-05-2015
http://concyteg.gob.mx/ideasConcyteg/Archivos/72032011_CELD
AS_COMBUSTIBLE_OXIDO_SOLIDO.pdf
Consultada en línea 9-05-2015
Mosqueira, P. Salvador. Introducción a la química y el
ambiente. 3ra edición. Editorial Patria. México DF. 2014. 605 pp.
3
11 de mayo del 2015
Superconductividad
Arenas Rojas Samara* y Caballero Muñoz Martha Alejandra*
La conducción en términos generales, es transporte de
carga a través de un material, es decir transporte de
electrones a través de éstos. Los metales que en general
se les considera como el ejemplo de materiales
conductores, pierden los electrones de valencia para
compartirlos con los de los demás átomos en un ‘mar’ de
electrones libres deslocalizados, que se mantienen
asociados a los cationes metálicos que les dieron origen.
Al aplicar al sistema una diferencia de potencial, éste mar
de electrones comienza a moverse (individualmente) y
comienza el flujo de electrones, llamado corriente
eléctrica. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica, el
material presenta cierta resistencia, debido a las
interacciones y colisiones entre ellos, lo que los hace ir
más lento y perder energía. Ésta energía, disipada en
forma de calor se conoce como efecto Joule. La relación
matemática que expresa la dependencia de la resistencia
y la intensidad de corriente eléctrica se conoce como ley
de Ohm: 𝑉 = 𝑅𝐼
La superconductividad fue descubierta en 1911 por el
físico holandés Heike Karmeling Onnes (1853-1926). Se
puede definir como el estado en el que un material,
presenta una gran
conductividad.
Debido a que esta
última propiedad es
el inverso de la
resistividad, cuando
se
tiene un
superconductor
la
Figura1. Conductor y
superconductor en función de
resistencia
a
la
la temperatura.
corriente es lo muy
cercana a cero.
Sin embargo el fenómeno anterior no se presentan en
a cualquier temperatura, solo por debajo de una
temperatura denomina crítica “Tc”, el efecto de la
resistencia desparece, cayendo repentinamente a cero,
como se puede observar en la figura 1 y por tanto
haciendo el efecto joule nulo. Los experimentos dejan
claro que la resistencia es cero pues se han hecho
mediciones sobre materiales que albergan una corriente
eléctrica por muchos años y ésta nunca decrece. Ésta
propiedad atenta contra el sentido común pues las
vibraciones de los átomos que causan el fenómeno de
resistencia, aún a temperaturas muy bajas siguen
estando presentes
A temperaturas mayores a Tc, dichos materiales
actúan como conductores, entonces la dependencia de
la resistividad por la temperatura se expresar por medio
de:
𝜌(𝑇) = 𝜌0 [1 + 𝛼(𝑇 − 𝑇0 )]
Donde α determina cual es comportamiento del
material. Cuando el parámetro anterior es positivo el
material es un conductor, y se puede plantear la ley de
Ohm, a partir de la cual se puede reescribe la resistividad
como:
𝑚
𝜌= 2
𝑛𝑒 𝜏
De la cual el factor que determina el comportamiento
superconductor es el tiempo medio de colisiones τ, en
dicho estado las colisiones inelásticas, no existen, así
este parámetro se va hasta el infinito y la resistividad se
vuelve cero
Efecto del campo magnético
La
temperatura
crítica se pude ver
influenciada por un
campo
magnético
externo, cuanto mayor
sea este menor la
Figura 2. Diagrama de fases de
temperatura a la que se
mercurio
presenta la transición
al
estado
superconductor, un ejemplo de esto es el mercurio para el
cual se muestra un diagrama de dicha dependencia (figura
2).
El campo externo, mínimo que se tiene que aplicar a
una Tc dada, para realizar un cambio de fase se le conoce
como campo crítico “Bc”.
La interacción del campo externo con el material
superconductor, se puede explicar por efecto Meissner.
Una característica que presentan los estos materiales
es que son diamagnéticos, derivando en dos tipos, los de
clase uno solo presenta un campo magnético, en el cual se
pierde todo carácter superconductor, por lo cual estos son
repelidos por imanes permanentes. Mientras que los de
11 de mayo del 2015
clase dos, presentan dos campos magnéticos críticos, en el
primero empieza a influir el campo externo dentro del
materia, haciendo que los filamentos que se encuentra
orientados en dirección del campo regresen a la fase
normal, y con el segundo se pierde por completo el estado
de superconductividad, gracias a este comportamiento
este tipo de materiales es utilizado como electroimanes.
Teoría BCS
Todo lo anterior puede explicar los fenómenos que le
ocurren a un superconductor y en qué condiciones, pero el
estado superconductor se puede explicar atrevas de la
teoría BCS, propuesta por Bardeen, Coope y Schieffer en
el año de 1957.
Lo que propusieron es que los electrones más cercanos
al nivel de Fermi (el último estado energético ocupado)
forman un estado cuántico colectivo, hecho por pares de
electrones (pares de Cooper) de diferente espín y
momento, el estado colectivo es llamado Condensado.
Dicho acoplamiento resulta de la interacción de los
electrones en la red cristalina, en donde un electrón que al
moverse genera una perturbación, provoca que otro
electrón se ponga en movimiento de tal suerte que se
acopla con el primero. Lo anterior solo se puede llevar
acabo a bajas temperaturas donde la energía de enlace se
encuentra en meV, y la de las interacciones columbinas, es
relativamente baja, pudiendo ser superadas, a este estado
se le llama par Cooper.
Cuando la temperatura del sistema es el cero
absoluto, todos los electrones se encuentran como pares
Cooper y como todos se encuentran en el mismo nivel, se
mueve conjuntamente, si se induce una corriente
eléctrica, no habrá disipación por colisiones. Si bien una
pequeña cantidad de energía es suficiente para romper el
par de Cooper, el condensado requiere de mucho más
para lograr el mismo efecto, pues cada par en el
condensado está ligado con los demás. El mínimo de
energía para lograr dicho efecto es conocido como GAP.
Por ejemplo en los metales, pequeñas tensiones
eléctricas son suficientes para deshacerse del electrón,
mientras que en los superconductores, esa energía debe
ser mayor.
Materiales superconductores
En 1911, se descubrió que el mercurio presentaba
fenómeno de superconductividad a bajas temperaturas,
al que posteriormente se agregaron plomo, estaño y
aluminio, y algunos otros metales no buenos conductores
y aleaciones. Después de algunos años, en las décadas de
los 80’s se sintetizaron muchos compuestos con Cobre.
En la actualidad se busca compuestos que presenten
las mismas características a temperaturas más elevadas.
Tal es el caso de NbTi que superconduce abajo de 9K (264°C) y Nb3Sn que superconduce debajo de 18K.
Figura 3.Par Cooper
Los electrones de los pares de Cooper forman parte
de un estado cuántico colectivo, como si pertenecieran a
una sola onda, o condensado, en lugar de comportarse
como una individual. En estado no todos los electrones
ocupan el mismo estado cuántico (espacio y espín), pero
si adoptan toda una misma fase, como una onda única en
el mismo nivel de energía.
Figura 4. Diagrama de dependencia de temperatura
critica en función de tiempo para diferentes
materiales
11 de mayo del 2015
Usos y aplicaciones
Los superconductores ya se están usando en muchos
campos, sobre todo de investigación. Pero se pueden
encontrar en imagenología médica, trenes de alta
velocidad y microcircuitos. En investigación se utilizan en
aceleradores de particular, detectores ultrasensibles
magnéticos, resonadores magnéticos.
.
Figura 6. Magnanometro
Bibliografía
1
Sears , Zemansky, Física Universitaria con física
moderna ,12 ed. Pearson education. (2009)
Figura 5. Mapa conceptual de aplicaciones de los
superconductores
Una de estas tantas investigaciones derivo en el
efecto Josephson, en el cual dos superconductores son
separados por un fina capa de aislante, generando una
corriente, sin necesidad de que se aplique un voltaje,
gracias al efecto túnel que pueden sufrir los pares
Cooper. Los dispositivos físicos que se arman para dicho
efecto pueden ser utilizados para detectar campos
magnéticos muy pequeños, como lo son el producido por
el cerebro de un ratón .
La aplicación de éstos a la vida cotidiana se ve detenida
por la necesidad de trabajar a muy bajas temperaturas,
por lo que solo se pueden observar en condiciones
controladas. A pesar de esto y debido a efecto Meissner,
un uso muy conocido, es la aplicación en los trenes balas.
2
Poole C., Prozorov R., et.al., Superconductivity, 3rd
Ed. Elsevier (2014)
3
Diagrama de resistividad en función de la
temperatura critica.
http://jackstellar.blogspot.mx/2013/01/keuntunganefisiensi-dan-jenis.html, 7 de mayo del 2015
4
Angew. Chem. Int. Ed EngI. (1997) 36, 1788-1806
Superconductivity and Chemistry, Arndt Simon
5
Ireson, Gren. Discovering superconductivity : an
investigative approach, 1st Ed. John Wiley & Sons, Ltd.
(2012)
6
Physics Today, September 2010. American Institute
of physics. The discover of superconductivity. Dirk van
Delft & Peter Kes.
7
http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php , 9 de
mayo 2015
TRANSISTORES
1
Transistores
López Urrutia Yolanda Gabriela y Tenorio Hernández Adriana.
Química del Estado Sólido. Facultad de Química, UNAM.
Abril, 2015.
E
l transistor, inventado en 1951, es el componente electrónico estrella, pues inició
una auténtica revolución en la electrónica que ha superado cualquier previsión inicial.
Con el transistor vino la miniaturización de los componentes y se llegó al
descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se colocan, en pocos milímetros
cuadrados, miles de transistores. Estos circuitos constituyen el origen de los
microprocesadores y, por lo tanto, de los ordenadores actuales. Por otra parte, la
sustitución en los montajes electrónicos de las clásicas y antiguas válvulas de vacío
por los transistores, reduce al máximo las pérdidas de calor de los equipos. Un
transistor es un componente que tiene, básicamente dos funciones:
1.- Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una pequeña señal de mando.
2.- Funciona como un elemento amplificador de señales.
El transistor vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas (un componente
electrónico utilizado para amplificar o modificar una señal eléctrica mediante el
control del movimiento de los electrones en un espacio "vacío" a baja presión, o en
presencia de gases especialmente seleccionados) de hace unas décadas. Gracias a ellos
fue posible la construcción de receptores de radio portátiles llamados comúnmente
"transistores", televisores que se encienden en un par de segundos, televisores, etc.
Antes de aparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar con
tensiones bastante altas, tardaban más de 30 segundos en empezar a funcionar, y en
ningún caso podían funcionar a pilas, debido al gran consumo que tenían.
El transistor cumple funciones de amplificador, oscilador y conmutador, por lo que
estas características las encontramos en:
TRANSISTORES
2
-Amplificación de todo tipo (radio, televisión, aparatos auditivos e instrumentación).
-generación de señal (generador de ondas y emisión de radiofrecuencias).
-Conmutación, actuando de interruptores (manipulación de lámparas).
-Detección de radiación luminosa (fototransistores).
Un transistor cuenta con dos diodo PN, debido a la adición de un pequeño porcentaje
de átomos en la red cristalina regular de silicio o germanio produce cambios
dramáticos en sus propiedades eléctricas , produciendo de tipo n y de tipo p
semiconductores. A través de los años se ha buscado mejorar la potencia de los
transistores, empleando compuestos que provoque una alta movilidad de electrones.
A la fecha el GaAs es de los mejores materiales para la fabricación de transistores de
muy alta frecuencia
Hay dos tipos básicos de transistor:
a)Transistor bipolar o BJT (Bipolar Junction Transistor)
b)Transistor de efecto de campo, FET (Field Effect Transistor) o unipolar
A) Transistor bipolar
Consta de tres cristales semiconductores (usualmente de silicio) unidos entre sí.
Según como se coloquen los cristales hay dos tipos básicos de transistores bipolares:
(a)

(b)
o Transistor NPN: en este caso un cristal P está
situado entre dos cristales N. Son los más comunes. (Fig.
1(a))
o Transistor PNP: En este caso un cristal N está
situado entre los cristales. (Fig. 1(b))
Fig. 1 Transistor bipolar
En cada uno de estos cristales se realiza un contacto metálico, lo que da origen a tres
terminales:
 Emisor (E): Se encarga de proporcionar portadores de carga.
 Colector (C): Se encarga de recoger portadores de agua.
TRANSISTORES
3
 Base (B): Controla el paso de corriente a través del transistor. Es el cristal de en
medio
El conjunto se protege con una funda de plástico o metal.
B)Polarización del transistor
Se entiende por polarización del transistor las conexiones adecuadas que hay que
realizar con corriente continua (DC) para que pueda funcionar correctamente. Si se
conectan dos baterías al transistor, es decir, con la unión PN de la base-emisor
polarizada directamente y la unión PN de la base-colector polarizado inversamente.
Siempre que la tensión de la base-emisor supere 0,7 V, diremos que el transistor está
polarizado, es decir, que funciona correctamente
Se concluye que la corriente por el colector de un transistor bipolar es proporcional a
la corriente por la base, es decir, a mayor corriente en la base, mayor corriente en el
colector
Si la corriente de base es muy alta, el transistor puede estropearse, por eso, la base del
transistor debe protegerse siempre con una resistencia de una valor alto.

Bibliografía:
-Extracción de capacitancias parasitas de transistores de tres compuertas. “tesis para obtener el
título de Ing. Eléctrico electrónico de David Lucario Matías”; UNAM, 2011.
-Electrónica fundamentos: dispositivos, circuitos y sistemas. M. Cirovis Michael. Edit. Reverté
.España, 2003
García Ruiz Mariana
González Rodríguez Damayante
Aleaciones
Una aleación es una mezcla de dos o más elementos de los cuales al menos
uno de ellos es metálico, y es preparada mediante la combinación de los
componentes fundidos, que genera un sólido que exhibe propiedades metálicas
mejoradas (físicas y mecánicas), con respecto a los metales puros, luego de su
enfriamiento. Suelen formarse a partir de dos metales electropositivos que
poseen electronegatividades similares. También pueden contener no metales
como P, C, Si, S o As.
Aquí trataremos dos clasificaciones de las aleaciones, la primera, haciendo
referencia a su estructura. Una aleación homogénea se puede considerar una
solución sólida, en la cual los átomos de un metal puro B (soluto), se distribuyen
de manera aleatoria entre los átomos de un metal puro A (solvente), esto quiere
decir que es soluble, entoces la estructura cristalográfica de la aleación
corresponde a la de A. Así, a estas soluciones sólidas podemos clasificarlas en
sustitucionales o intersticiales.
Tenemos una solución sólida sustitucional cuando el soluto B sustituye átomos
del solvente A en el arreglo cristalino. Se forma si cumple que los radios
atómicos de los elementos no varíen más de 15% uno del otro, que las
estructuras cristalinas de los dos metales puros sean las mismas, con igual
número de coordinación y valencia, y que los caracteres electropositivos de los
dos componentes sean similares (de lo contrario la formación de un compuesto
es más probable). Si esto no se cumple solo se tendrá una solubilidad parcial.
En cambio, hay soluciones sólidas intersticiales en las cuales los huecos dentro
de la red de la estructura del metal original son ocupados por pequeños átomos
adicionales. Se forman entre metales y átomos pequeños (como C, N, B). En
estas, los átomos pequeños B, ingresan en el sólido huésped A, preservando la
estructura cristalina del metal sin trasferir electrones ni constituyéndose como
especies iónicas. A mayor grado de distorción de las redes, aumentará la
dureza. Un ejemplo es la cementita Fe3C.
Por otra parte, los compuestos intermetálicos son aleaciones en las cuales la
estructura adoptada es diferente de cualquiera de los metales componentes, así
que las propiedades físicas y químicas que exhiben, también son diferentes. Por
lo general el enlace metálico se debilita, favoreciéndose el enlace iónico (cuando
se trata de un metal con un no metal) e incluso el covalente. Tienen una
estequiometria definida y generalmente son frágiles y de fusión elevada. Un
ejemplo es el Mg2Sn. Se puede formar un compuesto químico cuando la relación
del número de átomos presentes de cada elemento coincide con la relación
estequiométrica. El arreglo formado, además de ser diferente del de los
componentes originales, es regular, con enlaces rígidos.
Sin embargo, también se puede dar el caso de que B tenga baja solubilidad en
A, así que ambos permanecen con su propia estructura cristalográfica. No
obstante, la pequeña distorción en las redes, que se produce por el hecho de
estar mezclados, puede afectar propiedades tan sensibles como la
conductividad eléctrica (la disminuye). También, como se interrumpe la
continuidad de los materiales, los deslizamientos de los planos ya no son
posibles, y se disminuye la deformación plástica. Las fases formadas se pueden
distinguir bajo el microscopio electrónico o por difracción de rayos X. A estas se
les conoce como mezclas mecánicas.
Hay una gran abundancia de hierro en la corteza terrestre; por este motivo, el
hierro y sus aleaciones, fundamentalmente los aceros, representan más del 90%
de la producción mundial de metales. Tomando esto en cuenta, tenemos una
segunda clasificación para las aleaciones, en ferrosas (aquellas a base de
hierro) y no ferrosas (a base de otros metales como Al, Mg, Be, Cu, Ti, Ni, etc.).
Las aleaciones ferrosas más importantes, los aceros (hierro y carbono), se
clasifican en simples o aleados, y los simples a su vez en aceros de bajo, medio
o alto carbono por la concentración de este elemento. Cabe destacar que los
elementos no metálicos se encuentran en concentraciones mucho más bajas
dentro de la aleación que las de los metales. Los aceros simples se utilizan
principalmente en estructuras, elementos de máquinas (ejes, resortes,
engranes), herramientas y tornillos, etc.
La gran producción de aceros y otras aleaciones del hierro se debe no solo a
sus buenas propiedades de resistencia, tenacidad y ductilidad, sino también por
su bajo coste. Sin embargo, también tiene algunos inconvenientes como su
densidad relativamente alta, conductividad eléctrica baja y susceptibilidad a la
corrosión.
Los aceros aleados son aquellos a los que se les agregan pequeñas cantidades
(menores al 5%) de elementos de aleación como Cr, Mo, Ni, W, Va, Si, Mn, etc.
Lo que se busca es aumentar su resistencia a la corrosión, entre otras
propiedades. Por ejemplo, los aceros inoxidables son aleaciones de Fe-Cr o FeCr-Ni con una mínima cantidad de carbono. Algunas de sus aplicaciones están
en la fabricación de tuberías, recipientes de proceso, válvulas, resortes,
cuchillerías, en la construcción, etc.
En cuanto a las aleaciones no ferrosas, las principales son las de aluminio con
Cu, Mg, Ni, Si, Zn y Li, que se usan en componentes para aviones, envases para
alimentos, componentes automotrices, etc. También está la aleación Cu-Sn
(bronce) como conductor eléctrico, en tuberías, artesanías, engranes y
cerraduras. Las aleaciones de Ti tienen grandes aplicaciones biomédicas.
Por último, podemos mencionar que los diagramas de fases son muy útiles en el
estudio de las aleaciones, ya que resumen de forma gráfica los rangos de
temperatura y composición en los que ciertas fases existen en condiciones de
equilibrio. De esta forma se pueden conocer, por ejemplo, los elementos de
partida para una determinada síntesis.
Bibliografía
Atkins andShriver. Química Inorgánica. Mc Graw Hill, 2008. Pág. 77-80.
Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Mc Graw Hill. 4ta
edición.
Eduardo Torres Alpizar. Apuntes acerca del tratamiento térmico y la clasificación
general de los aceros.
Integrantes: Fuentes Pérez Aura Citlalli & Reyes Berber Frida Karen
11 de mayo de 2015
EL CEMENTO
El cemento es un polvo fino que se obtiene de la calcinación a 1,450°C de una mezcla de materiales inorgánicos como la piedra
caliza, arcilla y mineral de hierro. El producto del proceso de calcinación es el clinker —principal ingrediente del cemento—
que se muele finamente con yeso y otros aditivos químicos para producir cemento. El cemento es el material de construcción
más utilizado en el mundo. Presenta propiedades tales como resistencia a la compresión (el material de construcción con la
mayor resistencia por costo unitario), durabilidad y estética para una diversidad de aplicaciones de construcción.
Cuando el cemento es mezclado con agua forma una pasta que después fragua y se endurece a causa de las reacciones de
hidrólisis e hidratación de sus constituyentes, dando lugar a productos hidratados mecánicamente resistentes y estables tanto
al aire como bajo agua. Este fenómeno es especialmente útil porque permite producir estructuras sólidas y rígidas que tengan
casi todas las formas que se deseen. Este material actúa como fase ligante que enlaza químicamente agregados de partículas
en una única estructura cohesionada, el enlace en el cemento se forma a temperatura ambiente.
El cemento es un aglutinante, de partículas muy pequeñas, compuesto de varias proporciones de minerales tales como:
3CaO·Al2O3 (3C·A), 2CaO·SiO2 (2C·S), 3CaO· SiO2 (3C·S), 4CaO·Al2O3·Fe2O3, (4C·A·F) entre otros. En la terminología del cemento, a
veces CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3 se conocen como C, S, A Y F, respectivamente. Por tanto, C3S significa 3CaO·SiO2. Cuando se le
agrega agua al cemento, ocurre una reacción de hidratación que produce un gel sólido que une las partículas de agregados.
Las reacciones posibles incluyen:
3CaO · Al2 O3 + 6H2 O → Ca 3Al2 (OH)12 + calor
2CaO · SiO2 + xH2 O → Ca 2 SiO4 ∙ xH2 O + calor
3CaO + SiO2 + (x + 1)H2 O → Ca 2 SiO4 ∙ xH2 O + Ca(OH)2 + calor
Ca 3 𝐴𝑙2 O6 + 6H2 O(𝑙) → Ca 3 𝐴𝑙2 O6 ∙ 6𝐻2 𝑂
Ca 3 𝐴𝑙2 O6 + 3CaSO4 ∙ 2𝐻2 𝑂 + 30H2 O(𝑙) → Ca 6 𝐴𝑙2 𝑆3 O18 ∙ 32𝐻2 𝑂
La composición del cemento ayuda a determinar la velocidad del fraguado (o curado) y sus propiedades finales. Por ejemplo, el
3CaO·Al2O3 y el 3CaO· SiO2 producen fraguados rápidos, pero bajas resistencias. El 2CaO· SiO 2 reacciona más lentamente
durante la hidratación, pero produce resistencias más elevadas. Normalmente, se espera que el concreto se fragüe, es decir,
se endurezca perdiendo su plasticidad, casi por completo en 28 días aunque algo de curado adicional puede seguir ocurriendo
durante años.
La hidratación del cemento implica una serie de reacciones exotérmicas que liberan una gran cantidad de calor, el
desprendimiento de calor se lleva a cabo durante un período, y la tasa de evolución de calor es tan importante como la
cantidad total de calor. Varias relaciones empíricas entre la composición del cemento, el calor de hidratación y el tiempo
transcurrido se han desarrollado. Éstos toman la forma típica:
𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐴𝑥𝐶3 𝑆 + 𝐵𝑥𝐶2𝑆 + 𝐶𝑥𝐶3 𝐴 + 𝐷𝑥𝐶4𝐴𝐹
Donde 𝑥𝑖 es la fracción en peso de cada componente i y A, B, C y D son constantes empíricas que varían con el tiempo, lo que
refleja los cambios en la composición del cemento mientras se endurece; el calor de hidratación se mide en joules por gramo
de cemento. Por ejemplo, los calores de hidratación después de tres días, H (3 d), y después de un año, H (1 año), se dan de la
siguiente manera:
H (3 d) = 240𝑥𝐶3 𝑆 + 50𝑥𝐶2 𝑆 + 880𝑥𝐶3 𝐴 + 290𝑥𝐶4 𝐴𝐹
H (1 año) = 490𝑥𝐶3 𝑆 + 225𝑥𝐶2 𝑆 + 1160𝑥𝐶3 𝐴 + 375𝑥𝐶4 𝐴𝐹
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11 de mayo de 2015
Algunos cementos se conocen como hidráulicos ya que fraguan y se endurecen en presencia de agua y se fabrica a partir de
silicatos de calcio, con una composición aproximada de CaO, SiO 2 y óxido de hierro y alúmina. Por otro lado los no hidráulicos
no pueden fraguar en presencia de agua, para su endurecimiento necesitan aire; por ejemplo, la cal (CaO).
El cemento portland es un cemento hidráulico debido a que su dureza se desarrolla por reacciones químicas con el agua. Se
utiliza fundamentalmente en argamasa y hormigón para enlazar, en una masa cohesionada, agregados de partículas inertes
(arena y/o grava) estos se consideran materiales compuestos. Es el material manufacturado para la construcción de más
amplio uso. Fue patentado por Joseph Aspdin en 1824 y se llama así en honor a los acantilados de piedra caliza de la isla de
Portland, en Inglaterra.
El cemento Portland se puede clasificar por su composición en 5 tipos.
Tipo
I
II
3C·S
55
45
III
IV
V
65
25
40
Composición aproximada
2C·S
3C·A
20
12
30
7
10
50
35
12
5
3
4C·A·F
9
12
8
13
14
Características
Uso general
Baja tasa de generación de calor.
Resistencia moderad a los sulfatos
Curado rápido
Muy baja tasa de generación de calor
Buena resistencia a los sulfatos
Tipo I.- Cemento Portland. Destinado a obras de concreto en general, como edificios, estructuras industriales, conjuntos
habitacionales. Libera más calor de hidratación que otros tipos de cemento.
Tipo II.- Cemento Portland con adiciones. De moderada resistencia a los sulfatos, destinado a obras de concreto y obras
expuestas a la acción moderada de sulfatos o donde se requiera moderado calor de hidratación, utilizado en puentes y
tuberías de concreto.
Tipo III.- Cemento Portland con escorias de horno alto. Alta resistencia inicial, por ejemplo, cuando se necesita que la
estructura reciba carga lo más antes posible o cuando es necesario desencofrar (retirar los paneles de sostén) a los pocos días
de vaciado.
Tipo IV.- Cemento puzolánico. Usado si se requiere de bajo calor de hidratación, no deben producirse dilataciones durante el
fraguado.
Tipo V.- Cemento compuesto. Usado donde se requiera una elevada resistencia a la acción concentrada de los sulfatos, por
ejemplo, canales, alcantarillas u obras portuarias.
Las propiedades del cemento Portland, incluidos el tiempo de fraguado y la resistencia final, dependen en gran medida de la
composición. En el cemento Portland se encentran diferentes constituyentes, los principales son el silicato tricálcico 3CaO· SiO2
y el silicato dicálcico 2CaO·SiO2. El fraguado y endurecimiento se produce debido a reacciones de hidratación. Por ejemplo, una
reacción de hidratación del silicato dicálcico es:
2CaO · SiO2 + xH2 O → Ca 2 SiO4 ∙ xH2 O + calor
Donde x es variable y depende de la cantidad de agua disponible. Estos productos hidratados están en forma de geles
complejos o sustancias cristalinas que forman el enlace cementoso. Las reacciones de hidratación empiezan justo cuando se
añade el agua. Primero se ponen de manifiesto como fraguado(o sea, el aumento de rigidez de la pasta, que antes era
plástica), que ocurre inmediatamente después de mezclar, normalmente en el espacio de unas horas. El endurecimiento de la
masa tiene lugar como resultado de más hidratación, un proceso relativamente lento que puede continuar durante varios
años. Debe señalarse que el proceso por el cual el cemento se endurece no es por secado, sino por hidratación en cuyo
proceso el agua participa en una reacción de enlace químico.
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11 de mayo de 2015
Algunas de las propiedades de los productos basados en cemento son:
Hidráulicas
La reacción de la hidratación entre el cemento y el agua es única: el material fragua y luego se endurece. La
naturaleza hidráulica de la reacción permite que el cemento hidratado se endurezca aún bajo el agua.
Estéticas
Antes de fraguar y endurecerse, el cemento hidratado presenta un comportamiento plástico. Por lo tanto, se
puede vaciar en moldes de diferentes formas y figuras para generar arquitecturas estéticamente interesantes,
que serían difíciles de lograr con otros materiales de construcción.
De
durabilidad
Cuando se usa correctamente (por ejemplo, con buenas prácticas de diseño de mezclas de concreto) el
cemento puede formar estructuras con una vida de servicio larga que soporte los cambios climáticos extremos
y agresiones de agentes químicos.
Acústicas
Utilizados con un diseño adecuado, los materiales basados en cemento pueden servir para un excelente
aislamiento acústico.
La producción del cemento se puede analizar en diferentes etapas, las cuales son:
1. Explotación de materias primas: De las canteras de piedra se extrae la caliza y la arcilla a través de barrenación y detonación
con explosivos, cuyo impacto es mínimo gracias a la tecnología empleada.
2. Transporte de materias primas: Una vez que las grandes masas de piedra han sido fragmentadas, se transportan a la planta
en camiones o bandas.
3. Trituración: El material de la cantera es fragmentado en los trituradores, cuya tolva recibe las materias primas, que por
efecto de impacto y/o presión son reducidas a un tamaño máximo de una y media pulgadas.
4. Prehomogenización: La prehomogenización es la mezcla proporcional de los diferentes tipos de arcilla, caliza o cualquier
otro material que lo requiera.
5. Almacenamiento de materias primas: Cada una de las materias primas es transportada por separado a silos en donde son
dosificadas para la producción de diferentes tipos de cemento.
6. Molienda de materia prima: Se realiza por medio de un molino vertical de acero, que muele el material mediante la presión
que ejercen tres rodillos cónicos al rodar sobre una mesa giratoria de molienda. Se utilizan también para esta fase molinos
horizontales, en cuyo interior el material es pulverizado por medio de bolas de acero.
7. Homogenización de harina cruda: Se realiza en los silos equipados para lograr una mezcla homogénea del material.
8. Calcinación: La calcinación es la parte medular del proceso, donde se emplean grandes hornos rotatorios en cuyo interior, a
1400°C la harina se transforma en clinker, que son pequeños módulos gris obscuros de 3 a 4 cm.
9. Molienda de cemento: El clinker es molido a través de bolas de acero de diferentes tamaños a su paso por las dos cámaras
del molino, agregando el yeso (CaSO4·2H2O) para alargar el tiempo de fraguado del cemento.
10. Envase y embarque del cemento: El cemento es enviado a los silos de almacenamiento; de los que se extrae por sistemas
neumáticos o mecánicos, siendo transportado a donde será envasado en sacos de papel, o surtido directamente a granel.
Referencias
Askeland, Donald R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales 4ª edición, Thomson, México, 2004 pp. 774-783
Askeland, Donald R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales 3ª edición, Thomson, México, 1998 pp. 561-569
Callister, William D. Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales edición, Reverté, México, pp. 450-452
Tilley, Richard J. D. Understanding Solids: the science of materials John Wiley & Sons, Inglaterra, 2004, pp.187-191
http://www.cemexmexico.com/Cementos.aspx, revisado 3 de mayo de 2015.
http://www.cemex.com/ES/ProductosServicios/Cemento.aspx, revisado 3 de mayo de 2015.
http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/ciencia-y-tecnologia-de-los-materiales/contenido/TEMA%205%20EL%20CEMENTO.pdf, revisado 3 de mayo de 2015.
Camacho Cruz Luis Alberto
Vera Alvizar Estefania Guadalupe
11 de mayo de 2015. Química del Estado Sólido. Trabajo Escrito Cuarto Parcial.
Prof. José Francisco Gómez García
Cristales Líquidos
Un cristal líquido es un estado de la materia
intermedio entre el estado sólido y líquido.
Existen
ciertas
sustancias
que,
en
determinadas condiciones, presentan arreglos
con un ligero orden y cierta periodicidad, pero a
su vez con propiedades similares a
las
partículas de un líquido. Los cristales líquidos,
a diferencia de un cristal sólido, tienen poca
orientación a largo alcance pero posiciones
ordenadas a corto alcance.
El descubrimiento del fenómeno se originó en
Figura 1. Cristal líquido bajo luz polarizante
1888 durante el estudio de las propiedades del
benzoato colestérico. Friedrich Reinitzer se percató que una molécula del compuesto
mencionado aparentemente presentaba dos puntos de fusión, entre el primero y segundo
se observaba una fase turbia, mientras que por encima del segundo el compuesto era
más claro. Después de comprobar que no fuesen problemas de pureza y de buscar la
asesoría de Otto Lehman, un experto en óptica cristalina de la época, se concluyó que
había evidencia de la presencia de estado de la materia que no aún no había sido
descrito, a éste le llamaron cristal líquido.
Durante los años siguientes, se descubrieron nuevas propiedades de este estado de la
materia, así como diversos compuestos que presentaban el fenómeno. A pesar de todos
estos experimentos y publicaciones, la comunidad científica se mostró escéptica hacía
la existencia de esta fase intermedia hasta 1968, cuando Pierre-Gilles de Gennes
describió las propiedades estudiadas durante los años anteriores haciendo uso de
características electromagnéticas de las moléculas que llegan a ser cristales líquidos.
Para esa época no se conocían exhaustivamente las características de las moléculas
que presentaban el fenómeno y por tanto en un principio se creía que los cristales
líquidos serían solamente un fenómeno curioso que se presentaba en ciertas moléculas
orgánicas; sin embargo, con el paso del tiempo, sus interesantes propiedades han sido
aprovechadas en varios avances tecnológicos.
De acuerdo con Stephen y Straley (1974) la mayoría de los cristales líquidos comparten
ciertas características esenciales, éstas son: tener una estructura plana, alongada y
asimétricas. Adicionalmente, se pueden clasificar en distintas categorías de acuerdo con
sus características.
Existen dos tipos de cristales líquidos que difieren en propiedades y en composición, en
primer lugar están los termotrópicos y en segundo lugar los liotrópicos. Los termotrópicos
son sustancias que al llegar a cierto rango de temperatura sufren un cambio de fase y
presentan propiedades de cristales líquidos. Los liotrópicos, por otro lado, son mezclas
de una sustancia que puede presentar propiedades de cristal líquido y un disolvente
polar.
Los cristales líquidos termotrópicos tienen además tres fases características, la
nemática, la esméctica y la colestérica.
En la fase nemática, las moléculas están organizadas de tal manera que sus ejes
mayores están alineados paralelos unos a otros, y las moléculas pueden deslizarse
encima unas de otras y rotar. Este estado es más parecido a la forma líquida de la
sustancia y normalmente se alcanza a temperaturas altas, es decir, cercanas al punto de
fusión de la sustancia.
La fase colestérica es ligeramente más ordenada que la fase nemática, pues en ésta, las
moléculas se ordenan con sus ejes mayores en paralelo formando planos. Por encima y
por debajo de estos planos hay otros planos análogos sólo que orientados un otra
dirección, formando así espirales en ciertas áreas. Esta fase tiene interacciones
importantes con la luz por efectos de difracción complejos en estas estructuras en espiral.
Finalmente está la fase esméctica, en esta fase hay acomodos más ordenados y las
moléculas no pueden moverse con mucha libertad, esta fase es similar a la de un sólido.
Adicionalmente, para algunas moléculas, existe además el acomodo de columna, en
especial para las que tienen estructuras planas en forma de discos, este acomodo es
mucho menos usual y por tanto tiene menos aplicaciones como los otros tres.
Figura 2.
Acomodo
de
las
fases de
un cristal
liquido
Aún si casi la mitad de las moléculas orgánicas tienden a presentar propiedades de
cristales líquidos, los más comunes y más utilizados son los cianofeniles y bifeniles, por
su estructura plana y su respuesta a campos eléctricos, éstos son utilizados en una gran
cantidad de dispositivos, a continuación se mencionan las características principales de
estos.
Una de las principales aplicaciones de los cristales líquidos es su uso en pantallas LCD
(Liquid Crystal Display), las cuales son esenciales para la manufactura de televisiones
calculadoras, pantallas de computadora, entre otras. Los LCD’s son muy utilizados
debido a su bajo consumo en energía y a la claridad que presentan cuando se proyecta
una luz brillantes sobre ellos.
Otra aplicación que tienen los cristales líquidos es su propiedad de cambio de color que
sufren durante la fase colestérica cuando la temperatura es aumentada o disminuida,
esta propiedad permite se aprovecha en la fabricación de indicadores de temperatura,
(termómetros para identificar la temperatura corporal, la temperatura de las máquinas y
para monitorear la temperatura de acuarios).
Algo importante de mencionar es su presencia en la bioquímica, muchas de las
estructuras de las células están formadas por fases sólido cristalinas liotrópicas, las
propiedades de las membranas celulares y partes del ADN se deben a su
comportamiento como cristales líquidos.
Referencias:
Stephen, Mi. J., & Straley, J. P. (1974, Octubre). Physics of Liquid Crystals. Reviews of
Modern Physics. 74(4).
Singer, Sanford S. (2015, Enero). Liquid Crystals. Salem Press Encyclopedia of Science
(research starters).
MIT (2005). Liquid Crystals, Fund of Mat. Sci: Structure-Lecture 24. Recuperado de Open
Courseware MIT el 09 de mayo del 2015 de: http://ocw.mit.edu/courses/materialsscience-and-engineering/3-012-fundamentals-of-materials-science-fall-2005/lecturenotes/lec24b.pdf
EFECTO MEISSNER
Cuando un superconductor se enfría por debajo de su temperatura crítica en un
campo magnético extraño aplicado, el campo magnético dentro del material
pasa a ser nulo.
Este fenómeno se obtuvo midiendo la distribución de flujo en el exterior de
muestras de plomo y estaño enfriados por debajo de su temperatura crítica en
presencia de un campo magnético.
Así encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior
del material superconductor y que las líneas de campo magnético son
expulsadas del interior del material, por lo que este se comporta como un material
diamagnético perfecto.
Este efecto fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 y se
conoce ahora con el nombre de efecto Meissner.
El campo magnético se hace cero porque las corrientes superconductoras que se
inducen en la superficie del superconductor producen un segundo campo
magnético que compensa el campo aplicado.
El efecto Meissner es una de las propiedades que definen la superconductividad y
su descubrimiento sirvió para deducir que la aparición de la superconductividad
es una transición de fase a un estado diferente.
La levitación magnética se debe a la repulsión que se produce entre el imán
permanente que produce el campo externo y el superconductor por causa del
campo magnético producido por las corrientes inducidas en él. El efecto Meissner
sólo se verifica en ciertos materiales llamados Superconductores del Tipo I.
Los materiales superconductores tipo I, mientras están en el estado
superconductor, son completamente diamagnéticos, es decir, cualquier campo
aplicado será expulsado del cuerpo del material. Algunos elementos metálicos de
tipo I son: Aluminio, Plomo, Estaño y Mercurio.
Otros materiales llamados superconductores de tipo II, poseen una curva de
imanación, estos materiales son usualmente aleaciones o metales que poseen
resistividades grandes en el estado normal.
Los superconductores del tipo II exhiben las propiedades eléctricas de los
superconductores. Algunas aleaciones superconductoras de tipo II son: NiobioZirconio (Nb-Zr), Niobio-Titanio (Nb-Ti) y el compuesto intermetálico Nb3Sn.
Los superconductores de tipo II también presentan el efecto Meissner con campos
magnéticos pequeños pero cuando el campo magnético supera una
determinada magnitud permiten que el campo lo penetre parcialmente
formando vórtices. Es decir, el superconductor en este caso atrapa parte del
campo magnético. Para que pueda penetrar el campo magnético en los vórtices
se destruye la superconductividad. Los vórtices pueden anclarse en un
superconductor debido a defectos en la red
de átomos. Cuando esto ocurre, el imán que
está levitando encima del superconductor
también está anclado y cuesta mucho
separarlos.
El efecto Meissner reveló que el campo
magnético
en
el
interior
de
un
superconductor
es
siempre
nulo,
independientemente si ha sido enfriado por
debajo de la temperatura crítica en
presencia o no de un campo magnético
externo. Por lo tanto además de conductores
ideales
los
superconductores
pueden
considerarse también diamagnéticos ideales.
Este hecho permite considerar a la transición
superconductora
como
una
autentica
transición de fase.
Esta limitación a cero del campo magnético
dentro de un superconductor es distinta del
diamagnetismo perfecto, que surge de su resistencia eléctrica cero. La resistencia
cero implica que si se trata de magnetizar un superconductor, se generarán
bucles de corriente para cancelar exactamente el campo magnético impuesto
(ley de Lenz). Pero si cuando se enfrió el material para la transición a la
superconducción, ya tenía un campo magnético estable a su través, se esperaría
que permaneciera ese campo magnético. Si no hubiera cambio en el campo
magnético aplicado, no habría voltaje generado (ley de Faraday) para impulsar
corriente, incluso en un conductor perfecto. De ahí que la exclusión activa de
campo magnético debe ser considerada como un efecto distinto de sólo
resistencia cero.
Una de las explicaciones teóricas del efecto Meissner proviene de la ecuación de
London. Muestra que el campo magnético decae exponencialmente en el
interior del superconductor sobre una distancia de 20-40 nm. Se describe en
función de un parámetro llamado profundidad de penetración London.
Aplicaciones
Desde que se descubrieron las primeras piedras con propiedades magnéticas en
la ciudad de Magnesia (Asia Menor), el Hombre ha tratado de buscar
aplicaciones al sorprendente efecto del magnetismo. El tren de levitación
magnética, o maglev, es un tren suspendido en el aire por encima de una vía,
entre 10mm y 15 cm, siendo propulsado hacia adelante por medio de las fuerzas
magnéticas (atractivas y repulsivas). La ausencia de contacto físico entre el carril
y el tren hace que la única fricción sea la del aire, por lo que se pueden conseguir
muy altas velocidades con un consumo de energía razonable, el 40% del
consumo normal para un vehículo, y a un bajo nivel de ruido. La línea que une
Shanghai con su aeropuerto tarda 7 minutos y 20 segundos en recorrer los 30
kilómetros a una velocidad máxima de 431 km/h y una media de 250 km/h. En
Alemania se lleva a cabo la construcción del Transrapid, un maglev que unirá las
ciudades de Berlín y Hamburgo, con una velocidad máxima de 500 km/h.
Dentro de la levitación magnética otra de las aplicaciones es el almacenamiento
de energía mediante los volantes de inercia, ya que permite hacer girar
indefinidamente una rueda superconductora inmersa en un campo magnético
de manera que almacene la energía mecánica. Este tipo de dispositivo se estudia
para la aplicación en trenes o de aerogeneradores (Cedex).Asimismo la
levitación también se aplica en medicina cardiovascular con un sistema de
asistencia ventricular, compuesto por un Ventrículo de Asistencia centrífugo y un
motor, que proporciona soporte temporal en caso de insuficiencia cardiaca o de
fallo ventricular.
Los superconductores también se utilizan como detectores de campos
electromagnéticos muy débiles (hasta 100 mil millones de veces más débiles que
el campo geomagnético de la Tierra), pudiendo utilizarse en el estudio de señales
electromagnéticas generadas por el cerebro.
El próximo estadio en la evolución de los supercomputadoras se denomina
computación cuántica, que utilizando las propiedades de la superconductividad
podrá alcanzar velocidades 250 más veloces que los actuales
supercomputadoras.
Referencias:






Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Volumen 2. Página:
709
Física para ciencia y la tecnología, Volumen 2. Páginas: 854-855
http://efectomeissnerelectro.blogspot.mx/ (10/06/2015; 16:04)
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/meis.html
http://www3.icmm.csic.es/superconductividad/superconductividad/levitac
ion/
http://somosfisicayquimica.blogspot.mx/2011/10/superconductividad-elefecto-meissner.html
Santiago García Dirce
Palencia Reyes R. Andrea
Ferromagnétos
Isaac Elias Rios Figueroa
Alejandro Jimenez Palestino
La mayoría de los cuerpos existentes en la naturaleza presentan una estructura molecular en la que reina el más
absoluto desorden y no se pueden magnetizar. Sin embargo existen también algunos metales en los que sus
átomos pueden actuar esporádicamente como imanes elementales, alineándose como tales si se someten a la
influencia de un campo magnético. Cuando eso ocurre se magnetizan, convirtiéndose en un imán temporal, o en
un imán permanente.
Los metales que se magnetizan con facilidad reciben el nombre de “paramagnéticos” y los que no se magnetizan
o
son
difíciles
de
magnetizar
se
denominan
“diamagnéticos”.
Entre los “paramagnéticos” los metales más fáciles de magnetizar se denominan “ferromagnéticos”; El hierro, el
níquel, el cobalto y algunas de las tierras raras (gadolinio, disprosio), muestran un comportamiento único
magnético llamado ferromagnetismo, por hierro (ferrum en latín), que es el ejemplo más común y más
espectacular y fue el hierro el metal en el que se detectó por primera vez esa propiedad.. El samario y el neodimio
en aleaciones con cobalto, se han utilizado para fabricar imanes de tierras raras muy fuertes
El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos
magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. La interacción ferromagnética es la interacción
magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de
extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.
Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos, separados por superficies conocidas
como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las
fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la
ganancia en entropía.
El ferromagnetismo se manifiesta en el hecho de que un pequeño campo magnético impuesto externamente por
ejemplo por un solenóide, puede originar que los dominios tiendan a alinearse con éste, de forma que aquellos
dominios en los que los dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético
inductor aumentan su tamaño. Este aumento de tamaño se explica por las características de las paredes de Bloch
magnéticos se alineen entre sí y entonces se dice que el material está magnetizado. Luego, el campo magnético
generado, se puede aumentar por un gran factor que normalmente se expresa como la permeabilidad relativa del
material. Hay muchas aplicaciones prácticas de materiales ferromagnéticos, tales como los electroimanes.
A.- Metal de hierro en estado normal (no magnetizado), cuyos átomos se encuentran desordenados. B.- El mismo metal de hierro, ahora
magnetizado, donde se puede observar que todas sus moléculas se encuentran ordenadas, guardando una misma orientación.
Los ferroimanes tienden a permanecer magnetizados en cierta medida después de ser sometido a un campo
magnético externo. Esta tendencia a "recordar su historia magnética" se llama histéresis. La fracción de la
magnetización de saturación que es retenida cuando se elimina el campo de generación, se llama remanencia del
material, y es un factor importante en los imanes permanentes.
Ferromagnétos
Isaac Elias Rios Figueroa
Alejandro Jimenez Palestino
Todos los ferroimanes tienen una temperatura máxima, donde desaparecen las propiedades ferromagnéticas como
resultado de la agitación térmica. Esta temperatura se llama temperatura de Curie.
Los materiales ferromagnéticos responden mecánicamente al campo magnético impuesto, cambiando ligeramente su
longitud en la dirección del campo aplicado. Esta propiedad, llamada magnetostricción, origina el zumbido familiar de
los transformadores, que es la respuesta mecánica a los voltajes de corriente alterna de 60 Hz.
Orden de Largo Alcance en los Ferroimanes
La ordenación de largo alcance que crea los dominios magnéticos en los materiales ferromagnéticos se cree que surge
debido al campo magnético asociado con el spin. Aunque en la mayor parte de los materiales estos campos se anulan
mutuamente, en las sustancias ferromagnéticas se produce una alineación de los spines de los electrones de los
átomos próximos debido a fuerzas, cuya explicación cae en el ámbito de la mecánica cuántica.
El imán puede mantener durante mucho tiempo esta orientación de sus dominios, aún si desaparece el campo
externo. Sin embargo, si se destruye la orientación privilegiada, por ejemplo golpeando o calentando al imán,
desaparece su magnetización al volver a las orientaciones aleatorias de los momentos magnéticos de los dominios.
Si en una pieza de hierro se alinean todos los espines, el campo sería de alrededor de 2,1 Tesla. Un campo magnético
de aproximadamente 1 T puede ser producido en hierro recocido con un campo externo de aproximadamente 0,0002
T, ¡una multiplicación del campo externo por un factor de 5000!. Para un material ferromagnético dado, el orden de
largo alcance desaparece abruptamente a una cierta temperatura que se llama temperatura de Curie del material. La
temperatura de Curie del hierro es de aproximadamente 1043ºK
La Temperatura de Curie
En un material ferromagnético dado, el orden de largo alcance desaparece abruptamente a una cierta temperatura,
que se llama temperatura de Curie del
material. La temperatura de Curie del hierro es de unos 1043ºK. La
temperatura de Curie da una idea de la cantidad de energía que se necesita para romper la ordenación de largo
alcance en el material. A 1043ºK, la energía térmica es aproximadamente 0,135 eV en comparación con alrededor de
0,04 eV a temperatura ambiente.
Ferromagnétos
Isaac Elias Rios Figueroa
Alejandro Jimenez Palestino
Transformador
Un transformador hace uso de la ley de Faraday y las propiedades ferromagnéticas de un núcleo de hierro para
subir o bajar eficientemente los voltajes de corriente alterna (AC). Por supuesto que no puede incrementar la
potencia, de modo que si se eleva el voltaje, la corriente es disminuida proporcionalmente y viceversa.
Electroimán
Los electroimanes tienen normalmente la forma de solenóides con núcleos
de hierro. Las propiedades ferromagnéticas del núcleo de hierro, hace que
los dominios magnéticos internos del hierro, se alineen con los campos
magnéticos mas pequeños producidos por la corriente en el solenóide. El
efecto es la multiplicación del campo magnético por factores de decenas e
incluso miles de veces.
Bibliografia:
Fisica volumen 2 Resnick & Halliday & Krane | 4° Edición paginas 239-244
http://www.ecured.cu/index.php/Ferromagnetismo
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_4.htm
https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/ruben/FES/slides/magnetism_4_5.pdf
Equipo: 10
Integrantes:
Alemán Ponce de León Diego
García García Edson
Fotocatálisis
La fotocatálisis es un fenómeno por el cual la luz puede reducir la energía de
activación de una reacción química. Este proceso se da cuando un semiconductor
absorbe un fotón con una energía hν igual o superior al valor de su energía de banda
prohibida, Eg (que es la energía mínima necesaria para convertir un material en
conductor), en donde un electrón de la banda de valencia se promueve hacia la
banda de conducción como se muestra en la Figura 1. Durante el cual se forman
dos portadores de carga:


Electrones en la banda de
conducción (e- CB).
Un electrón vació positivo en la
banda de valencia conocido
como “hueco” (h+ VB).
Los electrones en estado excitado
dentro de la banda de conducción y
los huecos dentro de la banda de
valencia pueden recombinarse y Figura 1: Esquema del mecanismo de la fotocatálisis
disipar la energía inicial en forma de calor. También podrían ser atrapados en los
estados superficiales metaestables o reaccionar con las moléculas adsorbidas en la
superficie del semiconductor, aceptando y donando electrones.
La fotocatálisis se divide en dos tipos: Heterogénea y Homogénea:
 Las características principales de la fotocatálisis heterogénea son:
 En la solución se presenta más de una fase, ya que el semiconductor
es sólido.
 Generalmente se usa el dióxido de titanio (TiO2) en su forma anasta.
 Los reactivos y los productos por lo general son líquidos o gaseosos.
 Las reacciones ocurren en la interface del material.
 Los semiconductores poseen una gran área superficial, como por
ejemplo la silica-alúmina que llega a tener un área de 300 m 2/g.
 Las características principales de la fotocatálisis homogénea son:
 El catalizador y el sustrato se encuentra en la misma fase.
 Tiene reacciones del tipo Fotofenton en las cuales se utilizan
pequeñas cantidades de Fe3+ y a su vez de peróxido de hidrogeno
para la formación de radicales hidroxilo.
 Utiliza la radiación UV y parte de la visible (580 nm).
 Tiene la ventaja de no ser ambientalmente benigno.
1


No tiene limitaciones por transferencia de masa por tratarse de un
sistema homogéneo.
Requiere de pH’s ácidos para evitar la precipitación del hierro.
Los semiconductores de interés en fotocatálisis son sólidos (generalmente óxidos),
en los cuales el solapamiento de los orbítales atómicos se extiende formando una
red atómica tridimensional, resultando una configuración de estados deslocalizados
muy próximos entre sí que forman bandas de estados electrónicos permitidos. Entre
los cuales el rendimiento fotocatalítico del dióxido de titanio (TiO2) es el compuesto
más representativo para el estudio de la fotocatálisis debido a los bordes de su
banda de energía (Eg), los cuales coinciden con los potenciales redox del agua; Sin
embargo, este rendimiento fotocatalítico del TiO2 aún debe ser reforzado,
considerando ahora la alta velocidad de recombinación de los pares electrón-hueco
fotogenerados y del estrecho intervalo de respuesta a la luz, consecuencia del
amplio valor de su banda prohibida. Para resolver estos problemas, muchos
métodos han sido propuestos para mejorar la actividad fotocatalítica del TiO2,
incluyendo modificación de la estructura cristalina y de la textura, ingeniería de la
banda prohibida (estructura electrónica), el dopaje con iones metálicos, con carbono
o nitrógeno, entre otros.
Por otro lado, se ha logrado activar al TiO2 en el espectro luz visible (cercano al UV)
la eficiencia alcanzada es relativamente baja, lo que ha motivado a que se explore
con otros óxidos semiconductores que se activen en todo el espectro de luz visible
(400 – 800 nm).
La fotocatálisis es ampliamente
utilizada en una gran variedad de
aplicaciones y productos en los
campos de medio ambiente y
energía, incluyendo superficie
autolimpiables, sistemas de aire
y purificación de agua, la
esterilización, el desprendimiento
de hidrógeno y la conversión
fotoelectroquímico (ver Figura 2).
El
desarrollo
de
nuevos
materiales, está fuertemente
obligada
a
proporcionar
representaciones mejoradas con
respecto a las propiedades
fotocatáliticas y encontrar nuevos
usos para la fotocatálisis.
En la última década, la
Figura 2: Principales aplicaciones fotocataíiticas.
importancia tanto tecnológica
como económica de la fotocatálisis ha crecido considerablemente. Los incrementos
2
en los rendimientos han sido fuertemente correlacionados a los avances en la
nanotecnología; por ejemplo, utilizar fotocatalizadores nanoparticulados ha
mejorado considerablemente la eficiencia catalítica de estos materiales, sin
embargo, una amplia investigación continúa para optimizar esta tecnología y para
ampliar el espectro de aplicaciones potenciales.
Bibliografía:






K. Nakata y A. Fujishima, “TiO2 photocatalysis: design and applications,”
Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews,
vol. 13, pp. 169-189, 2012.
Fotocatálisis, URL: http://www.cimav.edu.mx/noticia/2013/09/Fotocatálisisy-sus-aplicaciones, Consultado por última vez (10 de mayo de 2015.).
Homogeneous photocatalysis, URL:
http://www.hindawi.com/journals/ijp/2012/194823/, Consultado por última
vez (10 de mayo de 2015.).
Jaramillo C., Taborda G. La fotocatálisis: Aspectos fundamentales para una
buena remoción de contaminantes. Revista Universidad de Caldas (EneroDiciembre 2006) pp. 71-78
Restrepo I. Avances en investigación y desarrollo en agua y saneamiento
para el cumplimiento de las metas del milenio. (1°Ed.) Universidad del
Valle, Cali, Colombia, (Octubre 2007) pp. 367, 368
Rubiano H., Claudia Marcela; Laguna C., William Alejandro; Zapata S.,
Carmen Elena; Marin S. Estudio sobre las posibilidades de aplicación de la
fotocatálisis heterogénea a los procesos de remoción de fenoles en medio
acuoso. Universidad Nacional de Colombia, Gestión y Ambiente vol. 8
num.1 (2005) pp. 105-121
3
LASER
TEORÍA QUE LO JUSTIFICA
En 1806 Maxwell propuso la teoría electromagnética explicando el comportamiento de la luz como una onda
conformada por campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo.
corresponde al campo eléctrico y
al campo magnético y
dónde
a la velocidad de propagación.
En 1900 el físico alemán Max Planck sugirió que los átomos radiantes se comportan como osciladores
armónicos con frecuencia de vibración y adjunto la hipótesis de que cada uno de los osciladores únicamente
puede poseer energías E que satisfacen
.
En 1905 Einstein en su propuesta para explicar el efecto foto-eléctrico, supuso que la luz se absorbe en
proporciones discretas con valores dados por la formula de Planck. Además extendió su propuesta al
establecer que la luz también se propaga en forma de partículas discretas denominadas cuantos lumínicos o
fotones.
En 1923 se en denominado efecto Compton (difusión de rayos X por electrones libres) puso de manifiesto las
propiedades corpusculares de la luz, dando inicio a la teoría cuántica para la luz, permitiendo, junto con la
teoría atómica cimentar las bases para la invención del láser.
EFECTO REPRESENTATIVO
Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación
CARACTERISTICAS PRINCIPALES
El termino láser es un acrónimo de las palabras inglesas Light Ampification by Stimulated Emission of
Radiation (Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación). Se trata de un dispositivo electrónico
que amplifica un haz de luz de extraordinaria intensidad. Se basa en la excitación de una onda estacionaria
entre dos espejos, uno opaco y otro traslúcido, en un medio homogéneo. Como resultado de este proceso se
origina una onda luminosa, de múltiples idas y venidas entre los espejos, que sale por el espejo traslúcido.
Cuando todos los fotones están en fase los unos con los otros, decimos que tenemos un estado coherente.
Únicamente la luz cuyos fotones viajan en fase los unos con respecto a los otros es coherente, y este tipo de
luz es producido por lo que hoy conocemos como el láser.
En 1953, el físico Charles Townes y Arthur Schawlow, contratados por la armada como investigadores crearon
el denominado máser óptico, un sistema que empleaba un haz de moléculas separadas en dos grupos,
excitadas y no excitadas, utilizado para la emisión de microondas en una cámara de resonancia, siendo éste
el primer láser. Aunque el primer rayo láser tal y como lo conocemos actualmente, fue hecho por H. Maiman
en 1960 usando un cristal de rubí (óxido de aluminio con pequeñas impurezas de cromo).
El láser está constituido básicamente por:

 Sistema de bombeo: Es el encargado de suministrar la
energía al material que va a producir la emisión estimulada. Existe
el bombeo óptico y bombeo por descarga eléctrica.
 Medio activo: Es la sustancia en la cual se producirá la
emisión estimulada de radiación.
Cavidad óptica: Es el recinto donde se amplificará la radiación.
El láser se puede clasificar por medio de la naturaleza de de su medio activo.




Estado gaseoso: Donde su medio activo es un gas, como el He, Ne, CO2, N2.
Dentro de esta categoría se encuentran:
Láseres de flujo axial lento: Son de baja potencia y se caracterizan porque el flujo de gas es en sentido
axial a lo largo del resonador y sin impulsión.
Láseres de flujo axial rápido: Permiten potencias 1-2 W, el flujo de gas va en sentido axial forzado a su
renovación mediante el empleo de bombas
Láseres de flujo transversal: El suministro de gas es de forma transversal, por lo que la renovación del
gas es mucho mayor y más eficaz.
De colorante o sintonizables: Donde el medio activo es una mezcla orgánica que se encuentra en
suspensión, y dependen de la concentración y tipo del colorante.
Semiconductores: En este tipo de láseres esta constituido por un dioso con elevada concentración de
impurezas. El medio activo debe ser atravesado por la electricidad para generar la emisión. La longitud
de onda de estos siempre están dentro del rango de luz visibles.
Estado sólido: Cuyo medio activo consiste en un cristal dopado artificialmente con iones de otros
materiales. En este caso el medio activo no es atravesado por la electricidad.
La luz láser presenta características definidas y específicas, que son:




Mono cromaticidad: El haz emitido por el sistema presenta una longitud de onda con una dispersión o
ancho de banda muy reducido que se encuentra por debajo de las décimas de Angstron.
Coherencia: Todas las ondas que conforman el haz láser, están en cierta fase relacionadas una con
otra, tanto en tiempo como en espacio.
Direccionabilidad: en una sola dirección, ya que todas las ondas emitidas están casi paralelas y por
tanto no hay divergencia del rayo de luz, por lo que permanece invariable aún después de largos
recorridos.
Brillo o intensidad: Presenta una energía emitida por unidad de tiempo por unidad de área mayor que
la de cualquier otra fuente de luz.
El láser de acuerdo a su longitud de onda:

Rojo

Naranja
630-600 nanómetros

Amarillo
600-570 nanómetros

Amarillo-verdoso
570-550 nanómetros

Verde
550-520 nanómetros

Verde-azulado
520-500 nanómetros

Azul
500-450 nanómetros

Violeta
450-380 nanómetros
760-630 nanómetros
Láser de Nd-YAG.
Este láser de estado sólido Neodimio-YAG, se trata de una barra sólida de YAG (itrio-aluminio-granate), de
aspecto malva claro, que contiene un dopante, Nd3+, que es el causante de que estos láseres emitan una
longitud de onda de 1,064 µm, la cual es muy útil, ya que la mayoría de los materiales la absorben
eficazmente, excepto los materiales orgánicos. Además tiene muy buen rendimiento eléctrico, y puede ser
transportada por fibra óptica. Éste laser tiene una longitud de onda que puede ser doblada e incluso triplicada
con elementos ópticos, lo que permite que con un resonador se disponga de tres longitudes de onda. Los
láseres neodimio-YAG, se han convertido en importantes láseres debido a que se pueden usar para producir
altas potencias (10kW).
Aplicaciones:







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
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



Plantación de concentraciones locales de diversos tipos de átomos en chips de silicio
Lector de código de barras
Almacenamiento óptico
Lectura digital en discos compactos (CD)o discos versátiles digitales (DVD)
En fotocopiadoras e impresoras laser
En comunicaciones mediante fibra óptica
En la holografía, una novedosa forma de creación de imágenes tridimensionales
En cirugía de la piel
En cirugía de los ojos
En terapia contra el cáncer
En retiración de tatuajes
En armas de energía dirigada
Para cortar acero
Comunicación
Apuntadores de laser
Miras de armas
Medidores topográficos
Marcado sobre plásticos y metales
BIBLIOGRAFÍA
González, Edgar. “Él láser: Principios básicos”. Universidad Santo Tomás, 2003
Bilmes Gabriel M. “Laser”. Ediciones Colihue SRL, Buenos Aires 2008
A. E. Siegman. “Laser”. University Science Books, U.S.A
Alberto Cuesta Arranz. “Tecnología Láser: Aplicaciones Industriales” Lasing S.A. España, 2011
Brena Chávez Ximena Valeria
Sánchez Martínez Cecilia
,
Química
ímica del Estado Sólido
Facultad de Química
Fabro Franco, Fregoso Daniela
LED
LEDs: Ligth-Emitting-Diodes
Hoy en día, todos estamos familiarizados de alguna forma con los LED’s.
Los conocemos de verlos en muchos equipos de uso cotidiano como
radios, televisiones, teléfonos móviles y pantallas de relojes digitales; y en
los últimos años, con la introducción de nuevos materiales se han podido
crear LED’s que emiten prácticamente en todo el espectro visible
generando casi cualquier color y ofreciendo al mismo tiempo, una
eficiencia lumínica que supera por mucho a la de las
lámparas
incandescentes, y casi a cualquier tecnología tradicional de iluminación.
¿Qué son los LED’s?
LED es el acrónimo inglés de Light
Light-Emitting Diode (en español: Diodo emisor de luz). Se trata de un
dispositivo semiconductor que emite luz con una longitud de onda monocromática específica muy
bien definida cuando se polariza de forma directa pasando, por tanto, una corriente eléctrica entre
sus dos extremos. Si bien
n aunque la lente del encapsulado puede estar coloreada es únicamente
por motivos estéticos y de clasificación, pero no influye en el color de la luz emitida.
Tipos de semiconductores
La estructura fundamental de los diodos electrónicos consiste en la unión de dos cristales,
generalmente de un semiconductor
conductor en los que se han añadido impurezas de manera controlada y
exacta. Las propiedades semiconductoras son extremadamente sensibles a la presencia de
impurezas en concentraciones muy bajas como 1 parte en 1010; por lo que la introducción de las
mismas en un semiconductor
conductor muy puro altera las propiedades de una manera ha demostrado ser
de gran valor en la construcción de dispositivos semic
semiconductores.
onductores. Estos semiconductores son
conocidos como dopados o semiconductores extrínsecos, opuestos a los semiconductores como Si
y Ge, que son conocidos como semiconductores intrínsecos.
Estas impurezas introducidas son generalmente son elementos que tienen
enen más, o menos electrones
de valencia de manera que se obtienen semiconductores de tipo N o semiconductores de tipo P.
•
•
Un semiconductor tipo P se obtiene añadiendo al semiconductor una pequeña cantidad de un
elemento con menos electrones
trones de valencia pues con
on ello se aumenta notablemente el número
de portadores de carga libre positiva, también llamados huecos, existentes en la banda de
valencia del cristal del semiconductor (figura1.). Estos huecos permiten a los electrones cerca de la
cima de la bandaa conducir la electricidad, así el ssólido
lido dopado será mejor conductor que el
semiconductor puro. Ej. Silicio dopado con Boro
Un semiconductor tipo N se obtiene añadiendo un
elemento con más electrones de valencia al
semiconductor
conductor y con ello se aumenta el número de
portadores de carga libre negativa, electrones,
existentes en el cristal. Los átomos de dopaje se
encuentran en niveles energéticos cercan
cercanos a la
banda de conducción, y sus electrones pueden
fácilmente acceder a la banda de conducción. La
conductividad incrementa debido a los electrones
-1-
Química del Estado Sólido
Facultad de Química
Fabro Franco, Fregoso Daniela
extra entrando en la banda de conducción. Cuando se añade el material dopante, el cristal se
queda con un número muy superior de electrones en la capa externa de los átomos de los que
podría almacenar el cristal sin doparse. Ej. Silicio dopado con Fósforo
Los semiconductores tipo p y tipo n en varias combinaciones componen además de a los LEDs, a
muchos dispositivos electrónicos, como rectificadores, transistores, celdas fotovoltaicas, etc.
Principio de funcionamiento: Uniones p-n
Las uniones p-n son preparadas ya sea por dopar
diferentes regiones de un cristal con diferentes átomos
o por deposición de algún tipo de material en la parte
superior de otro, usando técnicas como deposición de
vapor. Su uso radica en la discontinuidad de
concentración de electrones entre la fase p y n. Aunque
ambos semiconductores tipo
y tipo n son
eléctricamente neutros, el tipo n tiene una gran
concentración de electrones con respecto al tipo p. Se
genera un campo eléctrico interno con el fin de igualar
dichas concentraciones cargando positivamente al tipo n por flujo de sus electrones al tipo p. Se alcanza
finalmente un equilibrio en el que se establece un gradiente suave de la concentración de electrones.
Aplicando un campo eléctrico externo a través de la unión, se perturba el equilibrio y las consecuencias
de esto son explotadas en los LEDS en donde una diferencia de potencial es aplicada a través de la unión
p-n y así un electrón de la banda de conducción moviéndose al lado tipo p puede caer en las vacancias
de la banda de valencia del lado tipo p, emitiendo un fotón en el proceso, es decir, una emisión de luz
cuya energía está dada por la ecuación: E=hv. Si la energía que se libera al recombinarse los electrones
es pequeña, dicha energía se emitirá en forma de ondas infrarrojas, de bajas frecuencias.
Por otro lado si la energía es alta las ondas emitidas tendrán frecuencias más altas emitiendo luz visible o
hasta ultravioleta. De esta manera diferentes colores pueden ser producidos usando semiconductores
con band gaps diferentes.
Compuesto
Arseniuro de galio (GaAs)
arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)
Color
Infrarrojo
rojo e infrarrojo
arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)
fosfuro de galio (GaP)
nitruro de galio (GaN)
seleniuro de cinc (ZnSe)
nitruro de galio e indio (InGaN)
carburo de silicio (SiC)
diamante (C)
anaranjado y amarillo
Verde
Verde
Azul
Azul
Azul
Ultravioleta
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Química del Estado Sólido
Facultad de Química
Fabro Franco, Fregoso Daniela
Aplicaciones
La tecnología LED es principalmente utilizada para iluminación por su disminución en costos, menor
tiempo de encendido, mayor tiempo de vida, reducida emisión de calor, variedad de colores, etc.
Los primeros LEDs emitían radiación de baja energía, como por ejemplo los IRED que emiten radiación
Infrarroja y son los utilizados desde hace tiempo para los controles remotos de televisores, sistemas de
audio y de video. En la actualidad existen LEDs capaces de emitir luz azul y hasta ultravioleta por lo cual
es posible usarlos en tecnología avanzada de comunicaciones y control.
Gracias a su diseño compacto es posible usarlos desde indicadores de encendido y apagado en aparatos
electrónicos, pantallas de celulares, linternas de mano hasta iluminación aeroportuaria o las grandes
pantallas utilizadas en estadios.
El IRED anteriormente mencionado fue usado para comunicaciones entre celulares y transmisión de datos
mas fue reemplaza por la tecnología bluetooth.
Es usado ampliamente para iluminación en señalamientos viales debido a su alta practicidad y bajo costo,
el aumento en uso de la tecnología LED en estos señalamientos ha aumentado ampliamente desde el
2007.
Los LEDs permiten además la producción de diferentes colores con alto rendimiento luminoso pues la
pérdida de energía es mucho menor a la comparada con lámparas normales a las cuales se les requiere
añadir un filtro que disminuye su eficiencia energética y lograr el mismo efecto.
Hasta en corrientes artísticas, es posible realizar cuadros de LEDs o hasta vestuarios con los mismos.
Referencias
(1) West, Anthony R. (1999). Basic Solid State Chemistry. 2nd Edition, John Wiley & Sons, LTD; pp. 115116, 315-318, 320-321
(2) Smart, Lesley; Moore, Elaine. (2012) Solid State Chemistry: An introduction. 4th Edition, CRC Press,
Taylor & Francis Group; pp. 190-193
(3) Gago, Alfonso. Fraile, Jorge. (2012) Iluminación con Tecnología LED. 1ra Edición. Ediciones
Paraninfo; pp. 1-6
-3-
Arzate Gómez Jazibeth Ailin
Cruz Cruz Jesús Iván
Magnetoresistencia
Definición:
Magneto resistencia es la propiedad de ciertos materiales de variar su rersistencia eléctrica al ser
sometidos a un campo eléctrico externo. Este ocurre principalmente cerca de la temperatura de
transición para- ferromagnética, Tc.
Evolución de la magnetorresistencia:
En sus inicios fue descubierta y observada por William Thomsom quien sólo pudo apreciar un máximo
de reducción en un 5%, actualmente con la evolución de la física de materiales se han llegado a
desarrollar materiales que permiten un 60% en la reducción de la resistencia. Los materiales que tienen
magnetorresistencia gigante suelen consistir en varias capas de átomos, por ejemplo, un material con
magnetorresistencia gigante se conforma de capas de hierro, capas de cromo y una capa final de
hierro del mismo grosor que la primera.
Tipos de magnetorresistencia(3):
MAGNETORRESISTENCIA
MATERIALES
CAMBIOS EN R
MR Anisótropa (AMR)
Ferromagnéticos
5%
MR Gigante (GMR)
Ferromagnéticos multicapa
50%
MR Túnel (TMR)
Ferromagnéticos multicapa
1%
MR Colosal (CMR)
Óxidos de
Mandaneso
Perovskita
de 600%
•Magnetorresistencia Anisótropa:
Un sistema tiene anisotropía magnética si su magnetización se orienta espontáneamente en alguna o
algunas direcciones preferenciales. Las anisotropíasas magnéticas pueden tener distintos orígenes: de
forma, magnetocristalina, debido a tensiones naturales o inducidas, de superficie o interfaz. Por la
simetría de los ejes preferenciales, pueden clasificarse en: uniaxiales, biaxiales, cúbicas, etc. La
magnetorresistencia Anisótropa contribuye de manera específica a la densidad de energía libre del
sistema.
•Magnetorresistencia Gigante:
La GMR es un efecto mecánico cuántico que se observa en estructuras de película delgada compuestas
de capas alternadas ferromagnéticas y no magnéticas. Se manifiesta en forma de una bajada
significativa de la resistencia eléctrica observada bajo la aplicación de un campo magnético, esto es:
Las cabezas lectoras de los discos duros están compuestas por un sandwich de elementos tal que su
resistencia eléctrica depende del campo magnético.
Magnetoresistencia gigante tiene el mismo principio que la magnetoresistencia. La diferencia es que
hay un sandwich con más capas cuyo resultado es que la variación de la resistencia es mucho más
grande y, por tanto, se pueden hacer “bits” mucho más pequeños. De eso modo aumenta la densidad
de almacenamiento en los discos duros.
•Magnetorresistencia Túnel:
Magnetorresistencia de túnel es un efecto magnetorresistivo que se produce en una unión túnel
magnético, que es un componente que consiste en dos ferromagnetos separados por un aislante. Si la
capa aislante es lo suficientemente delgada, los electrones pueden crear un túnel de un material
ferromagnético al otro. Dado que este proceso está prohibido en la física clásica, la magnetorresistencia
túnel es un fenómeno estrictamente de mecánica cuántica.
•Magnetorresistencia Colosal:
Es una propiedad intrínseca que aparece en ciertos materiales en los que existe una fuerte correlación
entre las propiedades magnéticas y las de transporte eléctrico.
Características principales
Lo sensores magnetorresistivos tienen:
Alta sensibilidad en la detección de campos magnéticos.
Amplio rango de temperatura.
Gran estabilidad y alto margen de variación o desviación (Offset) reducido.
Baja sensibilidad a la tensión mecánica.
Utilidad de la magnetorresistencia:
La utilidad de esta propiedad radica en poder reducir el tamaño de los discos duros y unidades de
almacenamiento de información. Esto se debe a que la propiedad de la magnetorresistencia gigante en
algunos materiales permite la disminución del lector de bits de estas unidades hasta niveles atómicos
y así aprovechar mejor la superficie para el guardado de información.
Además, otras aplicaciones importantes son:
Medida del campo terrestre.
Sensores de posición.
Detectores de tráfico.
Teoría que lo justifica:
En experimentos realizados en multicapas de Fe/Co en presencia de campos magnéticos intensos, se
observaron un cambio en la resistencia mucho mayor que los cambios en la resistencia observados
anteriormente, motivo por el cual a este fenómeno se le nombró Magnetoresistencia Gigante (Figura
No.1).
Este efecto se observa en estructuras de películas delgadas formadas por capas alternadas de
materiales ferromagnéticos y no magnéticos. Si la capa de un material no magnético separa dos capas
ferromagnéticas, al hacer pasar una corriente eléctrica a través de la estructura, se puede cambiar la
resistencia del material simplemente cambiando la dirección de magnetización de las capas
ferromagnéticas. En materiales ferromagnéticos los electrones de conducción pueden tener espín hacia
abajo si es antipararlelo. En conductores no magnéticos hay un número igual de espines hacia arriba y
hacia abajo en todas las bandas de energía. Por lo tanto, la probabilidad de que un electrón sufra
procesos de dispersión cuando pasa a un conductor ferromagnético depende de la dirección de su
espín.
Compuesto/efecto representativo:
Multicapas de Fe/Co.
Figura No.1. Represnetación esquemática de una estructura de tres capas: 2 capas ferromagnéticas
idénticas F1, F2, y en medio de elas una capa de metal no-magnético M. (a) Cuando la magnetización
de los ferromagnetos F1 y F2 es paralela, los electrones con espín hacia arriba (espín antiparalelo a la
magnetización) pueden atravesar la estructura casi sin dispersión lo que produce una resistencia
mínima. (b) Al contrario, en el caso antiparalelo, los electrones con espín hacia arriba y espín hacia
abajo sufren dispersiones en ambos ferromagnetos F1 y F2, dando lugar a una resistencia mayor.(1)
Referencias:
1) IGLESIAS V. Priscilla Elizabeth, (2010), “Orientación de espín por un campo eléctrico AC en
heteroestructuras semiconductoras con interacción espín-órbita”, Tesis de Maestría en Ciencias
e Ingeniería de materiales, UNAM Posgrado en Ciencias e Ingeniería de materiales, Centro de
nanociencias y nanotecnología, Ensenada B.C., pp. 13, 22,23.
2) MORALES H. Alfredo, (2010), “Síntesis, estructura y propiedades magnéticas de manganitas
(La-Sr) sustituidas con Fe y Cr”, Tesis de Maestría en Ciencias e Ingeniería de materiales,
UNAM Instituto de investigaciones en materiales, México D.F., pp.10-14.
3) RENEDO S. Eugenio, “Magnetoresistencia”
Consulta en línea: 9 de mayo de 2015 a las 20:40 horas.
https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/jsoler/docencia/solido/2010/presentaciones/magnet
orresistencia.pdf
Por Torres Flores Andrea Paola, Vargas Dorantes Oscar de Jesús
O-LED
a.
Introducción
Sustrato siendo un plástico, papel
aluminio, o incluso vidrio.
OLED (siglas en inglés de organic light-emitting
diode, en español diodo orgánico de emisión de
b.
Ánodo: el componente habitual es el
luz), es un diodo (componente electrónico de dos
óxido de Indio y Plomo (ITO). Este
terminales, que permite la circulación de la
material es transparente
corriente eléctrica a través de él en un solo sentido)
visible.
que se basa en una capa electroluminiscente
sustituye a ITO es PEDOT:PSS.
formada por una película de componentes
c.
Otro
a la luz
componente
que
Cátodo: este varía dependiendo del
orgánicos que reaccionan, a una determinada
tipo de OLED que se requiera, pero
estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz
generalmente puede ser Ba, Ca y
por sí mismos.
aluminio.
Los diodos orgánicos de emisión de luz, son dispositivos
electrónicos hechos por dos finas capas orgánicas: una
d.
compone de:
capa de emisión y una capa de conducción, que a la vez
están comprendidas entre una fina película que hace de
e.
terminal ánodo y otra igual que hace de cátodo. En
que
conducen
la
(semiconductores
electroluminiscentes).Cuando
bifenil)-5-(4-t-butilfenil)-1,3,4-
electricidad
oxadiazol,
orgánicos
una
diferencia
hidroxiquinilin)
de
son recombinados, la luz es emitida. Películas delgadas
f.
dos clases diferentes de OLED: aquellos que la
estructura orgánica son moléculas pequeñas y otras en
las que la estructura orgánica son polímeros- Como se
muestra en la figura 1, la estructura es análoga a un
sándwich.
o
tris(8-
aluminio,
entre
Capa transmisora de huecos (HTL):
Son usados TPD o NPB.
adicionales son agregadas para diferentes propósitos
tales como el transporte electrónico o de huecos. Hay
Alq3
otros.
potencial es aplicada, electrones o huecos son
inyectados en el material luminiscente. Cuando estos
Capa transmisora de electrones
(ETL): generalmente de PBD o 2-(4-
general estas capas están hechas de moléculas o
polímeros
Capa conductora electrones: se
g.
Capa emisiva (EML): La capa emisiva
es fabricada de moléculas de
plástico orgánicas, esto emisores
son materiales los materiales
fluorescentes o fosforescentes,
siendo los más usados polifluoreno
La teoría que explica el comportamiento es como
se muestra en la figura 2: como en este caso se
trata con un O-LED de tres capas, la capa de
conductora es remplazada por otras dos capas HTL
y ETL, cuando el ánodo tiene un potencial eléctrico
más positivo respecto al del cátodo, la inyección
de huecos ocurre del ánodo en el HOMO de HTL,
mientras que los electrones son inyectados del
1
Por Torres Flores Andrea Paola, Vargas Dorantes Oscar de Jesús
cátodo en el LUMO de ETL. Bajo la influencia de un
frente a la rigidez del cristal que da soporte a los
campo eléctrico aplicado, los huecos y electrones
LCD o pantallas de plasma.
inyectados
migran
hacia
el
electrodo
opuestamente cargado mediante “saltos” de la
carga de una molécula en molécula. Cuando en
EML un electrón y un hueco están muy cerca
(espacialmente) se recombinan y forman un
excitón, siendo unos cuantos de estos los que se
relajan por un mecanismo fotoemisivo (emiten
luz), dando como resultado una pantalla brillante.
Los OLED no necesitan la tecnología backlight, es
decir, un elemento OLED apagado realmente no
produce luz y no consume energía (el mismo
principio usado por las pantallas de plasma, solo
que la tecnología de plasma no es tan eficiente en
el consumo de energía).
Actualmente la mayoría de las tecnologías OLED
están en proceso de investigación, y los procesos
de fabricación (sobre todo inicialmente) son
económicamente elevados, en tanto no se alcance
un diseño que pueda ser utilizado en economías
de escala.
Referencias:
1.
http://www.lx.it.pt/~alcacer/TM_Group/
OLEDs.pdf. Consultado el 10 de mayo de
2015.
2.
Karzazi, . Y. Organic Light Emititin Diodes:
Figura 2. Mecanismo de fotoluminiscencia de
Devices and applications. K. ; Mater.,
un O-LED.
Eviron, Sci. 5 (1) (2014) I-12. Consultado
el 10 de mayo de 2015.
Las aplicaciones de OPLED son crear pantallas
digitales
en
dependiendo
dispositivos
como
electrónicos,
las
de
ya
televisión,
computadoras, teléfonos celulares, reproductores
digitales, radios para el auto, cámaras digitales,
consolas
de
videojuegos
y
PDA.
Dichas
aplicaciones va encaminadas a la eficiencia que
tienen las pantallas de estos materiales con
respecto a otros materiales como LCD y LED.
Por una parte, las capas orgánicas de polímeros o
moléculas de los OLED son más delgadas,
luminosas y mucho más flexibles que las capas
cristalinas de un led o LCD. Por otra parte, en
algunas tecnologías el sustrato de impresión de los
OLED puede ser el plástico, que ofrece flexibilidad
2
Alumnos: Miguel Flores Uribe & Hugo Yuset Samayoa Oviedo.
Grupo: 3
Fecha de entrega: 11/mayo/2015.
Materia: Química del Estado Sólido.
Prof.: José Francisco Gómez García.
Piezoeléctricos
Teoría que lo justifica
Los materiales piezoeléctricos son cristales que carecen de centro de simetría (de las 32
clases cristalinas, 21 no tienen centro de simetría). Ésta ausencia de simetría da pie a la
aparición de un dipolo instantáneo cuando se le aplica una fuerza mecánica al material.
Esto ocurre por el reacomodo de los dipolos presentes en el material que normalmente se
cancelarían pero al ejercer presión se da la formación de nuevos dipolos, debido a la
deformación de enlaces. El proceso anterior es reversible.
La aparición de este fenómeno depende de la estructura cristalina del material y la
dirección de la fuerza aplicada.
Características Principales
Los materiales piezoeléctricos presentan propiedades que lo distinguen de otros
dieléctricos, categoría a la que pertenecen. Al desarrollar dipolos por la presión ejercida
(lo cual deforma al material), se generan cargas eléctricas en las caras cristalinas
opuestas, aún fuera de un campo eléctrico, que se traduce en una diferencia de potencial
eléctrico.
Un material piezoeléctrico también puede efectuar el efecto contrario, expandiéndose con
un voltaje aplicado.
Compuesto representativo
El material piezoeléctrico se puede usar de transductor, para pasar energía mecánica a
eléctrica. El cuarzo era usado en micrófonos, bocinas (efecto contrario a los micrófonos) y
otros aparatos con este propósito aunque ha sido desplazado en algunos contextos por el
titanato de bario (BaTIO3). El cuarzo tiene una estructura tetraédrica con dipolos
permanentes pequeños a temperatura ambiente. El cuarzo desarrolla una polarización
cuando se somete a una fuerza de compresión a lo largo de [100] y se distorsiona el
tetraedro, pero no cuando se aplica en [001], lo cual ejemplifica que la piezoelectricidad
depende de la dirección de la fuerza aplicada.
Aplicaciones
Generador de carga
Zumbador piezoeléctrico
Generador o
transductorde
ultrasonidos.
Aplicaciones
Caracterización
biomecánica.
Reloj de cuarzo.
Presionando las caras de un
cilindro piezoeléctrico se puede
generar una diferencia de
potencial sufiente para generar
una chispa para encender gases
de combustible.
Una cerámica piezoeléctrica
está pegada a una lámina
elástica, cuando se le aplica un
voltaje alterno el piezoeléctrico
se expande y se contrae.
Ultrasonido: ondas mecánicas
de más de 20 kHz (auditivamene
indetectable), lo usan los
sónares submarinos o para
estudios médicos.
Se usan cerámicas
piezoeléctricas que al ser
comprimidas por la planta del
pie, se puede obtener una
corriente eléctrica proporcional
al esfuerzo.
Una pila suministra
electricidad suficiente para
que vibre el cuarzo y de esa
forma se tiene más precisión
en el tiempo.
Inyectores de
combustible de motores
de combustión interna.
Transductores de sonido
Una diferencia de potencial puede
ocasionar que el piezoeléctrico se
expanda y contraiga generando
ondas mecánicas (sonido),
también funciona el proceso
inverso (audífonos y micrófonos).
Bibliografía:
Efecto piezoeléctrico. CSIC. Instituto de Cerámica y Vidrio. Disponible en web:
http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/feria/publicaciones/Feria6/3/Inst_Cera
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Editores, México, págs. 615-617.
Moreno, J.C., Fernández, J.F., Ochoa, P., Ceres, R., Calderón, L., Rocon, E.,
Pons, J.L., (2004). Aplicación de sensores piezoeléctricos cerámicos a la
caracterización biomecánica, Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y
Vidrio, 43 [3], 668-673.
West, A., (1999) Basic Solid State Chemistry, 2° edición, John Wiley & Sons,
Inglaterra, págs. 362-372.
Segovia Poncelis Itzamara Midori Mora Navarrete José Armando SENSORES CERÁMICOS DE GASES. Los materiales cerámicos son usados comúnmente como sensores. Los sensores son dispositivos capaces de detectar propiedades físicas o sustancias como temperaturas, humedad, presiones o gases, cuantificarlos y transformarlo en una señal eléctrica. Convierte la variable de medición, por ejemplo, la concentración de gas, en una señal eléctrica, lo que se consigue mediante procesos químicos y físicos, dependiendo del tipo de sensor. Los semiconductores son el grupo de materiales cuyo uso en sensores ha experimentado un mayor crecimiento últimamente. Tiene enlaces covalentes y su conductividad eléctrica, se modifica con la temperatura, la deformación mecánica, la luz, los campos eléctricos y magnéticos, las radiaciones corpusculares y magnéticas y la absorción de sustancias diversas. Estos efectos se pueden controlar y modificar a través de dopajes en el material. Los dopajes en los que se añade un cierto tipo de átomos para poder aumentar el número de portadores de carga libres de carga negativa (aniones o electrones), generan semiconductores tipo N. Los dopajes donde se añaden componentes que aumenten la cantidad de portadores de carga libres y positivos generan semiconductores tipo P, donde los átomos del semiconductor que han perdido un electrón se les llama huecos. Los óxidos de Sn,Zn y Fe son usados como sensores de combustibles o gases tóxicos. La propiedad que permite que este tipo de cerámicos sean utilizados como sensores es la semiconductividad, cuando varios gases pasa a través de una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia, ajustando una mezcla de gases. Los sensores de gas basados en óxidos semiconductores presentan un cambio en la resistencia cuando son expuestos a ciertos gases. El óxido de estaño, SnO​
, es el 2​
compuesto más utilizado en la fabricación de sensores de gas, y con el fin de mejorar su eficiencia normalmente se le adicionan óxidos de paladio, bismuto, antimonio entre otros. Para explicar el cambio en la conductividad (o resistencia) del material, se recurre a la teoría de bandas, pues es el modelo que permite explicar el grado de conductividad. Cuando un gas en específico interacciona con la superficie del semiconductor, se llevan a cabo reacciones que generalmente son de óxido­reducción, la más común es aquella donde se forma una película de óxido, cuya formación genera un cambio en la concentración de portadores de carga en el material, que a su vez, implica una alteración en el grado de conductividad. De este modo, la cantidad de portadores de carga presentes en un semiconductor se relaciona directamente con la magnitud del “gap” de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia. En los semiconductores tipo N, los portadores de carga mayoritarios son electrones, y sobre la interacción con un gas reductor se produce un aumento de la conductividad. A la inversa, un gas oxidante agota la concentración de portadores de carga, provocando una disminución en la conductividad. En los semiconductores tipo P, se presentan los efectos opuestos a los que se dan en los semiconductores tipo N. La información se resume en la siguiente tabla: Clasificación Gas oxidante Gas reductor Tipo N Incremento de resistencia Disminuye resistencia Tipo P Disminuye resistencia Incremento de resistencia El funcionamiento de los sensores cerámicos es dependiente de los factores termodinámicos que afectan la difusión de los gases y la interacción con la superficie del material, por lo que el fenómeno es dependiente de la temperatura, concentración del gas, presión y humedad del medio. Los sensores se componen de: • Receptor: material químicamente activo. Mide el compuesto a ser detectado (mensurando). • Transductor : la señal medida debe ser enviada a la unidad de control a través de un transductor , que hace que la trasmisión de datos. • Sistema de adquisición: transforma la señal para el sistema de procesamiento de datos. • El sistema de procesamiento de datos: hace poco código transformación. Las principales aplicaciones de los sensores cerámicos de gases son el monitoreo de aire y el control de la combustión. Los sensores son usados en el control de la emisión de gases de los vehículos y como sistemas de seguridad en las industrias. La fiabilidad con la que pueden detectarse sustancias peligrosas en el aire depende en gran medida de los sensores utilizados ya que el sensor es el componente más importante de un detector de gases. La tecnología de detección de gases requiere un alto nivel de precisión. No solo la integridad de sistemas y máquinas, sino también vidas humanas dependen de la fiabilidad de los sistemas de detección de gases. Bibliogarfía ● George F. Fine, Leon M. Cavanagh, Ayo Afonja and Russell Binions *. (20/5/2010). Metal Oxide Semi­Conductor Gas Sensors in Environmental Monitoring. Sensors, 10, 5469­5502. 10/5/2015 ● . (2012). Sensores de gases basados en óxidos de estaño: una aproximación electroquímica. 10/5/14, de A Sitio web: http://www.tdx.cat/bitstream/handle/ 10803/ 2743/Tol1226.pdf?sequence=6 ● ALEJANDRA MONTENEGRO , MIGUEL PONCE . (Apr. 2007). USE OF CHEMICAL METHODS TO OBTAIN Sn­Sb GAS SENSOR. Dyna rev.fac.nac.minas, 74, 151. 9/05/14 ● (2012). Chemical sensors based on ceramic materials for pollutant gases detection. 10/5/2014, de uniroma Sitio web: http://www.uniroma2.it/didattica/ MA2/deposito/Chemical_Sensors.pdf ● Montenegro,Alejandra. Ponce, Miguel. Castro, Miriam. Rodriguez, Jorge.Uso de métodos químicos para la obtención de sensores de gas del sistema Sn Sb. ​
Dyna rev.fac.nac.minas vol.74 no.151 Medellín Jan./Apr. 2007. 9/05/2015 http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012­7353200700010
0010 ● GRUPO DRÄGERE. En el corazón de los sistemas de detección de gases estacionarios.9/05/2015.http://www.draeger.com/sites/assets/PublishingImages/Pr
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