MODULO 1- LECCION 1: MATERIA ENERGIA ELECTRICIDAD Y SIMBOLOGIA
LECCIÓN 1 PARTE B
CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y AISLADORES
En este estudio de electricidad y
electrónica, la asociación de materia y electricidad es importante. Ya que cada
dispositivo electrónico está construido con partes hechas de materia ordinaria,
los efectos de la electricidad en la materia deben ser bien entendidos. Como
medio para lograr esto, todos los elementos de los cuales se hace materia se
pueden colocar en una de tres categorías: CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES y AISLADORES,
dependiendo de su capacidad para conducir una corriente eléctrica. Los
conductores son elementos que conducen la electricidad muy fácilmente, los
AISLADORES tienen una resistencia extremadamente alta al flujo de electricidad.
Toda la materia entre estos dos extremos se puede llamar SEMICONDUCTORES.
La teoría del electrón afirma que toda
la materia está compuesta de átomos y los átomos están compuestos de partículas
más pequeñas llamadas protones, electrones y neutrones. Los electrones orbitan
el núcleo que contiene los protones y neutrones. Son los electrones de
valencia lo que más nos preocupa en electricidad. Estos son los electrones
que son más fáciles de desprenderse de su átomo padre. Normalmente, los
conductores tienen tres o menos electrones de valencia; los aisladores
tienen cinco o más electrones de valencia; y los semiconductores por lo
general tienen cuatro electrones de valencia.
La conductividad eléctrica de la
materia depende de la estructura atómica del material del que se hace el
conductor. En cualquier material sólido, como el cobre, los átomos que forman la
estructura molecular están unidos firmemente entre sí. A temperatura ambiente,
el cobre contendrá una considerable cantidad de energía calorífica. Dado que la
energía térmica es un método para eliminar electrones de sus órbitas, el cobre contendrá
muchos electrones libres que pueden moverse de un átomo a otro. Cuando no esté
bajo la influencia de una fuerza externa, estos electrones se mueven de manera
aleatoria dentro del conductor. Este movimiento es igual en todas las
direcciones para que los electrones no sean perdidos o ganados por ninguna
parte del conductor. Cuando es controlado por una fuerza externa, los
electrones se mueven generalmente en la misma dirección. Se siente el efecto de
este movimiento casi instantáneamente de un extremo del conductor al otro. Este
movimiento de electrones se llama CORRIENTE ELÉCTRICA.
Algunos metales son mejores
conductores de electricidad que otros. La plata, el cobre, el oro y aluminio
son materiales con muchos electrones libres y son buenos conductores. La plata
es el mejor conductor, seguido del cobre, el oro y el aluminio. El cobre se usa
con más frecuencia que la plata debido al costo. Se usa aluminio donde el peso
es una consideración importante, como en las líneas de alta tensión, con largos
tramos entre sus soportes. El oro se usa cuando la oxidación o la corrosión son
una consideración y una buena conductividad es necesaria. La capacidad de un
conductor para manejar la corriente también depende de sus dimensiones físicas.
Los conductores generalmente se
encuentran en forma de alambre, pero pueden estar en forma de barras, tubos u
hojas
Los no conductores tienen pocos
electrones libres. Estos materiales se llaman AISLADORES. Algunos ejemplos de
estos materiales son el caucho, el plástico, el esmalte, el vidrio, la madera
seca y la mica. Así como no hay un perfecto conductor, tampoco hay un aislante
perfecto.
Algunos materiales no son buenos
conductores ni buenos aislantes, ya que sus características eléctricas caen
entre las de conductores y aislantes. Estos materiales intermedios se
clasifican como SEMICONDUCTORES. El germanio y el silicio son dos
semiconductores comunes utilizados dispositivos de estado sólido
PREGUNTA DE CONTROL
P 11.
¿Que determina si una substancia es un conductor o un aislador?
ELECTROSTÁTICA
La electrostática (electricidad en
reposo) es un tema con el que la mayoría de las personas que ingresan al campo
de la electricidad y la electrónica están algo familiarizados. Por ejemplo, la
forma en que el cabello de una persona se pone de punta después de un roce
vigoroso es un efecto de la electrostática. Mientras continúa el estudio de la
electrostática, obtendrá una mejor comprensión de esta ocurrencia común. De
mayor significado aun, el estudio de la electrostática le brindará la
oportunidad de obtener un importante conocimiento previo y desarrollar
conceptos los cuales son esenciales para la comprensión de la electricidad y la
electrónica.
El interés en el tema de la electricidad
estática se remonta a los griegos. Tales de Mileto, un filósofo y matemático
griego, quien descubrió que cuando una varilla de ámbar se frota con piel, la
varilla tiene la sorprendente característica de atraer algunos objetos muy
ligeros, como trozos de papel y virutas de madera.
Alrededor de 1600, William Gilbert, un
científico inglés, hizo un estudio de otras sustancias que se había encontrado
que poseen cualidades de atracción similares al ámbar. Entre ellos había
vidrio, cuando se frotaba con seda, y la ebonita, cuando se frota con un pelaje.
Gilbert clasificó todas las sustancias que poseían propiedades similares a las
del ámbar como eléctricos, una palabra de origen griego que significa ámbar.
Debido al trabajo de Gilbert con los
componentes eléctricos, una sustancia como el ámbar o el vidrio cuando se les
da un vigoroso roce se le reconoce como ELECTRIFICADO, o CARGADO con
electricidad.
En el año 1733, Charles Dufay, un
científico francés, hizo un importante descubrimiento sobre la electrificación.
Encontró que cuando se frotaba un vidrio con un pelaje, tanto la barra de vidrio
como la piel se volvieron electrificadas. Esta realización se produjo cuando
colocó sistemáticamente la varilla de vidrio y el pelaje cerca de otras sustancias
electrificadas y se encontró que ciertas sustancias que eran atraídas a la
barra de vidrio eran repelidas por la piel, y viceversa. De experimentos como
este, concluyó que debe haber dos tipos exactamente opuestos de electricidad.
A Benjamín Franklin, estadista, inventor
y filósofo estadounidense, se le atribuye el primer uso de los términos
POSITIVO y NEGATIVO para describir los dos tipos opuestos de electricidad. A la
carga producida en una varilla de vidrio cuando se frota con la seda, Franklin
la calificó como positivo. Adjuntó el término negativo a la carga producida en
la seda. Aquellos cuerpos que no estaban electrificados ni cargados, los llamó
NEUTROS.
ELECTRICIDAD
ESTÁTICA
En un estado natural o neutral,
cada átomo en un cuerpo de materia tendrá el número adecuado de electrones en
órbita a su alrededor. En consecuencia, todo el cuerpo de materia
compuesto de los átomos neutros también será eléctricamente neutral. En este
estado, se dice que tiene una "carga cero". Los electrones no saldrán
ni entrarán en el cuerpo con carga neutra en caso de que entre en contacto con
otros cuerpos neutros. Si, sin embargo, cualquier número de electrones se
eliminan de los átomos de un cuerpo de materia, quedarán más protones que electrones
y todo el cuerpo de la materia se convertirán en POSITIVO ELÉCTRICAMENTE. En
caso de que el cuerpo cargado positivamente se ponga en contacto con otro
cuerpo que tenga una carga normal o que tenga un NEGATIVO (demasiados
electrones), una corriente eléctrica fluirá entre ellos. Los electrones dejarán
el cuerpo más negativo y entrarán en el cuerpo positivo. Este flujo de
electrones continuará hasta que ambos cuerpos tengan iguales cargas Cuando dos
cuerpos de materia tienen cargas desiguales y están cerca uno del otro, una
fuerza eléctrica se ejercen entre ellos por sus cargas desiguales. Sin embargo,
dado que no están en contacto, sus cargas no se pueden igualar. La existencia
de tal fuerza eléctrica, donde la corriente no puede fluir, se refiere como una
electricidad estática.
("Estático" en este caso significa "no moverse"). También
se le conoce como fuerza electrostática
Una de las formas más fáciles de crear
una carga estática es por fricción. Cuando se frotan dos trozos de materia juntos,
los electrones pueden "barrerse" del un material sobre el otro. Si
los materiales utilizados son buenos conductores, es bastante difícil
obtener una carga detectable en cualquiera de los dos, ya que las corrientes de
ecualización pueden fluir fácilmente entre los materiales conductores. Estas
corrientes igualan las cargas casi tan rápido como son creadas. Una carga
estática se crea más fácilmente entre materiales no conductores. Cuando
una varilla de goma dura se frota con un pelaje, la barra acumulará los
electrones que se desprenden del pelaje, como se muestra en la figura 1-5. Ya
que ambos materiales son conductores pobres, puede fluir muy poca corriente de
compensación y una carga electrostática se acumula Cuando la carga se vuelve lo
suficientemente grande, la corriente fluirá independientemente de la mala
conductividad
de los materiales. Estas corrientes
causarán chispas visibles y producirán un sonido crepitante.
Figura 1-5.—Produciendo electricidad
estática por fricción.
PREGUNTAS DE CONTROL
P 12.
¿Cómo se crea una carga negativa en un cuerpo neutral?
P 13.
¿Cómo se crean las cargas estáticas?
Naturaleza
de las cargas
Cuando se encuentra en un estado
natural o neutral, un átomo tiene un número igual de electrones y protones. Debido
e èste balance, la carga negativa neta de los electrones en órbita se equilibra
exactamente con la carga positiva neta de los protones en el núcleo, haciendo
que el átomo sea eléctricamente neutral.
Un átomo se convierte en un ión
positivo cada vez que pierde un electrón y tiene una carga general positiva.
Por el contrario, cuando un átomo
adquiere un electrón extra, se convierte en un ion negativo y tiene una carga
negativa.
Debido a la actividad molecular
normal, siempre hay iones presentes en cualquier material. Si el número de
Los iones positivos y los iones negativos
son iguales, el material es eléctricamente neutro. Cuando el número de los
iones positivos exceden el número de iones negativos, el material está cargado
positivamente. El material está negativamente cargado siempre que los iones
negativos superen a los iones positivos
Dado que los iones son en realidad
átomos sin su número normal de electrones, es el exceso o la falta de
Los electrones en una sustancia lo que determina su carga. En la mayoría de
los sólidos, la transferencia de cargas es por movimiento de electrones en
lugar de iones. La transferencia de cargas por los iones será más significativa
cuando nosotros consideremos la actividad eléctrica en líquidos y gases. En
este momento, discutiremos el comportamiento eléctrico en términos de movimiento
de electrones.
PREGUNTA DE CONTROL
P 14.
¿Cuál es la carga eléctrica de un átomo que contiene 8 protones y 11
electrones?
Cuerpos
Cargados
Una de las leyes fundamentales de la
electricidad es que, CARGAS IGUALES SE REPELEN ENTRE SI al igual que LAS CARGAS DESIGUALES SE ATRAEN.
Una carga positiva y una carga negativa, siendo no similares, tienden a moverse
uno hacia el otro. En el átomo, los electrones negativos se dirigen hacia los
protones positivos en el núcleo. Esta fuerza atractiva se equilibra por la
fuerza centrífuga del electrón causada por su rotación alrededor del núcleo.
Como resultado, los electrones permanecen en órbita y no son atraídos hacia el
núcleo. Los electrones se repelen entre sí debido a sus cargas negativas
similares, y los protones se repelen entre sí debido a sus cargas positivas
semejantes
La ley de los cuerpos cargados puede
ser demostrada por un simple experimento. Dos bolas de pulpa de papel están
suspendidas una cerca de la otra por hilos, como se muestra en la figura 1-6.
Figura
1-6. —Reacción entre cuerpos cargados.
Si una barra de goma dura se frota con
el pelaje para darle una carga negativa y luego se sujeta contra la derecha con
la bola de la mano en la parte (A), la barra emitirá una carga negativa a la
bola. La bola de la derecha tendrá una carga negativa respecto a la bola de la
izquierda. Cuando se suelten, las dos bolas se juntarán, como se muestra en la
figura 1-6 (A).Se tocarán y permanecerán en contacto hasta que la bola de la
izquierda gane una parte de la carga negativa de la bola de la derecha, momento
en el que se separarán como se muestra en la figura 1-6 (C).Si se coloca una
carga positiva o negativa en ambas bolas (fig. 1-6 (B)), las bolas se repelen
entre sí.
La
ley de Coulomb
La relación entre atraer o repeler
cuerpos cargados fue descubierta y escrita por primera vez por un científico
francés llamado Charles A. Coulomb. La Ley de Coulomb establece que los CUERPOS
CARGADOS SE ATRAEN O SE REPELEN CON UNA FUERZA QUE ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL
AL PRODUCTO DE SUS CARGAS INDIVIDUALES,Y ES INVERSAMENTE PROPORCIONAL AL
CUADRADO DE LA DISTANCIA ENTRE ELLOS.
La cantidad de fuerza de atracción o
repulsión que actúa entre dos cuerpos cargados eléctricamente en
el espacio libre depende de dos cosas:
(1) sus cargas y (2) la distancia entre ellos.
Campos
Eléctricos
El espacio entre y alrededor de los
cuerpos cargados en los que se siente su influencia se llama un
CAMPO ELECTRICO DE FUERZA. Puede
existir en el aire, el vidrio, el papel o el vacío. CAMPOS ELECTROSTÁTICOS Y
CAMPOS DIELÉCTRICOS son otros nombres que se usan para referirse a esta
región de fuerza.
Los campos de fuerza se extienden en
el espacio que rodea su punto de origen y, en general, DISMINUYEN
EN PROPORCIÓN AL CUADRADO DE LA
DISTANCIA DESDE SU FUENTE.
El campo alrededor de un cuerpo
cargado generalmente está representado por líneas que se denominan LINEAS ELECTROSTATICAS
DE FUERZA. Estas líneas son imaginarias y se utilizan simplemente para representar
la dirección y la fuerza del campo. Para evitar confusiones, las líneas de
fuerza ejercidas por una carga positiva siempre se muestran dejando
la carga, y para una carga negativa se muestran entrando. La
figura 1-7 ilustra el uso de líneas para representar el campo alrededor de los
cuerpos cargados.
Figura
1-7. —Líneas electrostáticas de fuerza.
La Figura 1-7 (A) representa la
repulsión de cuerpos con carga similar y sus campos asociados. La parte B)
representa la atracción de los cuerpos cargados desemejantes y sus campos
asociados.
PREGUNTAS DE CONTROL
P 15.
¿Cuál es la relación entre los cuerpos cargados?
P 16.
¿Qué es un campo electrostático?
P 17.
¿En qué dirección se dibujan las líneas de fuerza electrostáticas?
<<< ANTERIOR: LECCCION 1 PARTE A: Materia,Energìa y Electricidad
