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

P11. ¿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

P12. ¿Cómo se crea una carga negativa en un cuerpo neutral?
P13. ¿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


P14. ¿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


P15. ¿Cuál es la relación entre los cuerpos cargados?
P16. ¿Qué es un campo electrostático?
P17. ¿En qué dirección se dibujan las líneas de fuerza electrostáticas?


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