Propiedades eléctricas de los materiales

Importancia de las propiedades eléctricas
• En materiales conductores, p.ej. metales (hilo de cobre), se precisa
una alta conductividad eléctrica para transportar corriente eléctrica y
energía sin pérdidas
• En materiales aislantes, p.ej. cerámicos o polímeros, se precisa una
conductividad eléctrica muy baja (dielectricidad) para impedir la
ruptura dieléctrica del material y los arcoseléctricos entre
conductores
• En materiales semiconductores:
– P.ej.: dispositivos fotoeléctricos. Se necesita optimizar sus propiedades
eléctricas para que con ellos se puedan fabricar fuentes prácticas y
eficientes de energías alternativas
– P. ej. Transistores, circuitos lógicos, etc…El estudio y posterior mejora
de sus propiedades eléctricas permite la fabricación de “chips” y
ordenadoresmás rápidos y pequeños.
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Los portadores eléctricos y el enlace atómico (I)
• La carga eléctrica (y su movimiento) es la responsable de las
propiedades eléctricas de un material
• Tipos de cargas eléctricas móviles en un material: electrones,
huecos (espacios dejados por los electrones) e iones
• Tipos de enlaces según los materiales:
– Metálico: los electrones estáncompartidos por todos los núcleos
atómicos del material (nube electrónico). Facilidad de movimiento.
– Covalente: los electrones están compartidos por un par de átomos. Alto
grado de localización electrónica y gran dificultad de movimiento por el
material.
– Iónico: iones positivos y negativos forman el material mediante fuertes
interacciones electrostáticas, por tanto, los electronestienen una gran
dificultad de movimiento por el material.
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Los portadores eléctricos y el enlace atómico (II)
Movimiento de la
carga eléctrica
(según el tipo de
enlace atómico)
< v >= 0
r
Movimiento de la carga eléctrica en el interior de un
material (modelo microscópico)
a) En ausencia de un campo eléctrico externo: movimiento
aleatorio (colisiones con elentorno) sin dirección espacial
preferente
b) En presencia de un campo eléctrico externo, E: la carga
eléctrica se desplaza por el material por medio de colisiones
con el entorno y en una dirección resultante paralela a E
< v > ¹ 0 I ¹ 0 corriente eléctrica
r
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Modelo microscópico de la conducción eléctrica (I)
1. En su movimiento por el material, las cargas eléctricascolisionan
con su entorno:
– Red de núcleos atómicos y sus vibraciones (dependientes de la
temperatura)
– Imperfecciones de la red de núcleos: defectos puntuales (impurezas,
vacantes), defectos de línea (dislocaciones) y defectos de superficie
(fronteras de grano, límites de la muestra, maclas,…)
– Resto de las cargas eléctricas
– …..
2. Las colisiones se resisten al movimiento libre de lacarga eléctrica
y limitan su velocidad hasta cierto valor máximo, vm
3. El tipo y número de colisiones depende, por tanto, de la
estructura cristalina del material y de la temperatura. Propiedad
intrínseca del material, resistividad eléctrica, r.
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Modelo microscópico de la conducción eléctrica
(II)
1. Para un material de longitud l, sección A y resistividadeléctrica r, la resistencia eléctrica total que ofrece al
movimiento de la corriente eléctrica es R
2. En cada colisión las cargas eléctricas pierden cierta
energía cinética que debemos reponer si queremos
mantener una corriente eléctrica constante, I. La energía
necesaria para cada carga es DV (ley de Ohm):
3. La energía perdida por toda la corriente eléctrica I en un
tiempo t se transfiere almaterial cuya temperatura se
eleva y comienza a irradiar calor (efecto Joule)
E RI t
V IR
A
l
R
2 3)
2)
1)
=
D =
= r
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Modelo microscópico de la conducción eléctrica
(III)
• Algunos parámetros útiles:
– Conductividad eléctrica,
s=1/r
– La densidad de corriente
eléctrica por unidad de
área: J=nqvm, o bien,
J=sE
– La movilidad de los
portadores,...