MODULO 1 LECCION 1: MATERIA ENERGIA ELECTRICIDAD Y SIMBOLOGIA


LECCION:  1    PARTE A

 Materia Energía Electricidad y Simbología



OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

 
                           Al completar esta lección, tú podrás:

1. Indicar los significados de y la relación entre materia, elemento, núcleo, compuesto, molécula, mezcla, átomo, electrón, protón, neutrón, energía, valencia, capa de valencia e ión.

2. Indicar los significados y la relación entre energía cinética, energía potencial, fotones, orbitas electrónicas, niveles de energía, y capas y sub-capas.

3. Indicar, en términos de valencia, las diferencias entre un conductor, un aislante y un semiconductor, y enumerar algunos materiales que componen los mejores conductores y aislantes.

4. Indicar la definición de electricidad estática y explique cómo se genera la electricidad estática.

5. Indique los significados de retentividad, reluctancia, permeabilidad, ferromagnetismo, imán natural e imán artificial como se utilizan para describir los materiales magnéticos

6. Indicar el Weber y las teorías de dominio del magnetismo y enumerar seis características de las líneas magnéticas de fuerza (flujo magnético), incluida su relación con la inducción magnética, el blindaje, la forma y almacenamiento.

7. Indicar, usando la analogía del agua, cómo una diferencia de potencial (un voltaje o una fuerza electromotriz) puede existir Convertir voltios a microvoltios, a milivoltios y a kilovoltios.

8. Enumerar seis métodos para producir un voltaje (fem) e indicar los principios operativos y los usos para cada método

9. Indicar los significados de corriente electrónica, derivación aleatoria, derivación  dirigida y amperio, e indique la dirección en que fluye una corriente eléctrica.

10. Indicar la relación de corriente a voltaje y convertir  amperios a miliamperios y microamperios

11. Indicar las definiciones y los términos y símbolos de resistencia y conductancia, y cómo la temperatura, el contenido, la longitud y el área de la sección transversal de un conductor afectan su resistencia y valores de conductancia.

12. Enumerar las características físicas y operativas de, y los símbolos, clasificaciones y usos para varios tipos de resistencias; usar el código de colores para identificar los valores de resistencia.


MATERIA, ENERGIA Y ELECTRICIDAD.

Si hay raíces en la ciencia occidental, sin duda se encuentran bajo los escombros que una vez fue la antigua Grecia.
Con la excepción de los griegos, los antiguos tenían poco interés en la estructura de los materiales. Ellos aceptaron al sólido siendo solo una sustancia continua e ininterrumpida. Una escuela de pensamiento griega creía que si un trozo de materia, como el cobre, se subdivide, podría hacerse indefinidamente y todavía solo se encontraría ese material. Otros razonaron que debe haber un límite al número de las subdivisiones que se podrían hacer y tener que el material aún conserve sus características originales. Se adhirieron rápido a la idea de que debe haber una partícula básica sobre la cual se construyen todas las sustancias Experimentos recientes han revelado que, de hecho, hay varias partículas básicas, o bloques de construcción dentro de todas las sustancias.

Los siguientes párrafos explican cómo las sustancias se clasifican como elementos y compuestos, y están constituidos por moléculas y átomos. Esta, entonces, será una experiencia de aprendizaje sobre protones, electrones, valencia, niveles de energía, y la física de la electricidad.


LA MATERIA

La materia se define como cualquier cosa que ocupa espacio y tiene peso; Es decir, el peso y las dimensiones de la materia se pueden medir. Ejemplos de materia son el aire, el agua, los automóviles, la ropa e incluso nuestros cuerpos. Por lo tanto, podemos decir que la materia se puede encontrar en cualquiera de los tres estados: SÓLIDO, LÍQUIDO y GASEOSO.

ELEMENTOS Y COMPUESTOS

Un ELEMENTO es una sustancia que no puede reducirse a una sustancia más simple por medios químicos .Ejemplos de elementos con los que usted está en contacto cotidiano son el hierro, el oro, la plata, el cobre y el oxígeno.
Ahora hay más de 100 elementos conocidos. Todas las diferentes sustancias que conocemos están compuestas de uno o más de estos elementos.
Cuando dos o más elementos se combinan químicamente, la sustancia resultante se llama COMPUESTO. Un compuesto es una combinación química de elementos que pueden ser separados por sustancias químicas pero no por los medios físicos. Ejemplos de compuestos comunes son el agua que consiste en hidrógeno y oxígeno y la sal de mesa, que consiste en sodio y cloro. Una MEZCLA, por otro lado, es una combinación de elementos y compuestos, no combinados químicamente, que se pueden separar por medios físicos. Ejemplos de mezclas son el aire, que se compone de nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y pequeñas cantidades de varios gases raros, y el agua de mar, que consiste principalmente en sal y agua.


PREGUNTAS DE CONTROL

P1. ¿Qué es la materia y en qué tres estados se encuentra?
P2. ¿Qué es un elemento?
P3. ¿Qué es un compuesto?
P4. ¿Cuál es la diferencia entre un compuesto y una mezcla?

MOLÉCULAS

Una MOLÉCULA es una combinación química de dos o más átomos (los átomos se describen en el siguiente párrafo)
 En un compuesto, la molécula es la partícula más pequeña que tiene todas las características del compuesto.
Considere el agua, por ejemplo. El agua es materia, ya que ocupa espacio y tiene peso. Dependiendo de la temperatura, puede existir como un líquido (agua), un sólido (hielo) o un gas (vapor). A pesar de la temperatura, todavía tendrá la misma composición. Si comenzamos con una cantidad de agua, la dividimos y vertimos la mitad, y continuamos este proceso un número suficiente de veces, eventualmente terminaremos con una Cantidad de agua que no se puede dividir más sin dejar de ser agua. Esta cantidad se llama molécula de agua. Si esta molécula de agua se divide, en lugar de dos partes de agua, habrá una parte de oxígeno y dos partes de hidrógeno (H 2 O).


ÁTOMOS

Las moléculas están formadas por partículas más pequeñas llamadas ÁTOMOS. Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las características de ese elemento. Los átomos de un elemento, sin embargo, difieren de los átomos de todos los demás elementos. Como hay más de 100 elementos conocidos, debe haber más de 100 átomos diferentes, o un átomo diferente para cada elemento. Así como miles de palabras se pueden hacer  combinando las letras correctas del alfabeto, para que miles de materiales diferentes puedan ser hechos combinando químicamente los átomos apropiados.
Cualquier partícula que sea una combinación química de dos o más átomos se llama molécula. La molécula de oxigeno consta de dos átomos de oxígeno y la molécula de hidrógeno consta de dos átomos de hidrógeno.
El azúcar, por otro lado, es un compuesto formado de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Estos átomos se combinan en moléculas de azúcar. Dado que las moléculas de azúcar pueden ser degradadas por medios químicos  en unidades más pequeñas y simples, no podemos tener átomos de azúcar.
Los átomos de cada elemento están formados por electrones, protones y, en la mayoría de los casos, neutrones, que son colectivamente llamadas partículas subatómicas. Además, los electrones, protones y neutrones de un elemento son idénticos a los de cualquier otro elemento. La razón por la que hay diferentes tipos de elementos es que el  número y la disposición de los electrones y protones dentro del átomo son diferentes para los diferentes elementos

El electrón se considera una pequeña carga negativa de electricidad. El protón tiene una carga positiva de electricidad igual y opuesta a la carga del electrón. Los científicos han medido la masa y el tamaño del electrón y el protón, y ellos saben cuánta carga posee cada uno. Cada electrón y protón tiene la misma cantidad de carga, aunque la masa del protón es aproximadamente 1837 veces la del electrón. En algunos átomos existe una partícula neutra llamada neutrón. El neutrón tiene una masa aproximadamente igual a la de un protón, pero no tiene carga eléctrica. Según una teoría popular, los electrones, protones y neutrones de los átomos se piensa que están dispuestos de una manera similar a un sistema solar en miniatura. Los protones y neutrones forman un núcleo pesado con una carga positiva, alrededor de los cuales giran los electrones muy ligeros.
La figura 1-1 muestra un átomo de hidrógeno y un átomo de helio. Cada uno tiene una estructura relativamente simple. El átomo de hidrógeno tiene un solo protón en el núcleo con un electrón que gira alrededor de él. El átomo de helio es un poco más complejo. Tiene un núcleo formado por dos protones y dos neutrones, con dos electrones  rotando alrededor del núcleo. Los elementos se clasifican numéricamente según la complejidad de sus átomos El número atómico de un átomo está determinado por el número de protones en su núcleo.

                                                    


Figura 1-1. — Estructuras de átomos simples.

En un estado neutral, un átomo contiene un número igual de protones y electrones. Por lo tanto, un átomo de hidrógeno, -que contiene un protón y un electrón-, tiene un número atómico de 1; y el helio, con dos protones y dos electrones, tiene un número atómico de 2. La complejidad de la estructura atómica aumenta con el número de protones y electrones.


PREGUNTAS DE CONTROL


P5. ¿Qué es una molécula?
P6. ¿Cuáles son los tres tipos de partículas subatómicas y cuáles son sus cargas?

Niveles de energía

Ya que un  átomo tiene tanto masa como movimiento, contiene dos tipos de energía. En virtud de  su movimiento, el electrón  contiene  ENERGIA CINETICA. La energía total contenida por un electrón (cinética más potencial) es el factor que determina el radio de la órbita electrónica. Para que un electrón permanezca en esta órbita, no debe GANAR ni PERDER energía.
Es bien sabido que la luz es una forma de energía, pero la forma física en que existe esta energía no es conocida.

Una teoría aceptada propone la existencia de la luz como pequeños paquetes de energía llamados FOTONES.
Los fotones pueden contener diversas cantidades de energía. La cantidad depende del color de la luz involucrado. Si un fotón de energía suficiente choca con un electrón orbital, el electrón absorberá la energía del fotón, como se muestra en la figura 1-2. El electrón, que ahora tiene una cantidad mayor a la normal de energía, saltará a una nueva órbita más alejada del núcleo. La primera nueva órbita a la que puede saltar el electrón  tiene un radio cuatro veces mayor que el radio de la órbita original. Si el electrón hubiera recibido una mayor cantidad de energía, la siguiente órbita posible a la que podría saltar tendría un radio nueve veces el radio original. Por lo tanto, se puede considerar que cada órbita representa uno de un gran número de niveles de energía que el electrón puede alcanzar. Se debe enfatizar que el electrón no puede saltar a cualquier órbita. El electrón permanecerá en su órbita más baja hasta que haya una cantidad suficiente de energía disponible, momento en el cual el electrón aceptará la energía y saltará a una de una serie de órbitas permisibles. Un electrón no puede existir en el espacio entre niveles de energía. Esto indica que el electrón no aceptará un fotón de energía a menos que contenga suficiente energía para elevarse a uno de los niveles de energía más altos. El calor, la energía y las colisiones con otras partículas también puede hacer que el electrón salte órbitas.



Figura 1-2. — Excitación por un fotón.

Una vez que el electrón se ha elevado a un nivel de energía superior al nivel de energía más bajo posible,  se dice que el átomo está en un estado excitado. El electrón no permanecerá en esta condición excitada por más de una fracción de segundo antes de que irradie el exceso de energía y regrese a una órbita de energía más baja. Para ilustrar este principio, suponga que un electrón normal acaba de recibir un fotón de energía suficiente para elevarlo
Levántalo del primer al tercer nivel de energía. En un corto período de tiempo, el electrón puede saltar de vuelta al primer nivel emitiendo un nuevo fotón idéntico al que recibió.

Una segunda alternativa sería que el electrón regrese al nivel inferior en dos saltos; desde el tercero al segundo, y luego del segundo al  primero. En este caso el electrón emitiría dos fotones, uno para cada salto. Cada uno de estos fotones tendría menos energía que el fotón original que excitó el electrón.


Este principio se utiliza en la luz fluorescente donde los fotones de luz ultravioleta, que no son visibles para el ojo humano, bombardea una capa de fósforo en el interior de un tubo de vidrio. Los electrones de fósforo, al volver sus órbitas normales, emiten fotones de luz que son visibles. Mediante el uso de los productos químicos adecuados para el revestimiento de fósforo, se puede obtener cualquier color de luz, incluido el blanco. Este mismo principio es también se utiliza para iluminar la pantalla de un tubo de imagen de televisión.

PREGUNTAS DE CONTROL

P7. ¿Cómo se llama la energía del movimiento?
P8. ¿Cómo se cambia la luz invisible a la luz visible en una luz fluorescente?


Capas y Subcapas

La diferencia entre los átomos, en lo que se refiere a su actividad química y estabilidad, es dependiente  del número y posición de los electrones incluidos dentro del átomo. ¿Cómo están estos posicionados  dentro del átomo? En general, los electrones residen en grupos de órbitas llamadas capas. Estas capas tienen una forma elíptica y se supone que están ubicadas a intervalos fijos. Así, las capas están organizadas en pasos que corresponden a niveles fijos de energía. Las capas y la cantidad de electrones requeridos para llenarlas, puede ser predicho por el empleo del principio de exclusión de Pauli. Dicho simplemente, este principio especifica que cada capa contendrá un máximo de 2n2 electrones, donde n corresponde a el número de capa que comienza con el más cercano al núcleo. Por este principio, loas segunda capa, por ejemplo, contendría 2(2)2 u 8 electrones cuando esté lleno.

Además de estar numerados, a las capas también se les da una designación de letras, como se muestra en la figura 1-3.
Comenzando con la capa más cercana al núcleo y avanzando hacia afuera, las capas se etiquetan K, L, M, N,O, P y Q, Respectivamente. Las capas se consideran llenas, o completas, cuando contienen las siguientes cantidades de electrones: dos en la capa K, ocho en la capa L, 18 en la capa M, y así sucesivamente, de acuerdo con el principio de exclusión c Cada una de estas capas es una capa principal y se puede dividir en subcapas, de las cuales hay cuatro, etiquetados s, p, d, y f. Al igual que las capas principales, las subcapas también están limitadas en cuanto al número de electrones que pueden contener. Por lo tanto, la subcapa "s" está completa cuando contiene dos electrones, la subcapa "p" cuando contiene 10, y la subcapa "f" cuando contiene 14 electrones.


  

Figura 1-3. — Designación de las capas.
 
En la medida en que la capa K no puede contener más de dos electrones, debe tener solo una subcapa, la subcapa s . La capa M se compone de tres subcapas: s, p, y d. Si los electrones en las subcapas s, p, y d se agregan, se halla que su total es 18, el número exacto requerido para llenar la capa M. Observe la configuración electrónica para el cobre ilustrada en la figura 1-4. El átomo de cobre contiene 29 electrones, que llenan completamente las tres primeras capas y subcapas, dejando un electrón en la subcapa "s" de la capa N.


Figura 1-4. — Átomo de Cobre
 
 
Valencia

El número de electrones en la capa más externa determina la valencia de un átomo. Por esta razón, la capa externa de un átomo se llama la CAPA DE  VALENCIA; y los electrones contenidos en esta capa son llamados electrones de valencia. La valencia de un átomo determina su capacidad para ganar o perder un electrón, que a su vez determina las propiedades químicas y eléctricas del átomo. Un átomo que está careciendo de solo uno o dos electrones de su capa externa, los ganará fácilmente para completar su capa, pero se requiere una gran cantidad de energía para liberar cualquiera de sus electrones. Un átomo que tiene un número relativamente pequeño de electrones en su capa externa en comparación con la cantidad de electrones necesarios para llenar la capa, perderá  fácilmente estos electrones de valencia. La capa de valencia siempre se refiere a la capa más externa.


PREGUNTA DE CONTROL


P9.  ¿Qué determina la Valencia de un átomo?


Ionización
Cuando el átomo pierde electrones o gana electrones en este proceso de intercambio de electrones, se dice que está IONIZADO. Para que se produzca la ionización, debe haber una transferencia de energía que resulte en un cambio en la energía interna del átomo. Un átomo que tiene más de su cantidad normal de electrones adquiere una carga negativa, y se llama ION NEGATIVO. El átomo que abandona algunos de sus electrones normales se queda con menos cargas negativas que positivas y se llama ION POSITIVO. Así, la ionización es el proceso. por el cual un átomo pierde o gana electrones.

PREGUNTA DE CONTROL


P10. ¿Qué es un ion?