propiedades_fisicas_de_los_materiales

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UNIVERSIDAD DEL BÍO BÍO 
FACULTAD DE INGENIERIA 
DEPARTAMENTO DE MECANICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tema : Propiedades Físicas de los Materiales. 
 Capítulo I : Mikell P. Groover. 
 Profesor : Federico Grossmann. 
 
 
 
 
UBB / DIMEC Materiales 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 
 Las propiedades físicas, tal como usamos el término, definen el comportamiento 
de los materiales en respuesta a otras fuerzas físicas, además de las mecánicas. Estas 
incluyen propiedades volumétricas, térmicas, eléctricas y electroquímicas. Los 
componentes de un producto necesitan hacer algo más que simplemente soportar 
esfuerzos mecánicos. Deben conducir la electricidad (o prevenir su conducción), permitir 
que escape el calor, transmitir la luz y satisfacer una multitud de funciones. 
 
 Las propiedades físicas son importantes en la manufactura porque 
frecuentemente tienen influencia sobre la realización de los procesos. Por ejemplo, las 
propiedades térmicas de los materiales de trabajo en maquinado determinan la 
temperatura de corte, la cual afecta la vida útil de la herramienta antes de fallar. En 
microelectrónica, las propiedades eléctricas del silicio y la forma en que éstas pueden 
alterarse por medio de varios procesos químicos y físicos son la base de la manufactura 
de semiconductores. 
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En el presente capítulo, se analizan las propiedades físicas más importantes en 
la manufactura, que además encontraremos en los subsiguientes capítulos del libro. Las 
dividimos en grandes categorías como volumétricas, térmicas y eléctricas. También 
relacionamos estas propiedades con la manufactura, como lo hicimos en el capítulo 3 
sobre las propiedades mecánicas. 
 
 
 
 
4.1 PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS Y DE FUSIÓN 
 
 
 Estas propiedades se refieren al volumen de los sólidos y cómo son afectadas 
por la temperatura. Las propiedades incluyen la densidad, la expansión térmica y el punto 
de fusión. En la tabla 4.1 se presentan los valores típicos de estas propiedades para 
algunos materiales seleccionados de ingeniería. 
 
 
TABLA 4.1 Propiedades volumétricas en unidades de uso común en Estados Unidos para 
algunos materiales de ingeniería seleccionados 
 
lb/pulg3 g/cm3 °F-1x10-6 °C-1x10-6 F° C°
Metales
Aluminio 0.098 -2.7 13.3 ( 24 ) 1220 ( 660 )
cobre 0.324 -8.97 9.4 ( 17 ) 1981 ( 1083 )
Hierro 0.284 -7.87 6.7 ( 12.1 ) 2802 ( 1539 )
Plomo 0.41 -11.35 16.1 ( 29 ) 621 ( 327 )
Magnesio 0.063 -1.74 14.4 ( 26 ) 1202 ( 650 )
Níquel 0.322 -8.92 7.4 ( 13.3 ) 2651 ( 1455 )
Acero 0.284 -7.87 6.7 ( 12 ) a a
Estaño 0.264 -7.31 12.7 ( 23 ) 449 ( 232 )
Tungsteno 0.697 -19.3 2.2 ( 4.0 ) 6170 ( 3410 )
Zinc 0.258 -7.15 22.2 ( 40 ) 787 ( 420 )
Cerámicos
vidrio 0.09 -2.5 1.0—5.0 ( 1.8 - 9.0 ) b b
Alúmina 0.137 -3.8 5.0 ( 9.0 ) ND ND
concreto 0.087 -2.4 7.2 ( 13 ) ND ND
 Sílice 0.096 -2.66 ND ND ND ND
Polímeros
Resinas fenólicas 0.047 -1.3 33 ( 60 ) c c
Nylon 0.042 -1.16 55 ( 100 ) b b
Teflón 0.079 -2.2 55 ( 100 ) b b
Hule natural 0.043 -1.2 45 ( 80 ) b b
Polietileno
Baja densidad 0.033 -0.92 100 ( 180 ) b b
Alta densidad 0.035 -0.96 66 ( 120 ) b b
Poliestireno 0.038 (1 .05) 33 ( 60 ) b b
Punto de fusiónDensidad Coeficiente de expansión térmica
Material
 
 
ND, No disponible; el valor de la propiedad para este material no se pudo obtener. 
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4.1 .1 Densidad 
 
 
 La densidad de un material en ingeniería es su peso por unidad de volumen. Su 
símbolo es p, y sus unidades típicas son lb/pulg3 (glcm3). La densidad de un elemento la 
determinan su número atómico, y otros factores como su radio atómico y la forma en que 
se compactan sus átomos. El término gravedad especifica expresa la densidad relativa de 
un elemento con respecto a la densidad del agua; es una razón y por tanto no tiene 
unidades. 
 
 Algunas veces es más conveniente trabajar con el recíproco de la densidad, 
llamado volumen específico, que tiene las unidades pulg3/lb (cm3/g). 
 
 La densidad es una consideración importante en la selección de un material para 
una aplicación dada, pero generalmente no es la única propiedad de interés. La 
resistencia es también importante, y las dos propiedades se relacionan frecuentemente en 
la razón de resistencia al peso, la cual es la resistencia a la tensión dividida por su 
densidad. La razón es útil en la comparación de materiales para aplicaciones 
estructurales en las industrias de la aviación, los automóviles y otros productos para los 
cuales importa el peso y la energía. 
 
 
4.1 .2 Expansión térmica 
 
 
 La densidad de un material es una función de la temperatura. Generalmente, la 
densidad disminuye conforme aumenta la temperatura. Es decir, el volumen por unidad de 
peso aumenta con la temperatura. La expansión térmica es el nombre que se da al efecto 
de la temperatura sobre la densidad. Se expresa usualmente como el coeficiente de 
expansión térmica, el cual mide el cambio en longitud por grado de temperatura, como 
pulg/pulg/°F (mm/mm/°C). Es una relación entre longitudes más que entre volúmenes 
porque así es más fácil de medir y aplicar. Es consistente con las situaciones usuales de 
diseño en las que los cambios dimensionales son de mayor interés que los cambios 
volumétricos. El cambio en longitud correspondiente a un cambio de temperatura está 
dado por: 
 
 L2-L1 =α L1(T2-T1) 
 
 
donde α = coeficiente de expansión térmica, F-1 (C-1); L1 y L2 son las longitudes en pulg 
(mm), correspondientes a las temperaturas T1 y T2, °F (°C). 
 
 Los valores del coeficiente de expansión térmica dados en la tabla 4.1 sugieren la 
existencia de una relación lineal con la temperatura. Esto es solamente una aproximación. 
La temperatura afecta no sólo a la longitud, sino también al coeficiente mismo. Para unos 
materiales el coeficiente aumenta con la temperatura, para otros decrece. Los cambios no 
son usualmente tan significativos como para ser considerados importantes, y los valores 
que se dan en la tabla resultan útiles para los cálculos de diseño en la gama de 
temperaturas que se contemplan en el servicio. Los cambios en el coeficiente son más 
sustanciales cuando el metal sufre una transformación de fase, por ejemplo de sólido a 
líquido, o de una estructura cristalina a otra. 
 
 
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En las operaciones de manufactura, se utiliza mucho el coeficiente de expansión 
térmica en los ensambles ajustables por contracción o por expansión (sección 3 1.3.2), en 
los cuales se calienta una parte para incrementar su tamaño o se enfría para reducirlo a 
fin de permitir su inserción en otra pieza, y cuando la parte regresa a la temperatura 
ambiente se obtiene un ensamble firmemente ajustado. La expansión térmica puede ser 
un problema en el tratamiento térmico (capítulo 8) y en soldadura (sección 29.6.1), debido 
a los esfuerzos térmicos que se desarrollan en estos procesos. 
 
 
4.1 .3 Características de fusión 
 
 El punto de fusión, para un elemento puro, es la temperatura a la cual se 
transforma el material del estado sólido al líquido. La transformación contraria, de liquida a 
sólido ocurre a la misma temperatura y es llamada el punto de congelación. Para 
elementos cristalinos como los metales, el punto de fusión y congelación es el mismo. A 
esta temperatura se requiere una cierta cantidad de energía calorífica llamada calor de 
fusión para realizar la transformación. 
 
 La fusión de un metal a una temperatura específica, tal como la hemos descrito, 
supone condiciones de equilibrio. Las excepciones son comunes en la naturaleza, por 
ejemplo, cuando un metal fundido se enfría puede permanecer en estado líquido por 
debajo de su punto de congelación si no se inicia de inmediato la nucleación de los 
cristales. Cuando esto sucede se dice que el líquido está sobreenfriado. 
 
 Existen otras variaciones en el proceso de fusión, diferencias en la forma que 
ocurre la fusión en diferentes materiales. Una de estas diferencias es la fusión de 
aleaciones metálicas. En contraste conlos metales puros, la mayoría de las aleaciones no 
tienen un punto de fusión único; en su lugar el punto de fusión comienza a cierta 
temperatura llamada solidus y continúa conforme la temperatura aumenta hasta que se 
convierte en forma total al estado liquido a una temperatura llamada liquidus. Entre los 
dos puntos la aleación es una mezcla de metales sólidos y fundidos; la cantidad de cada 
uno es inversamente proporcional a sus distancias relativas a cada uno de los puntos. 
Aunque la mayoría de las aleaciones se comportan de esta manera hay algunas 
excepciones; las aleaciones eutécticas se funden (y congelan) a una sola temperatura. 
Examinamos estos aspectos en nuestro análisis sobre los diagramas de fase en el 
capítulo 7. 
 
 Con los materiales no cristalinos (vidrios) ocurre otra diferencia en la fusión. En 
estos materiales hay una transición gradual del estado sólido al liquido. El material sólido 
se ablanda gradualmente, a medida que aumenta la temperatura, hasta llegar al estado 
liquido en su punto de fusión. Durante el ablandamiento, el material adquiere una 
creciente consistencia plástica (se parece cada vez más a un liquido) conforme se va 
acercando a su punto de fusión. 
 
 Estas diferencias en las características de fusión entre los metales, aleaciones y 
vidrios se describen en la figura 4.1. Las líneas representan cambios en densidad como 
una función de la temperatura para tres materiales hipotéticos: un metal puro, una 
aleación y un vidrio. En la gráfica se ha trazado el cambio volumétrico que es el reciproco 
de la densidad. La importancia de la fusión en la manufactura es obvia. En la fundición de 
metales (capítulos 12 y 13), el metal se funde y luego se vacía en la cavidad de un molde. 
Los metales con un punto de fusión más bajo son generalmente más fáciles de fundir, 
pero si la temperatura de fusión es demasiado baja el metal pierde su aplicabilidad como 
material de ingeniería. 
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FIGURA 4.1 Cambios en volumen por unidad de peso (1/densidad) como una función de 
la temperatura para un metal, una aleación y un vidrio hipotéticos; todos Temperatura de 
ellos exhiben características similares de expansión térmica y de fusión. 
 
 
 
 Las características de fusión de los polímeros son importantes en el moldeo de 
plásticos y otros procesos de conformado de polímetros (capitulo 15). El sinterizado de 
polvos metálicos y cerámicos requiere del conocimiento de los puntos de fusión (capítulos 
18 y 19). El sinterizado no funde los materiales, pero las temperaturas usadas en los 
procesos deben aproximarse al punto de fusión, a fin de alcanzar la unión requerida de 
los polvos. 
 
 
 
4.2 PROPIEDADES TÉRMICAS 
 
 
 La mayoría de las secciones previas tratan de los efectos de la temperatura 
sobre las propiedades volumétricas de los materiales. La expansión térmica, la fusión y el 
calor de fusión son ciertamente propiedades térmicas, porque la temperatura determina el 
nivel de energía de los átomos que conduce a los cambios en los materiales. En esta 
sección examinamos algunas propiedades térmicas adicionales que se relacionan con la 
acumulación y flujo del calor en una sustancia. Las propiedades usuales de interés son el 
calor específico y la conductividad térmica, valores que se encuentran recopilados en la 
tabla 4.2 para algunos materiales seleccionados. 
 
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TABLA 4.2 Valores de las propiedades térmicas comunes para algunos materiales 
Seleccionados 
 
Calor específicoa
Btu/lbm -°F o cal/g - °C Btu/hr - pulg - °F ( l/seg - mm - °C )
Metales
Aluminio 0.21 9.75 ( 0.22 )
Hierro fundido 0.11 2.7 ( 0.06 )
cobre 0.092 18.7 ( 0.4 )
Hierro 0.11 2.98 ( 0.072 )
Plomo 0.031 1 .68 ( 0.033 )
Magnesio 0.25 7.58 ( 0.16 )
Níquel 0.105 2.88 ( 0.070 )
Acero 0.11 2.2 ( 0.046 )
Acero inoxidable 18-8 0.11 0.67 ( 0.014 )
Estaño 0.054 3 ( 0.062 )
Zinc 0.091 5.41 ( 0.112 )
Cerámicos 0.18 1.4
Alúmina 0.2 0.6 ( 0.029 )
Concreto 0.4 0.0077 ( 0.012 )
Poltmeros 0.5 0.016
Resinas fenólicas 0.25 0.0096 ( 0.00016 )
Polietileno 0.48 0.006 ( 0.00034 )
Teflón ( 0.0002 )
Hule natural ( 0.00012 )
Otros
Agua (líquida) 1 0.029 ( 0.0006 )
Hielo 0.46 0.11 ( 0.0023 )
Material
Conductividad térmica 
 
 
4.2.1 Calor específico y conductividad térmica 
 
 
 El calor específico C de un material se define como la cantidad de energía 
calorífica necesaria para incrementar la temperatura de una unidad de masa del material 
en un grado. Algunos valores típicos se enlistan en la tabla 4.2. Se puede usar la 
siguiente ecuación para determinar la cantidad de energía necesaria para calentar en un 
horno un cierto peso de un metal a una temperatura elevada dada, 
 
H = CW (T2 - T1 ) 
 
donde H = cantidad de energía calorífica, Btu (J); C = calor específico del material, Btullb-
QF (J/kg-QC); W = peso del material lb (kg) Y T2 - TI = cambio de temperatura,ºF (ºC). 
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La capacidad de almacenamiento volumétrico de calor de un material es algunas 
veces de interés. Esto es simplemente la densidad multiplicada por el calor específico pC. 
Por tanto, el calor específico volumétrico es la cantidad de energía calorífica necesaria 
para elevar la temperatura de una unidad de volumen de un material en un grado. Sus 
unidades son Btu/pulg3-QF (J/mm3-QC). 
 
 La conducción es uno de los procesos de transferencia de calor fundamentales. 
Implica la transferencia de energía térmica dentro del material de molécula a molécula 
efectuada únicamente por movimientos térmicos, mas no ocurre transferencia de masa. 
En consecuencia, la conductividad térmica de una sustancia es su capacidad de transferir 
calor a través de ella misma mediante este mecanismo físico, y puede determinarse a 
través del coeficiente de conductividad térmica k, cuyas unidades típicas son Btu/pulg-hr-
QF (J/seg-mm-QC). El coeficiente de conductividad térmica es generalmente alto en los 
metales y bajo en los cerámicos y plásticos. 
 
 La relación entre la conductividad térmica y el calor específico volumétrico se 
encuentra frecuentemente en el análisis de transferencia de calor. Se llama difusividad 
térmica K y está determinada por 
 
K = k 
 ρC 
 
Usamos esta expresión para calcular las temperaturas de corte en maquinado. 
 
 
 
4.2.2 Propiedades Térmicas en la Manufactura 
 
 Las propiedades térmicas juegan un papel importante en la manufactura porque 
la generación de calor es común en muchos procesos. En algunas operaciones el calor es 
la energía que realiza los procesos. En otras se genera el calor a consecuencia de los 
procesos. 
 
El calor específico es de gran interés por varias razones. En los procesos que 
requieren calentamiento del material, el calor específico determina la cantidad de energía 
calorífica necesaria para elevar la temperatura a un nivel deseado, de acuerdo a la 
ecuación (4.2); estas operaciones incluyen la fundición, el tratamiento térmico y el 
formado de los metales en caliente. 
 
En muchos procesos que se llevan a cabo a temperatura ambiente, la energía 
mecánica para ejecutar las operaciones se convierte en calor, mismo que eleva la 
temperatura de la pieza de trabajo. Esto es común en maquinado y formado en frío. La 
temperatura se eleva como una función del calor específico del metal. Para reducir estas 
temperaturas se usan frecuentemente fluidos refrigerantes en maquinado, y aquí, la 
capacidad calorífica del fluido es crítica. Casi siempre se emplea el agua como base de 
estos fluidos, por su alta capacidad de remoción del calor. 
 
La conductividad térmica sirve para disipar el calor en los procesos de 
manufactura, algunas veces benéficamente y otras no. En algunos procesos mecánicos, 
tales como formado de metales y maquinado, un gran parte de la potencia requerida para 
operar dichos procesos es convertida en calor. La capacidad del material de trabajo y de 
las herramientas para conducir el calor fuera de la fuente donde se genera es muy 
deseable en estos procesos.UBB / DIMEC Materiales 
Por otra parte, una alta conductividad térmica del metal de trabajo es indeseable 
en procesos de soldadura por fusión, como soldadura de arco y soldadura por resistencia. 
En estas operaciones el calor aplicado debe concentrarse en el lugar de la unión para que 
el metal pueda fundirse. El cobre, por ejemplo, es generalmente difícil de soldar debido a 
su alta conductividad térmica; el calor es rápidamente conducido a través al material de 
trabajo desde la fuente de energía. 
 
 
4.3 DIFUSION DE MASA 
 
 Además de existir transferencia de calor en un material, hay transferencia de 
masa. La difusión de masa implica el movimiento de átomos Q moléculas dentro del 
material, o a través de un límite entre dos materiales en contacto. Quizás parezca lógico 
que tal fenómeno suceda en líquidos o gases, p~ro también sucede en sólidos. Ocurre en 
metales puros, en aleaciones y entre materiales que comparten una interfase común. 
Debido a la agitación térmica de los átomos en un material (sólido, líquido, o gaseoso), 
éstos se mueven continuamente por doquier. En los sólidos, metales en particular, el 
movimiento de los átomos se facilita por la existencia de vacantes y otras imperfecciones 
en la estructura cristalina. 
 
 Se puede ilustrar la difusión con la serie de diagramas de la figura 4.2 para el 
caso de dos metales puestos en estrecho contacto repentinamente. Al principio, ambos 
metales tienen su propia estructura atómica; pero con el tiempo hay un intercambio de 
átomos, no solamente a través del límite, sino también dentro de cada pieza por 
separado. Con el tiempo suficiente, el ensamble de las dos piezas alcanza una 
composición uniforme a todo lo largo. 
 
 La temperatura es un factor importante en difusión. A mayores temperaturas, la 
agitación térmica es más grande y los átomos se pueden mover por doquier más 
libremente. Otro factor es el gradiente de concentración dc/dx, el cual indica la 
concentración de dos tipos de átomos en una dirección de interés definida por x. El 
gradiente de concentración se representa en la figura 4.2 (b) para corresponder a la 
distribución instantánea en el ensamble. La relación frecuentemente utilizada para 
describir la difusión de masa es la primera ley de Fick. 
 
dm = -D dc A dt 
 dx 
 
donde dm = pequeña cantidad de material transferido, D = coeficiente de difusión del 
metal, el cual aumenta rápidamente con la temperatura, dc/dx = gradiente de 
concentración, A = área del límite, y dt representa un pequeño incremento de tiempo. Con 
el re arreglo matemático de la ecuación (4.4) se obtiene una alternativa para calcular la 
velocidad de la difusión de masa: 
 
dm = -D dc A 
 dx 
 
 Aunque estas ecuaciones son difíciles de usar en los cálculos debido a los 
problemas para valorar a D, nos ayudan a entender la difusión y las variables de las 
cuales 4epende. 
 
 
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La difusión de masa se utiliza en varios procesos. Un buen número de 
tratamientos para endurecimiento superficial se basan en la difusión (sección 8.4), 
incluyendo la carburización y la nitruración. Entre los procesos de soldadura, se usa la 
soldadura por difusión para unir dos componentes que se prensan juntos, permitiendo que 
ocurra la difusión a través del límite y la formación de un enlace permanente. La difusión 
también se usa en la manufactura electrónica para alterar la composición química 
superficial de una oblea semiconductora (chip) en regiones muy localizadas, para crear 
los detalles del circuito 
 
 
 
 
FIGURA 4.2 Difusión de masa. (a) Modelo de los átomos en dos bloques en contacto: (1) 
al principio cuando se juntan las dos piezas, cada una tiene su composición individual, (2) 
después de algún tiempo ocurre un intercambio de átomos y (3) ocurre una condición 
eventual de concentración uniforme. La gráfica del gradiente de concentración dc/dx para 
el metal A se muestra en (b). 
 
 
 
 
 
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4.4 PROPIEDADES ELÉCTRICAS 
 
 
 Los materiales de ingeniería exhiben grandes variaciones en su capacidad de 
conducir la electricidad. En esta sección definimos las propiedades físicas mediante las 
cuales se mide dicha capacidad. 
 
 
4.4.1 Resistividad y conductividad 
 
 El flujo de la corriente eléctrica implica el movimiento de portadores de carga, 
pequeñas partículas infinitesimales que poseen una carga eléctrica. En los sólidos, estos 
portadores de carga son los electrones. En una solución líquida, los portadores son los 
iones positivos y negativos. El movimiento de los portadores es impulsado por la 
presencia de un voltaje eléctrico y frenado por las características de resistencia inherentes 
al material, como la estructura atómica y los enlaces entre átomos y moléculas. Ésta es la 
familiar relación definida por la ley de Ohm: 
 
 
 
donde I = corriente (A), E = voltaje (V) y R = resistencia eléctrica (Ω). La resistencia en 
una sección uniforme de material (un alambre, por ejemplo) depende de la longitud L, del 
área de la sección transversal A, y de la resistividad del material r; entonces, 
 
 
 
donde la resistividad tiene las unidades Q-pulg2/pulg o Ω pulg (ohm-m). La resisitividad es 
la propiedad básica que define la capacidad de un material para resistir el flujo de la 
corriente. En la tabla 4.3 se presentan los valores de esta propiedad para algunos 
materiales seleccionados. 
 
 La resistividad no es una constante; varía con la temperatura igual que otras 
propiedades. En los metales, la resistividad aumenta con la temperatura; la figura 4.3 
ilustra una relación típica. A veces es más conveniente considerar que un material 
conduce la corriente en lugar de resistir a su flujo. La conductividad de un material es el 
reciproco de la resistividad: 
Conductividad eléctrica = 1 
 r 
 
donde la conductividad tiene las unidades (Ω - pulg)-1 o (Ω - m )-1. 
 
 
4.4.2 CIases de materiales por sus propiedades eléctricas 
 
 Los metales son los mejores conductores de la electricidad debido a sus enlaces 
metálicos. Tienen la resistividad más baja (tabla 4.3). La mayoría de los materiales 
cerámicos y polímeros, cuyos electrones están firmemente unidos por enlaces covalentes 
o iónicos, son conductores pobres. Muchos de estos materiales se usan como aislantes 
debido a que poseen una alta resistividad. 
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FIGURA 4.3 Resistividad del cobre 
como función de la temperatura. 
 
 
 
 
 
 Algunas veces se llama dieléctrico a un aislante, debido a que el término 
dieléctrico significa no conductor de la corriente directa. Es un material que puede 
colocarse entre dos electrodos sin conducir la corriente entre ellos. Sin embargo, si el 
voltaje es lo suficientemente alto, la corriente pasa repentinamente a través del material 
en la forma de un arco. Entonces, la resistencia dieléctrico de un material aislante es el 
potencial eléctrico necesario para romper la resistencia del aislante por unidad de 
espesor. Sus unidades apropiadas son V/pulg (V/m). 
 
 Además de conductores y aislantes (o dieléctricos) hay también 
superconductores y semiconductores. Un superconductor es un material que exhibe una 
resistividad nula. Es un fenómeno que ha sido observado en ciertos metales y cerámicos 
a temperaturas extremadamente bajas que se aproximan al cero absoluto. Podríamos 
esperar la existencia de este fenómeno debido al significante efecto que la temperatura 
tiene sobre la resistividad. La existencia de estos materiales superconductores es de un 
gran interés científico. Si se desarrollaran materiales que exhibieran esta propiedad a 
temperaturas más normales, tendrían una significante implicación práctica en aplicaciones 
de transmisión de potencia, velocidad en la conmutación electrónica y en campos mag-
néticos. 
 
 Los semiconductores han demostrado ya su importancia práctica, sus 
aplicaciones se extienden desde las macro computadoras hasta los enseres domésticosy 
los controladores de motores para automóviles. Como es fácil adivinar, un semiconductor 
es un material cuya resistividad se ubica entre los aislantes y los conductores, la gama 
típica se muestra en la tabla 4.3. El material semiconductor más comúnmente usado hoy 
en día es el silicio (sección 9.5.2) a causa de su abundancia en la naturaleza, a su relativo 
bajo costo y a la facilidad de su procesamiento. Lo que hace únicos a los 
semiconductores es la capacidad de alterar significativamente las conductividades en la 
química superficial de áreas muy localizadas para fabricar circuitos integrados. 
 
 
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Las propiedades eléctricas juegan un papel importante en varios procesos de 
manufactura. Algunos procesos no tradicionales usan la energía eléctrica para remover 
material. El maquinado por descargas eléctricas (sección 27.3.1) utiliza el calor generado 
por la energía eléctrica en forma de chispas para remover material de los metales. La 
mayoría de los procesos importantes de soldadura utilizan la energía eléctrica para fundir 
el metal de las uniones. Y, como ya lo mencionamos, la capacidad de alterar las 
propiedades eléctricas de los materiales semiconductores, es la base para la manufactura 
en microelectrónica. 
 
 
 
4.5 PROCESOS ELECTROQUÍMICOS 
 
 La electroquímica es un campo de la ciencia que estudia las relaciones entre la 
electricidad, los cambios químicos y el intercambio de energía eléctrica y energía química. 
 
 En solución acuosa, las moléculas de un ácido, de una base o de una sal son 
disociadas en iones cargados negativa o positivamente. Estos iones son portadores de 
carga en la solución; ayudan a conducir la corriente, jugando el mismo papel que los 
electrones en la conducción metálica. Las soluciones ionizadas se llaman electrolitos; y la 
conducción electrolítica requiere que la corriente entre y salga de la solución a través de 
electrodos. El electrodo positivo se llama ánodo y el electrodo negativo se llama cátodo. 
El dispositivo completo es lo que se llama una celda electrolítica. En cada electrodo 
ocurren algunas reacciones químicas como la deposición o disolución de un material, o la 
descomposición de un gas proveniente de la solución. Electrólisis es el nombre que se le 
da a estos cambios químicos que ocurren en la solución. 
 
 Considérese un caso específico de electrólisis: la descomposición del agua tal 
como se ilustra en la figura 4.4. Se usa ácido sulfúrico diluido (H2504) como electrolito para 
acelerar el proceso, y como electrodos se usan el carbón y el platino (ambos 
químicamente inertes). El electrolito se disocia en iones H~ y SOL. Los iones H~ son 
atraídos por el cátodo cargado negativamente, al llegar ahí adquieren un electrón y se 
combinan entre sí para formar moléculas de gas hidrógeno. La reacción se puede escribir 
como sigue: 
 
2H+ +2e — H2 (gas) 
 
Los iones SO42 son atraídos por el ánodo, al que le transfieren sus electrones para formar 
ácido sulfúrico adicional y liberar oxigeno. La ecuación química para el proceso que 
ocurre en el ánodo es la siguiente: 
 
2SO42 — 4e + 2H20 — 2H2S04 + 02 
 
 
El producto resultante H2S04 se disocia otra vez H+ y SO42, y así el proceso continúa. 
 
 
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Tal como se usa la electrólisis en la producción de los gases hidrógeno y oxígeno 
ilustrada en nuestro ejemplo, también se utiliza en muchos otros procesos industriales. 
Dos ejemplos son 1) la electrodepositación (sección 33.1.1), una operación que consiste 
en depositar un recubrimiento delgado de metal (cromo, por ejemplo) en la superficie de 
otro metal (acero, por ejemplo) con fines decorativos u otros propósitos, y 2) el maquinado 
electroquímico, un proceso en el que se remueve material de la superficie de una parte 
metálica. Ambas operaciones se basan en la electrólisis para añadir o remover material 
de la superficie de una parte de metal. En la electrodepositación, la parte se coloca como 
cátodo en el circuito electrolítico, de manera que atraiga a los iones positivos del metal de 
recubrimiento hacia la parte de trabajo cargada negativamente. En el maquinado 
electrolítico la pieza es el ánodo, y la herramienta con la forma deseada es el cátodo. La 
acción de la electrólisis en este montaje consiste en remover metal de la superficie de la 
pieza, en aquellas regiones determinadas por la forma de la herramienta, conforme 
penetre (avance) en la pieza de trabajo. 
 
 Las dos leyes físicas que determinan la cantidad de material depositado o 
removido de la superficie metálica fueron establecidas por el científico británico Michael 
Faraday: 
 
1) La masa de una sustancia liberada en una celda electrolítica es proporcional a la 
cantidad de electricidad que pasa a través de la celda. 
2)Cuando la misma cantidad de electricidad pasa a través de diferentes celdas 
electrolíticas, la liberación de las masas de las sustancias son proporcionales a sus 
equivalentes químicos. 
 
 Haremos uso de las leyes de Faraday al revisar la electrodepositación y el 
maquinado electroquímico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 4.4 Ejemplo de 
electrólisis: descomposición del 
agua. 
 
 
 
 
 
 
 
UBB / DIMEC Materiales