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TEORIA ATÓMICA DE LA MATERIAModelo de la

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TEORÍA ATÓMICA DE LA MATERIA

INTRODUCCIÓN

En el estudio de la electricidad y la electrónica es fundamental comprender de donde proviene la misma, y para esto es fundamental el estudio de la teoría atómica de la materia en donde de manera breve pero muy concreta se lleva al estudiante a entender en donde está el origen de la corriente eléctrica, que es una carga eléctrica, que es la diferencia de potencial, la fuerza electromotriz, el voltaje, etc. y que relación tienen todos estos conceptos con la estructura del átomo de cada elemento y su composición interna, además le permite al estudiante que adentra en el estudio de la electrónica el entendimiento de los orígenes de los elementos que son usados en los diferentes campos de la misma.

Concepto de materia

Se puede definir el concepto de materia como el componente fundamental de todas las sustancias, gases, líquidos y sólidos.

Composición de la materia

La materia para que una identificación como tal está compuesta por moléculas, las cuales son la parte más pequeña en la que puede dividirse esta, de tal forma que la sustancia retenga su identidad química. Por ejemplo el agua como parte de la materia su molécula fundamental, está conformada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, si se divide la molécula en sus átomos individuales ya no se tendrá agua sino átomos de hidrógeno y átomos de oxígeno. La composición molecular de la materia tiene tres clasificaciones: Elementos, compuestos y mezclas según el tipo de átomos que la conforme.

Los elementos

Son moléculas formadas por una sola especie de átomos, por ejemplo el oro pues al dividir las moléculas de este, solo se encuentran átomos de oro; en general la palabra elemento hace referencia más al átomo que a la molécula. En la figura se hace una representación gráfica de una molécula de hidrógeno.

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Los compuestos

Poseen moléculas formadas por diferentes tipos de átomos o elementos, por ejemplo la sal que está formada por un átomo de sodio y otro de cloro, como se muestra en la figura.

La composición química de cualquier compuesto, para que pueda identificarse como tal, nunca varía; en cualquier lugar del universo la sal para que sea sal siempre tendrá un átomo de sodio y un átomo de cloro.

Las mezclas

Están formadas por diferentes tipos de moléculas, que a su vez pueden ser compuestos o elementos. Las mezclas por procesos químicos pueden descomponerse en sus componentes iniciales, por ejemplo el agua con sal. El agua pude separarse de la sal , pero ni el agua ni la sal por separado pueden




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separarse sin destruir las moléculas.

El átomo

Hay elementos que son muy activos químicamente y se combinan fácilmente; un ejemplo de ellos es el sodio. La combinación se logra cuando el elemento es escaso o posee muchos electrones. En otros casos sucede todo lo contrario los elementos como los gases inertes o nobles tienen una configuración ideal en el número de electrones y no se combinan bajo condiciones normales con otros elementos ni siquiera con átomos de su misma clase. Estos son el Helio (He), el Neón (Ne), el Argón(A), El Criptón (Kr), el Xenón (Xe) y Radón (Rn), las moléculas de estos átomos son mono atómicas, formadas por un solo átomo.

Estructura del átomo

Formado por el núcleo que contiene los protones que poseen carga positiva, los neutrones con carga neutra y otras partículas que son de interés en áreas más avanzadas de la química (al concepto de carga eléctrica nos referiremos posteriormente) . El núcleo está rodeado por los electrones que poseen carga negativa, los cuales giran a su alrededor en niveles concéntricos denominados capas que se nombran con letras del alfabeto así: K, L , M, N, etc. En cuanto a la masa que el protón posee se dice que es 1836 veces la masa del electrón y junto con los neutrones (que poseen la misma masa del protón), aportan la masa total del




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átomo. El peso de un electrón es 9.1 * 10 3‐ 1 Kg. Debido a la velocidad con que gira alrededor del núcleo el electrón aporta una considerable energía.

Dentro del estudio de los átomos es importante detenerse en las órbitas atómicas, que son las que realmente tienen aplicación en la electricidad y la electrónica especialmente en la capa de valencia. Como ya se había dicho las órbitas atómicas o capas son las trayectorias que siguen los electrones alrededor del núcleo, y debido a que la gran velocidad a la que giran los electrones, tiende a sacarlos de sus órbitas, se considera que por eso no se pegan al núcleo. El número de electrones de la capa externa o capa de valencia, permite establecer las propiedades eléctricas de un elemento, indicándonos si es un conductor, semiconductor o aislante. Por ejemplo el cobre solo tiene un electrón en su capa de valencia, el cual por estar más alejado del núcleo es más fácil de arrancar de su órbita por una acción eléctrica; lo contrario ocurre cuando la capa de valencia está muy nutrida de electrones , la fuerza combinada de atracción es más intensa y es difícil extraer electrones, lo cual hace del material un aislante. Algunos elementos pierden fácilmente electrones convirtiéndose en iones positivos, estos se conocen como elementos electropositivos; el elemento electronegativo es aquel que adquiere uno o más electrones convirtiéndose en un ión negativo. Luego el número de electrones que un átomo pierde o gana o comparte se conoce como valencia del elemento.

Los electrones de la capa exterior se llaman electrones de valencia. De esta forma los elementos son mono, di, tri, tetra, penta, hexa o heptavalentes, según que el número de electrones de valencia sea 1,2, 3, 4, 5, 6, 7. Cuando en una capa falta un electrón se dice que hay un hueco, ejemplo el sodio es un elemento electropositivo, el cloro electronegativo y el silicio se combina con otros elementos por medio de enlaces covalentes.




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Distribución de los electrones para tres diferentes átomos

Un hueco puede considerarse como la ausencia de un electrón, donde normalmente debía encontrarse o como portador de carga positiva, mientras que un electrón es un portador de carga negativa.

División de los elementos según su capacidad conductora

Elementos conductores

Un conductor es un elemento que posee en su última capa pocos electrones lo que hace posible que estos puedan ser removidos fácilmente a través de un proceso energético.De forma técnica un conductor es un elemento que proporciona un flujo continuo de electronescuando es sometido a un proceso energético. Esta capacidad de dejar fluir los electrones se denomina conductividad y entre mayor sea esta, mejor es el conductor; ejemplos de elementos conductores son el oro, la plata y el cobre, de los cuales el más usado es el cobre por ser de bajo costo.




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Elementos semiconductores

Un semiconductor es un material, cuya conductividad eléctrica es intermedia entre la del conductor y la del aislador. No es ni buen conductor ni buen aislante. Los semiconductores más conocidos y en los que se basan la mayoría de los elementos electrónicos son el germanio y el silicio que presentan una estructura atómica simétrica y que se ordenan atómicamente formando enlaces covalentes entre si, construyendo estructuras cristalinas por lo cual en su estado natural solo dejan fluir corrientes superficiales.

Elementos aislantesUn aislante es un material que posee en su última capa muchos electrones, fuertemente ligados al átomo es decir pocos electrones libres, lo cual hace casi imposible el flujo de electrones a través de ellos. Este tipo de materiales facilitan el aislamiento eléctrico, el cual consiste en introducir este tipo de materiales entre elementos conductores a los cuales se les ha aplicado una determinada tensión, para impedir el flujo de corriente entre ellos. A este tipo de fenómeno se asocia el término dieléctrico.

Propiedades de los Elementos




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¾ La resistencia: Es la oposición que puede presentar el elemento al flujo de la corriente a través de el y su unidad de medida es el ohmio ( Ω ). La resistencia está ligada a parámetros propios del elemento como la resistividad la cual depende de la temperatura; También de la forma y el tamaño del material así: R = ρ (l / A) donde Res la resistencia, ρ

es la resistividad a una determinada temperatura, l es la longitud del material dada en cm y A es el área de la sección transversal dada en cm2.Una resistencia puede representarse de la siguiente manera:

La resistividad habla de la oposición al flujo de electrones que presenta el material, la cual depende de la temperatura y que está dada en ohmios * cm (Ω * cm). La resistividad medida para los conductores es muy baja y varía entre los 10‐6 a 10‐4 Ω * cm, a temperatura ambiente. También a temperatura ambiente la resistividad para los aisladores está entre 1014 y 1022 Ω * cm, y en la misma temperatura en medio de los dos grupos se encuentran los semiconductores cuya resistividad es de 10‐2 a 109 Ω * cm .

¾ La inductancia: Es la capacidad que tiene un conductor de inducir tensión sobre si mismo, se simboliza con la letra L y está dada por el voltaje inducido al cambio de la corriente con respecto al tiempo entonces L = E L /(Δi/Δt), donde E L es el voltaje inducido Δi/Δt es el cambio de la corriente con respecto al tiempo.

¾ La capacitancia: Es la capacidad que posee un elemento de almacenar carga, Se simboliza con C depende de la tensión aplicada y de la carga almacenada. C = Q / E donde Q es la carga almacenada y E es la tensión aplicada.

¾ La conductancia: Es la capacidad que tiene un material para conducir la electricidad,. Es la inversa recíproca de la resistencia, se simboliza con G y esta dada por G = 1/R o G = σ (A / l) donde σ es la conductividad y se expresa como el inverso de la resistividad, entonces σ =1/ρ .

Carga eléctrica

Se define como el estado de electrización de un cuerpo, se simboliza con Q. Lo que significa es que el cuerpo a nivel atómico ha perdido o ganado electrones, si la diferencia entre el número de protones y el número de electrones es positivo se dice que el cuerpo está cargado positivamente, si ocurre lo contrario se considera al cuerpo cargado negativamente o con estado de electrización negativa. La unidad de medida de la carga en el sistema internacional es el COULOMB, un Coulomb = 6.25 x 1018 electrones y la carga de un electrón es –1.602 x 10 19 ‐ Coulombs, la carga de un electrón es la cantidad de carga más pequeña disponible.

El campo electrostático

Todo objeto cargado está rodeado de un campo electrostático que es la manifestación de la capacidad que tiene el cuerpo para ejercer una fuerza debido a su carga eléctrica.En dos cargas de polaridad opuesta que se acercan, el campo electrostático se concentra entre las cargas.




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Entre dos cargas de la misma polaridad, las líneas de fuerza se repelen manifestando la fuerza de oposición que existe entre las dos cargas.




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Siempre que se tienen cargas estáticas, se hablará de la presencia de campo eléctrico y por lo tanto de la presencia de energía acumulada en el mismo.

Ejercicio: Graficar las líneas de fuerza presentes entre dos cargas positivas próximas.

Diferencial de potencial

Debido a la fuerza de su campo eléctrico, una carga eléctrica tiene la capacidad de efectuar un trabajo, al mover a otra carga por atracción o por repulsión, esta capacidad que posee una carga para realizar un trabajo se llama potencial. La diferencia de potencial entonces puede definirse como la capacidad que tienen dos cargas de signo contrario para mover cargas entre ellas, bien sea cargas positivas o cargas negativas.

Fuerza electromotriz o fem.

La fuerza electromotriz es la energía que impulsa a los electrones a través de un conductor. Cuando los electrones fluyen a través de la carga su energía cambia a alguna otra forma de energía, por ejemplo al fluir de los electrones por la parrilla de una estufa eléctrica, ellos entregan su energía en forma de calor.

Voltaje

Se define como la diferencia de potencial disponible entre dos puntos y su unidad internacional es el voltio, que se simboliza con la letra V . Un voltio se define como la necesidad de aplicar un Joule de energía para mover un Coulomb de carga de un punto a otro, entre los dos puntos existirá una diferencia de potencial de un voltio. De




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manera general los diferentes autores le dan a los tres conceptos el mismo significado y por lo tanto la misma unidad , pero para mayor comprensión nótese que en realidad la diferencia de potencial habla de la energía estática entre dos puntos donde hay dos cargas de signo opuesto mientras que la diferencia de potencial habla de esa energía pero ya en movimiento y el voltaje es en sí la medida, en una magnitud que es el voltio, de esa diferencia de potencial.

Corriente

Se define como el movimiento o flujo de electrones a través de un conductor. Para producirla los electrones deben moverse por efecto de una diferencia de potencial . La corriente se representa con el símbolo I y la unidad internacional para medirla es el Ampere es símbolo del Ampere es A. Un Ampere (amperio) se define como el movimiento de un Coulomb de carga que pasa por cualquier punto de un conductor durante un segundo, así: I = Q / t donde I es corriente en amperios, Q es la carga en Coulombs y t es el tiempo en segundos. La carga difiere de la corriente en que Q es una acumulación de carga, mientras que I mide la intensidad de las cargas móviles.

Flujo de corriente

El flujo de corriente habla básicamente del sentido en el que se mueven las cargas a través de un conductor y que se refieren al movimiento básico de los electrones o de los huecos de energía positiva que dejan al salir de sus órbitas. Si se toma un alambre conductor de cobre y se le aplica una pequeña diferencia de potencial proveniente de una pila, se puede observar lo siguiente:

El potencial negativo de la batería hace que los electrones libres del alambre de cobre, se muevan hacia el extremo positivo de la fuente; este agrupamiento de electrones forma la corriente. La dirección que lleva el




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agrupamiento de electrones (flujo de electrones), que va del potencial negativo de la fuente al potencial positivo, se le conoce como el flujo real de la corriente (flecha sólida) o dirección real de la corriente; al movimiento de los huecos o niveles de energía positiva que dejan los electrones que va en sentido opuesto, se le conoce como el sentido convencional de la corriente (Flecha a trazos). El flujo convencional de la corriente es usado muy comúnmente por los europeos, mientras que el flujo real, es propio de los norteamericanos. En el análisis de circuitos es conveniente tener claro cual de los dos tipos de flujo de corriente se está usando.

Tipos de corriente y voltaje

¾ Corriente continua y voltaje continuo

La corriente continua (CC) o corriente directa (DC), es la corriente que se mueve en un circuito en una sola dirección. La razón es que las fuentes de voltaje tales como las pilas y baterías mantienen la misma polaridad en su voltaje de salida, proporcionando una corriente en la misma dirección en el transcurso del tiempo.

¾ Corriente alterna y voltaje alterno

Una fuente de voltaje de corriente alterna (C.A.), invierte o alterna periódicamente su polaridad; por lo tanto la corriente alterna resultante también invierte periódicamente su polaridad. La corriente alterna conocida como tal es aquella que cambia de dirección y magnitud con respecto al tiempo, formando dos semiciclos, uno positivo y otro negativo, figura 12.




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¾ Corriente continua pulsante

Es la corriente que posee una mezcla de corriente continua y de corriente alterna por lo cual lo puede ser clasificada en ninguna de las dos. Por ejemplo las funciones cuadradas.




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