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CAPACITORES
Descripción del fenómeno
Un capacitor es un dispositivo capaz de
almacenar carga eléctrica, y consiste en dos
objetos conductores (generalmente placas u
hojas) colocados uno cerca del otro, pero sin
que estén en contacto, están separadas por
un aislante llamado dieléctrico. Un
dieléctrico o aislante es un material que evita
el paso de la corriente.
Al conectar un condensador en un circuito, la
corriente empieza a circular por el mismo. A
la vez, el condensador va acumulando carga
entre sus placas. Cuando el condensador se
encuentra totalmente cargado, deja de
circular corriente por el circuito. Si se quita la
fuente y se coloca el condensador y la
resistencia en paralelo, la carga empieza a
fluir de una de las placas del condensador a
la otra a través de la resistencia, hasta que la
carga es nula en las dos placas. En este caso,
la corriente circulará en sentido contrario al
que circulaba mientras el condensador se
estaba cargando
Los capacitores almacenan carga que
posteriormente se puede liberar, como un
flash de cámara o como respaldo de energía
en las computadoras para cuando falla la
potencia, se llama capacitancia o capacidad a
la cantidad de cargas eléctricas que es capaz
de almacenar, los capacitores también
bloquean los excesos de carga y energía para
proteger los circuitos.
Características Físicas
La capacitancia depende de las
características físicas del capacitor:
- Si el área de las placas que están frente a
frente es grande la capacitancia aumenta
- Si la separación entre placas aumenta,
disminuye la capacitancia
- Si se aumenta la tensión aplicada, se
aumenta la carga almacenada.
Características Químicas
El tipo de material dieléctrico que se aplica
entre las placas también afecta la
capacitancia
Los diferentes materiales que se utilizan
como dieléctricos tienen diferentes grados
de permitividad (diferente capacidad para el
establecimiento de un campo eléctrico).
Mientras mayor sea la permitividad, mayor
es la capacidad del condensador eléctrico.
Permitividad relativa de materiales aislantes
Condensadores de aire. Se trata de
condensadores, normalmente de placas
paralelas, con dieléctrico de aire y
encapsulados en vidrio. Como la
permitividad eléctrica relativa es la unidad,
sólo permite valores de capacidad muy
pequeños.
Condensadores de mica. Sobre una cara de la
lámina de mica se deposita aluminio, que
forma una armadura. Se apilan varias de
estas láminas, soldando los extremos
alternativamente a cada uno de los
terminales. Estos condensadores funcionan
bien en altas frecuencias y soportan
tensiones elevadas, pero son caros y se ven
gradualmente sustituidos por otros tipos.
Condensadores de papel. El dieléctrico es
papel parafinado. Se apilan dos cintas de
papel, una de aluminio, otras dos de papel y
otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las
cintas de aluminio constituyen las dos
armaduras, que se conectan a sendos
terminales. Se utilizan dos cintas de papel
para evitar los poros que pueden presentar.
Condensadores electrolíticos. Es un tipo de
condensador que utiliza un electrolito, como
su primera armadura, la cual actúa como
cátodo. Con la tensión adecuada, el
electrolito deposita una capa aislante (la cual
es en general una capa muy fina de óxido de
aluminio) sobre la segunda armadura o cuba
(ánodo), consiguiendo así capacidades muy
elevadas. Son inadecuados para funcionar
con corriente alterna.
Condensadores de aluminio. Es el tipo
normal. La cuba es de aluminio y el
electrolito una disolución de ácido bórico.
Funciona bien a bajas frecuencias, pero
presenta pérdidas grandes a frecuencias
medias y altas.
Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro
condensador electrolítico, pero emplea
tantalio en lugar de aluminio. Consigue
pérdidas bajas de corriente, mucho menores
que en los condensadores de aluminio.
Suelen tener mejor relación
capacidad/volumen.
Condensadores de poliéster o Mylar. Está
formado por láminas delgadas de poliéster
sobre las que se deposita aluminio, que
forma las armaduras. Se apilan estas láminas
y se conectan por los extremos. Del mismo
modo, también se encuentran
condensadores de policarbonato y
polipropileno.
Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas
de varios tipos para formar el dieléctrico.
Existen diferentes tipos formados por una
sola lámina de dieléctrico, pero también los
hay formados por láminas apiladas.
Dependiendo del tipo, funcionan a distintas
frecuencias, llegando hasta las microondas.
Bibliografía
Douglas Giancoli. Principios con
Aplicaciones 6ta Edición. Pearson
Education. pp. 479-482
http://unicrom.com/Tut_condensad
or.asp
https://en.wikipedia.org/wiki/Capa
citor
INTRODUCCIÓN
Un catalizador es una sustancia que
altera la velocidad de una reacción sin
consumirse durante ésta. Los catalizadores
se dividen en dos categorías, según su
relación con la fase de la reacción en que
intervienen: homogéneos y heterogéneos. Un
catalizador heterogéneo está en una fase
diferente a la de los componentes de la
reacción en la que actúa.
CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
La habilidad de un material para
actuar como catalizador, depende de su
naturaleza química. La catálisis heterogénea
involucra las propiedades químicas
específicas de la superficie del material
escogido, y estas a su vez son un reflejo de
la química del sólido masivo.
Dependiendo de las habilidades catalíticas,
los catalizadores heterogéneos se pueden
clasificar de la siguiente manera:
Metálicos: los metales quimisorben
efectivamente el hidrógeno y el oxígeno,
funcionan muy bien para reacciones de
oxidación hidrogenación y deshidrogenación.
Puesto que éstos son conductores, el paso
de quimisorción catalítica, consiste en un
intercambio electrónico entre el metal y el
adosorbato. Aquellos metales “nobles” (Pd Pt
Ag) que son resistentes a la oxidación,
pueden ser usados como catalizadores de
oxidación.
Óxidos aislantes: Caracterizados por su
acidez, siendo efectivos en mecanismos que
involucran carbaniones. Las reacciones que
se benefician con este tipo de catalizadores
son: deshidratación, polimerización,
alquilación e isomerización. Estos óxidos
aislantes (γ-Al2O3, Al2O3-SiO2, zeolitas) son
generalmente irreducibles.
Óxidos y sulfuros semiconductores: Son
caracterizados por su conductividad, la cual
es despreciable a bajas temperaturas, pero
se incrementa drásticamente con el aumento
de ésta. La semiconductividad puede ser
intrínseca o inducida por la creación de
vacíos catiónicos o aniónicos. La capacidad
de intercambio electrónico con las especies
adsorbidas, permite una excelente
efectividad para el mismo tipo de reacciones
que se presentan con catalizadores
metálicos.
CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES
Normalmente podemos pensar en la
superficie de un sólido como una estructura
homogénea donde los átomos ocupan
posiciones bien definidas y por tanto se
repiten regularmente. Sin embargo, esto
corresponde a una situación ideal muy difícil
de conseguir en la práctica. La superficie de
un sólido puede estar llena de defectos
debido al proceso de crecimiento del cristal o
bien a procesos sufridos una vez formado.
Estos defectos pueden clasificarse según su
topología.
Estos defectos suelen ser importantes en el
estudio de los procesos superficiales ya que
los átomos implicados en ellos son más
reactivos, al tener menos valencias cubiertas
que el resto. Los defectos en una superficie
metálica son muy importantes para la
actividad catalítica y su presencia aumenta la
velocidad de catálisis.
Los catalizadores heterogéneos proporcionan
una superficie en la que pueda tener lugar la
reacción. Por lo anterior en muchas
ocasiones se requiere que el catalizador
tenga una alta área superficial y que sea
poroso. En este sentido las zeolitas son un
buen ejemplo de catalizador heterogéneo
debido a sus poros altamente cristalinos; son
consideradas como un tamiz molecular, pues
sus cavidades son de dimensiones
moleculares.
Del mismo modo los Silicatos mesoporosos
han encontrado utilidad como catalizadores
debido a que su área superficial puede ser de
UNAM-FQ AZPILCUETA NICOLÁS CARLOS RAZZIEL QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO VELASCO SANTIAGO OMAR
“CATALIZADORES HETEROGÉNEOS”
más de 1000 m2/g, lo que aumenta la
probabilidad de que una molécula de reactivo
en solución entre en contacto con la
superficie del catalizador y se adsorba.
FENÓMENOS DE TRANSPORTE
INVOLUCRADOS
Para que la reacción se produzca, uno o más
de los reactivos deben difundir a la superficie
del catalizador y adsorberse en él. Después
de la reacción, los productos deben
desorberse de la superficie y difundir lejos de
la superficie del sólido. Con frecuencia, este
transporte de reactivos y productos de una
fase a otra desempeña un papel
determinante de la velocidad de reacción.
De manera que la catálisis heterogénea se
lleva a cabo gracias a un conjunto de
fenómenos fisicoquímicos como:
Difusión
La difusión (también difusión molecular) es
un proceso físico en el que partículas
materiales se introducen en un medio que
inicialmente estaba ausente, aumentando la
entropía (Desorden molecular) del sistema
conjunto formado por las partículas
difundidas o soluto y el medio donde se
difunden o disuelven.
Normalmente los procesos de difusión están
sujetos a la Ley de Fick. En este caso nos
referimos específicamente al transporte de
los reactivos a la superficie del sólido y el de
los productos.
Adsorción (y/o quimisorción)
Todos los sólidos tienen la propiedad de fijar
(adsorber) en su superficie las moléculas,
átomos, o iones que se encuentren a su
alrededor. Imaginemos una superficie. Una
superficie puede formarse por la ruptura de
un cristal perteneciente a un sólido covalente,
como por ejemplo el diamante o cualquier
metal. En el proceso de ruptura del cristal,
algunos enlaces covalentes entre átomos se
rompen, lo que origina que cada átomo en la
superficie posea una o más valencias libres.
Cualquier átomo que se localice en la
superficie creada se encuentra en una
posición poco usual, el número de vecinos
que poseía antes de la formación de la
superficie ha disminuido y experimenta un
conjunto de fuerzas no balanceadas.
Esta situación conduce al fenómeno de
energía libre superficial. Si una molécula con
afinidad hacia estas valencias libres se
acerca lo suficiente, se producirá un re-
arreglo electrónico con el sistema tal como se
observa en una reacción química. El
resultado es la fijación de la molécula en la
superficie a través de una adsorción química
o quimisorción.
En la cinética de reacciones heterogéneas se
asume que la reacción en superficie es el
paso limitante en la mayoría de las
reacciones catalíticas heterogéneas
Cualquier reacción que tome lugar en una
superficie comprende 5 pasos consecutivos
1) Difusión de reactivos a la superficie
2) Adsorción de los reactivos
3) Reacción en superficie (pueden ser
unimoleculares o bimoleculares)
4) Desorción de los productos
5) Difusión de productos hacia la fase fluida
PRINCIPALES MODELOS DE CATÁLISIS
HETEROGÉNEA
Modelo de Langmuir-Hinshelwood
En muchos casos la adsorción está
acompañada por la disociación de la
molécula adsorbida sobre la superficie. Por
ejemplo: H2 se adsorbe sobre muchos
metales en forma de átomos, cada átomo
ocupando un sitio sobre la superficie.
Modelo de Langmuir/Rideal
La reacción ocurre entre una molécula en
fase gas, molécula B, y una molécula
adsorbida sobre la superficie del catalizador,
molécula A.
BIBLIOGRAFÍA
GONZO E. E. “CONCEPTOS BASICOS SOBRE LOS FENOMENOS DE TRANSPORTE Y
TRANSFORMACIÓN EN CATALISIS HETEROGENEA”. Editorial Eunsa, 1 ed., Argentina.,
2010. Pp.: 15-23
CARBALLO-SUAREZ L. M. “INTRODUCCIÓN A LA CATÁLISIS HETEROGÉNEA”.
Universidad Nacional de Colombia, 1 ed., Colombia., 2002. Pp.: 21-25
HOUSECROFT C. E., SHARPE A. G. “QUÍMICA INORGÁNICA”. Pearson- Pretince Hall. 2
ed. 2006. Pp.: 786-789/799-802
“SUPERFICIES SÓLIDAS: ADSORSIÓN Y CATÁLISIS HETEROGÉNEA” Apuntes de
Química-Física Avanzada., Departamento de Química-Física., Univèrsitat de Valencia.
Documento disponible en: http://www.uv.es/tunon/pdf_doc/Superficies_Solidas_A.pdf
15/11/2015
Espinosa Rocha Jorge Antonio
Nuñez Bahena Erick
CELDAS DE COMBUSTIBLE
INTRODUCCIÓN
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química en energía eléctrica y esta a
su vez la suministra a una corriente directa. Su eficiencia, su baja producción de contaminantes, y su forma de simplificar
varios procesos para generar energía las ubica como una de las tecnologías más prometedoras para reemplazar las
formas tradicionales de cubrir la demanda energética del mundo.
La composición básica de una celda de combustible consta de una capa de electrolito que se encuentra en medio de
unas membranas porosas que cumplen la función de ánodo y cátodo, similar a una batería. La capa de electrolito
mantiene contacto directo con ambas membranas.
Gracias a la porosidad de las membranas, el combustible (hidrógeno, metanol, biogás, propano o etanol) es inyectado
con oxígeno, el cual cumple la función de oxidante. Una diferencia con las baterías es que el combustible y el oxidante
deben ser suministrados continuamente. Las membranas contienen un material conductor (generalmente un metal) para
recoger la energía eléctrica creada por una reacción química básica.
2𝐻2 + 𝑂2 → 𝐻2𝑂 + 𝐸𝐿𝐸𝐶𝑇𝑅𝐼𝐶𝐼𝐷𝐴𝐷
El hidrogeno al ser ionizado pierde un electrón que es trasladado por el material conductor mientras que el hidrogeno
viaja a través del electrolito hacia el cátodo donde se dará una reacción que produce agua, calor y energía eléctrica.
A continuación se describen el tipo de celdas de combustible más comunes de los últimos años.
TIPOS DE CELDA
Celda de combustible alcalina (AFC) Básicamente, esta celda consiste en 2 electrodos porosos (por lo general de níquel
chapado en oro) separados por una disolución acuosa de hidróxido de potasio (KOH).
Por un lado, en el ánodo se inyecta gas hidrógeno, el cuál fluye a través de los poros del ánodo, en donde se encuentra
en contacto directo con iones hidroxilo (presentes en las porosidades del electrodo). El hidrógeno se oxida en presencia
de iones hidroxilo, produciendo agua y electrones: 2H2 + 4OH-4H2O + 4 e-
Los electrones producidos en la reacción viajan del ánodo al cátodo, en donde reducen al oxígeno en presencia de agua
(esto, dentro de las porosidades del electrodo): O2 + 2H2O + 4e-4OH- .La reacción global consume 2 moléculas de
hidrógeno y una molécula de agua para producir 2 moléculas de agua.
La principal desventaja de este tipo de celdas de combustible, es que el KOH es susceptible a contaminarse de CO2
produciendo carbonato de potasio (K2CO3), el cual se deposita en los poros de los electrodos y bloquea su funcionamiento:
2CO2 + 2KOHK2CO3 + H2CO3. Por esta ración se debe usar oxígeno o aire purificado de CO2, el cuál suele ser costoso.
Aún con lo mencionado, las AFC son las pilas de combustible más baratas de fabricar y su eficiencia puede ser de hasta
el 70%. Este tipo de celdas opera a temperaturas entre 105°C y 245°C
Celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC) Esta celda consiste de 2 electrodos porosos hechos de papel carbón
recubierto con platino (como catalizador), separados por una disolución de ácido fosfórico. Al igual que en la celda alcalina,
las reacciones se llevan a cabo en las porosidades de los electrodos.
En el ánodo, el gas hidrógeno se oxida según la reacción 2H24H+ + 4e-. Los electrones producidos viajan del ánodo al
cátodo, en donde reducen al oxígeno en presencia de protones: O2 + 4H+ + 4e-2H2O.La reacción global consume 2
moléculas de hidrógeno y una molécula de agua para producir 2 moléculas de agua.
A diferencia de AFC, PAFC es más tolerante a las impurezas, por lo que no se necesita que los reactivos estén
completamente puros. Sin embargo, en contraste con AFC, esta celda de combustible puede alcanzar eficiencias de
producción de energía de apenas 42% y el hecho de que se necesite un catalizador de platino (que se recarga
periódicamente) eleva su costo significativamente. Este tipo de celdas opera a temperaturas entre 180°C y 205°C.
Celda de combustible de Membrana Intercambiadora de Protones (PEMFC)
Este tipo de celdas usa como electrolito una capa delgada (50 µm) de una membrana de intercambio protónico (como el
polímero del ácido perfluorosulfonado) que se encuentra en fase sólida. Los electrodos (ánodo y cátodo) cuentan con un
catalizador de platino dispersado en carbono. Las reacciones en el ánodo y el cátodo son las mismas que las que se
describen en la PAFC. La temperatura de operación de estas celdas es alrededor de 80 °C y son grandes candidatas a
aplicaciones de vehículos y tecnología portátil. Sus principales ventajas radican en su alta potencia, su electrolito solido
que evita la corrosión y sus bajas temperaturas de operación. Sus desventajas son el costo de los catalizadores y la
sensibilidad a las impurezas del combustible.
Celda de combustible de metanol directo (DMFC) Al igual que la PEMFC, esta celda utiliza como electrólito una
membrana de polímero sólido. La principal característica de esta celda, es que utiliza metanol líquido como fuente de
hidrógeno. Este metanol llega a la membrana polimérica por medio de los electrodos porosos, y con la ayuda de un
catalizador de platino presente en la membrana produce CO2, protones y electrones:
CH3OH + H2OCO2 + 6H+ + 6 e-
Los electrones producidos viajan del ánodo al cátodo, mientras que los protones atraviesan la membrana polimérica. En el
cátodo se introduce Oxígeno, el cuál reacciona en la interfase membrana-cátodo con los protones y electrones producidos
en la oxidación del metanol: 6H++6e- + 3/2 O2 3H2O.
La reacción global es CH3OH + + 3/2 O2 CO2 + 2H2O.
La DMFC puede alcanzar eficiencias de hasta 40% y opera a temperaturas de entre 50°C y 120°C, lo que hace a este tipo
de celdas atractivas para su uso en celulares u objetos de uso cotidiano. Las desventajas de este tipo de celdas son
principalmente el permeado del metanol del ánodo al cátodo sin generar electricidad (problema conocido como crossover)
y la generación de grandes cantidades de CO2,, las cuales dificultan el transporte del metanol hacía el catalizador de platino
en la membrana.. Actualmente se trabaja para encontrar solución a los problemas mencionados y también para encontrar
catalizadores más eficientes para oxidar al metanol, ya que dicha oxidación es de cinética más lenta que la oxidación del
hidrógeno.
Celda de combustible de Carbonato Fundido (MFC)
El electrolito de este tipo de celdas es una combinación de los carbonatos de Li, K y Na retenido en una matriz cerámica
de 𝐿𝑖𝐴𝑙𝑂2. La temperatura de operación se encuentra entre los 600 y 700 °C debido a que se debe alcanzar la
temperatura adecuada para la conductividad del electrolito de carbonatos. Una ventaja de estas altas temperaturas es
que no se necesitan metales nobles como catalizadores y permite la cogeneración.
También la caracteriza su alta efectividad al usar combustibles a base de carbón. Su deficiencia radica en que debido a
las altas temperaturas de funcionamiento se promueve el desgaste y la corrosión.
Celda de combustible de Óxido Solido (SOFC)
La particularidad de este tipo de celdas radica en que su electrolito consiste en un sólido no poroso de un oxido metálico,
usualmente 𝑌2𝑂3 − 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑍𝑟𝑂2 (YSZ). La celda opera entre 500 a 1000 °C donde la conducción de los iones de
oxigeno toma lugar. Es una de las celdas más prometedoras en cuanto aplicaciones de alta potencia debido a su
eficiencia, sus bajos problemas de corrosión y sus diseños de celdas tubulares y planas. Su inconveniente es la alta
temperatura de operación.
Bibliografía
PEM Fuell cells: theory and practice; Frano Barbir .- Segunda edición pag: 1-10
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/605/A5.pdf?sequence=5
Maribel C. Férnandez Valecillos, Tesis Celdas de combustible, Universidad de los andes, Facultad de ingerniería,
2009
Ricardo Escudero-Cid, Enrique Fatás, Juan Carlos Pérez-Flores y Pilar Ocón Pilas de combustible: una alternativa
limpia de producción de energía,2013
http://worldwide.fuelcells.org/sp_base.cgim?template=sp_fctypes#dmfc, consultado el día 14 de noviembre de
2015 a las 18:00 horas.
Celdas solares
Alumnas: Cordero Fernández Tonantzin y Hernández Acevedo Alejandra Prof.: José Francisco Gómez García Trabajo de Química del Estado Sólido
Características químicas:
Existen celdas solares fabricadas con
materiales muy específicos que han sido
estudiados precisamente para conocer las
propiedades que pueden ofrecer dichos
materiales; hoy en día los materiales más
atractivos para la fabricación de estos
dispositivos son el Si, GaAs y CdS debido a
que permiten una amplia flexibilidad, resistencia
y ofrecen aceptables valores de eficiencia
eléctrica. Precisamente son de estos materiales
con los que están fabricadas casi todas las
celdas solares del mundo.
La mayoría de las celdas solares son
fabricadas con silicio, esto es debido a que es
un material semiconductor, es decir, tiene
propiedades entre aislante y un conductor. La
conducción de corriente se produce cuando
electrones pasan de la banda de valencia a la
banda de conducción. En un semiconductor
como el Si conduce electricidad en ciertas
condiciones, si se le entrega la energía
necesaria para que los electrones “salten” de la
banda de valencia a la de conducción, por
ejemplo entregando energía luminosa.
Las principales características que se buscan
en los materiales semiconductores para la
fabricación de celdas solares generalmente son
las siguientes:
Materiales que permitan tanto el paso
de luz (materiales translúcidos) como
materiales que al contrario, sean anti-
reflejantes u opacos y sean capaces de
absorber la mayor cantidad de radiación
solar.
Sean resistentes y que brinden
excelentes propiedades mecánicas.
Que ofrezcan valores grandes en cuanto
a características eléctricas.
Características estructurales:
Las celdas solares de silicio pueden ser de tipo
monocristalinas, policristalinas o amorfas. La
diferencia entre ellas radica en la estructura
cristalina y tiene pequeñas variaciones en
cuanto a eficiencia.
La estructura básica de una celda fotovoltaica
puede verse en la figura 1a. El Silicio tipo n
está dopado con Fósforo, que tiene un electrón
adicional de valencia respecto a Silicio, lo que
genera un exceso de electrones, disponibles
para conducir electricidad. El Silicio tipo P está
dopado con Boro, que tiene un electrón menos
que Silicio, de manera que se generan
vacancias (huecos) o centros positivos.
RESUMEN: Una celda solar o fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico.
Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban
fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una
corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
Descripción del fenómeno:
La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del voltaje o de potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil para una aplicación determinada. Las celdas solares, cuentan con una delgada rejilla semiconductora que es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo de un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor. Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica, es decir, en electricidad. La electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia en una carga, por ejemplo para encender una luz o energizar un equipo eléctrico. La conversión directa de la energía solar en la
electricidad, depende del efecto fotoeléctrico, el
cual consiste en la emisión de electrones de
una superficie sólida o líquida, cuando se
irradia con emanaciones electromagnéticas. Se
debe señalar que hay dos tipos de efectos
fotoeléctricos en las celdas solares, el primero
es el interno, donde ciertos portadores de carga
se van liberando dentro del seno de un material
mediante la absorción de fotones energéticos.
En el caso del efecto fotoeléctrico externo, se
emiten electrones libres mediante la absorción
de fotones energéticos.
Teoría que fundamenta el funcionamiento de
las celdas solares
Efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico es un proceso mediante
el cual una superficie metálica emite electrones
cuando se incide sobre ella radiación de una
determinada frecuencia.
En 1905 Albert Einstein pudo explicar el efecto
fotoeléctrico basándose en la hipótesis de
Planck. Para esto Einstein suponía que la
radiación electromagnética esta formada de
paquetes de energía, y que dicha energía
depende de la frecuencia de la luz. La energía
de un fotón se obtiene multiplicando la
constante h de Planck por la frecuencia ν de la
radiación electromagnética.
𝐸 = ℎ𝜈
A estos paquetes de energía se les
denominó: fotones.
Las características esenciales del efecto
fotoeléctrico son:
Para cada sustancia, hay una frecuencia
mínima o umbral de la radiación
electromagnética por debajo de la cual no se
producen fotoelectrones por más intensa que
sea la radiación.
La emisión de electrones aumenta
cuando se incrementa la intensidad de la
radiación que incide sobre la superficie del
metal, ya que hay más energía disponible
para liberar electrones.
En los metales hay electrones que se
mueven más o menos libremente a través de
la red cristalina, estos electrones no escapan
del metal a temperaturas normales por que no
tienen energía suficiente. Calentar el metal es
una manera de aumentar su energía.
Bibliografía:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fot
oelectrico/fotoelectrico.htm
http://www.quimica.uc.cl/uploads/commons/im
ages/f_celdas%20solares.pdf
http://podersolarmx.tripod.com/id11.html
Salazar Remigio Laura
Huerta Arellano Wendy
Conductores iónicos.
Son materiales que presentan conductividad, debida al movimiento de átomos o iones en el sólido, la cual es producida en presencia de un campo eléctrico externo.
Estos sistemas conductores de iones incluyen aquellos materiales en los cuales la existencia de la red o de estructuras de canales permite que los iones fluyan rápidamente a través de ellos.
Las características que debe llenar un material susceptible de utilizarse son: elevada conductividad iónica, muy baja conductividad electrónica y estabilidad hacia los electrodos a la temperatura de uso, conducen a una temperatura mucho menor a su temperatura de fusión.
Los iones portadores de carga son H, Ag, Cu, Li, F, Na, K, Al entre otros. Estos en un conductor iónico podrán viajar a través del solido si satisfacen algunas de las siguientes condiciones: a) pueden ganar suficiente energía para salvar barreras de potencial que les impidan moverse b) que dispongan de conjuntos de sitios energéticamente equivalentes interconectados formando canales de transporte a través de un sólido.
Donde lo que explica el movimiento de iones en el sólido son los modelos desarrollados por Frenkel y Schottky conocidos como; el modelo por vacancias y por intersticiales que consisten en el salto de los iones entre sitios vacantes o sitios intersticiales dando como resultado la migración iónica.
Más específicamente podemos decir que los defectos por vacancias propuesto por Shottky dice que un cristal iónico, no puede tener un defecto por formación de una vacante catódica si no va acompañado de un número equivalente de defectos por formación de una vacante anionica, para que el cristal sea eléctricamente neutro, esto involucra el movimiento de una vacancia, a través de la red, por saltos sucesivos del ion en dirección opuesta al movimiento de las vacancias, fenómeno conocido como difusión en estado sólido, mientras que los defectos de sitios intersticiales o de Frenkel, un ion se mueve a través de una serie de sitios intersticiales.
Como se ha mencionado la difusión iónica es consecuencia de los defectos puntuales, que originan un movimiento desordenado y aleatorio de los iones en la red cristalina que aumentan al aumentar la temperatura. Este movimiento se orienta cuando se aplica una diferencia de potencial dando como resultado una corriente eléctrica.
Los cristales de NaCl tienen más defectos de Schottky mientras que los de AgCl más de tipo Frenkel.
Para todos los mecanismos de conductividad iónica expresada como σ se puede
describir mediante la ecuación de Arrhenius 𝜎 𝑜 𝜎𝑇 = 𝜎0𝑒−𝐸𝑎/𝑘𝑇 donde 𝜎0 puede estar relacionada con cantidades involucradas con la carga iónica, concentración de iones móviles, frecuencia de intento y distancia de salto.
Así podemos decir que para que un sólido tenga alta conductividad iónica a temperaturas mucho más bajas que su punto de fusión debe satisfacer tres requisitos: a) alta concentración de portadores de carga potenciales; b) elevada concentración de vacancias o sitios intersticiales; c) la energía de activación requerida para que los iones salten de sitio a sitio de la red debe ser pequeña.
La conductividad de los sólidos iónicos es debida al transporte dentro de la red, lo que los diferencia de los conductores metálicos, ya que, en éstos últimos la conductividad es debida al transporte de electrones dentro de la estructura cristalina.
Otra gran diferencia entre ellos es que, los conductores metálicos al aumentar la temperatura disminuyen su conductividad, mientras que en lo iónicos aumenta.
Bibliografía Jaume Casabo i Gispert. Estructura atómica y enlace químico. Reverte. 2007 pag. 368-372 http://rmf.smf.mx/pdf/rmf/38/4/38_4_677.pdf http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/ceramicas-y-vidrios/bloque-iv/Bloque_IV-Conductores_ionicos.pdf
Figura 2 . Cristal hipotetico mostrando la formacion de defectos por formacion de vacantes.
Figura 3 cristal hipotetico bidimensional ionico mostrando la existencia de defectos de Schottky.
Figura 4 cristal hipotetico bidimencional ionico mostrando la existencia de defectos Frenkel
Figura 1 Cristal hipotetico mostrandola existencia de defectos intersticiales
Cristales Líquidos Del Angel Reyes Meylina
López Álvarez Ariadne Samara
Características químicas
Los cristales líquidos son materiales moleculares en los que incluso en estado líquido, sus
moléculas constituyentes presentan cierto grado de ordenamiento. Debido a ello, ocupan
una posición intermedia entre los sólidos monocristalinos (anisótropos) y los líquidos
comunes (isótropos). Los cristales líquidos son fluidos como los líquidos, pero, por otro
lado, exhiben propiedades anisótropas como los cristales.
Basándonos en la estructura, los cristales líquidos pueden clasificarse en tres grupos:
nemáticos, esmécticos y colestéricos.
Podemos distinguir dos tipos de cristales líquidos. Por una parte, los cristales líquidos
termótropos, cuyo diagrama de fases depende únicamente de la temperatura. Por el otro,
los cristales líquidos liótropos, donde además de la temperatura, la concentración del
compuesto en un disolvente (normalmente agua) hace variar el diagrama de fases.
Descripción del fenómeno
Un cristal líquido fluye, se escurre y toma la forma del recipiente que lo contiene, de la
misma manera que lo hace un líquido ordinario como, por ejemplo, el agua. Pero a
diferencia de ésta, cuyas moléculas son relativamente simples y prácticamente esféricas, las
moléculas de un cristal líquido son, por lo general, o muy alargadas en forma de barra o
aplanadas en forma de disco.
Debido a la estructura de sus moléculas y en especial debido a la asimetría de las mismas,
un cristal líquido adopta configuraciones altamente ordenadas. Aunque el mecanismo de
interacción molecular es básicamente el mismo que genera el orden en los cristales sólidos.
No debe olvidarse una diferencia esencial entre ambos sistemas: en todo momento los
cristales líquidos permanecen en estado líquido, lo cual implica que los centros de masa de
sus moléculas no forman una red periódica sino que fluyen manteniendo el orden en la
orientación común de sus ejes moleculares.
Características estructurales
De acuerdo con el tipo de arreglos moleculares que pueden formar, Friedel (1922) clasificó
los cristales líquidos en tres grandes clases: nemáticos, esmécticos y colestéricos. La fase
nemática exhibe orden en la orientación de sus moléculas y al mismo tiempo desorden en
la posición de sus centros de masa. Las moléculas pueden moverse lateralmente, girar
alrededor del eje común o deslizarse paralelamente a él; un nemático se comporta como un
líquido ordinario y sus moléculas se mueven caóticamente. En cambio difiere totalmente de
un líquido ordinario en que sus moléculas se orientan y al moverse mantienen sus ejes
paralelos a una dirección común.
Los esmécticos constituyen la fase más ordenada. Tienden a organizarse en capas planas
paralelas entre sí, como las hojas de un libro pero con sus ejes moleculares perpendiculares
a estos planos y paralelos entre sí. Como en los nemáticos, las moléculas de esméctico
también pueden girar alrededor de la dirección de orientación común pero no pueden
hacerlo fuera de la capa en que se encuentran. En cada plano las moléculas pueden
acomodarse en filas con diferentes grados de orden de posición de sus centros de masa. En
el caso más ordenado se produce un arreglo regular muy parecido al de la red de un sólido,
en el que hay orden y repetición en cada dirección. En cambio, en el arreglo más
desordenado los centros de masa moleculares se mueven caóticamente en cada plano, de
modo que en este caso el esméctico es nemático por planos. Debe enfatizarse, sin embargo,
que en cualquier caso el esméctico es siempre fluido y las diferentes capas se deslizan, en
mayor o menor grado, unas sobre otras.
La tercera clase de cristales líquidos posee una estructura molecular característica de
muchos compuestos que contienen colesterol y por esta razón se le llama colestérica. Como
en los esmécticos, las moléculas de colestérico también pueden acomodarse en capas
superpuestas, pero con una diferencia crucial: los ejes moleculares se orientan en una
dirección paralela al plano mismo de las capas. Más aún, esta dirección cambia ligeramente
de capa a capa debido a la peculiar estructura molecular de los colestéricos, y en
consecuencia el eje de orientación, al pasar de un plano a otro, describe una trayectoria en
forma de hélice.
Teoría que lo fundamenta
Los cristales líquidos fueron descubiertos hace más de cien años (1888) por el botánico
austriaco F. Reinitzer, quien encontró que algunos compuestos orgánicos derivados del
colesterol parecían tener dos puntos de fusión. Más específicamente, observó que al calentar
los cristales de estas sustancias a 145° C, el sólido se transformaba en un líquido turbio; pero
éste a su vez, se convertía en un líquido totalmente claro y transparente precisamente a 179°
C. Reinitzer también realizó el proceso inverso y enfrió el líquido transparente observando
que exactamente a las mismas temperaturas anteriores ocurrían las transformaciones
opuestas. Como además los cambios observados iban acompañados de absorción o emisión
de calor, dependiendo de si la temperatura aumentaba o disminuía y, asimismo, como el
volumen del sistema cambiaba en forma abrupta, Reinitzer concluyó que la sustancia en
realidad exhibía dos cambios o transiciones de fase sucesivas. Al poco tiempo de estas
primeras observaciones (1889), el cristalógrafo alemán F. Lehmann descubrió que el líquido
turbio intermedio entre los cristales y el líquido transparente poseía propiedades ópticas y
una estructura molecular muy parecida a la de un cristal sólido, y acuñó el nombre de cristal
líquido. Aun sin darse plena cuenta, lo que en realidad habían descubierto era un nuevo
estado de la materia: las fases intermedias o mesofases.
Bibliografía
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/104/htm/s
ec_6.htm
http://www.mim-us.es/estructuras_cristalinas/cristales_liquidos.html
Núñez Ortega Itzel Xhadani
Sánchez Castell José Alberto
Piezoeléctricos
Descripción del fenómeno:
La piezoelectricidad es un fenómeno que ocurre en determinados cristales con ciertas condiciones de
simetría, que al ser sometidos a fuerzas mecánicas (presión, deformación, etc.), se adquiere una polarización
eléctrica que genera una diferencia de potencial y cargas eléctricas en la superficie del cristal.
Se puede definir al efecto piezoeléctrico como el cambio de la polarización eléctrica proporcional a la
deformación. Se dice que un material es piezoeléctrico si la aplicación de una fuerza mecánica exterior da lugar
a un desplazamiento dieléctrico dentro del material. Este desplazamiento se manifiesta como una polarización
eléctrica interna.
Normalmente el efecto piezoeléctrico es reversible: al dejar de someter el cristal a una diferencia de
potencial o campo eléctrico, éste recupera su forma y viceversa. En la literatura se encuentra al efecto
piezoeléctrico “directo” como la conversión de energía mecánica en energía eléctrica y al efecto “inverso” o
“recíproco” como la generación de energía mecánica a partir de energía eléctrica.
El principio de funcionamiento del que se saca provecho en los materiales piezoeléctricos se basa en lo
mencionado, y de los numerosos materiales piezoeléctricos existentes, el cuarzo es el más utilizado debido a su
estabilidad.
Figura 1. Aplicación de una fuerza (F) genera una polarización (P).
Características estructurales:
Es importante señalar que el efecto piezoeléctrico depende fuertemente de la simetría del cristal. Con
sólo una excepción, todas las clases cristalinas que carecen de centro de simetría o centro de inversión son
piezoeléctricos. Dicha ausencia habla de una baja simetría en el cristal.
De las 32 clases cristalinas existentes, hay 21 que carecen de centro de inversión, de ellas, 20 poseen la
propiedad da la piezoelectricidad. La excepción es la clase 29 (enantiomorphous hemihedral), que a pesar de no
tener centro de inversión, contiene otros elementos de simetría que se combinan para eliminar el efecto
piezoeléctrico.
Núñez Ortega Itzel Xhadani
Sánchez Castell José Alberto
Las 20 clases cristalinas piezoeléctricas son: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3mm, 4mm, 6mm, 422, 222, 622, 32,
23, -42m, -4, .6, -43m, -62m; dadas en notación de Herman-Mauguin.
Según el plano de corte del cristal (tallado), se obtienen elementos que son sólo sensibles a las presiones
o bien a las fuerzas de cizalladura en una dada dirección.
Características químicas:
La manera fundamental en que la ausencia de un centro de inversión genera la piezoelectricidad, es que
al no existir dicho elemento de simetría en la estructura del cristal, pueden existir dipolos en la misma, los
cuales generan un momento dipolar en el material. En realidad, la piezoelectricidad sería imposible si no
existiera un momento dipolar neto en la estructura del cristal, puesto que es dicho momento el que se desplaza
cuando se aplica la fuerza mecánica, generando la diferencia de potencial.
Teoría que lo fundamenta:
El efecto piezoeléctrico se describe mediante la ecuación:
𝑃1 = 𝑑111𝑇11 Donde:
P1 es el componente del vector de polarización
T11 es el componente del tensor de tensión
d111 es el coeficiente de piezoelectricidad
Para el efecto inverso, se utiliza la ecuación análoga:
𝑆11 = 𝑑111𝐸1
Donde:
S11 es el componente del tensor de tensión
E1 es el componente del vector campo eléctrico
d111 es el coeficiente de piezoelectricidad
Bibliografía:
Tichý, Jan, et. al. Fundamentals of piezoelectric sensorics. Springer. Berlín, 2010.
Semiconductores transparentes
Acosta Rodríguez Salvador y Rodríguez Virto Irvin
Química del Estado sólido 16/11/15
Los materiales pueden clasificarse, de acuerdo con su resistividad en conductores,
semiconductores y aislantes. Existen dos enfoques, basados en la teoría de
bandas, que nos permiten entender los fenómenos de conductividad eléctrica y
térmica en los materiales sólidos. Estos enfoques son capaces de explicar, por
ejemplo, las diferencias tan enormes en las resistividades eléctricas de tales
materiales.
Las propiedades de los semiconductores pueden ser incrementados mediante el
dopaje con átomos de un elemento diferente. El dopaje consiste en la introducción
de una mínima porción de átomos dopantes. A estos semiconductores se les
conoce como conductores extrínsecos.
Semiconductores transparentes
Acosta Rodríguez Salvador y Rodríguez Virto Irvin
Química del Estado sólido 16/11/15
Los óxidos semiconductores son una familia de materiales funcionales. Sus
aplicaciones se fundamentan en dos características estructurales importantes, que
son:
1. Presencia de cationes con estados de valencia diferentes.
2. Deficiencia de oxigeno ajustable debido a las vacantes de oxígeno.
Entre las principales ventajas de estos óxidos semiconductores está, en primer
lugar, su estructura de bandas con un intervalo de energía prohibido (band gap)
ancho, de entre 3 y 5 eV. Por lo tanto son transparentes a la luz visible. En
segundo lugar, presentan una conducción eléctrica relativamente elevada, debido
a la presencia de vacantes de oxígeno que aportan donadores al semiconductor.
Por otra parte son materiales fáciles de obtener y por ello son baratos frente a los
semiconductores compuestos.
Para comprender el comportamiento de la película sensora es necesario considerar que estamos en presencia de un material nano estructurado que puede estar formado por granos interconectados. La conductividad eléctrica de un óxido semiconductor, como el SnO2, varía con la concentración de oxígeno. Técnicas espectroscópicas han demostrado que el oxígeno que compone el aire se encuentra adsorbido en forma ionizada, típicamente O-. Este fenómeno se conoce como adsorción iónica. El oxígeno adsorbido en la superficie toma electrones de la banda de conducción del SnO2 y produce una zona de vaciamiento. Si los granos están conectados se genera una barrera de potencial para la conducción de los electrones, conocida como barrera doble de Schottky. Para que se produzca la conducción es necesario sobrepasar una barrera de potencial qφ, por lo tanto la conducción estará controlada por la densidad de electrones en la superficie de cada grano. Materiales que conducen electricidad y simultáneamente transmiten la luz visble, son constituyentes vitales de celdas solares, pantallas planas entre otros objetos. El hecho de que algunos de estos materiales, han tenido un uso industrial significativo como conductores transparentes a pesar de ser utilizados con baja calidad, abre las puertas para aplicaciones innovadoras, como ventanas fotolvotaicas o ventanas que pueden ser utlizadas como pantallas. Dos de los retos mas importantes de estos materiales son: maximar el potencial de la electrónica transparente con el descubrimiento de de un óxido transparente de alta movilidad de tipo p y desarollar alternativas viables para resolver unas de las grandes problemáticas del mundo que es la energía.
Semiconductores transparentes
Acosta Rodríguez Salvador y Rodríguez Virto Irvin
Química del Estado sólido 16/11/15
Bibliografía
http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2006/10/27/oxidos-
semiconductores-nanoestructurados/
http://www.tandar.cnea.gov.ar/doctorado/Tesis/Rodriguez.pdf
Housecroft Catherine E., Sharpe Alan G; Química Inorgánica; Segunda
Edición. Editorial Pearson. 2006. México. Pp. 142-144.
Huheey James E., Keiter Ellen A.; Química Inorgánica: Principios y
reactividad; Cuarta edición; Editorial Oxford University Press; 1997; México
p. 280.
http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/condsemicondais2_27505.pdf
González Moreno Daniel Química del Estado Sólido Marino Tinajero Giancarlo 16/11/15
SENSORES DE GAS
Palabras clave: Sensores de gas, proceso de adsorción/desorción. La naturaleza de los sensores: Un ‘‘transductor’’ es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Un ‘’sensor’’ es una forma de transductor que convierte una magnitud física o química en una eléctrica de magnitud equivalente para fines de medición. En particular, un sensor químico está destinado a la determinación de la composición y la concentración de un material de interés a través de una señal eléctrica. Los sensores de gas funcionan mediante la medición del cambio de una propiedad física debido a interacciones reversibles entre la superficie de un material en estado sólido y el gas de interés. Estas interacciones pueden ser procesos de adsorción/desorción y/o reacciones químicas. Tabla 1. Tipos de sensores de gas de estado sólido con el cambio físico correspondiente utilizado como principio de detección de gas.
Tipo de dispositivo Cambio físico
Sensores de gas semiconductores Conductividad eléctrica
Sensores de gases de efecto de campo: diodos, transistores, capacitores
Función de trabajo (polarización eléctrica)
Sensores piezoeléctricos: Quartz Crystal Microbalances (QMB), Surface Acoustic Wave
(SAW), Microcantilevers
Masa
Sensores ópticos (de fibra óptica o de capa delgada)
Parámetros ópticos: SPR, reflexión, interferometría, absorción, fluorescencia, índice de refracción o
longitud del camino óptico
Sensores catalíticos de gas: efecto Seebeck, pellistors, semistors
Calor o temperatura
Sensores de gas electroquímicos (potenciométricos o amperométricos)
Fuerza electromotriz o corriente eléctrica en una celda electroquímica de estado sólido
Por supuesto, debido a la gran variedad de sensores de gas, es imposible tratar con todos los tipos; por lo tanto nos hemos centrado solo en dos de los principales.
a) Sensores de Gas Semiconductor Los sensores de gas semiconductor (SGS, por sus siglas en inglés Semiconductor Gas Sensors) están típicamente basados en óxidos metálicos (por ejemplo, SnO2, TiO2, In2O3, WO3, NiO, etc.). Las interacciones superficiales gas/semiconductor en los que se basa el mecanismo de detección de gas SGS se producen en los límites de grano de la capa del óxido policristalino. Por lo general, incluyen procesos de reducción/oxidación de los semiconductores, adsorción de especies químicas directamente en el semiconductor y / o adsorción por reacción con estados superficiales asociados a oxígeno ambiental adsorbido previamente, transferencia electrónica de los electrones deslocalizados de la banda de conducción a los estados superficiales y viceversa, efectos catalíticos y en general reacciones químicas superficiales complejas entre las diferentes especies químicas adsorbidas. El efecto de estos fenómenos de superficie es un cambio significativo y reversible en la resistencia eléctrica (es decir, un aumento o disminución de la resistencia bajo la exposición de gases oxidantes). Esta variación de la resistencia puede ser fácilmente observada y utilizada para detectar especies químicas en el ambiente. El cambio en la resistencia eléctrica ocurre debido a que se forman regiones aislantes en el material semiconductor como consecuencia de la difusión de electrones causada por los procesos mencionados anteriormente.
Las interacciones gas/sólido en SGS pueden implicar cambios en la conductancia de la superficie o del volumen; con lo cual se pueden distinguir dos principales tipos de sensores de gas. La existencia del primer tipo de SGS se debe a que en un óxido semiconductor, los principales defectos en su estructura son vacancias de oxígeno; los cambios en la conductividad volumétrica ocurren por a cambios en la presión parcial de oxígeno a temperaturas tan altas (600 a 1000°C) que las vacancias de oxígeno pueden difundirse fácilmente del interior a la superficie y viceversa. El segundo tipo principal de sensores SGS se basa sólo en los cambios en la conductividad superficial, lo cual ocurre temperaturas más bajas (<600 ° C) y a presiones parciales de oxígeno prácticamente constantes. Así, el sensor es capaz de detectar pequeñas concentraciones de gases reactivos en el aire como consecuencia de un desplazamiento del estado de equilibrio por un ligero cambio en la presión parcial de oxígeno. La temperatura de trabajo de estos dispositivos depende del gas que se quiera detectar y del material sensor que se utilice. Como esta temperatura de trabajo oscila generalmente de 200 a 400 ° C, es necesario implementar un elemento calefactor en el dispositivo sensor. Dicho esto, un simple SGS está compuesto de un sustrato de alúmina o sílice (en el que se deposita la capa de detección), electrodos (para medir los cambios de resistencia) y un calentador (comúnmente resistencias de Pt para llegar a la temperatura de detección óptima).
b) Sensores de Gas Ópticos Los sensores de gas ópticos (OGS, por sus siglas en inglés Optical Gas Sensors) se basan en el principio de las fibras ópticas y aprovechan sus diversas ventajas y versatilidades (inmunidad ante campos magnéticos y eléctricos). El fundamento de los OGS consiste en cambiar las características del haz de luz transmitido a través de la fibra óptica y, a su vez, usar estos cambios para modificar una señal eléctrica en un receptor. Una fibra óptica está compuesta por un núcleo, generalmente SiO2 dopado, y un revestimiento. Para que el haz de luz pueda ser transmitido satisfactoriamente debe de presentarse el fenómeno de reflexión total interna, lo cual solo es posible cuando los índices de refracción del núcleo (n1) y del revestimiento (n2) siguen la siguiente relación: n1 > n2. En los OGS, el revestimiento se fabrica de un material sensible al gas de interés, así, cuando entra en contacto con dicho gas, las moléculas son absorbidas en éste, lo cual cambia el índice de refracción del revestimiento con lo que se ve afectado el fenómeno de reflexión total interna y la fase de la onda cambia. Para poder analizar este cambio, se utiliza el principio de interferometría. Se emite un pulso de luz a través de una fibra óptica, ésta es dividida en dos, una con cubierta protectora que se utilizará como referencia, y otra vulnerable a la influencia externa. Cuando no hay perturbación las ondas producen un patrón de interferencia conocido, sin embargo, cualquier perturbación en la fase de cualquiera de los dos haces, provocará un cambio en el patrón resultante lo cual podrá asociarse a una cierta concentración del gas de interés. Tan solo la década pasada, la demanda por estos tipos dispositivos fue enorme, simplemente se encuentran aplicaciones en numerosos campos. Los dos importantes grupos de aplicaciones son la detección de gases simples y la discriminación de olores o en general el monitoreo de cambios en el ambiente. Otros ejemplos de aplicaciones para sensores de gas son los siguientes: Automóviles, Seguridad, Calidad del aire, Control Ambiental, Alimentos, Producción Industrial y Medicina. Es imposible pronosticar el futuro de esta tecnología ya que depende del desarrollo de otras disciplinas, sin embargo, es fácil asegurar que seguirán evolucionando y beneficiándonos como primera opción en la detección de gases. BIBLIOGRAFÍA
1. S. Capone, A. Forleo, L. Francioso, R. Rella, P. Siliciano, J. Spadavecchia, D. S. Presicce, A. M. Taurino, ‘’Solid State Gas Sensors: State of the Art and Future Activities’’, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2003, 5, 1335-1348.
2. A. Mandelis, C. Christofides, “Physics, Chemistry and Technology of Solid State Gas Sensor Devices”, First edition, John Wiley & Sons, Inc., USA, 1993. Pages 1-2, 5-11, 163-170.
SUPERCONDUCTORES TIPO 1
Los metales son materiales que conducen bien el calor y la electricidad, y que cuando
una corriente eléctrica circula por un hilo conductor, éste se calienta, como ocurre
con las estufas y calentadores eléctricos. El fenómeno descrito, conocido como efecto
Joule, se debe a que los metales presentan cierta resistencia al paso de la corriente
eléctrica por su interior, ya que cuando se mueven, chocan con los átomos del
material que están vibrando. En un material superconductor esto no ocurre, estos
materiales no ofrecen ninguna resistencia al paso de la corriente eléctrica continua por
debajo de una cierta temperatura. Los electrones se agrupan en parejas
interaccionando con los átomos del material de manera que logran sintonizar su
movimiento con el de los átomos, desplazándose sin chocar con ellos.
Esto significa que no se calientan, por lo que no hay pérdida de energía al transportar
la corriente eléctrica debido al efecto Joule.
Un material superconductor no solamente no presenta resistencia al paso de corriente,
sino que también tiene otra propiedad importante que es su capacidad para apantallar
un campo magnético. Si enfriamos el superconductor por debajo de su temperatura
crítica y lo colocamos en presencia de un campo magnético, éste crea corrientes de
apantallamiento capaces de generar un campo magnético opuesto al aplicado. Esto
ocurre hasta que el campo magnético alcanza un valor, llamado campo crítico, lo cual
hace que se vuelvan diamagnéticos, cancelando todo el flujo en su interior, momento
en el que el superconductor deja de apantallar el campo magnético y el material
transita a su estado normal, este fenómeno es llamado efecto Meissner-Ochsenfeld.
Los superconductores tipo I siempre intentan expulsar el campo magnético de su
interior, lamentablemente el campo crítico de estos materiales es tan pequeño que no
se pueden desarrollar aplicaciones tecnológicas con ellos.
La temperatura crítica de los superconductores es la temperatura a la cual la
resistividad eléctrica del metal cae a cero. La transición es tan repentina y completa
que parece que es una transición hacia una fase diferente de materia; esta fase
superconductora está descrita por la teoría BCS, la cual se basa en pares de electrones
acoplados por interacciones vibracionales de red. Sorprendentemente, los mejores
conductores a temperatura ambiente (oro, plata y cobre) no se convierten para nada
en superconductores. Tienen las más pequeñas vibraciones de red por lo que su
comportamiento se correlaciona bien con la Teoría BCS.
La mayoría de los superconductores que son
elementos puros son de tipo I, con la excepción del
niobio, el tecnecio, el vanadio y las estructuras de
carbono como diamante y grafito.
Algunas propiedades de los superconductores:
Bajas temperaturas de fusión
Mecánicamente suaves
Fácil obtención con alto grado de pureza
Libres de esfuerzos mecánicos internos
Tienen una única temperatura crítica Tc por
encima de la cual dejan de comportarse
como tales de manera brusca, y por lo tanto
empiezan a tener resistencia eléctrica
Su temperatura crítica es muy baja, no
superior a los 7 Kelvin
La magnetización de la muestra aumenta
según aumenta el campo magnético externo
para contrarrestarlo y que en el interior
dicho campo sea nulo, lo que da lugar al
efecto Meissner; en cuanto se alcanza el
campo magnético crítico, la magnetización
cae bruscamente a cero.
Referencias:
http://www.unizar.es/icma/divulgacion/pdf/pdflevitsupercon.pdf
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/scond.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/bcs.html#c1
http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6288/07CAPITOL3.pdf?sequence=7
Ejemplos de superconductores:
Superconductores de Tipo II
Características estructurales:
La diversidad de aplicaciones de las perovsquitas se extiende hasta la superconductividad porque
algunos de los superconductores a alta temperatura citados por primera vez en 1986 se pueden
considerar como variantes de la estructura de la perovsquita (cristaliza en el sistema rómbico, pero
por su aspecto, parece cristalizar en el sistema cúbico puesto que se presenta como formas simples
cúbicas u octaedricas. En realidad, se trata de prismas rómbicos con una altura similar a la anchura
y profundidad de la base). Los superconductores de este tipo son un grupo heterogéneo: pueden ser
aleaciones, cerámicas o elementos puros; entre estos últimos encontramos tan sólo cuatro: el
carbono (pero sólo los fulerenos y los nanotubos, pues cuando se encuentra en forma de diamante o
grafito nunca alcanza el estado superconductor), el niobio, el tecnecio y el vanadio.
Los superconductores hechos con aleaciones se llaman superconductores de Tipo II. Además de que
son mecánicamente más duros que los superconductores de Tipo I, exhiben mayores campos
magnéticos. Los superconductores de Tipo II tales como el niobio-titanio (NbTi) se usan en la
construcción de imanes superconductores para grandes campos.
Características químicas:
Los superconductores presentan dos características notables, por debajo de la temperatura critica a
la que se forma el estado superconductor, su resistencia eléctrica es nula. Si no aplicamos ningún
campo magnético vemos que hay un intervalo de temperaturas, entre Tc1 y Tc2, en el que el
material está en un estado mixto (también conocido como fase de Shubnikov, por Lev Shubnikov)
en el que conviven el estado superconductor y el normal (mientras que en los superconductores de
tipo I el paso de un estado a otro es discontinuo). Si vamos aumentando el campo magnético, estas
dos temperaturas van siendo cada vez más bajas, y si es el campo es lo suficientemente grande, el
material no es conductor ni siquiera en el cero absoluto. Los superconductores de Tipo II, existen
normalmente en un estado mixto de regiones normales y superconductoras. Este se llama a
veces estado vórtice, porque vórtices de corrientes superconductoras, rodean filamentos o núcleos
de material normal.
Por otro lado, si fijamos la temperatura cuando la sustancia está en estado superconductor y
aplicamos un campo magnético, encontramos una situación parecida: a partir de un cierto valor Hc1
el campo comienza a poder penetrar el material, y si lo aumentamos hasta un valor Hc2 el estado
superconductor desaparece por completo. La magnetización aumenta según aumenta el campo
magnético externo para contrarrestarlo y que en el interior dicho campo sea nulo, lo que da lugar al
efecto Meissner(exclusión de un campo magnético),; pero al contrario de lo que pasa en los
superconductores de tipo I (donde la magnetización se anula bruscamente cuando se alcanza el
campo magnético crítico) en los de tipo II la magnetización alcanza el máximo en Hc1, tras el cual
empieza a disminuir gradualmente (permitiendo así que el campo magnético externo vaya
penetrando en la muestra) y no se anula hasta alcanzar Hc2.
Descripción del fenómeno:
La superconductividad es un fenómeno observado a bajas temperaturas, donde hay resistencia
eléctrica cero, también se observa un superdiamagnetismo en el que puede observarse el efecto
Meissner, en el cual un objeto superconductor debajo de su temperatura critica levita sobre un imán,
este se debe a que expulsa el campo magnético, también se pueden establecer corrientes en su
interior. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir
indefinidamente sin fuente de alimentación. Esto contradice a la ley de Faraday ya que implica que
se establezcan corrientes con campos magnéticos estáticos, así que es un efecto cuántico. En
realidad un material superconductor de tipo I es perfectamente diamagnético. Esto hace que no
permita que penetre en el campo, lo que se conoce como efecto Meissner. El campo magnético
distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un
campo magnético externo (lo cual conlleva un esfuerzo energético alto, e implica la ruptura brusca
del estado superconductor si se supera la temperatura crítica), y los de tipo II, que son
superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de
pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. En los superconductores
de tipo II, la aparición de fluxones provoca que, incluso para corrientes inferiores a la crítica, se
detecte una cierta disipación de energía debida al choque de los vórtices con los átomos de la red.
TEORIA QUE LO FUNDAMENTA:
La superconductividad puede ser explicada en términos de la teoría BCS (Bardeen Cooper y
Schriffer) la cual dice que cómo la conductividad disminuye al aumentar la temperatura , aumenta
el número de fonones térmicos(energía cuantiada de vibraciones de la red) estos dispersan los
electrones de conducción haciendo que se orienten al azar y se disipe energía en forma de calor, así
en un superconductor esto no sucede debido a la periodicidad de la red, cambia el impulso de los
electrones, emitiendo un fonon, mientras tanto otro electrón absorbe se fonon, así de esta manera
cuando un electrón emite un fonon, el otro lo absorbe de modo que se encuentran ligados, formando
lo que se conoce como pates de cooper, estos crean la superconductividad, ya que se intercambian
fonones entre todos los electrones y se disminuyen los fonones térmicos al azar, para que esto
suceda se necesita que:
1) que la interacción fonon-electron sea fuerte
2) que disminuyan el número de fonones térmicos orientados al azar, esto requiere bajas
temperaturas, para lo cual la temperatura critica debajo de la cual un material se vuelve
superconductor es muy baja se denomina Tc
3) que aumente el número de electrones debajo de la energía de fermi, ya que estos forman los pares
de Cooper
4) que los electrones que forman el par estén en pareados, es decir con espín anti paralelo para que
disminuyan su repulsión
5) que los electrones del par en ausencia de un campo eléctrico tengan igual impulso pero dirección
contraria
Sin embargo esta teoría microscópica no logra explicar los superconductores tipo II , los cuales no
necesitan temperaturas tan bajas ya que sean encontrados superconductores tipo II con Tc de
mayores a 77K, que es la temperatura de ebullición del nitrógeno , Ejemplos de superconductores
de alta temperatura incluyen al La1.85Ba0.15CuO4, y el YBaCuO (Itrio-Bario-Cobre-Oxido), el
cual es famoso por ser el primer material descubierto mostrando la superconductividad por encima
del punto de ebullición del nitrógeno líquido. Todos los superconductores de alta temperatura son
de tipo II y no convencionales. Así en 1987 se descubrió el YBa2Cu3O7 con 93 K y en 1988 el
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 con 110 K. El record lo tiene desde el 2000 el Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8 con
138 K. La teoría que los explica es la teoría de Ginsburg-landau, en la cual es una versión
macroscópica de la anterior, de forma como lo es la termodinámica clásica trata con energías libres,
etc. Además esta trata con pseudo funciones de onda, ya que no son funciones de onda en el sentido
estricto de la mecánica cuántica, aunque si debe cumplir con ciertas ecuaciones de la mecánica
cuántica, estas pseudofunciones de onda describen de forma macroscópica el comportamiento de
los portadores de carga que son los pares de Cooper así el cuanto del flujo es hc/2e. Sin embargo
sigue siendo un misterio, ya que no se sabe que material será superconductor, ya que muchos son
materiales compuestos y no estequiometricos hace que sea difícil el análisis.
Bibliografía
http://www.granadanatural.com/ficha_minerales.php?cod=251
Química Inorgánica volumen 2 D. F Shriver, P. W Atkins, C. H Langford, Reverte
Eisberg, Resnick(2006). Limusa ed. Fisica Cuantica, atomos, moléculas, sólidos, nucleos y
partículas, primera edicion, pp. 570-575
Tinkham, Michael (1996). McGraw-Hill ed. Introduccion to superconductivity, segunda edicion,
pp. 118-120
TERMOPARES
Usados en el área de la termoelectricidad, la cual consiste en obtener un valor en una
transducción1, en esta área de las mediciones se asignan un valor potenciométrico en base a
una diferencia de potencial muy pequeña (milivoltios), resultado de una función de temperatura
proveniente de la constitución del mismo instrumento, este tipo de instrumentos también
encuentran una utilidad en la lectura de un cambio rápido de temperatura
A continuación se procederá a describir el sistema de estos instrumentos así como las diferentes
características que son esenciales en su funcionamiento junto a diferentes puntos interesante de
estos instrumentos.
Teoría que lo fundamenta:
Los principios o teoría subyacente a los efectos de la termoelectricidad no fueron establecidos
por un solo hombre en un mismo tiempo, pero gracias a varios científicos trabajando en ello
abarcando muchos años, empezando con Alejandro Volta (quien en 1800 concluyo que la
electricidad, la cual causa que la rana de Galvani tiemble, se debe al contacto de dos metales
diferentes. Esta conclusión fue la precursora del principio de los termopares.
Otros que contribuyeron a este fundamento son, por ejemplo, Thomas Johann Seebeck (1821),
Jean Charles Althanase Peltier (1834), y William Thomson (Lord Kelvin, 1848-1854). Durante este
mismo periodo Jean Baptiste Joseph Fourier publicó la ecuación básica calor-coducción (1821),
George Simon Ohm descubrió la famosa ecuación para la conducción de la electricidad (1826),
James Prescott Joule descubrió el principio de la primera ley de la termodinámica y el importante
efecto de calor I2R (1840-1848) y Rudolf Julius Clausius anunció el principio de la segunda ley de
la termodinámica e introdujo el concepto de entropía (1850).
Según la ley de Volta, a cada metal le corresponde un potencial galvánico y la fuerza
electromotriz de contacto de dos metales que estén en equilibrio térmico y eléctrico es igual a la
diferencia de sus respectivos potenciales galvánicos.
Si se dispone una cadena de diferentes metales en contacto, estando todos ellos en equilibrio
térmico y eléctrico, la fuerza electromotriz resultante es la misma que se produce si los metales de
los extremos estuviesen directamente soldados entre si. Si los metales de los dos extremos son
iguales, la fuerza electromotriz que se obtiene es nula.
Efecto Thomson: Entre dos puntos de un conductor homogéneo en equilibrio eléctrico se
produce una diferencia de potencial cuando entre dichos puntos existe una diferencia de
temperatura.
El efecto Thomson no depende más que de la naturaleza de los conductores y del valor de las
temperaturas.
¿Qué es un termopar?
Es un instrumento que consta de dos hilos de diferentes materiales (necesariamente así ya que lo
que se busca es que cada una de las puntas tenga un punto de fusión diferente), unidos
rígidamente por ambos extremos, formando así un circuito cerrado con dos uniones de diferentes
materiales, en la cual una de las juntas se conserva a más alta temperatura que la otra creando
1 Proveniente de transductor, dispositivo capaz de transformar o convertir una determinada manifestación de energía de entrada, en otra diferente a la salida pero de valor muy pequeño en términos de la fuente.
TERMOPARES
así una diferencia de tensión (función de la diferencia de temperatura entre las uniones2).
Conectando un aparato de medida al circuito (milivoltímetro o potenciómetro) y manteniendo
una de las juntas a temperatura constante, obteniendo así la temperatura de la otra unión, esta
unión (de la cual se obtuvo un valor en la temperatura) recibe el nombre del elemento sensitivo
o también conocido como termopar, la otra unión es también conocida como unión de
referencia.
¿Qué pasa en el termopar?
Como sabemos un instrumento mide la temperatura debido a que es sensible, en estos
instrumentos lo que se busca es medir esta pequeña diferencia obtenida de la siguiente manera.
Cuando un cuerpo se calienta, la velocidad de vibración de sus moléculas aumenta
rápidamente,, por consecuencia esto produce diferentes efectos físicos tal es el caso del metal
en el cual varían tanto sus dimensiones como su resistencia eléctrica, teniendo así que la
temperatura se eleva como resultado del calor ganado mientras tanto que en la medición de la
temperatura el cambio en las moléculas se encuentra de manera cuantitativa, de manera que
la radiación de un cuerpo caliente puede medirse y la temperatura del cuerpo se puede
deducir de ella.
Características químicas:
Un termopar es un a sensor para medir temperatura. Consiste en dos metales diferentes unidos
por un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría se produce un voltaje
que se puede correlacionar con la temperatura. Las aleaciones de termopar están disponibles
por lo normal en forma de alambre.
Las características que tiene un termopar son:
•Proporciona una fuerza electromotriz estable en el dominio de su utilización durante un largo
periodo de tiempo.
•Es resistente a la agresividad del medio en el que se va a utilizar, es decir, no pierde sus
características eléctricas ni mecánicas.
•Presenta una buena relación fuerza electromotriz/ temperatura, lo cual, depende de la
pendiente de la curva patrón.
•Contiene hilos del termopar fácilmente reproducibles, es decir, no están formados por metales o
aleaciones sencillas de obtener, lo cual facilita la intercambiabilidad de los termopares de la
misma naturaleza sin necesidad de recalibrar.
Tales características limitan el número de tipos de termopares, siendo los más extendidos, los
siguientes:
Cobre- constatan (200 a + 400 ºC)
Hierro-constatan (0 a + 900 ºC)
Niquel Cromo-Niquel (-200 a + 1100 ºC)
Niquel Cromo-Constatan (0 a + 1100 ºC)
Platino Rodio 10%-Platino (0 a + 1500 ºC)
2 Función matemáticamente no lineal, puede aproximarse a un polinomio complejo, del cual depende el tipo de termopar
TERMOPARES
Platino Rodio 30%-Platino Rodio 6% (0 a + 1700ºC)
Las propiedades termoeléctricas de un termopar dependen de la naturaleza de los metales
empleados. Un cambio físico o quimico en dichos metales produce una modificación de su
curva característica; cuando esto sucede se dice que el termopar ha envejecido.
El envejecimiento obdece a motivos de distinta naturaleza. El más común se debe al fenómeno
de difusión de los metales, que se ve favorecido cuando la atmosfera ataca a los metales y en
temperaturas elevadas. Así, por ejemplo, a los pares de hierro-constantan y cobre-constatan les
perjudican las atmosferas oxidantes y a los de niquel-cromo-niquel y niquel-cromo-constatan y
platino-rodio-platino, las reductoras.
Resumen
De forma elemental, el instrumento consta de dos partes el termopar o elemento sensitivo que
son hilos (diferentes materiales) “trenzados” por un extremo y separados por el otro, y la unión de
referencia que es el extremo no enlazado y al cual en cada punta se conecta el milivoltímetro.
Siendo así un sensor para medir temperatura cuando la unión de los dos metales se calienta o
enfría se produce un voltaje que se puede correlacionar con la temperatura.
Bibliografía:
•American Sciety for testing and materials. Manual on the use of thermocouples in temperatura
measurement. Baltimore, 1974. pp: 3-19
•Díaz Fernandez-Raigoso, Aurelio. Sistemas de regulación y control. Ed Marcombo. Primera
edición. España. 2011
• W.G., Holzbock, instrumentos para medición y control,Editorial continental, México, 1980, 3-5,30-
40
INTEGRANTES: Bárbara Acosta Osornio
Cuauhtémoc López Soria
Cementos no
Hidráulicos
Características químicas
Los cementos pertenecen a la clase de materiales denominados
aglomerantes en construcción, como la cal aérea y el yeso (no
hidráulico), el cemento endurece rápidamente y alcanza resistencias
altas; esto gracias a reacciones complicadas de la combinación cal-
sílice.
Módulo fundente
Compuestos secundarios
Perdida por calcinación
Residuo insoluble
Cementos
Hidráulicos
La composición del cemento ayuda a determinar la velocidad del fraguado y las propiedades finales del concreto.
Los cementos son materiales inorgánicos que se
aplican y endurecen después de ser mezclados para
formar una pasta usando agua.
El cemento es una mezcla de silicatos y aluminatos
de calcio. Se obtiene a partir de la fusión y
combinación, en proporciones convenientes, de
materias primas que sean ricas en cal, sílice y
alúmina. Estos materiales se encuentran en su estado
natural bajo la forma de calizas, arcillas o margas.
Las materias primas se trituran, muelen y se
mezclan, esta mezcla se introduce en un horno
rotatorio donde se calienta a 1400°C-1650°C. En
este proceso la mezcla se convierte químicamente en
cemento aglutinado, que después se enfría y
pulveriza. Hasta este punto la molienda entre estas
rocas es llamada clinker, esta se convierte en
cemento cuando se le agrega yeso (CaSO4*2H2O),
para controlar el tiempo de fraguado. Mezclado con
agregados pétreos (grava y arena) y agua, crea una
mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se
endurece, adquiriendo consistencia pétrea,
denominada hormigón o concreto.
Fraguan (espesamiento inicial, que sucede en
pocas horas) y endurecen al mezclarlos con
agua a temperatura ambiente. La resistencia
mecánica es previsible y su desarrollo es
uniforme y relativamente rápido. Tiene baja
permeabilidad al agua y es casi insoluble en
ella. Por lo tanto, el agua no destruye el
material endurecido. Cemento Portland.
No pueden fraguar
en presencia del
agua; para su
endurecimiento
necesitan aire.
Características estructurales
A un nivel molecular, el cemento es una pasta de hidratos de silicato cálcico polimerizado en una matriz
densamente reticulada. Su propiedad más importante se llama hidraulicidad, la capacidad de establecer y seguir
siendo insolubles en agua.
El cemento obtenido tiene una composición del tipo:
64% óxido de calcio
21% óxido de silicio
5,5% óxido de aluminio
4,5% óxido de hierro
2,4% óxido de magnesio
1,6% sulfatos
1% otros materiales, entre los cuales principalmente agua.
Acosta Fernández Rosa del Carmen, Oropeza Guerrero Francia Michelle.
Descripción del fenómeno
Cuando se le agrega agua al cemento, ocurre una reacción de cementación: hidratación de los minerales del cemento que
produce un gel sólido que une las partículas de los agregados (combinación de grava, arena, piedras trituradas).
Las reacciones posibles incluyen
Casi todos los cementos empleados en la construcción deben su acción a sobre todo a la formación de silicatos, aluminatos o
sulfoaluminatos de calcio hidratados, o a compuestos de dos o más de estos tipos.
Teoría que lo fundamenta
La teoría de Donnan explica que las fuerzas de compresión aumentan la solubilidad de las fases solidas en los puntos de
contacto y originan el crecimiento de cristales en las zonas no sometidas a esfuerzos. El tamaño desigual de las
partículas cristalinas dan lugar a que la capa de disolución de la partícula fina no esté en equilibrio con la capa de la
partícula de mayor tamaño, produciéndose una recristalización que produce el efecto CEMENTANTE.
Glasenapp acepta el paso del estado coloidal al cristalino en algunos tipos de coloides, como los que se producen en la
hidratación del cemento. Esta transformación lleva consigo una pérdida de elasticidad del sistema físico y conduce a un
aumento notable de la fragilidad.
Bibliografía
Michael
http://es.slideshare.net/wepc/propiedades-fisicas-del-cemento?next_slideshow=1
https://books.google.com.mx/books?id=XDTMOk4Ggd0C&pg=PA145&lpg=PA145&dq=teoria+sobre+el+fenomen
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419&sa=X&ved=0CCEQ6AEwAWoVChMIx4eX86aUyQIVx-
YmCh29GAE6#v=onepage&q=teoria%20sobre%20el%20fenomeno%20de%20los%20cementos&f=false
TRANSISTORES
Un transistor es un dispositivo que está constituido por la unión de tres semiconductores de carácter p y n alternativamente. El semiconductor del centro suele ser muy estrecho y se le denomina base. Los otros dos semiconductores, de signo opuesto se le denomina, de acuerdo a las funciones que desempeñan: emisor y colector. Cada uno de estos semiconductores lleva un contacto metálico con un hilo de salida, por lo que es un dispositivo de tres terminales. La propiedad más destacada de este dispositivo es que aproxima una fuente dependiente de corriente: dentro de ciertos márgenes, la corriente en el terminal de colector es controlada por la corriente en el terminal de base.
El emisor ha de ser una región muy dopada (de ahí la indicación p). Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente.
La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, y prácticamente toda la corriente que proviene de emisor pase a colector. Además, si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabaja como si se tratase de dos diodos en oposición.
El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor. Las características de esta región tienen que ver con la recombinación de los portadores que provienen del emisor.
El transistor se fabrica sobre un substrato de silicio, en el cual se difunden impurezas.
De manera sencilla, un transistor es un componente que tiene dos funciones:
- Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una pequeña señal de mando. - Funciona como un elemento amplificador de señales.
Fundamento teórico.
Cristal de silicio. El silicio tiene en su capa de valencia cuatro electrones por lo que el enlace Si-Si forma enlaces covalentes con sus átomos vecinos, bajo estas condiciones esta estructura de silicio es mal conductor, pero si se añade átomos de otros elementos, por ejemplo, As (arsénico) que posee cinco electrones en su capa de valencia se combina con dicha estructura de Si (silicio) queda un electrón libre obteniendo así un cristal tipo N, por el contrario, si se añade Bo (Boro), con solo tres electrones de valencia, a la estructura de Si queda un hueco formando un cristal tipo P.
Descripción del fenómeno.
Básicamente el transistor se construye con una estructura no simétrica, de forma que la concentración de impurezas en el emisor sea mucho más alta que en la base y en esta la concentración de impurezas sea a su vez más elevada que en el colector.
El transistor basa su funcionamiento en el control de la corriente que circula entre el emisor y el colector del mismo, mediante la corriente de base. En esencia un transistor se puede considerar como un diodo en directa (unión emisor-base) por el que circula una corriente elevada, un diodo en inversa (unión base-colector), por el que, en principio, no debería circular corriente, pero que actúa como una estructura que recoge gran parte de la corriente que circula por emisor-base.
Características de los transistores
Los transistores tienen una característica muy interesante que es la capacidad de entregar una intensidad de corriente constante a una resistencia, independientemente del valor de ésta. Es decir, las variaciones de corriente obtenidas por la acción de la base, producirán en la resistencia una variación de la tensión, según la Ley de Ohm:
V = I x R.
Temperatura en el transistor. Todos los parámetros del transistor se ven afectados por la temperatura y es muy importante tener todas estas variaciones en cuenta.
• Las corrientes de perdida aumentan con la temperatura. • La tensión de polarización de la unión base-emisor para una determinada corriente de colector disminuye con la
temperatura.
Tensiones de ruptura del transistor.
El transistor sólo puede soportar determinados niveles de tensión por encima de los cuales, se destruye. Los mecanismos de ruptura más habituales se producen en la unión inversamente polarizada entre base y colector y son la ruptura por avalancha y la ruptura por atravesamiento. La ruptura por atravesamiento se produce cuando se tocan las zonas de agotamiento de la unión base-colector y la unión base-emisor. La ruptura por avalancha se produce cuando la corriente crece mucho y si no está limitada, el transistor se destruirá o en el mejor de los casos dejará de funcionar correctamente.
Capacidades parásitas en el transistor
Las capacidades parásitas influyen sobre todo en el comportamiento en alta frecuencia del transistor. La capacidad parásita entre colector y emisor suele ser despreciable y sólo se tendrá en cuenta en circuitos de muy alta frecuencia. La capacidad entre colector y base se llama CCB y de la misma manera la capacidad entre base y emisor es CBE. La capacidad base-emisor corresponde a la capacidad de difusión de dicha unión.
Tipos de transistores.
Transistores bipolares Transistores efecto de campo Transistores unipolares Transistores de potencia
Bibliografía
- http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella/electronica/6%20Transistores%20bipolares.pdf - http://mdgomez.webs.uvigo.es/DEI/Guias/tema5.pdf - http://www.uv.es/~esanchis/cef/pdf/Temas/A_T2.pdf
MARTINEZ DOMINGUEZ MARGARITA – GARCIA ARELLANO JOSE ALBERTO
Aleaciones
En la actualidad los metales puros son muy poco usados en aplicaciones
comerciales, en lugar de esto uno o más elementos químicos son adicionados a la
base de un metal para alterar sus características y así darle varias aplicaciones.
Se conoce como aleación al proceso de adicionar uno o más elementos o
componentes para interaccionar con la base de un metal para obtener benéficos
cambios en sus propiedades mecánicas, físicas o químicas o en sus características
de fabricación y procesamiento. Las aleaciones están conformadas por un agregado
cristalino de uno o más metales, o de metales con metaloides.
Para entender las aleaciones se debe explicar que permite la combinación de uno o
más metales o no metales en la red metálica. Esto se puede explicar por dos formas
(y de hecho son dos formas diferentes de aleaciones), la primera es por la
intercalación de los otros elementos en la red y la segunda por la formación de
diferentes fases en el material. Si las aleaciones tienen una estructuración como la
primera se les conoce como homogéneas; por otro lado si es como la segunda se
les llama mezclas.
La estructuración para las aleaciones homogéneas se puede describir igual que la
que se tiene en las redes metálicas puras, donde lo que genera la aleación son
defectos en la red. Estos defectos pueden ser sustitucionales o pueden ser
intersticiales; dando lugar a las aleaciones por intersticio y a las aleaciones por
sustitución, respectivamente. En su mayoría estas aleaciones cristalizan en tres
estructuras comunes: cubica centrada en el cuerpo, hexagonal compacto y cubica
centrada en las caras.
En general lo que se observa es una tendencia por tener número de coordinación
altos y ser arreglos compactos. En este caso el material solo puede ser una solución
sólida o un compuesto químico. Por otro lado las aleaciones mezclas puede estar
formada por cualquier combinación de tres fases, las cuales pueden ser: metal puro,
solución solida o compuesto químico.
Estas diferentes fases tienen características distintivas. Los metales puros poseen
un punto de solidificación y fusión fijo (a diferencia de las aleaciones, las cuales
generalmente funden en un cierto rango). Los compuestos químicos (o aleaciones
intermedias) suelen poseer un punto de solidificación definido, poseen una
composición comprendida entre los dos metales y, generalmente, una estructura
cristalina diferente a la de los metales por separado.
Dentro de las aleaciones intermedias (soluciones sólidas especiales) se tienen
diferentes tipos de compuestos, los cuales se procederán a describir. El primero con
los compuestos intermedios, o de valencia, se caracterizan por conformarse por
metales químicamente distintos y cuya combinación obedece a las reglas de
valencia química. Sus enlaces son fuertes (iónico – coordinado) y sus propiedades
se parecen a las de los materiales no metálicos.
Los segundos se conocen como compuestos intersticiales, son aquellos que se
forman con los metales de transición y elementos como H, O, C, B y N. Como lo dice
su nombre, estos elementos de menor tamaño se ubican de forma intersticial en la
red metálica. En general estos compuestos tienen un comportamiento metálico, son
de composición variable, tienen puntos de fusión elevados y presentan una gran
dureza.
El último tipo de estas aleaciones intermedias son los compuestos electrónicos, los
cuales se caracterizan por tener una composición fija o muy próxima a la
composición cuyo valor corresponde a una relación determinada entre el número de
electrones de valencia y el de átomos que la constituye.
Por otra parte dentro de las características afectadas por las aleaciones podemos
mencionar:
Propiedades mecánicas. Dureza a temperatura ambiente, aumento de la resistencia
a deslizamiento cristalográfico; templabilidad, es la capacidad de una aleación
ferrosa para formar Martensita cuando se inactivó a partir de una temperatura por
encima de la temperatura crítica; resistencia a la fatiga, la fatiga, el daño causado a
un material por estrés, resulta del hecho de que el material no es idealmente
homogéneo y resistencia al arrastre, el arrastre, dependiente del tiempo bajo
tensión, se produce por los movimientos de dislocaciones a través de las estructuras
metálicas
Propiedades de utilidad. Resistencia al calor, las aleaciones permiten resistir la
tracción y el arrastre a altas temperaturas; resistencia al frio y tenacidad, aceros de
bajo carbono, al igual que muchos metales que tienen una estructura de red cúbica
centrada en el cuerpo, son susceptibles a una disminución de la energía de impacto
absorbida con la temperatura disminuye; resistencia a la oxidación y corrosión, El
tipo más común de la corrosión ambiental es la oxidación, que es un proceso
electroquímico que requiere la presencia de humedad en el medio ambiente; dureza
y resistencia al desgaste, la manera más básica de aumentar la dureza del acero es
agregando más carbono.
Propiedades físicas. Modulo elástico, últimamente se ha aprovechado el alto valor de
módulo elástico de berilio en una aleación; densidad, la densidad de una aleación es
por lo general cerca del valor estimado por la cantidad relativa de los constituyentes
principales y sus densidades; propiedades magnéticas, todos los metales tienen
propiedades magnéticas de un tipo u otro; propiedades eléctricas, Una de las
características más importantes de un de metal es la facilidad con la que se
transmite la corriente eléctrica; propiedades de expansión térmica y color
Propiedades de procesamiento. Colabilidad, capacidad de un metal fundido para
producir piezas fundidas completas y sin defectos; maquinabilidad, propiedad de los
materiales que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados;
conformabilidad, Facilidad relativa por la que diversas aleaciones pueden
deformarse por laminación, extrusión, estirado, embutición, forja, etc. y soldabilidad,
la mayor o menor facilidad con que un metal permite que se obtengan soldaduras
sanas y homogéneas.
Referencias
Davis J.R., Alloying. Understanding the basics. ASM International, United States of
America, 2001, pages 3-14.
Santosh S. et al., An Introduction to Surface Alloying of Metals, Springer, United
States of America, 2014. Pages 1-4.
Aranda, B. (2013). Constitución de las aleaciones. Consultado: 14/11/15.
<<http://www.uhu.es/beatriz.aranda/apuntesciemat/TEMA%2062.pdf>>
Universidad Tecnológica de Pereira. Aleaciones metálicas. Consultado: 14/11/15.
<<http://www.utp.edu.co/~publio17/aleaciones.htm>>
Biomateriales Sanchez Torres Mireille, León Luna Miguel Ángel. FQ. UNAM.
IntroducciónHablar de biomateriales implica hablar de materiales capaces de estar en contacto con te-jidos vivos, durante un periodo de tiempo, como parte del tejido, con la finalidad de com-pletar al tejido y/o de ayudar a mejorar el funcionamiento de éste cuando forma parte de un sistema, sin afectar al resto del organismo y sin ser afectado por él, a menos que así se diseñe, como ocurre con los hilos de sutura para tejidos internos que están diseñados para ser absorbidos por el organismo.Para poder hablar de un biomaterial, es necesario que éste cumpla con requisitos, muchos de los cuales dependerán de qué tejido será sustituido por el material.
Según la segunda conferencia de consenso sobre definiciones en el campo de los biomateriales celebrada en el Reino Unido en 1991, “un biomaterial es aquel que es diseñado
para actuar interfacialmente con sistemas biológicos […]”. Éstos pueden tener propiedades es-peciales, según el uso que se les quiera dar.
La clasificación de los biomateriales se divide en:
-Según su origen y según su respuesta biológica:Materiales biológicos: -Tejidos Blandos (p.e. piel)
-Tejidos Duros (p.e. hueso)
Materiales sintéticos: -Polímeros (Metacriolatos)-Metales-Cerámicos-Materiales compuestos
-Materiales Biotolerados: Se encuentran encapsulados por una capa de tejido-Materiales Bioinertes: Están recubiertos por una capa de óxido estable que está en
contacto con el hueso.-Materiales Bioactivos: Producen enlaces químicos directo con el hueso debido a su
capacidad para fijar proteínas en su superficie.
Dado que principalmente los compuestos usados son metales, polímeros y, aunque en menor proporción, los cerámicos, los primeros tendrán una estructura cristalina, así como los cerámicos y éstos pueden tener enlaces covalentes o iónicos, y lo polímeros cons-tan de cadenas largas de moléculas orgánicas (monómeros) unidas entre sí por enlaces co-
BIOMATERIALES - QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO �1
valentes. Esto conlleva a una diferencia entre los polímeros usados como biomateriales; los termoplásticos y los termorrígidos. Los primeros pueden convertirse en un fluido cuando existe un incremento de la temperatura, mientras que los termorrígidos se des-componen antes de fundirse.
Los polímeros amorfos tienen un cambio en la capacidad calorífica al alcanzar la temperatura de transición vítrea, en el cual se produce una absorción de energía para la movilización de los segmentos en de la cadena. Los polímeros semicristalinos, además de presentar transición vítrea, tienen temperaturas de cristalización y de fusión.
En consecuencia, las propiedades mecánicas de los polímeros usados como biomate-riales, dependerá la temperatura a la que sean empleados.
Los elastómeros son polímeros usados para el mismo fin, cuya principal propiedad es que sus dimensiones pueden cambiar hasta en un 800% al aplicar una fuerza. Esto de-penderá de los puntos de entrecruzamiento de las cadenas, entre mayor sea la cantidad de puntos, más rígido será. La mayoría de los materiales poliméricos presentan propiedades anisotópicas.
Otro tipo de materiales usados como biomateriales son los compuestos o “composi-tes”, éstos son combinaciones tridimensionales de, al menos 2 materiales con diferentes propiedades físicas y químicas con una interfaz diferente.
Bibliografía.
• Shalaby W. ed.,Polymers and biomaterials. New York: Plenum Press, 1984• Buddy D. Ratner, ed., Biomaterials science: an introduction to materials in medi-
cine, San Diego: Academic Press, 1996• Jesús Pino Mínguez. Estudio nanométrico de biocompatibilidad y adhesividad
celular a biomateriales utilizados en cirugía ortopédicas. U.S.C.
BIOMATERIALES - QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO �2
Láser: características, funcionamiento y fundamento teórico que lo argumenta.
La palabra láser es un acrónimo de “Light Amplification by Stimulated Emision ofRadiation”, proceso por el cual la energía eléctrica es convertida en energía lumínica. En1917, Albert Einstein fue el primero en concebir el concepto de emisión estimulada perono fue hasta 1954 cuando Charles Townes demostró experimentalmente este principio. Características de láser
1. Coherencia: En las fuentes convencionales de luz, esta es emitida en un conjuntode ondas desordenadas que se anulan entre sí al azar permitiendo que la luz viajesolo a distancia cortas mientras que en el láser las ondas de la luz son emitidas unatras otra con un intervalo de tiempo determinando proporcionándoles una relaciónde fase fija. Es por esta razón que los laser permiten enfocar a un objeto conexactitud aún a una distancia muy larga.
2. Monocromaticidad: Todos los fotones emitidos tienen la misma longitud de ondaproduciéndose un solo color lumínico.
3. Colimación ó direccionalidad: Escasa divergencia del haz de luz ya que todas lasondas emitidas van hacia una sola dirección.
¿Cómo funciona un láser?
El láser contiene al menos tres elementos fundamentales, un medio activo, un sistemade bombeo y una cavidad resonante.
El medio activo es el material (sólido, líquido o gaseoso) que emite la luz. Para que esteemita luz, hay que excitarlo de alguna manera, del mismo modo que el filamento de unabombilla necesita una corriente eléctrica que pase por él; ese es el cometido del sistemade bombeo. El sistema de bombeo puede consistir en otro láser, una lámparaconvencional, o una corriente o descarga eléctrica, dependiendo del tipo de láser.
El medio activo se coloca entre dos espejos que forman una cavidad resonante, esto es,la luz rebota entre los dos espejos y ayuda a la amplificación del mismo modo que la cajade resonancia de una guitarra amplifica las ondas acústicas. Uno de los espejos es semi-reflectante por lo que parte de la luz amplificada sale de la cavidad resonante en forma dehaz.
El láser está formado por un núcleo, que suele tener forma alargada, donde se generanlos fotones. El núcleo puede ser una estructura cristalina, por ejemplo rubí, o un tubo devidrio que contiene gases, por lo general dióxido de carbono o la mezcla helio-neón. Encualquier caso, son materiales que poseen electrones fácilmente excitables y que noemiten inmediatamente de forma espontánea, sino que pueden quedar excitados duranteun tiempo mínim
Principio teórico de acción del láser
El funcionamiento de un láser se basa en los principios de la teoría cuántica; cadaátomo puede tener energías sólo en ciertos estados discretos o niveles de energía,normalmente se encuentran en el estado de menor energía (estado basal) y cuando esirradiado el haz de una luz a una sustancia, estos átomos pueden excitarse hasta pasar aun nivel mayor de energía del que se encontraban. Este proceso es llamado absorción.
Cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía elevado, tiende a caerespontáneamente a un nivel de energía inferior con la subsiguiente emisión de un fotónde luz. A este proceso se le conoce como emisión espontánea y es la responsable de lamayor parte de la luz que vemos.
Por otro lado, un fotón puede estimular la caída de un electrón a un nivel inferior sitiene una energía igual a la diferencia entre los dos niveles, en ese caso se emitirá unsegundo fotón idéntico al que ha inducido la transición, llamada emisión estimulada.
El hecho de que la emisión estimulada produzca dos fotones idénticos a partir de unfotón inicial es precisamente lo que permite amplificar la luz y es también responsable deque la luz generada por emisión estimulada sea coherente. Pero, para que sea posibleamplificar la luz por emisión estimulada, es necesario además que en el medio activo hayaun número mayor de electrones en el nivel de energía superior que en el inferior; esto eslo que se llama inversión de población.
Para lograr esto, se bombean ciertos materiales con niveles de energía electrónicosmetaestables, es decir, con niveles de energía en los cuales los electrones tardan untiempo relativamente largo en desexcitarse por emisión espontánea, lo cual favoreceprecisamente la acumulación de electrones en el estado de energía superior.
Bibliografía:
http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/rehabilitacion-fis/laser_morrillo.pdfhttp://historiaybiografias.com/laser/http://www.clpu.es/divulgacion/bits/como-funciona-un-laser
