Materiales resistivos / resistentes a la electricidad.

1.- Materiales para resistencias de calentamiento.

Un conductor para caldeo (fig. 1) debe transformar la energía eléctrica en calor. Para ello debe dificultar la circulación de los electrones a fin de que éstos cedan parte de su energía cinética a los núcleos atómicos, con lo que éstos efectuarán mayores vibraciones. De aquí se deduce que la resistencia eléctrica,o sea, la oposición al paso de los electrones debe ser grande. Evidentemente los metales puros no nos servirán para esto, por lo que suelen utilizarse metales de baja aleación (con pequeños porcentajes de aleantes), pues pequeñas irregularidades en los retículos cristalinos suponen ya un fuerte obstáculo para los electrones.

Como los conductores para caldeo deben alcanzar temperaturas altas con pequeñas cantidades de energía, deberán tener pequeños calores específicos y una buena conductividad térmica.

Las altas temperaturas no deberan provocar modificaciones en el material, esto es, los materiales deberán conservar sus propiedades mecánicas y tecnológicas, y lógicamente no deberán fundirse en ningún caso, ni tampoco quemarse. Por tanto, deben alearse materiales que o bien impidan totalmente la formación de cascarillas de óxido o bien formen una capa de óxido tal que impida el descascarillado.

Naturalmente el “medio ambiente” desempeña un papel decisivo. Cuando los materiales resistivos estén completamente encapsulados (Por ejemplo, enterrados en cerámica) el oxígeno no podrá penetrar y no habrá oxidación. Sin embargo, como los materiales cerámicos son malos conductores de calor, sólo se podrán emplear en determinados casos. Al calentarse las sustancias cerámicas se dilatan menos que los metales, con lo que los conductores para caldeo se saldrían del encapsulado pero esto se soluciona mediante aleaciones con coeficientes de dilatación muy pequeños.

Dicho esto tenemos los siguientesrequisitos para los conductores de caldeo:     

•          Gran resistividad
•          Pequeño calor específico
•          Buena conductividad térmica
•          Elevado punto de fusión
•          Buena resistencia a la corrosión
•          Buena resistencia al descascarillado en los conductores descubiertos
•          Pequeños coeficientes de dilatación

Para todo ello se han desarrollado muchos materiales, cuyos componentes principales son: aluminio, cromo, hierro, níquel.

Ejemplo:  (20% Cr, 5% Al, 75% Fe). De esta aleacion, existen distintas composiciones bajo distintos nombres registrados como marcas comerciales.

2.- Materiales para resistencias peliculares

En las resistencias como las de (fig. 2 ) usadas en circuitos electrónicos, no debe generarse calor, o generar la menor cantidad de calor como es el caso de estos componentes, que a diferencia de las resistencias de caldeo tienen grandes calores específicos y mala conductividad térmica.

Los materiales cerámicos reúnen estas propiedades, pero sus resistividades muy elevadas limitan sus aplicaciones. Por ello se emplean carbón, metales y óxidos metálicos.

Los materiales resistivos pueden bien vaporizarse sobre un soporte o dispersarse en solución y aplicarse por rociado. Dosificándolos adecuadamente y tratándolos a continuación (quemado o limado) se pueden lograr valores muy exactos, lo cual es de suma importancia, pues el funcionamiento de un circuito sólo queda garantizado cuando los componentes tiene la resistencia nominal exacta que indican y ademas que esta sea estable es decir no cambie con la temperatura.

Las pequeñas dimensiones de estas resistencias limitan también la carga permisible. Por ello se utilizan poco en las técnicas energéticas.

Algunos de los requisitos que deben reunir los materiales de los conductores para caldeo también deben cumplirse  en este caso, con los que obtenemos los requisitos siguientes:

•          Gran resistividad
•          Gran calor específico
•          Mala conductividad térmica
•          Buena resistencia a la corrosión
•          Buena resistencia al descascarillado
•          Pequeño coeficiente de dilatación
•          Pequeño coeficiente de temperatura

Los componentes principales de estas resistencias son carbón, cromo, níquel, Tántalo, así como sus aleaciones y óxidos.

 3.- Materiales para resistencia bobinadas

En las resistencias de la figura (fig.3 ) tampoco se trata de convertir energía eléctrica en calor, sino de una reducción de la energía eléctrica. Por tanto, los materiales empleados deberán reunir requisitos similares a los de las resistencias peliculares.

Sin embargo, en muchos casos carece de importancia la variación de la resistencia con la temperatura. Tan sólo las resistencias den medida deberán presentar coeficientes de temperatura muy pequeños, para lo cual ha dado un excelente resultado una aleación de cobre-níquel-manganeso conocida bajo el nombre de constantán.

Constantán 54% Cu, 45% Ni, 1% Mn.

Coeficiente de temperatura =  0.00004  1/k.

Resistividad ρ = 0.5  µ Ω m.

A las propiedades eléctricas ya citadas se añaden en estos materiales algunas otras mecánicas, pues hay que devanar los hilos. Por otro lado, los materiales deben conservar su resistencia mecánica a temperaturas elevadas.

 Por tanto, los materiales para resistencia bobinadas deberán reunir los siguientes requisitos:

•          Gran resistividad
•          Gran calor específico
•          Mala conductividad térmica
•          Buena resistencia a la corrosión
•          Buena resistencia al descascarillado
•          Pequeño coeficiente de dilatación
•          Pequeño coeficiente de temperatura ( en las resistencias de medida)
•          Buenas propiedades mecánicas ( elasticidad, resistencia a los golpes)
•          Buenas propiedades tecnológicas (soldabilidad, también con soldadura de aporte, estabilidad frente al calor).

Los materiales empleados al efecto están normalizados.

Algunos nombres comerciales conocidos son:

Constantán, Niquelina, Manganina, Aurotán, Goldina, Isotán, Isa-ohm, Iso, Novoconstán, Ceranina, Isabelina.

4- Materiales para resistencias especiales (semiconductores)

La figura (fig.4) muestra algunas muestras. El valor de sus resistencias puede variarse considerablemente mediante diversas influencias. La dependencia es alineal, y está definida por curvas con pendientes muy diferentes. Esta propiedad se busca a propósito y se aprovecha adecuadamente. Las diferentes resistencias pueden depender de la temperatura, de la luz, de la inducción magnética, de la tensión y del sentido de la tensión (rectificadores).

Los materiales empleados  al efecto son elementos semiconductores (por ejemplo, germanio, silicio) o sus compuestos como por ejemplo el arseniuro de galio.

Los semiconductores son sustancias cuyos electrones de valencia están fuertemente ligados al retículo cristalino ( fig.5 ), con lo que no pueden contribuir al trasporte de cargas.

Los semiconductores son malos conductores eléctricos a temperatura ambiente.          

Al aumentar la temperatura los átomos o moléculas se moverán, más rápidamente, con lo que se soltarán algunos de los enlaces de los electrones de valencia. De este modo dispondremos de portadores de carga  negativos (fig.6) que aumentaran la conductividad del material.

La conductividad de los semiconductores crece al aumentar la temperatura. Esta propiedad se denomina conductividad intrínseca.

Cuando los semiconductores se «impurifican» o «contaminan» con otros elementos, estos átomos extraños perturbarán la estructura regular de la red cristalina y la conductividad aumentará.

La conductividad de los semiconductores aumenta con la contaminación. Esta propiedad se denomina conductividad extrínseca.

Los materiales de partida para fabricar semiconductores son principalmente el germanio y el silicio, y las impurezas son, aluminio, boro, galio, o indio, así como antimonio, arsénico o fósforo.

Otros materiales también empleados son: teluro, arseniuro de galio, seleniuros, sulfuros y fosfuros.

En la fabricación de resistencias fotoeléctricas o fotorresistencias se utiliza casi exclusivamente sulfuro de cadmio, pues este material posee una gran sensibilidad óptica. La fabricación de los propios componentes se logra mediante sinterización, vaporización o dispersión de polvo de CdS sobre un material soporte.

Las resistencias CTP, VTN y VDR (varistores) suelen fabricarse por sinterización de cristales de los elementos ya citados y sus compuestos