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Universidad Autónoma de Santo Domingo Facultad de Ingeniería y Arquitectura Escuela de Ingeniería Electromecánica

Propiedades de los Conductores Eléctricos

Sustentantes: Batista Juan

DB-9912

Soto Edwar 100035903

Asignatura: Ciencia de los Materiales

Sección: 05

Santo Domingo D.N., 19 de mayo de 2011

Indice

1- Introducción 2- Clasificación de los materiales Eléctricos 3- Conductores Eléctricos 4- Tipos de Conductores Eléctricos 5- Clasificación de los Conductores Eléctricos 6- Materiales Conductores mas Utilizados 7- Proceso de fabricación del Alambre de Cobre 8- Conclusión

1- Introducción

La electricidad (del griego ήλεκτρον elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros, en otras palabras es el flujo de electrones. Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos los dispositivos electrónicos. La posibilidad de generar corrientes eléctricas en los materiales depende de la estructura e interacción de los átomos que los componen. Los átomos están constituidos por partículas cargadas positivamente (los protones), negativamente (los electrones) y neutras (los neutrones). La conducción eléctrica de los materiales sólidos, cuando existe, se debe a los electrones más exteriores, ya que tanto los electrones interiores como los protones de los núcleos atómicos no pueden desplazarse con facilidad. Los materiales conductores por excelencia son metales, como el cobre, que usualmente tienen un único electrón en la última capa electrónica. Estos electrones pueden pasar con facilidad a átomos contiguos, constituyendo los electrones libres responsables del flujo de corriente eléctrica. En otros materiales sólidos los electrones se liberan con dificultad constituyendo semiconductores, cuando la liberación puede ser producida por excitación térmica, o aisladores, cuando no se logra esta liberación.

2- Clasificación de los materiales eléctricos:

A- Conductores: Los conductores son materiales que transmiten toda la carga eléctrica que es puesta en contacto con ellos, a todo punto de su superficie. Los mejores conductores son los metales y sus aleaciones. Hay materiales no metálicos que conducen la electricidad, como el grafito, soluciones salinas, y materiales en estado de plasma. El material más empleado para el transporte de la energía eléctrica es el cobre, que se presenta en forma de cables de uno o más hilos. También se emplea el aluminio, aunque su conductividad es el 60% de la del cobre, pero su liviandad lo hace apto para las líneas de alta tensión. El oro se utiliza para condiciones especiales (ciertos circuitos en electrónica). La resistencia de los conductores eléctricos dependerá también de la longitud y grosor de los mismos. Los cables de cobre que se utilizan se diferencian en blandos, semiduros y duros, siendo mejores conductores los de cobre blando, y los de cobre duro, de mayor resistencia mecánica. Para darle flexibilidad a los cables, podemos recocer el alambre, o agregando varias hebras recocerse el alambre o agregar varios cabos.

B- Súper Conductores: Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia y pérdida de energía en determinadas condiciones. La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica. La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.

C- Semiconductores: Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. El elemento semiconductor más usado es el Silicio, el segundo el Germanio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².

D- Dieléctricos o aislantes: son los materiales aislantes, que no conducen la electricidad, como : el vidrio, la cerámica, los plásticos, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, porcelana, baquelita. En realidad no existen materiales totalmente aislantes o conductores, son mejores o peores conductores eléctricos. Estos materiales se emplean para forrar a los conductores y evitar cortocircuitos, también para fabricar elementos para fijar los conductores a los soportes sin contacto eléctrico. El aire y el agua son aislantes en determinadas condiciones.

3- Conductores Eléctricos: Los conductores eléctricos son materiales cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, los mejores conductores son el oro y la plata, pero debido a su elevado precio, los materiales empleados habitualmente son el cobre (en forma de cables de uno o varios hilos), o el aluminio; metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% inferior es, sin embargo, un material tres veces más ligero, por lo que su empleo está más indicado en líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión1 La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el International Annealed Copper Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a 58.0 MS/m.2 A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como la plata o los cobres especiales de muy alta conductividad designados C-103 y C-110.3

4-Tipos de conductores Eléctricos: • • • •

Alambres: Estos son conductores que están formados por un hilo sólido. Cables: Estos son hechos con alambres o hilos más delgados, para lograr una mejor flexibilidad Cable Paralelo: Estos son conductores individuales, pero que se encuentran unidos por su aislamiento. Cable encauchetado: Estos conductores son de dos o más cables independientes y aislados, que vienen a su vez recubiertos por otro aislante común.

5- Clasificación de los conductores eléctricos: Según su capacidad de transporte de corriente, capacidad de soportar cortocircuitos, resistencia mecánica y condiciones ambientales en las que opera, los conductores eléctricos pueden clasificarse en desnudos o aislados. Conductores de cobre desnudos: Pueden ser alambres o cables y se utilizan para líneas aéreas de redes urbanas y suburbanas; tendidos aéreos de alta tensión a la intemperie; líneas aéreas de contacto para ferrocarriles, entre otras cosas. Conductores de cobre con aislamiento: Alambres y cables utilizados para tendidos eléctricos bajo el agua, cable submarino, y en barcos, conductores navales; líneas aéreas de distribución y poder, empalmes, etc.; tendidos directamente bajo tierra, bandejas o ductos; control y comando de circuitos eléctricos, etc.

6- Materiales Conductores más Utilizados: El cobre: El cobre (del latín cŭprum, y éste del griego kýpros), cuyo símbolo es Cu, es el elemento químico de número atómico 29. Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos. El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que generalmente presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones. Por otra parte, el cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas. Fue uno de los primeros metales en ser utilizado por el ser humano en la prehistoria. El cobre y su aleación con el estaño, el bronce, adquirieron tanta importancia que los historiadores han llamado Edad del Cobre y Edad del Bronce a dos periodos de la Antigüedad. Aunque su uso perdió importancia relativa con el desarrollo de la siderurgia, el cobre y sus aleaciones siguieron siendo empleados para hacer objetos tan diversos como monedas, campanas y cañones. A partir del siglo XIX, concretamente de la invención del generador eléctrico en 1831 por Faraday, el cobre se convirtió de nuevo en un metal estratégico, al ser la materia prima principal de cables e instalaciones eléctricas. El cobre posee un importante papel biológico en el proceso de fotosíntesis de las plantas, aunque no forma parte de la composición de la clorofila. El cobre contribuye a la formación de glóbulos rojos y al mantenimiento de los vasos sanguíneos, nervios, sistema inmunitario y huesos y por tanto es un oligoelemento esencial para la vida humana. El cobre se encuentra en una gran cantidad de alimentos habituales de la dieta tales como ostras, mariscos, legumbres, vísceras y nueces entre otros, además del agua potable y por lo tanto es muy raro que se produzca una deficiencia de cobre en el organismo. El desequilibrio de cobre ocasiona en el organismo una enfermedad hepática conocida como enfermedad de Wilson. El cobre es el tercer metal más utilizado en el mundo, por detrás del hierro y el aluminio. La producción mundial de cobre refinado se estimó en 15,8 Mt en el 2006, con un déficit de 10,7% frente a la demanda mundial proyectada de 17,7 Mt.

El Aluminio: El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales.1 En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis. Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería mecánica, tales como su baja densidad (2.700 kg/m3) y su alta resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es relativamente barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX2 el metal que más se utiliza después del acero. Fue aislado por primera vez en 1825 por el físico danés H. C. Oersted. El principal inconveniente para su obtención reside en la elevada cantidad de energía eléctrica que requiere su producción. Este problema se compensa por su bajo coste de reciclado, su dilatada vida útil y la estabilidad de su precio.

7- Proceso de Fabricación de Alambres de Cobre:

DIAGRAMA DE FLUJO

DESCRIPCION DEL PROCESO 1. Estirado: El cobre es formado en alambres de variados diámetros mediante el estirado a través de una serie de matrices. 2. Recocido: Dado que el proceso de estirado causa que el cobre sea duro y quebradizo, este será recocido por calor y sucesivo enfriado. 3. Trenzado: En cualquier lugar donde haya de 20-100 (alambres conductores de cobre muy finos) son trenzados en cordones el cual será usado en la producción de alambres y cables flexibles. 4. Torcido: Capas de alambre (1+6+12+18+24+etc.) son trenzadas en conjunto para hacer el conductor de cobre. La máxima área del corte transversal del núcleo de los cables de potencia es de 500 mm2. 5. Aislamiento: Los conductores de cobre, tanto los alambres simples como los alambres trenzados múltiples, son cubiertos por una capa de PVC para el aislamiento de la corriente. 6. Ensamble: Tres o cuatro de estos conductores de cobre aislados con PVC son ensamblados en un solo cable de potencia. 7. Revestido: Los cables por completo son moldeados con un recubrimiento de PVC, ya sean conductores de cobre de núcleos dobles o múltiples. 8. Blindado (opcional): Los cables de potencia para propósitos especiales deben ser rodeados con alambres de acero para incrementar la resistencia de la estructura del cable (sólo para cables de potencia de propósitos especiales).

Cables de cobre terminados

8- Conclusión

Sin lugar a dudas el área de aplicación de los conductores en nuestro trabajo como futuros ingenieros es sumamente grande, debido a la gran cantidad de soluciones que podemos dar a igual cantidad de problemas con el uso adecuado de materiales conductores, sabiendo cual utilizar en cada circunstancia para obtener los mejores resultados. Así también el conocimiento de estos materiales puede abrirnos horizontes mas profundos, llevándonos a la inventiva y al uso de nuestro ingenio para innovar y crear soluciones optimas a los desafíos que nuestro mundo presenta hoy día, como son: el alto costo de producción de energía debido a las alzas del petróleo, el calentamiento global y la contaminación debida a la quema de combustibles fósiles, etc.