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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
Área de Procesos Mecánicos
INGENIERÍA EJECUCIÓN EN MECÁNICA
PLAN 2002
GUÍA DE LABORATORIO
ASIGNATURA “MATERIALES”
CODIGO 15053
NIVEL 03
EXPERIENCIA E04
“CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE LOS
MATERIALES ”
HORARIO:MARTES:3-4-5-6
VIERNES:7-8-9-10
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CONDUCTIVIDAD ELÉCTICA DE LOS MATERIALES
1.- OBJETIVO GENERAL
Familiarizar al alumno con la conductividad eléctrica de los materiales usados en
ingeniería, esto es: Materiales conductores, materiales aislantes y materiales
semiconductores.
2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
2.1 Comprender el principio de funcionamiento de los instrumentos de medición de
variables eléctricas, tales como: voltímetro y amperímetro.
2.2.- Adquirir el conocimiento y desarrollar la destreza en el uso de instrumentos de
medición de propiedades eléctricas, destinados a la evaluación de la conductividad
eléctrica de los materiales.
2.3 Que el alumno comprenda el principio de funcionamiento de los componentes
electrónicos de estado sólido, basados en la unión P-N y N-P.
4.4 Que el alumno se familiarice con la curva “I v/s Vab” para los diferentes diodos, (diodo
común, diodo Zenner, photodiodo y optodiodo).
3.- INTRODUCCIÓN TEÓRICA
3.1
MATERIALES SEMICONDUCTORES
La mayor parte de los dispositivos electrónicos modernos están fabricados a partir
de semiconductores. Para comprender el funcionamiento de estos dispositivos cuando se
insertan en un circuito electrónico, es necesario conocer el comportamiento de los
componentes desde un punto de vista físico.
Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes
carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situación intermedia: a la
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temperatura de 0ºK se comportan como aislantes, pero mediante una aportación de
energía puede modificarse esta situación, adquiriendo un comportamiento más cercano al
de los conductores.
Los materiales semiconductores de uso común en la tecnología microelectrónica
son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Se trata de elementos del grupo IV de la
tabla periódica, o bien combinaciones de elementos de los grupos III y V. De todos ellos, el
más empleado actualmente es el silicio.
3.2
COMPONENTES SEMICONDUCTORES
3.2.1 EL DIODO
El nacimiento del diodo surgió a partir de la necesidad de transformación de
corrientes alternas en continua.
La corriente en un diodo presenta un sentido de circulación de cargas positivas que
van desde el ánodo al cátodo, no permitiendo la circulación de la corriente en el sentido
opuesto, lo cual permite la conversión de corriente alterna a continua, procedimiento
conocido como rectificación. Esto ocurre porque por el diodo solamente podrá circular
corriente cuando el ánodo sea más positivo que el cátodo.
Están compuestos por dos regiones de material semiconductor que se llama unión
P-N que es la base de todo componente electrónico de tipo activo. Entre las dos partes de
la unión P-N, y en la zona de contacto entre ambas, se produce una región denominada
de transición, donde se genera una pequeña diferencia de potencial, dado que se
conforma una recombinación de electrones, quedando la zona N a mayor tensión que la
zona P. Cuando se le aplica una tensión al diodo con el terminal positivo conectado a la
zona P y el negativo a la N se producirá una circulación de corriente entre ambas debido a
que una pequeña parte de esta tensión nivelará la diferencia de potencial entre zonas,
llamada tensión umbral, quedando éstas niveladas en tensión, y el resto de la tensión
aplicada producirá una circulación de electrones de la zona N a la P.
Si esa tensión externa se aplica con los bornes intercambiados, es decir el terminal
positivo de la fuente conectado a la zona N y el negativo a la región P, no habrá
circulación de corriente por el diodo, debido a que por efecto de la tensión aplicada se
aumentará la diferencia de potencial existente entre las zonas P y N, impidiendo así la
circulación de corriente a través del mismo.
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La figura entrega una idea algo mas exacta de lo que sucede en el diodo cuando se
le aplica una tensión, en cualquiera de los dos sentidos (polarización directa e inversa).
El cuadrante superior derecho corresponde a la polarización directa, en el mismo se
puede apreciar que existe una tensión (VU) a partir de la cual el diodo comienza a
conducir, dicha tensión es la tensión umbral y varía según sea el material semiconductor
empleado en la fabricación del diodo, siendo de 0,7V para el silicio y 0,3V para el
germanio.
El cuadrante inferior izquierdo corresponde a una polarización inversa. En ella se ve
que la corriente que lo atraviesa (conocida como corriente inversa) es prácticamente nula.
Note que los valores menores que cero en el eje de la corriente están graduados en uA.
Nótese también que para polarización inversa mayor a V R la corriente inversa crece
indefinidamente. Una tensión inversa de este valor o mayor a él daña al diodo en forma
irreversible y se la conoce como tensión de ruptura o zéner.
Entre las diversas clases de diodos que se encuentran en el mercado, se pueden
citar las siguientes: diodos rectificadores (en montaje individual o puente rectificador),
diodos de señal, diodos de conmutación, diodos de alta frecuencia, diodos estabilizadores
de tensión, diodos especiales.
EL DIODO ZÉNER
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Es el tipo de diodo más utilizado para implementar sistemas electrónicos de
regulación de C.C.
Un diodo de este tipo trabaja en la zona de ruptura vista anteriormente, llamándose
a dicha tensión, tensión Zéner VZ. Obviamente que el proceso de fabricación de éstos
varía del empleado para los diodos comunes dada la necesidad de funcionamiento en la
zona de ruptura. Cuando a un zéner se le aplica una tensión menor a V Z éste se comporta
como un diodo normal.
Una de las aplicaciones prácticas más sencillas del zéner es la de regulador de una
tensión continua, cuyo diagrama se muestra en la siguiente figura:
Donde: Ve = Tensión de entrada 9 a 12 V
Vs = Tensión de salida 7 V
Iz = Corriente en el zéner 5 Ma
Is = Corriente de salida 20 a 50 mA
Con el uso de este circuito se puede asegurar una tensión máxima a la salida del
circuito, independientemente de las fluctuaciones originadas en la entrada del mismo.
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Este circuito es muy sencillo de implementar, solamente se tiene que ver cuál es el
valor de la resistencia Rlim que será la resistencia limitadora que absorberá la diferencia de
tensión que se desee "recortar" en la entrada.
Para el cálculo de la misma se procede como sigue:
Donde:
Ve(min) = Tensión de entrada mínima
VS = Tensión de salida
Iz(min) = Corriente mínima que circula por el diodo (Dato
de la hora de datos del fabricante).
Is(máx) = Corriente máxima que atraviesa la carga
obtenido
Si, por ejemplo, la fuente de entrada varía entre 9 y 12V y se quiere a la salida una
tensión de 7V, entonces Rlim será:
Rlim  (9 - 7)/(0,005 + 0,050) = 2/0,055 = 36,36 
El valor Iz(min) fue obtenido de la hoja de datos del zéner.
Se puede ver que Rlim tiene que ser menor o igual a 36,36 ohms, entonces bastará
con elegir un valor próximo a éste pero sin pasarlo. De la tabla de valores disponibles se
puede elegir 33 .
Ya se tieme el valor de la resistencia, ahora falta ver qué potencia va a disipar la
resistencia, para ello se multiplica la corriente que la atraviesa por la tensión que cae en
ella (Ve - Vs)
La corriente es: I = 2/33 = 60,60 mA, entonces P = 2 V x 60,60 mA = 0,12 W
Se debe elegir una Rlim cuya disipación de potencia sea 1/2 W.
EL DIODO LED
Otro tipo de diodo, quizá el de mayor difusión, es el diodo emisor de luz, conocido
comúnmente como LED (Light Emmitting Diode)
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El funcionamiento de este tipo de diodo se basa en la polarización en sentido
directo de una unión P-N. Al hacer esto se origina una recombinación de electrones y
huecos, lo que origina gran cantidad de energía, que en el caso de algunos
semiconductores se traduce en una radiación luminosa.
Sus colores típicos son: rojo, verde y ámbar los que hacen al LED idóneo para ser
utilizado en muchos tipos de indicadores. Además su durabilidad y bajo consumo los
convierten en componentes casi imprescindibles a la hora de querer utilizar algún tipo de
indicador luminoso.
A continuación, se muestran como el diodo es utilizado para convertir una corriente
alterna en corriente continua.
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3.2.5 SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS ELECTRÓNICOS
En este items veremos los símbolos utilizados para los distintos elementos que
formarán parte de un circuito electrónico. Dada la aplicación universal de estos materiales,
a los efectos de poder representar gráficamente cualquier diseño electrónico, de forma
que sea posible por las personas que deban trabajar con él, se emplea un conjunto de
símbolos normalizados que permitan su compresión.
Para comenzar veremos la forma de representación de los cables y conexiones,
lo cual se puede apreciar en la figura adjunta.
Para la representación de las resistencias se emplean dos representaciones,
como se ve en la de más abajo. Junto al símbolo se debe indicar el valor óhmico y la
disipación de potencia.
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Los capacitores también tienen dos representaciones diferentes, según se trate de
tipos con polarización fija (electrolíticos) o sin ella (cerámicos, poliéster, etc.). En el primer
caso se indicará la polaridad en el símbolo. Además se anotará, junto a éste, el valor de la
capacidad, así como la tensión máxima de trabajo.
Para las inductancias la simbología es la que se muestra a continuación, aquí
también el valor de su inductancia se coloca al lado del símbolo.
Para los transformadores existen varias representaciones para el núcleo según se
trate de hierro ferrita o aire. El primario se sitúa generalmente a la izquierda mientras que
los secundarios a la derecha.
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Los diodos parten de un símbolo básico y añadiendo un cierto complemento gráfico
se representan los diferentes modelos que existen de este componente. Al lado se puede
escribir el tipo concreto de que se trata.
PROTOBOARD
Permite realizar
conexiones de
circuitos de prueba.
El protoboard (su nombre viene de “prototype board”) es un tablero en donde se
insertan los componentes electrónicos y cables para armar el circuito. Internamente, todas
las perforaciones de una fila están unidas, y eso facilita bastante la construcción del
circuito.
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Las líneas muestran la forma
en que están conectadas por
dentro las perforaciones de
este tipo de protoboard.
POTENCIOMETROS
El potenciómetro es básicamente una resistencia variable. En
este caso, los tres terminales están conectados internamente de
la siguiente forma:
- En este caso el potenciómetro presenta un valor
de resistencia de 10 KΩ entre A y C.
- El valor de la resistencia entre A y B va a
depender de la posición en la que se encuentre la
manivela.
- Y así mismo, el valor de la resistencia entre B y
C también dependerá de la posición de la
manivela (y será complementario al valor
existente entre A y B).
RESISTENCIAS
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Hay muchos tipos de resistencias. En este caso se dan a conocer las más comunes
y tienen su valor grabado en el cilindro mediante un código de colores.
Esta resistencia tiene grabados los colores VIOLETA-VERDE-ROJO e un extremo,
en el otro tiene una franja de color DORADO. Esto significa que su valor de resistencia es
de 7500 ohms (o lo que es lo mismo: 7.5 KΩ). Y su tolerancia es del 5%.
La tolerancia significa que para esta resistencia, su fabricante declara que su valor
puede variar en un rango de 375 ohms más, o bien 375 ohms menos (variación del 5%).
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4.
METODO A SEGUIR:
4.1 Asistidos por el profesor, Los alumnos identifican los materiales disponibles para el
desarrollo de la experiencia, conductores, semiconductores y aislantes.
4.2 El profesor explica a los alumnos el principio de funcionamiento del multitester y la
forma de realizar las lecturas en dicho instrumento, haciendo hincapié en la conexión
serie para medir corriente y en paralelo para medir tensión.
4.3 Para cada material a estudiar, el profesor explica a los alumnos los circuitos que
serán implementados en la experiencia y los niveles de tensión que serán aplicados.
4.4 El profesor revisa los circuitos implementados por los alumnos; los energiza para
hacer una evaluación preliminar de su comportamiento y hace las correcciones
pertinentes.
4.5 Para cada circuito a estudiar, el profesor explica a los alumnos los ensayos
planificados y el procedimiento a seguir; posteriormente los alumnos los ejecutan y
registran los valores de corriente y tensión resultante.
5.-
VARIABLES A CONSIDERAR
5.1. Conductividad eléctrica en materiales conductores y materiales aislantes.
5.2. Corriente y voltaje en diodos, (curva de los diodos).
5.3. Uso de diodos en circuitos rectificadores de media onda y de onda completa.
6.-
TEMAS DE INTERROGACIÓN
6.1. Conductividad eléctrica de los materiales conductores, aislantes y semiconductores.
6.2. Tipos de diodos, sus curvas características, su campo de aplicación y sus
parámetros fundamentales.
7.-
EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR
7.1 Materiales conductores, (cobre acero, aluminio, etc).
7.2 Materiales aislantes, (papel, plástico, goma, vidrio, etc.).
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7.3 Componentes semiconductores de unión PN y NP, (diodos común (para señal y para
potencia), diodos zener, optodiodos, fotodiodos, puente de diodos, etc.).
7.2 Osciloscopio.
7.3 Multitesters.
7.4 Fuente de poder cc con voltaje ajustable.
7.5 Protoboards
7.7 Otros elementos, (resistencias, potenciómetros, fusibles, limit switch, alambres para
conexión, regletas, herramientas, material fungible, etc.).
8.
LO QUE SE PIDE EN EL INFORME:
8.1 Las características técnicas de los instrumentos empleados en el laboratorio.
8.2 Descripción del método seguido.
8.2 para cada material evaluado, presentar la conductividad eléctrica resultante de las
mediciones realizadas.
8.3 Especificar los circuitos electrónicos implementados, con un resumen gráfico de
valores medidos y calculados respectivamente
8.4 Un análisis de los resultados obtenidos, comentarios y conclusiones personales.
8.5 La referencia bibliográfica.
8.6 El apéndice con:
a.1. Desarrollo de los cálculos.
a.2. Presentación de resultados.
a.3. Gráficos.
a.4. Resultado de la investigación al tema propuesto por el profesor
9.-
BIBLIOGRAFÍA
9.1 Apuntes de cátedra de la asignatura de Automatización (15065). Héctor Muñoz R.
DIMEC-USACH.
9.2 Electrónica Básica Para Ingenieros. Gustavo A. Ruiz Robredo
9.3 Electrónica, volúmenes 1 y 2, Albert Paul Malvino, Ph.D; Ed, Mc Grauw-Hill
Sitios web:
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http://www.electronicaestudio.com/simbologia.htm
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771/docs_curso/contenido.html
http://members.fortunecity.es/telectronica/
http://www.wikipedia.com
http://www.monografias.com
http://www.infomecanica.com
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