jueves, 27 de marzo de 2014
• Conductores, aislantes y semiconductores en función del estado de los electrones en los cuerpos materiales.
Conductores
Un conductor eléctrico es un material que ofrece poca resistencia al paso de la electricidad, generalmente son aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento de las cargas, los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones, aunque también existen materiales no metalicos que también poseen la propiedad de conducir electricidad como el grafito o las disoluciones o soluciones salinas.
Aislante.
Es un material que impide la trasmisión de energía eléctrica, el aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento en una instalación eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir un material que resiste el paso de corriente a través de un elemento que recubre y lo mantiene en su trayectoria a lo largo del conductor.
Semiconductor
Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo un campo eléctrico o magnético
Existen dos tipos de semiconductores:
Conducción Intrínseca
Un elemento tetravalente (grupo IV), si comparte todos sus electrones es un aislante perfecto y no contribuye a la conductividad eléctrica, esto ocurre a la temperatura del cero absoluto (no hay movimiento térmico). Pero si se somete a temperatura ambiente en la agitación térmica es suficiente para arrancar un electrón apareciendo así un doble efecto:
el electrón al moverse contribuye a la conducción y deja una vacante llamada hueco. Este hueco puede ser ocupado por otro electrón. Surge así un portador de carga positiva y otro negativo denominado par electrón-hueco. Si aparecen en el cristal muchos pares de este tipo puede ocurrir que choquen un electrón y un hueco produciéndose una recombinación, en este caso ninguno de los dos toman parte en la conducción. Con el tiempo se establece un equilibrio, es decir, el número de pares engendrados será igual al de recombinaciones, siendo la conductividad constante, es lo que se denomina conductividad intrínseca del material a una temperatura determinada. Si aumentamos la temperatura, el movimiento térmico aumentará la intensidad originando un mayor número de pares, con lo que se establecerá el equilibrio para una mayor concentración. Este efecto puede producirse tanto por energía térmica como por energía luminosa. El número Z de portadores de cargas libres aumenta aproximadamente de forma exponencial con la temperatura y para una temperatura determinada, depende de la energía necesaria para romper la ligadura, magnitud característica del semiconductor.
Conducción Extrínseca
el electrón al moverse contribuye a la conducción y deja una vacante llamada hueco. Este hueco puede ser ocupado por otro electrón. Surge así un portador de carga positiva y otro negativo denominado par electrón-hueco. Si aparecen en el cristal muchos pares de este tipo puede ocurrir que choquen un electrón y un hueco produciéndose una recombinación, en este caso ninguno de los dos toman parte en la conducción. Con el tiempo se establece un equilibrio, es decir, el número de pares engendrados será igual al de recombinaciones, siendo la conductividad constante, es lo que se denomina conductividad intrínseca del material a una temperatura determinada. Si aumentamos la temperatura, el movimiento térmico aumentará la intensidad originando un mayor número de pares, con lo que se establecerá el equilibrio para una mayor concentración. Este efecto puede producirse tanto por energía térmica como por energía luminosa. El número Z de portadores de cargas libres aumenta aproximadamente de forma exponencial con la temperatura y para una temperatura determinada, depende de la energía necesaria para romper la ligadura, magnitud característica del semiconductor.
Conducción Extrínseca
Cuando a una cristal de cualquier elemento (por ejemplo el Silicio (Si)) le introducimos un átomo distinto pero que sea pentavalente (por ejemplo Antimonio (Sb)) sobra un electrón que no es necesario para producir los enlaces en la estructura cristalina. Una pequeña energía será suficiente para soltarlo del átomo introducido y convertirlo en el electrón de conducción. Sólo con la energía correspondiente a la temperatura ordinaria para que los electrones sobrantes del Sb queden sueltos eliminando los propios huecos existentes por la propia continuidad del cristal y quedando al final una conducción eléctrica producida sólo por lo electrones, el Sb queda entonces cargado positivamente y recibe el nombre de “dador”. A esta forma de conducción se le llama de tipo “N” y a la impurificación del cristal con el dador se le denomina dopar el cristal. Cuando se dopa el Si con un átomo trivalente, por ejemplo el Aluminio (Al) el proceso es análogo. Aquí hay un puesto vacante que puede ser ocupado por un electrón con lo que resulta un hueco. Al Átomo introducido (Al) se le llama “aceptor” y al mecanismo de conducción, debido a los huecos se le llama de tipo “P”. De lo dicho anteriormente podemos deducir que el tipo de conducción depende de los portadores de cargas libres que se encuentran y no del cristal, este en conjunto permanecerá neutro.
Estructura de la materia
La materia consiste de partículas extremadamente pequeñas agrupadas juntas para formar el átomo. Hay una 90 ocurrencias naturales de estas agrupaciones de partículas llamadas elementos. Estos elementos fueron agrupados en la tabla periódica de los elementos en secuencia de acuerdo a sus números atómicos y peso atómico. Hay además 23 elementos hechos por el hombre que no ocurren en la naturaleza, por lo que al final son unos 113 elementos conocidos hasta la fecha. Estos elementos no pueden cambiarse por procesos químicos. Ellos solo pueden ser cambiados por reacción nuclear o atómica, sin embargo pueden ser combinados para producir el incontable número de compuestos con los que tropezamos día a día.
Estructura de átomo
Un átomo puede ser representado simbólicamente en un modelo que recrea nuestro sistema solar, el cual tiene en el centro el sol y los planetas girando en órbitas alrededor de él. Este modelo atómico, representado en la figura 1 fue propuesto por el físico Danés, Niels Bohr en 1913. Los mecanismos cuánticos actuales han demostrado que este modelo no es exactamente correcto, pero sigue siendo útil para la visualización de átomo.
El centro del átomo se llama núcleo y está principalmente formado por las partículas llamadas Protones y Neutrones, los que constituyen la mayoría de la masa del átomo. Orbitando alrededor del los núcleos están pequeñas partículas llamadas electrones. Estos electrones tienen una masa muchas veces mas pequeña que el Protón y el Neutrón. Hay otras partículas sub-atómicas estudiadas por los físicos atómicos, pero estas tres son suficientes para nuestro propósito.
Electron, Proton y Neutron
Electron
El electrón (del griego ἤλεκτρον, ámbar), comúnmente representado por el símbolo: e−, es una partícula subatómica de tipo fermiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones.
Los electrones tienen una masa de 9,11×10-31 kilogramos, unas 1800 veces menor que la de los neutrones y protones. Siendo tan livianos, apenas contribuyen a la masa total de las sustancias. Su movimiento genera la corriente eléctrica, aunque dependiendo del tipo de estructura molecular en la que se encuentren, necesitarán más o menos energía para desplazarse. Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química, ya que definen las atracciones entre los átomos.
Desde el punto de vista físico, el electrón tiene una carga eléctrica de igual magnitud, pero de polaridad contraria a la del protón. Dicha cantidad, cuyo valor es de 1,602×10-19 coulombios, es llamada carga elemental o fundamental, y es considera a veces un cuanto de carga eléctrica, asignándosele un valor unitario. Por razones históricas y ventajas en ecuaciones matemáticas, se considera a la carga del protón como positiva, mientras que a la del electrón como negativa. Por esto se dice que los protones y electrones tienen cargas de +1 y -1 respectivamente, aunque esta elección de signo es totalmente arbitraria.
Proton
El protón (del griego πρῶτον, prōton ['primero']) es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva y una masa 1.836 veces superior a la de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse en otras partículas. El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos.
Neutrón
Neutrón con dos quark d y un quark u
Añadida por Henri cool
Un neutrón es un barión neutro formado por dos quarks abajo y un quark arriba. Forma, junto con los protones, los núcleos atómicos. Fuera del núcleo atómico es inestable y tiene una vida media de unos 15 minutos emitiendo un electrón y un antineutrino para convertirse en un protón. Su masa es muy similar a la del protón.
Algunas de sus propiedades:
Masa: mn = 1,675×10-27 Kg = 1,008587833 uma
Vida media: tn = 886,7 ± 1,9 s
Momento magnético: mn = -1,9130427 ± 0,0000005 mN
Carga eléctrica: 0 C.
El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos (la única excepción es el hidrógeno), ya que interactúa fuertemente atrayéndose con los protones, pero sin repulsión electrostática.
Conductividad, Resistividad, Resistencia y Conductancia, modelo matemático, unidades en el sistema internacional y unidades dimensionales.
Resistividad
La resistividad es la resistencia eléctrica específica de un material. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios por metro (Ω•m).[1]
Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.
Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.
Tabla de resistividades de algunos materiales:
Se define como la capacidad que tienen las sales inorgánicas en solución ( electrolitos ) para conducir la corriente eléctrica.
El agua pura, prácticamente no conduce la corriente, sin embargo el agua con sales disueltas conduce la corriente eléctrica. Los iones cargados positiva y negativamente son los que conducen la corriente, y la cantidad conducida dependerá del número de iones presentes y de su movilidad.
En la mayoría de las soluciones acuosas, entre mayor sea la cantidad de sales disueltas, mayor será la conductividad, este efecto continúa hasta que la solución está tan llena de iones que se restringe la libertad de movimiento y la conductividad puede disminuir en lugar de aumentas, dándose casos de dos diferentes concentraciones con la misma conductividad. Todos los valores de conductividad están referidos a una temperatura de referencia de 25 ° C.
Algunas sustancias se ionizan en forma más completa que otras y por lo mismo conducen mejor la corriente. Cada ácido, base o sal tienen su curva característica de concentración contra conductividad.
Son buenos conductores : los ácidos, bases y sales inorgánicas: HCl, NaOH, NaCl, Na2CO3 ....etc.
Son malos conductores : Las moléculas de sustancias orgánicas que por la naturaleza de sus enlaces son no iónicas: como la sacarosa, el benceno, los hidrocarburos, los carbohidratos.... etc, estas sustancias, no se ionizan en el agua y por lo tanto no conducen la corriente eléctrica.
Un aumento en la temperarura, disminuye la viscosidad del agua y permite que los iones se muevan más rapidamente, conduciendo más electricidad. Este efecto de la temperatura es diferente para cada ion, pero tipicamente para soluciones acuosas diluidas, la conductividad varía de 1 a 4 % por cada ° C.
Conociendo estos factores, la medición de la conductividad nos permite tener una idea muy aproximada de la cantidad de sales disueltas.
RESISTENCIA ELÉCTRICA
Sabemos que una bateria o un acumulador de algun tipo es el impulsor, primer movil y fuente de voltaje de un circuito electrico. La corriente que se maneje no solo depende de su voltaje, sino tambien de la resistencia electrica que ofrece el conductor al paso de la carga. eso se parece a la tasa de flujo de agua en un tubo, que depende no solo de la diferencia de presion entre los extremos del tubo, sino tambien de la resistencia que presenta el tubo mismo. Un tubo corto presenta menos resistencia al flujo de agua que uno largo: cuando mayor sea el diametro del tubo, su resistencia sera menor. Es igual con las resistencias de los conductores por los que luye la corriente. la resistencia de un alambre depende de su grosor y su longitud, asi como de su conductividad. Los alambres gruesos tienen menos resistencia que los delgados. Los alambres mas largos tienen mas resistencias que los cortos.La resistencia electrica tambien depende de la temperatura. cuando mayor sea la agitacion de los atomos dentro del conductor, sera mayor la resistencia que presente al flujo de carga. Para la mayoria de los conductores, mayor temperatura equivale a mayor resistencia. La resistencia de algunos materiales llega a ser cero a muy bajas temperaturas.
La resistencia electrica se expresa en unidades llamadas ohms.
El nombre de la unidad es en honor del fisico aleman Georg simon Ohm, quien descubrio en 1826 una relacion sencilla, pero muy importante, entre el voltaje, la corriente y la resistencia.
La resistencia como componente de un circuito
Todos los componentes eléctricos y electrónicos presentan en mayor o menor medida una cierta resistencia al paso de la corriente, si bien ésta suele ser pequeña. Hay sin embargo componentes eléctricos denominados resistencias que se introducen en los circuitos para dificultar el paso de la corriente, bien sea para disminuir la intensidad, protegiendo así los demás componentes, bien para obtener calor por efecto Joule en la propia resistencia, como es el caso de las cocinas y las calefacciones eléctricas domésticas, cafeteras, hornos de secado industriales, etc.
La corriente máxima de una resistencia viene condicionada por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más corrientes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.
Los otros datos se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes la última es el multiplicador y las otras las cifras significativas.
El valor se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras y, después, multiplicando el resultado por el multiplicador, obteniéndose el resultado en ohmios (Ω); en ocasiones puede aparecer una banda adicional indicando el efecto de la temperatura en la variación de la resistencia. En aquellos casos en los que no hay espacio para dibujar las bandas de colores, se emplean dígitos, con igual significado que en el caso de la codificación con cuatro bandas: los primeros serán las cifra significativas y el último el multiplicador; por ejemplo una resistencia 123, será de 12.000 W.
La nomenclatura normalizada emplea las letras R (1), K (kilo = 1.000) y M (mega = 1.000.000) como multiplicadores, en la posición que ocuparía el punto en la escritura del número. La segunda letra hace referencia a la tolerancia M=±20%, K=±10%, J=±5%, G=±2%, F=±1%. En los ejemplos se indica, entre paréntesis, la codificación de las resistencias con esta nomenclatura.
CONDUCTANCIA ELÉCTRICA.
La conductancia esta directamente relacionada con la facilidad que ofrece un material cualquiera al paso de la corriente electrica. La conductancia es lo opuesto a la resistencia. A mayor conductancia la resistencia disminuye y viceversa, a mayor resistencia, menos conductancia, por lo que ambas son inversamente proporcionales.
Existen algunos materiales que conducen mejor la corriente que otros. Los mejores conductores son, los metales, principalmente el oro (Au) y la plata (Ag), pero por su alto costo en el mercado se prefiere utilizar en primer lugar, el cobre (Cu) y en segundo el aluminio (Al), por ser ambos metales buenos conductores de la electricidad y tener un cosot mucho mas bajo que el oro y la plata.
Otros tipos de materiales como el alambre nocromo (Ni-Cr, aleacion de niquel y cromo), la manganina, el carbon, etc. no son buenos conductores y ofrecen mayor resistencia al paso de la corriente electrica, por lo que son utilizados como resistencias electricas, para producir calor fundamentalmente o controlar el paso de la corriente por los circuitos electronicos.
Ademas de los conductores y las resistencias, existen otros materiales llamados semiconductores como por ejemplo el germanio y el silicio que permiten el paso de corriente eléctrica en un solo sentido. El silicio se emplea en la fabricación de diodos, transistores, circuitos integrados y microprocesadores.
Por otro lado, podemos encontrar materiales no conductores, que ofrecen total resistencia al flujo de corriente eléctrica, se encuentra el vidrio, el plástico, el pvc, la porcelana, la goma, etc. que se emplean como materiales aislantes el los circuitos eléctricos.
si hacemos una comparación entre diferentes materiales como el cobre, nicromo, silicio, porcelana, buscamos en una tabla sus coeficientes de resistividad a 20º veremos que el cobre tiene 0,0172, el nicromo 1,5 y el silicio 1,000 ohm* mm/ m, mientras el coeficiente de la porcelana es infinito.
De acuerdo con la ley de ohm, el valor de la resistencia R se obtiene dividiendo el voltaje o tensión en volt E del circuito, por el valor de la intensidad I en ampere como se muestra en el ejemplo.
Si representamos la conductancia eléctrica con la letra G(sabiendo que es lo opuesto a la resistencia y que podemos representarla como 1/R ) es posible hallar su valor invirtiendo los valores de la tensión y la intensidad en la formula anterior, tal como se muestra a continuación :
O tambien:
El valor de la conductancia G de un material se indica en siemens y se identifica con la letra S. Un siemens equivale a:
Son malos conductores : Las moléculas de sustancias orgánicas que por la naturaleza de sus enlaces son no iónicas: como la sacarosa, el benceno, los hidrocarburos, los carbohidratos.... etc, estas sustancias, no se ionizan en el agua y por lo tanto no conducen la corriente eléctrica.
Un aumento en la temperarura, disminuye la viscosidad del agua y permite que los iones se muevan más rapidamente, conduciendo más electricidad. Este efecto de la temperatura es diferente para cada ion, pero tipicamente para soluciones acuosas diluidas, la conductividad varía de 1 a 4 % por cada ° C.
Conociendo estos factores, la medición de la conductividad nos permite tener una idea muy aproximada de la cantidad de sales disueltas.
En el anteriror video se ejemplifica la conductividad electrica con el sulfato de cobre.
RESISTENCIA ELÉCTRICA
Sabemos que una bateria o un acumulador de algun tipo es el impulsor, primer movil y fuente de voltaje de un circuito electrico. La corriente que se maneje no solo depende de su voltaje, sino tambien de la resistencia electrica que ofrece el conductor al paso de la carga. eso se parece a la tasa de flujo de agua en un tubo, que depende no solo de la diferencia de presion entre los extremos del tubo, sino tambien de la resistencia que presenta el tubo mismo. Un tubo corto presenta menos resistencia al flujo de agua que uno largo: cuando mayor sea el diametro del tubo, su resistencia sera menor. Es igual con las resistencias de los conductores por los que luye la corriente. la resistencia de un alambre depende de su grosor y su longitud, asi como de su conductividad. Los alambres gruesos tienen menos resistencia que los delgados. Los alambres mas largos tienen mas resistencias que los cortos.La resistencia electrica tambien depende de la temperatura. cuando mayor sea la agitacion de los atomos dentro del conductor, sera mayor la resistencia que presente al flujo de carga. Para la mayoria de los conductores, mayor temperatura equivale a mayor resistencia. La resistencia de algunos materiales llega a ser cero a muy bajas temperaturas.
La resistencia electrica se expresa en unidades llamadas ohms.
El nombre de la unidad es en honor del fisico aleman Georg simon Ohm, quien descubrio en 1826 una relacion sencilla, pero muy importante, entre el voltaje, la corriente y la resistencia.
La resistencia como componente de un circuito
Todos los componentes eléctricos y electrónicos presentan en mayor o menor medida una cierta resistencia al paso de la corriente, si bien ésta suele ser pequeña. Hay sin embargo componentes eléctricos denominados resistencias que se introducen en los circuitos para dificultar el paso de la corriente, bien sea para disminuir la intensidad, protegiendo así los demás componentes, bien para obtener calor por efecto Joule en la propia resistencia, como es el caso de las cocinas y las calefacciones eléctricas domésticas, cafeteras, hornos de secado industriales, etc.
La corriente máxima de una resistencia viene condicionada por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más corrientes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.
Los otros datos se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes la última es el multiplicador y las otras las cifras significativas.
El valor se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras y, después, multiplicando el resultado por el multiplicador, obteniéndose el resultado en ohmios (Ω); en ocasiones puede aparecer una banda adicional indicando el efecto de la temperatura en la variación de la resistencia. En aquellos casos en los que no hay espacio para dibujar las bandas de colores, se emplean dígitos, con igual significado que en el caso de la codificación con cuatro bandas: los primeros serán las cifra significativas y el último el multiplicador; por ejemplo una resistencia 123, será de 12.000 W.
La nomenclatura normalizada emplea las letras R (1), K (kilo = 1.000) y M (mega = 1.000.000) como multiplicadores, en la posición que ocuparía el punto en la escritura del número. La segunda letra hace referencia a la tolerancia M=±20%, K=±10%, J=±5%, G=±2%, F=±1%. En los ejemplos se indica, entre paréntesis, la codificación de las resistencias con esta nomenclatura.
CONDUCTANCIA ELÉCTRICA.
La conductancia esta directamente relacionada con la facilidad que ofrece un material cualquiera al paso de la corriente electrica. La conductancia es lo opuesto a la resistencia. A mayor conductancia la resistencia disminuye y viceversa, a mayor resistencia, menos conductancia, por lo que ambas son inversamente proporcionales.
Existen algunos materiales que conducen mejor la corriente que otros. Los mejores conductores son, los metales, principalmente el oro (Au) y la plata (Ag), pero por su alto costo en el mercado se prefiere utilizar en primer lugar, el cobre (Cu) y en segundo el aluminio (Al), por ser ambos metales buenos conductores de la electricidad y tener un cosot mucho mas bajo que el oro y la plata.
Otros tipos de materiales como el alambre nocromo (Ni-Cr, aleacion de niquel y cromo), la manganina, el carbon, etc. no son buenos conductores y ofrecen mayor resistencia al paso de la corriente electrica, por lo que son utilizados como resistencias electricas, para producir calor fundamentalmente o controlar el paso de la corriente por los circuitos electronicos.
Calentador eléctrico que emplea resistencia de alambre nicromo como elemento de calefacción.
Ademas de los conductores y las resistencias, existen otros materiales llamados semiconductores como por ejemplo el germanio y el silicio que permiten el paso de corriente eléctrica en un solo sentido. El silicio se emplea en la fabricación de diodos, transistores, circuitos integrados y microprocesadores.
Por otro lado, podemos encontrar materiales no conductores, que ofrecen total resistencia al flujo de corriente eléctrica, se encuentra el vidrio, el plástico, el pvc, la porcelana, la goma, etc. que se emplean como materiales aislantes el los circuitos eléctricos.
si hacemos una comparación entre diferentes materiales como el cobre, nicromo, silicio, porcelana, buscamos en una tabla sus coeficientes de resistividad a 20º veremos que el cobre tiene 0,0172, el nicromo 1,5 y el silicio 1,000 ohm* mm/ m, mientras el coeficiente de la porcelana es infinito.
De acuerdo con la ley de ohm, el valor de la resistencia R se obtiene dividiendo el voltaje o tensión en volt E del circuito, por el valor de la intensidad I en ampere como se muestra en el ejemplo.
Si representamos la conductancia eléctrica con la letra G(sabiendo que es lo opuesto a la resistencia y que podemos representarla como 1/R ) es posible hallar su valor invirtiendo los valores de la tensión y la intensidad en la formula anterior, tal como se muestra a continuación :
 Por tanto, sustituyedo por Gtendremos: |
 |
O tambien:
 |
El valor de la conductancia G de un material se indica en siemens y se identifica con la letra S. Un siemens equivale a:
 o  |
Suscribirse a:
Entradas (Atom)