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Proyecto de investigación. Propiedades eléctricas de los materiales

Enviado por alynch



  1. Comportamiento eléctrico y conductividad
  2. Comportamiento electrónico debido a niveles de energía
  3. Conductividad en los metales
  4. Conducción en polímeros
  5. Conductividad en los cerámicos: propiedades dieléctricas
  6. Teoría de superconductividad: materiales metálicos y cerámicos
  7. Polarización y piezoelectricidad
  8. Aplicaciones
  9. Normas ASTM
  10. Conclusiones
  11. Bibliografía

INTRODUCCION

En la actualidad día a día utilizamos distintos objetos y herramientas, estos de aquí se encuentran hechos de distintos materiales. Los materiales se pueden clasificar en:

  • Materiales metálicos
  • Materiales polímeros
  • Materiales cerámicos

Cada uno de los cuales tienen distintas propiedades debido a su estructura y su composición. Las propiedades de cada uno de los materiales varían de acuerdo a su fuerza de enlace (energía de enlace), disposición atómica y empaquetamiento de átomos en cada sólido. Estas propiedades sirven para el diseño de estructuras y maquinarias en la ingeniería y en el día a día.

Es importante establecer que al mismo tiempo que existen distintos tipos de materiales, existen también para cada uno de ellos, diferentes tipos de propiedades. Las propiedades principalmente frecuentadas en la ingeniería de los materiales son:

  • Propiedades eléctricas: basadas en como reacciona un material ante un campo eléctrico.
  • Propiedades mecánicas: basadas en el comportamiento ante un fenómeno externo.
  • Propiedades magnéticas: basada en el comportamiento de un material en presencia de un campo magnético.
  • Propiedades térmicas: basada en la reacción de un material en durante cambios de temperatura.
  • Propiedades ópticas: basadas en el comportamiento de los materiales en presencia de ondas luminosas (luz).

El objetivo de este informe se enfocara en definición y descripción de las propiedades eléctricas de un material en dependencia de si éste es cerámico, metálico o polímero. De la misma manera, se enfocara en la evaluación de cada propiedad para reconocer las aplicaciones en la ingeniería. Principalmente entonces en cuatro propiedades eléctricas más importantes: conductividad y di-electricidad; superconductividad; y, polarización y piezoelectricidad.

Es importante establecer entonces a partir de los tres tipos más referenciales de materiales clasificados de acuerdo a su comportamiento eléctricos: conductores, semiconductores y dieléctricos; los cuales podemos analizar de acuerdo a las propiedades antes mencionadas y vincularlos con la clasificación de acuerdo a su estructura cristalina: metálicos, cerámicos y polímeros. Entonces a continuación se explica brevemente tal clasificación de los materiales:

  • CONDUCTORES: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros.
  • SEMICONDUCTORES: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica energía exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cerámicos.
  • AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo que integran una gran cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros.

COMPORTAMIENTO ELECTRICO Y CONDUCTIVIDAD

Las propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico -que en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico- y describen también su comportamiento dieléctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga eléctrica (por deficiencia o exceso de los mismos) e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante. En los compuestos iónicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. Adicional a esto la facilidad de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atómicos, las dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su micro-estructura, y de las velocidades de difusión (compuestos iónicos). Para esto es necesario antes especificar que el comportamiento eléctrico de cualquier material, el cual se deriva a partir de propiedades como la conductividad eléctrica. Por eso la conductividad eléctrica abarca un gran rango dependiente del tipo de material. Los electrones son precisamente los portadores de la carga en los materiales conductores (como los metales), semiconductores y muchos aislantes, por ello al observar la tabla siguiente podemos observar que dependiendo de su tipo y estructura electrónica la conductividad es alta o baja.

Materiales

Estructura electrónica

Conductividad (ohm-1. cm-1)

Metales alcalinos:

 

 

Na

1s22s22p63s1

2.13E+5

K

…………3s23p64s1

1.64E+5

Metales alcalinotérreos:

 

 

Mg

1s22s22p63s2

2.25E+5

Ca

…………3s23p64s2

3.16E+5

Metales del grupo IIIA:

 

 

Al

1s22s22p63s23p1

3.77E+5

Ga

…………3s23p63d104s24p1

0.66E+5

Metales de transmisión:

 

 

Fe

…………3d64s2

1.00E+5

Ni

…………3d84s2

1.46E+5

Metales del grupo IB:

 

 

Cu

…………3d104s1

5.98E+5

Ag

…………4d105s1

6.80E+5

Au

…………5d106s1

4.26E+5

Materiales del grupo IV:

 

 

C(diamante)

1s22s22p2

< 10E-18

Si

……..3s23p2

5.00E-6

Ge

……..3d104s24p2

0.02

Sn

……..4d105s25p2

0.90E+5

Polímeros:

 

 

Polietileno

 

10E-15

Politetrafluoroetileno

 

10E-18

Poli-estireno

 

10E-17 a 10E-19

Epoxi

 

10E-12 a 10E-17

Materiales cerámicos:

 

 

Alúmina (Al2O3)

 

10E-14

Vidrio de sílice

 

10E-17

Nitruro de boro (BN)

 

10E-13

Carburo de silicio (SiC)

 

10E-1 A 10E-2

Carburo de boro (B4C)

 

1 a 2

COMPORTAMIENTO ELECTRONICO DEBIDO A NIVELES DE ENERGÍA

Los electrones en los metales se hallan en una disposición cuántica en la que los niveles de baja energía disponibles para los electrones se hallan casi completamente ocupados, a este concepto se lo conoce como "teoría de banda". En esta teoría se dice que los grupos de electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de orbitales. Cada banda tiene un margen de valores de energía, los cuales poseen electrones pero en defecto (pocos). En el caso de los metales, es el paso de electrones (electrones libres) a estas bandas con defecto de electrones lo que data sus elevadas conductividades tanto térmicas como eléctricas.

Adicionalmente, dicha banda se conforma de bandas menores: banda de valencia y banda de conducción. La banda de valencia es un nivel de energía en el que se realizan las combinaciones químicas. Los electrones situados en ella, pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos, formando moléculas. La banda de conducción es un nivel de energía en el cual los electrones están aún más desligados del núcleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda) están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden desplazarse por este formando una nube electrónica. Cuando un electrón situado en la banda de valencia se le comunica exteriormente energía, bien sea eléctricamente, por temperatura, luz, etc. puede (al ganar energía) saltar a la banda de conducción, quedando en situación de poder desplazarse por el sólido.

Entre ambas bandas existe una región de valores de energía que no pueden ser adquiridos por los electrones. Esta región de valores prohibidos se denomina energy gap es decir brecha de energía.

Cuando aplicamos un campo eléctrico a un sólido, los electrones se mueven a estados ligeramente superiores en energía, siempre que dichos estados existan. Esto significa que dichos estados deben estar vacíos y permitidos. Esto significa mientras mayores sean los espacios vacíos y permitidos -y menor la brecha de energía-, mayor será la conductividad de un material.

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Los materiales entonces suelen comportarse eléctricamente dependiendo de los espacios vacíos permitidos que haya en la banda de energía a la que se mueven. En ciertos casos, comúnmente en aislantes y semiconductores, por ejemplo el diamante, estos tienen una brecha de energía grande la cual separa a los electrones de la banda de conducción. Pocos de los electrones de tales materiales tienen la energía suficiente para poder pasar por este espacio prohibido, y en consecuencia la conductividad eléctrica de los mismos es baja (alrededor de 10-18 ohm-1*cm-1). Sin embargo, al aumentarle la temperatura o aplicarle un voltaje aun material, a este se le suministra energía (térmica o eléctrica) con lo cual los electrones pueden ganar la energía necesaria para poder pasar a través de la brecha de energía. Por ejemplo, el nitruro de borio al aumenta su temperatura desde ambiente hasta 800ºC, aumenta su conductividad desde 10-13 hasta 10-4 ohm-1*cm-1.

No obstante, los metales o conductores se comportan de otra manera. Al aumentarle la temperatura a un conductor, algunos de los electrones adquieren la energía que les falta para subir a los niveles de energía desocupados. Pese a que el gap de energía es alto, los espacios desocupados de energía están cercanos y son amplios, por lo que el incremento de temperatura para que los electrones puedan emigrar, es mínimo. Una vez que los electrones pasan a niveles de energía desocupados en la banda de valencia, se ha dejado niveles de energía menores desocupados denominados huecos. De esta forma, la carga eléctrica puede ser conducida por los electrones excitados (electrones que ganaron energía para pasar por la brecha) y por los huecos recién creados. Es así como no es necesario incrementos altos de temperatura para aumentar la conductividad de un material conductor considerablemente.

CONDUCTIVIDAD EN LOS METALES

TEMPERATURA Y ESTRUCTURA: PARAMETROS QUE AFECTAN LA CONDUCTIVIDAD

Como se especificó anteriormente, la conductividad de un material se ve afectado por su estructura de bandas de energía a nivel atómico. Sin embargo, la conductividad es afectada también por el cambio de la energía cinética de los átomos o moléculas debido al amplio incremento o disminución de temperatura. De igual manera se afecta la conductividad por efecto del cambio o tipo de su estructura debido a las imperfecciones a nivel cristalino de la misma.

En el caso de los metales cuando se incrementa bastante la temperatura de este, la energía térmica hace que los átomos vibren mucho más, incrementando su energía interna (energía cinética de los átomos). Ya con esto, la movilidad de los electrones al igual que el recorrido libre medio (distancia promedio entre colisiones) se reduce, no así aumenta la resistividad del metal. La resistividad en función de la temperatura podría estimarse por medio de la siguiente ecuación:

Donde se observa una relación entre la resistividad debido a la vibración térmica por efecto de la nueva temperatura y la resistividad a temperatura ambiente, la cual se ve afectada por el cambio de temperatura y el coeficiente térmico de la resistividad.

Por otro lado, al existir defectos reticulares, es decir imperfecciones de la red cristalina, los electrones se dispersan, de este modo la movilidad de ellos disminuye y con ello la conductividad.

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Como se observaría en la figura anterior, en el caso de un cristal perfecto (a), el electrón no tiene mayor problema para poder pasar a través de la red de átomos. Contrario a esto, al aumentarle la temperatura a un material (b), los electrones aumentan sus vibraciones por lo que la facilidad del electrón de poder desplazarse por la red es mucho menor. Adicional a esto, si la red tuviere imperfecciones como átomos sustitucionales (c) (generalmente en metales impuros), el electrón es dispersado causando una dificultad en la movilización a través de la misma.

EFECTO DEL PROCESAMIENTO Y DEL ENDURECIMIENTO EN UN MATERIAL METÁLICO

Por lo general, un material metálico, es procesado o endurecido, antes de ser empleado o usado para alguna aplicación técnica. Estas prácticas afectan de maneras distintas a las propiedades eléctricas de un material. En el caso del endurecimiento por solución sólida al agregar tanto átomos sustitucionales como intersticiales se puede aumentar la resistencia mecánica. No así, al incrementar la cantidad de componente aleante en un material, la conductividad se ve disminuida. Se puede dar una breve explicación a partir de la siguiente figura.

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Al introducir defectos puntuales de tipo sustitucional, intersticial, o vacantes generamos el endurecimiento por solución sólida. Sin embargo, estos defectos puntuales también alteran la red. Es así como los átomos (sutitucionales e intersticiales), producen una desviación en el movimiento del electrón haciendo que el material disminuya su conductividad.

Adicionalmente, un metal puede ser endurecido por envejecimiento y/o por dispersión (componentes aleados son solutos precipitados). En estos tratamientos para endurecer un metal, la conductividad es reducida aún más. Esto se debe a que la distancia entre los precipitados es mas larga que entre defectos puntuales causados por solución sólida.

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De igual manera, el endurecimiento por deformación (o por trabajo en frío) tiene su efecto sobre la conductividad. Sin embargo, por medio de este tipo de endurecimiento, la conductividad y propiedades eléctricas no se ven tan afectadas. Esto se debe que en este caso, existen regiones en los cuales el recorrido medio de los electrones es grande, por lo que la conductividad es únicamente perjudicada en secciones en las cuales los granos se hayan comprimidos y tensionados.

CONDUCCIÓN EN POLÍMEROS

Los polímeros tienen una estructura de banda con una gran brecha de energía, lo cual indica que su conductividad eléctrica es bien baja. Esto se debe a que los electrones de valencia en estos tupos de materiales toman parte en enlaces covalentes. Los polímeros por ello se utilizan en aplicaciones en los cuales se requieren aislamiento eléctrico para evitar cortocircuitos y descargas. Los polímeros en pocas palabras consisten en un buen material dieléctrico. No obstante debido a la baja conductividad, en muchos casos suelen acumular electricidad estática y crean campos electroestáticos que producen daños a los materiales que aíslan debido a las pequeñas descargas contrarias que llegan a causar.

La resistividad en un polímero puede reducirse agregando compuestos iónicos. Esto se debe a que los iones pueden viajar libremente por la superficie del polímero atrayendo partículas de agua (humedad) y disipando así la estática. Otra forma de disminuir la resistividad de un polímero es por medio de la adición de partículas de grafito u otro material de mayor conductividad. Por ocasiones, aditivos de este tipo pueden ser fibras conductoras por medio de un proceso o dopado que consiste en agregar de manera intencional un pequeño número de átomos de impureza en el material. Cuando ocurre esto se aumenta la conductividad de los polímeros convirtiéndolos en semiconductores denominados extrínsecos. Lo que ocurre es que los electrones pueden así saltar libremente de un átomo a otro a lo largo de la cadena (de carbonos, propias de los polímeros), incrementando de tal manera la conductividad lo suficiente. Específicamente entonces, un semiconductor extrínseco, es un material aislante al cual se le agrega intencionalmente (mediante dopado) una pequeña cantidad de átomos de impureza. La conductividad de dicho conducto dependerá entonces de la concentración de impureza (o dopante) que tenga el material, en este caso polímero. Ejemplo de estos materiales son los polímeros de acetal y la poliftalocianina.

CONDUCTIVIDAD EN LOS CERÁMICOS: PROPIEDADES DIELÉCTRICAS

Antes de poder especificar la conductividad propia de los cerámicos es importante poder especificar la propiedad dieléctrica que tienen estos. La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. Por ejemplo, las líneas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislante como para resistir rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como para sostener los cables.

No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos es usada para la pérdida progresiva de di electricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones como microondas y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas.

Como información adicional, la constante dieléctrica es la propiedad que describe el comportamiento de un dieléctrico en un campo eléctrico y permite explicar, tanto el aumento de la capacidad de un condensador como el índice de refracción de un material transparente. En tanto la constante se basa en una relación con la permitividad del material y la del vacío, denominándose permitividad relativa:

En donde la permitividad del espacio es .

TEORIA DE SUPERCONDUCTIVIDAD: MATERIALES METÁLICOS Y CERÁMICOS

Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor. En la siguiente figura podemos observar cual sería el comportamiento de la resistencia de un material en función de la temperatura.

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En el caso de la curva A, ocurriría si la resistencia eléctrica se debe completamente a la dispersión que los electrones sufrirían por las vibraciones de la red atómica. La curva B pudiera ocurrir si las dispersiones de los electrones por las impurezas que estuvieran presentes fuesen de magnitud mayor a lo común. La curva C se produciría si los electrones de la banda de conducción, disminuyeran rápidamente al disminuir la temperatura.

Sin embargo, el cambio de conducción a superconducción se lleva acabo, únicamente cuando el material alcanza una temperatura crítica Tc, a la cual los electrones tienen una misma energía pero un spin (el ímpetu angular intrínseco de una partícula) opuesto que al combinarse forman pares. De esta manera, cuando la frecuencia de las vibraciones de los átomos dentro de la red y la frecuencia de los pares de electrones logra llegar a un movimiento armónico, ocurre la conductividad. A continuación se presenta en una tabla las temperaturas críticas de algunos materiales comunes en la ingeniería.

MATERIAL

TC (K)

Superconductor del tipo I:

 

W

0.015

Al

1.180

Sn

3.720

Superconductor del tipo II:

 

Nb

9.25

Nb3Sn

18.05

GaV3

16.80

Superconductores cerámicos:

 

(La, Sr)2CuO4

40.0

YBa2Cu3O7-x

93.0

TlBa2Ca2Cu4O11

122.0

MATERIALES METÁLICOS SUPERCONDUCTORES

En algunos metales aparece un efecto de superconductividad cuando son enfriados a muy baja temperatura. Su resistencia desaparece por debajo de una temperatura crítica que es específica para cada material. Ciertos metales; especialmente aquellos que tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos o residuales, y así exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor. Estos materiales superconductores reciben el nombre de superconductores Tipo I. En cambio, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales impuros es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma cómo resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo eléctrico o magnético. Estos superconductores se denominan superconductores Tipo II.

MATERIALES CERÁMICOS SUPERCONDUCTORES

Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una razón estequiométrica de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también típicamente mezclas de muchos diferentes metales. Por ejemplo, un caso es el superconductor Y1Ba2Cu3O7, en el cual los metales presentes son el Itrio, Bario y Cobre. Las perovskitas como material cerámico, comparten muchas propiedades con otros cerámicos

POLARIZACIÓN Y PIEZOELECTRICIDAD:

METALES SEMICONDUCTORES Y CERÁMICOS

Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen cuatro mecanismos de polarización:

  • Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.
  • Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones generales del material.
  • Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.

Anteriormente, al enunciar la polarización iónica, se menciona la posibilidad de que hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción,  además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos permanentes de un material. Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional, tales que cuando se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos. Cuando se encuentran entre capas del material conductor, los materiales dieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas,  esta propiedad se describe mediante dos constantes: constante dieléctrica (relación de la permisividad del material con la permisividad en el vacío) y la resistencia dieléctrica (campo dieléctrico máximo que puede mantener un material entre conductores).

La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo eléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos permanentes. Esto sucede al tomar un cristal cuyos dipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no hay polarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con dicho campo. Para finalizar, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la polarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedado permanentemente polarizado. En el caso de los materiales metálicos férricos, que retienen una polarización neta, una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.

Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los portadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro a través de él, en consecuencia,  los materiales dieléctricos  tienen siempre una alta resistividad eléctrica. Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad eléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo,  una constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable. Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo que no se almacena carga localmente en el aislante. Esto quiere decir que únicamente los materiales poco conductores e inclusive aislantes, son capaces de polarizarse con facilidad.

PIEZOELECTRICIDAD PROPIEDAD ELÉCTRICA DE LOS CERÁMICOS

Como se pudo resaltar con anterioridad, un material piezoeléctrico muestra la propiedad, tales que cuando se les impone un cambio dimensional ocurre polarización creando un voltaje o un campo eléctrico. La piezoelectricidad es la deformidad que se produce únicamente en materiales cerámicos al incidir sobre ellos una corriente alterna de alta frecuencia, produciendo una dilatación y contracción que origina vibraciones mecánicas, comportándose así el material como un emisor sonoro. En forma resumida se puede decir que los materiales piezoeléctricos transforman la energía mecánica (o energía sonora) en energía eléctrica (efecto piezoeléctrico directo), y así lo que ocurre es que al someter el material a la acción mecánica de la compresión o tracción, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga; o puedo ocurrir lo opuesto (efecto piezoeléctrico inverso). Esta polarización es la causante de que salten las chispas.

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Efecto Piezoeléctrico Directo Efecto Piezoeléctrico Inverso

(E. Mecánica à E. Eléctrica) (E. Eléctrica à E. Mecánica)

Para que la materia presente la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que no tengan centro de simetría (que posean disimetría) y por lo tanto que tengan un eje polar. Los gases, los líquidos y los sólidos metálicos con simetría no poseen piezoelectricidad, esto quiere decir que se va a ver más acentuada la piezoelectricidad en materiales no simétricos como los cerámicos. Si se ejerce una presión en los extremos del eje polar, se produce polarización: un flujo de electrones va hacia un extremo y produce en él una carga negativa, mientras que en el extremo opuesto se induce una carga positiva.

El alto voltaje obtenido, que es necesario para que la chispa salga, es mayor si se utilizan láminas de cristal (u otro cerámico) estrechas y de gran superficie. Las láminas estrechas se cortan de manera que el eje polar cruce perpendicularmente a dichas caras.
La corriente generada es proporcional al área de la placa y a la rapidez de la variación de la presión aplicada perpendicularmente a la superficie de la placa. El mas conocido de los materiales piezoeléctricos es el cuarzo y los más eficaces son los titanatos. Como en estos materiales se establece un campo eléctrico y se induce la polarización bajo al aplicar una fuerza mecánica, o viceversa, estos materiales son muy prácticos para utilizarlos en transductores y otros aparatos de medidas (que veremos mas adelante).

APLICACIONES

PRINCIPALES APLICACIONES DE LOS POLÌMEROS

1.- Baterías:

Una de las aplicaciones más conocidas son las baterías recargables (de litio), estas son de menor peso que las convencionales que contenían plomo y ácido sulfúrico. La aplicación del polímero en estas es que se utiliza electrodos de plástico para así evitar el desgaste mecánico asociado a la disolución/deposición del electrodo que ocurre durante el proceso de carga y descarga de las baterías comunes. Adicional a esto, se haya la ventaja que los polímeros no contienen sustancias tóxicas ni contaminantes que puedan afectar al usuario.

2.- Aplicaciones biomédicas:

El cuerpo humano es otro dispositivo en el que los polímeros conductores podría desempeñar un papel importante en el futuro debido a su alta estabilidad y a su carácter inerte se especula con la posibilidad de su utilización en prótesis neurológicas y musculares.

MUSCULOS ARTIFICIALES:

Los músculos artificiales basados en los polímeros conductores electrónicos intrínsecos fueron patentados en 1992. Las sustancias gelatinosas trabajan a muy elevados potenciales (> 20 V), necesitan dos electrodos metálicos auxiliares para crear el campo eléctrico que requieren, trabajan mediante fenómenos electrocinéticas (electroforesis y electro-ósmosis), son dispositivos electro-kineto-mecánicos en los cuales la velocidad de movimiento es baja. Los nuevos músculos artificiales son en cambio basados en polímeros conductores nos ha acercado a los músculos naturales en varios aspectos fundamentales: trabajan a bajo potencial (100 mV- 2 V) los músculos naturales a 60-150 mV, que es el potencial del pulso nervioso- , el mismo material es conductor electrónico, iónico y es actor y sensor de las condiciones de trabajo. Existe una diferencia importante entre el músculo natural y los nuevos músculos artificiales (o de segunda generación), dicha diferencia data en que el pulso eléctrico transmitido se debe a la acción de la energía química en transformación a energía mecánica producto del metabolismo (energía química-mecánica), por el contrario los músculos artificiales adquieren sus movimientos en base a la corriente eléctrica que es motor del proceso (energía eléctrica-mecánica). Además, el músculo artificial trabaja tanto en contracción como en expansión, mientras que el natural solamente trabaja en contracción.

NERVIOS ARTIFICIALES

Las señales del sistema nervioso van codificadas en pulsos iónicos tales como K+, Na+ o Ca2+, o químicos -neurotransmisores- muchos de ellos también iónicos. Para llegar a captar las "órdenes" enviadas por el cerebro para mover un brazo, y poder amplificarlas y emplearlas en mover un brazo artificial o en conseguir que un paciente no pierda masa muscular después de un accidente, se necesita un transductor ión-electrón. Los óxidos metálicos son empleados como transductores en redes neuronales, pero no son biocompatibles, lo contrario con los polímeros conductores que son biocompatibles, pero desventaja el hecho que tienden a intercambiar aniones.

El intercambio de aniones se puede transformar en un intercambio de cationes mediante una ingeniería molecular sencilla en la síntesis. Al generar eléctricamente polipirrol en presencia de un polielectrólito, como sulfato de poliestireno, carboximetil celulosa o poliacrilato sódico, se genera un material compuesto poilipirrol-polielectrolito, debido a que el polielectrolito va compensando las cargas positivas del polímero durante la generación. Al reducir el polímero los aniones no se van, ya que forman parte de una madeja polimérica entrelazada. Para mantener el principio de electroneutralidad obligamos a que penetren cationes desde el exterior para asociarse con el polianión. Durante la oxidación se expulsan los cationes.

El polímero conductor se transforma así en un transductor en el que una entrada de electrones en el material va asociada con una entrada de cationes y viceversa. Al ser un gel y comportarse, al mismo tiempo, como una membrana, los cationes presentes en el polímero- y su potencial eléctrico -dependen de la concentración en el medio. Ello quiere decir que el electrodo polimérico responde ante la concentración del medio con un potencial eléctrico, por lo que disponemos de la interfase adecuada, biocompatible y sensible, capaz de recibir señales eléctricas y transformarlas en señales iónicas, por lo tanto entendibles por el sistema nervioso, o de responder ante una variación de la concentración iónica, provocada por un pulso nervioso; transformándola en una señal eléctrica.

3.- Sensores:

Los biosensores de medición del amperaje constituyen un amplio campo de trabajo por su interés científico y sus múltiples aplicaciones biomédicas y analíticas. Las posibilidades de inmovilización de los reactivos biológicos (incluyendo enzimas, células, tejidos y anticuerpos) son muy diversas, lo que hace que existan un gran número de trabajos científicos que se publican en la actualidad sobre el tema.

BIOSENSOR

Este es un ejemplo de un sensor, en este el dopado al que se someten los polímeros es bastante sensible al calor, sufriendo así una pérdida de conductividad al calentarse. Conectándolo a una resistencia, estos polímeros permiten controlar la temperatura a la que, por ejemplo, un producto farmacéutico llega a alterarse. También se pueden usar como sensores de radiación si se colocan en una atmósfera de gases que los convierte en dopantes activos cuando son expuestos a radiación.

SENSOR ANALITICO

Este es otro tipo de sensor, en el cual como otra aplicación debida al poder de cambiadores iónicos de los polímeros conductores estos pueden ser utiles, esto se da a que los polímeros son capaces de detectar y separar iones como Hg2+ e incluso Au0 de una gran variedad de disoluciones tanto acuosas como con disolventes orgánicos.

4.- Otras Aplicaciones de acuerdo a sus propiedades eléctricas:

Es importante establecer que los polímeros conductores son fotosensibles y fotoquímicos ya que al oxidarse y/o reducirse los metales orgánicos son capaces absorber y emitir luz en la región del visible (400 a 600 nm).

VENTANAS INTELIGENTES

Permiten el control de la intensidad de la luz capaz de penetrar en un espacio cerrado: edificios, coches, aviones, etc. La más utilizada es una estructura de tres capas. La oxidación del polímero provoca un cambio del color (de amarillo claro a azul en polipirrol) e incrementa su propiedad de reflejarse. La reducción simultanea del óxido provoca un cambio similar de transparente a azul (oxido de tungsteno). La capa intermedia actúa como un electrolito sólido transparente. Por lo tanto durante la oxidación del polímero la intensidad de luz que atraviesa la ventana desciende y se refleja más. Durante la reducción polimérica ocurre el proceso inverso. La intensidad puede ser controlada manualmente o automáticamente mediante la conexión de un suministrador de potencial con un fotomultiplicador a través de un microprocesador y un programa que defina el nivel de intensidad requerido. Cuando anochece la luz no es suficiente para mantener la iluminación adecuada (estando el polímero en estado reducido) se conecta automáticamente la luz eléctrica y se controla la intensidad hasta alcanzarse el nivel adecuado de intensidad.

PANTALLAS PLANAS Y DISPOSITIVOS DE VISUALIZACION

Ambos dispositivos están basados en propiedades electro-crómicas. Se pueden construir sobre sistemas transparentes o sobre superficies metálicas pulidas (espejos). Las propiedades más importantes son la variación de la definición del color en pequeñas superficies y los tiempos de transición, menores de 0.1 s para pantallas planas.

ESPEJOS INTELIGENTES

Este dispositivo esta basado también en dispositivos electro-crómicos. Trabaja con grandes reflectancias y bajas absorciones. La reducción parcial provoca un incremento en la absorción evitando altas intensidades de reflexión en los espejos retrovisores de los coches.

5.- Recubrimientos anti-corrosión:

Debido a que durante el dopaje se puede decidir si una parte del polímero debe ser inerte activa eléctricamente se ha diseñado recubrimientos para evitar la corrosión en aceros y TiGr2. Aunque todavía no han sido desarrollados a la perfección son capaces de proteger al substrato tanto en aire, como en disoluciones de ácido sulfúrico (H2SO4) de concentración hasta 4 molar. Los polímeros elegidos en esta ocasión en todos los estudios consultados en el polipirrol y el poli-3-metiltiofeno.

6.- Cables de Encendido de Automóviles:

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Estos cables deben cumplir con los siguientes requisitos: altas propiedades de aislamiento, resistencia a las altas temperaturas (hasta 200ºC), resistencia a las vibraciones y a las variaciones de la humedad. Estas características deben mantenerse de manera constante y fiable a largo plazo, incluso en las condiciones más extremas. Es por esto que se utilizan polímeros (polietileno y polipropileno), ya que son más aptos para estas aplicaciones.

PRINCIPALES APLICACIONES DE LOS CERÀMICOS

Aplicaciones de los Aislantes:

Los cerámicos como materiales aislantes tienen múltiples aplicaciones. Poseen alta constante dieléctrica por lo que se usa para el almacenamiento de energía en condensadores, alta rigidez dieléctrica que permite la producción y transmisión de altas tensiones y un bajo factor de pérdidas por lo que se usa para algunos componentes electrónicos. En estos componentes eléctricos, aislar a los conductores, es necesario para transportar energía. Los cerámicos en condensadores acumulan y modulan la energía eléctrica. Para el caso de transductores los cerámicos sirven para detectar una diferencia de potencial producida por una distensión mecánica.

 La resistencia superficial y resistencia a las corrientes de fugas en los cerámicos aislantes es un ventaja ya que en altas tensiones pueden aparecer corrientes eléctricas como consecuencia de depósitos sobre la superficie de los aislantes. Al cabo de un cierto tiempo la corriente podría atacar a estos materiales. También en el caso de su rigidez dieléctrica como la tensión a la que se produce una descarga disruptiva entre dos electrodos, permite la producción y transmisión de altas tensiones, la rigidez dieléctrica no actúa como una magnitud lineal. También poseen alta constante dieléctrica por lo que se usa para el almacenamiento de energía en condensadores, y también un bajo factor de pérdidas por lo que se usa para algunos componentes electrónicos.

Materiales Piezoeléctricos:

La piezoelectricidad como ya se definió es un propiedad inusual que presentan algunos materiales cerámicos (y pocos metales impuros). El que más se conoce es el cuarzo y los más eficaces son los titanatos (como el titanato de bario). En estos materiales se establece un campo eléctrico y se induce la polarización bajo la aplicación de una fuerza mecánica, o viceversa. Los materiales piezoeléctricos se usan en transductores, y en otras aplicaciones más familiares como cabezal de tocadiscos, micrófonos, detectores sonar, detectores ultrasónicos, entre otros.

Aplicaciones de los cerámicos como semiconductores

Principalmente como capacitores cerámicos con una constante dieléctrica relativamente alta, son de diseño físico de fácil fabricación, en donde se puede encontrar una gran variedad de formatos.

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Por ello como material cerámico principal, esta la cerámica que se basa de manera primordial de TiO2 (dióxido de titanio) y titanatos (con otros óxidos). Los capacitores cerámicos están clasificados en tres tipos:

  • Cerámicos de clase I [COG (NP0)] (estable): Este tipo de capacitores empleados, usualmente a base de dióxido de titanio o titanato de calcio son utilizados en circuitos resonantes, alta frecuencia y acoplamiento, dieléctricos de temperatura compensada, estabilidad dieléctrica y otras aplicaciones donde un alto Q son esenciales. Conocidos también como NP0 o Negativo Positivo Cero.
  • Cerámicos de clase II [XR7] (semiestable): Son usados cuando la miniaturización es requerida para aplicaciones de radio frecuencia, filtros y acoplamiento de etapas, donde el Q y la estabilidad pueden estar comprometida.
  • Cerámicos de clase III [Z5U] (propósitos generales): Son aplicados en circuitos de acoplamiento y como supresores de interferencia.

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Aplicaciones de los cerámicos en Ultrasonidos y Ecografía:

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Los sonidos constituyen una forma de energía mecánica (una presión), que se propaga en un medio, gracias a la vibración ondulatoria de sus moléculas, por compresiones y dilataciones periódicas de las mismas y con una velocidad de propagación que depende de las características físicas del medio. La fuente para la producción de ultrasonidos se basa en la piezoelectricidad. Los cerámicos con propiedades piezoeléctricas más utilizados en los equipos actuales son el cristal de cuarzo, sulfato de litio y titanato de bario para la dilatación y contracción que origina vibraciones mecánicas, comportándose así el cristal como un emisor sonoro.

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De estas dos ultimas propiedades, frecuencia y longitud de onda, depende la capacidad de resolución del haz ultrasónico de tal forma que si se aumenta mucho la frecuencia (7-10 Mhz.). Se origina un haz con longitud de onda pequeña, y por tanto con poco poder de penetración, sin embargo proporciona una muy buena resolución. Para tener acceso a estructuras mas profundas, se necesitan frecuencias menores entre 3 y 5 Mhz. Es lo más utilizado en la actualidad, disminuye el poder de resolución, pero se consigue aumentar el poder de penetración, para así poder visualizar estructuras mas profundas.

Catalizadores:

Los más comunes son los catalizadores de circonio, en estos el lado externo de la pieza de dióxido de circonio se halla en contacto directo con los gases de escape, mientras que el lado interno está en contacto con el aire. Ambas partes están recubiertas con una capa de platino. El oxígeno en forma de iones atraviesa el elemento de cerámica y carga eléctricamente la capa de platino. Como los gases calientes están en contacto con el catalizador, varios gases de combustión que saldrían por el tubo de escape se convierten en sustancias inocuas: CO2 y H2O.

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Fibras ópticas:

La fibra óptica en un cable hecho de un material tipo óptico-cerámico ligero, en cableado las fibras son mucho más finas que los metálicas o plásticas, de modo que pueden ir muchas más en el espacio donde antes solo una fibra de cable metálico o plástica. Específicamente las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos teniendo un grosor por fibra es similar a la de un cabello humano. Cada fibra es fabricada a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones.

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La fibra óptica consiste en una guía de luz con materiales mucho mejores que los convencionales en varios aspectos. En la fibra óptica la señal no se atenúa tanto como en el caso del típico cable de cobre, ya que en las fibras no se pierde información por refracción o dispersión de luz consiguiéndose así buenos rendimientos, y en el cobre, sin embargo, las señales se ven atenuadas por la resistencia del material a la propagación de las ondas electromagnéticas de forma mayor. Otras características son de amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia. Con esto que las fibras ópticas no conducen señales eléctricas son aplicables en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos.

PRINCIPALES APLICACIONES DE LOS METALES:

Para la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia, actualmente se usan conductores de material metálico para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más. Los metales pueden usarse tanto en cables y líneas de alta tensión exteriores como en el cableado eléctrico en interiores, cables de lámparas y maquinaria eléctrica en general, generadores, motores, reguladores, equipos de señalización, aparatos electromagnéticos y sistemas de comunicaciones.

Termocuplas:

Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones que puede ser utilizado con el objetivo de medir la temperatura de un objeto. Uno de los extremos, la junta de medición, está colocado en el lugar donde se ha de medir la temperatura. Los dos conductores salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia que se mantiene a temperatura constante. Se produce entonces una fuerza electromotriz o voltaje función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas.

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La termocupla entonces consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medición de temperatura, y luego, en base a esa temperatura y a la salida eléctrica de la junta de medición compensar la lectura de la temperatura de la junta de medición.

NORMAS ASTM

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La Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales o ASTM por sus siglas en inglés, fundada en 1898, es una organización científica constituida para el desarrollo de normas sobre características y rendimiento de materiales, productos, sistemas y servicios. Esta organización se encarga entonces de establecer normas estrictas a seguir de modo que se pueda aplicar y facilitar el manejo de los materiales en una manera de alta calidad y segura. Algunas Normas ASTM para el manejo y aplicación de materiales en base a sus propiedades eléctricas son:

  • D116-86(1999) Standard Test Methods for Vitrified Ceramic Materials for Electrical Applications. Norma de métodos de ensayos para aplicaciones eléctricas de vidrio-cerámico: estos métodos de ensayo establecen procedimientos a usarse en el manejo de cerámicos como aislantes eléctricos.
  • D1829-90(1999) Standard Test Method for Electrical Resistance of Ceramic Materials at Elevated Temperatures. Norma de métodos para la resistencia eléctrica en materiales cerámicos a temperaturas elevadas: Estos estándares cubren dos métodos a seguir para la determinación de la resistencia eléctrica y resistividad de un cerámico aislante para que pueda ser trabajado y utilizado a temperaturas elevadas entre los 100 y 500°C.
  • D2442-75(2001) Standard Specification for Alumina Ceramics for Electrical and Electronic Applications. Norma para el uso de óxidos de aluminio en aplicaciones eléctricas y electrónicas: esta especificación cubre los requerimientos para la fabricación y el uso de artículos de óxido de aluminio en la electrónica. Especifica los límites y métodos para el ensayo en de las propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas de cualquier partes fabricadas de aluminia sin importar su geometría.
  • E2039-04 Standard Test Method for Determining and Reporting Dynamic Dielectric Properties. Norma para la determinación y reporte de propiedades dinámica-dieléctricas: se describe la obtención y reporte de datos dinámicos y dieléctricos. Incorpora pruebas de laboratorio para determinar estas propiedades a partir de muestras sujetas a campos eléctricos oscilantes.

CONCLUSIONES

Los materiales de ingeniería conocidos son:

  • Materiales metálicos
  • Materiales cerámicos
  • Materiales polímeros

Cada uno de los cuales son diferentes entre sí debido a sus propiedades y micro-estructura. Como se nombró al principio de este informe, existen propiedades distintas con que evaluar a los materiales como

  • Ópticas
  • Mecánicas
  • Eléctricas
  • Magnéticas
  • Térmicas

En esta investigación se enfatizó en las propiedades eléctricas de los materiales.

Existen varias propiedades a determinar el carácter y comportamiento eléctrico de los materiales metálicos, cerámicos y polímeros, pero las principales son la conductividad y di-electricidad; superconductividad; y, polarización y piezoelectricidad. El comportamiento de un material se ve manifestado primordialmente por su facultad de conducir señales, pulsos, o corrientes eléctricas a través de sus electrones, este comportamiento es lo que designa si se pueden considerar o no materiales conductores. Es así como en base a lo establecido en el informe investigativo se pude considerar tres puntos importantes:

  • Los metales se pueden considerar como materiales conductores temperaturas mayores a la crítica y no tan cercanas a la de fusión (temperatura de ambiente con regularidad). Son excelentes conductores cuando se hayan puros, con impurezas se disminuye la conductividad, pero se aumenta el carácter de superconductor a temperaturas bajas (menores a la crítica). En el día a día se lo aplica más en funciones de conducción eléctrica y en cableados.
  • Los polímeros son malos conductores, son mejor aplicables para funciones de transmisión de bajo voltaje, o más bien para carácter aislante. Se puede aumentar su conductividad y disminuir la resistividad considerablemente por medio de dopado, es decir, introducción de partículas de material conductor en su micro-estructura. Sus aplicaciones son variadas y principales en la biomedicina.
  • Los cerámicos son por lo general aislantes a temperatura ambiente, es decir, presenta un comportamiento dieléctrico. Sin embargo a muy bajas temperaturas se comportan como materiales superconductores. Su gamma de aplicación es amplia, desde capacitores y condensadores, hasta transductores piezoeléctricos, y cableado fino (fibra óptica).

Con esto, se pude concluir el comportamiento eléctrico y propiedades eléctricas de los materiales toman un papel importante a la hora de clasificar los materiales a ser usados en la fabricación y perfeccionamiento de las distintas herramientas y cuerpos que se utilizan diariamente.

BIBLIOGRAFIA

  • www.mailxmail.com: Cursos excelencia: Introducción a la Ciencia de los Materiales, capítulo 2 y 11-16.
  • www.astm.org: site-searcher
  • Curso online: Comportamiento electrónico, óptico y térmico de materiales. Archivo PDF, capítulo 2: Propiedades eléctricas d los metales http://www.euitt.upm.es/departamentos/fisica/asignaturas/mit/index/documentos/documentos/apuntes_upolitvalencia/capitulo2.pdf
  • Askeland, Donald R. LA CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES. Copyright ©1995, México D.F. Capítulo 18: Comportamiento Eléctrico de los materiales, pág. 585-630.
  • www.google.com.ec: Buscador, temas adyacentes.

ANA LYNCH NAVARRO

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

FACULTAD DE INGENIERÍA EN MECÁNICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCIÓN


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