sábado, 8 de noviembre de 2008
lunes, 13 de octubre de 2008
4.TABLA DE RESISTIVIDADES DE MATERIALES, TABLA DE CONDUCTORES Y TABLA DE CLASIFICACIÓN DE AISLANTES.
TABLA CONDUCTIVIDAD
TABLA RESISTIVIDAD
TABLA UNIDADES DE MEDIDA
TABLA CONDUCTIVIDAD Y RESISTIVIDAD
PERMEABILIDAD MAGNETICA
TABLA DE RESISTENCIA SEGUN COLORES
TABLA MATERIALES AISLANTES
TABLA MATERIALES AISLANTES
3. CONDUCTIVIDAD, RESISTIVIDAD, RESISTENCIA Y CONDUCTANCIA, MODELO MATEMÁTICO, UNIDADES EN EL SISTEMA INTERNACIONAL Y UNIDADES DIMENSIONALES.
Ley de Ohm
Resistencia y resistividad
. Conductancia y conductividad
Variaciones de la resistencia con la temperatura
2. CONDUCTORES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES EN FUNCIÓN DEL ESTADO DE LOS ELECTRONES EN LOS CUERPOS MATERIALES.
MATERIALES CONDUCTORES
Conductores: En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.
Conductores sólidos: Metales
Características físicas:
estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido.
opacidad, excepto en capas muy finas.
buenos conductores eléctricos y térmicos.
brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido.
dureza o resistencia a ser rayados;
resistencia longitudinal o resistencia a la rotura;
elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir deformación;
maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo; (puede batirse o extenderse en planchas o laminas)
resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión continuadas
ductilidad: permite su deformación forzada, en hilos, sin que se rompa o astille.
Características químicas:
Valencias positivas: Tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan.
Tienden a formar óxidos básicos.
Energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo electrones para formar iones positivos o cationes
Características eléctricas:
mucha resistencia al flujo de electricidad.
todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos.
superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes
La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica.
Ejemplos de metales conductores: Cobre. Este material es un excelente conductor de las señales eléctricas y soporta los problemas de corrosión causados por la exposición a la intemperie, por eso se usa para los cables. También el aluminio es un buen conductor. La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta (a temperatura ordinaria) la plata.
Conductores líquidos:
El agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actúan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidad.
Algunos otros líquidos pueden tener falta o exceso de electrones que se desplacen en el medio. Son iones, que pueden ser cationes, (+) o aniones (-).
Conductores gaseosos:
Valencias negativas (se ioniza negativamente)
En los gases la condición que implica el paso de una corriente se conoce como el fenómeno de descarga o "ruptura" eléctrica del gas: paso de un comportamiento no conductor (baja corriente) a conductor.
Tienden a adquirir electrones
Tienden a formar óxidos ácidos.
Ejemplos: Nitrógeno, cloro, Neón (ionizados)
MATERIALES SEMICONDUCTORES
Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo.
Para incrementar el nivel de la conductividad se provocan cambios de temperatura, de la luz o se integran impurezas en su estructura molecular.
Estos cambios originan un aumento del numero de electrones liberados (o bien huecos) conductores que transportan la energía eléctrica.
Los cuatro electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están en parejas y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido.
Para producir electrones de conducción, se utiliza energía adicional en forma de luz o de calor (se maneja como temperatura), que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transportar su propia energía.
Cada electrón de valencia que se desprende de su enlace covalente deja detrás de sí un hueco, o dicho en otra forma, deja a su átomo padre con un electrón de menos, lo que significa entonces que en ese átomo existirá un protón de más.
Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la temperatura.
Los cristales semiconductores de dividen en intrínsecos y extrínsecos. Un cristal intrínseco es aquél que se encuentra puro (aunque no existe prácticamente un cristal 100% puro); es decir, no contiene impurezas; mientras que un cristal extrínseco es aquél que ha sido impurificado con átomos de otra sustancia. Al proceso de impurificación se le llama también dopado, y se utiliza para obtener electrones libres que sean capaces de transportar la energía eléctrica a otros puntos del cristal.
Los materiales extrínsecos se dividen en “tipo n” y “tipo p”.
La diferencia del número de electrones entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción negativos o positivos.
Si aumenta el número de electrones de conducción negativos, entonces el material es tipo n; y si aumenta el numero de cargas positivas (lagunas), es un material tipo p.
Ejemplos:
Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia. Se requieren dos para formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo como el del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y proporciona electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o huecos que se comportan como electrones positivos. Los electrones o los huecos pueden conducir la electricidad.
Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y tipo n son adyacentes, forman un diodo de semiconductor, y la región de contacto se llama unión pn. Un diodo es un dispositivo de dos terminales que tiene una gran resistencia al paso de la corriente eléctrica en una dirección y una baja resistencia en la otra.
Las propiedades de conductividad de la unión pn dependen de la dirección del voltaje, que puede a su vez utilizarse para controlar la naturaleza eléctrica del dispositivo
Algunas series de estas uniones se usan para hacer transistores y otros dispositivos semiconductores como células solares, láseres de unión pn y rectificadores.
Los dispositivos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la ingeniería eléctrica. Los últimos avances de la ingeniería han producido pequeños chips semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. Estos chips han hecho posible un enorme grado de miniaturización en los dispositivos electrónicos.
MATERIALES AISLANTES
Presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre.
Aislantes sólidos:
En los sistemas de aislación de transformadores destacan las cintas sintéticas PET (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno) y PPS (sulfido de polifenileno) que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos.
Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado o pressboard, el cual da forma a estructuras de aislación rígidas.
Aislantes líquidos:
Las propiedades físicas de los dieléctricos líquidos como por ejemplo: peso específico, conductibilidad térmica, calor específico, constante dieléctrica, viscosidad, dependen de su naturaleza, es decir de la composición química, pero su rigidez dieléctrica, además está ligada a factores externos como por ejemplo: impureza en suspensión, en solución, humedad, etc., que, generalmente, reducen su valor, degradando la característica importante.
Los fluidos o líquidos dieléctricos cumplen la doble función de aislar los bobinados en los transformadores y disipar el calor al interior de estos equipos.
El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable.
Fluídos dieléctricos sintéticos, (hidrocarburos) con alto punto de inflamación.
El líquido aislante sintético más utilizado desde principios de la década de 1930 hasta fines de los 70's fue el Ascarel o PCB, que dejo de usarse por ser muy contaminante.
Entre los nuevos líquidos sintéticos destacan las siliconas y los poly-alfa-olefines. Tienen un alto costo, eso dificulta su masificación.
Aislantes gaseosos:
Los gases aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas.
El SF6 (hexafluoruro de azufre) es otro gas aislante que se caracteriza por ser incoloro, inodoro, no toxico, química y fisiológicamente inerte, no corrosivo no inflamable y no contaminante. Por sus características dieléctricas es ideal como medio aislante, tiene una rigidez dieléctrica muy elevada, tanto a la frecuencia industrial como a impulso, gracias a su peculiar característica de gas electronegativo. Con la captura de los electrones libres la molécula de SF6 se transforma en iones negativos pesados, y por lo tanto poco móviles. La rigidez dieléctrica del SF6 a la frecuencia industrial es por lo menos dos veces y media la del aire a la presión de 5 kg/cm2, condición que permite lograr un dado nivel de aislamiento con presiones relativamente bajas, lo cual implica sistemas de contención simples y de completa confiabilidad. Este gas tiene menor capacidad de disipación de calor que el aceite mineral, situación que se puede mejorar aumentando la presión del SF6 en el tanque del transformador.
Materiales conductores: Metales, Hierro, Mercurio, Oro, Plata, Cobre, Platino, Plomo
1. ESTRUCTURA DE LA MATERIA, MOLÉCULA, ÁTOMO, ELECTRONES, PROTONES Y NEUTRONES.
Átomos y Moléculas:
Aproximadamente
En 1808, el maestro de escuela inglés, Jhon Dalton, publicó las primeras ideas "modernas" acerca de la existencia y naturaleza de los átomos. Resumió y amplió los vagos conceptos de antiguos filósofos y científicos. Esas ideas forman la base de
Los postulados de Dalton se pueden enunciar:
Un elemento está compues
to de partículas pequeñas e indivisibles llamadas átomos.
Todos los átomos de un elemento dado tienen propiedades idénticas, las cuales difieren de las de átomos de otros compuestos
Los átomos de un elemento no pueden crearse, ni destruirse o transformarse en átomos de otros elementos.
Los compuestos se forman cuando átomos de elementos diferentes se combinan entre sí en una proporción fija.
Los números relativos y tipos de átomos son constantes en un compuesto dado.
En la época de Dalton se conocían
En ese tiempo algunos de sus postulados no pudieron verificarse (o refutarse) experimentalmente, ya que se basaron en limitadas observaciones experimentales de su época. Aún con sus limitaciones, los postulados de Dalton constituyen un marco de referencia que posteriormente los científicos pudieron modificar o ampliar.
Por esta razón se considera a Dalton como el padre de
La partícula más pequeña de un elemento que mantiene su identidad química a través de todos los cambios químicos y físicos se llama: Átomo. En casi todas las moléculas, dos o más átomos se unen entre sí formando unidades discretas muy pequeñas (partículas) que son eléctricamente neutras. Una Molécula es la partícula más pequeña de un compuesto o elemento que tiene existencia estable o independiente.
Un átomo de oxígeno no puede existir sólo a temperatura ambiente y presión atmosférica normal; por tanto, cuando se mezclan átomos de oxígeno en esas condiciones, de inmediato se combinan en pares. El oxígeno que se conoce está formado por dos átomos de oxígeno; es una molécula diatómica O2. Otros de moléculas diatómicas son: al hidrógeno, el nitrógeno, el flúor, el cloro, el bromo y el yodo.
Otros elementos existen como moléculas más complejas; por ejemplo el fósforo forma moléculas de cuatro átomos y el azufre moléculas de ocho átomos en condiciones de temperatura y presión normales. Las moléculas que contienen más de dos átomos se denominan moléculas poliatómicas.
Los átomos son los componentes de las moléculas, y estás a su vez son los componentes de los elementos y de la mayor parte de los compuestos. A simple vista es posible observar las muestras de compuestos y elementos, formadas por grandes números de átomos y moléculas. Con el microscopio electrónico es posible en la actualidad ver los átomos.
Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior
Partículas Fundamentales:
Las partículas fundamentales de un átomo son los bloques constituyentes básicos de cualquier átomo. El átomo, y por tanto toda la materia está formado principalmente por tres partículas fundamentales: electrones, neutrones y protones. El conocimiento de la naturaleza y la forma en que funcionan es fundamental para comprender las interacciones químicas.
La masa y las cargas de las tres partículas fundamentales se muestran en la siguiente tabla.
Partícula
Masa (uma)
Carga
(Escala Relativa)
Electrón (e-)
0.00054858
1-
Protón (p+)
1.0073
1+
Neutrón (nº)
1.0087
Ninguna
La masa del electrón es muy pequeña en comparación con la masa del protón o del neutrón. La carga del protón es de magnitud igual pero de signo opuesto a la carga del electrón. Procederemos a estudiar estas partículas con mayor detalle.
El Electrón:
El electrón, comúnmente representado como e− es una partícula subatómica. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto de protones y neutrones. Los electrones tienen la carga eléctrica más pequeña, y su movimiento genera corriente eléctrica. Dado que los electrones de las capas más externas de un átomo definen las atracciones con otros átomos, estas partículas juegan un papel primordial en la química.
Historia y descubrimiento del electrón:
La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la electroquímica. El electrón fue descubierto por Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de
Aunque Stoney había propuesto la existencia del electrón fue Thomson quién descubrió su carácter de partícula fundamental. Para confirmar la existencia del electrón era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. Este objetivo fue alcanzado por Millikan en el célebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909.
George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria del electrón probando la dualidad onda-corpúsculo postulada por la mecánica cuántica. Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física de 1937.
El spin del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern-Gerlach. Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro, y la corriente generada por su movimiento con un galvanómetro.
Los electrones y la práctica
Propiedades y comportamiento de los electrones
El electrón tiene una carga eléctrica negativa de −1.6 × 10−19 culombios y una masa de 9.10 × 10−31 Kg. (0.51 MeV/c2), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protón. El electrón tiene un spin 1/2, lo que implica que es un fermión, es decir, que se le puede aplicar la estadística de Fermi-Dirac.
Aunque la mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vacío. En algunos superconductores los electrones se mueven en pareja.
Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del átomo se desplazan y hay un flujo neto de ellos en una dirección, este flujo se llama corriente eléctrica. La electricidad estática no es un flujo de electrones. Es más correcto definirla como "carga estática", y está causada por un cuerpo cuyos átomos tienen más o menos electrones de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los núcleos de sus átomos. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el cuerpo está cargado negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo está cargado positivamente.
Si el número total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo está en un estado eléctricamente neutro. Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotón. De manera inversa, un fotón de alta energía puede transformarse en un electrón y un positrón.
El electrón es una partícula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensión espacial.
Sin embargo, en las cercanías de un electrón pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto común a todas las partículas elementales: la partícula influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partícula más las causadas por el efecto del vacío que la rodea.
Hay una constante física llamada radio clásico del electrón, con un valor de 2.8179 × 10−15 metros. Es preciso tener en cuenta que éste es el radio que se puede inferir a partir de la carga del electrón descrito desde el punto de vista de la electrodinámica clásica, no de la mecánica cuántica. Por esta constante se refiere a un concepto desfasado, aunque útil para algunos cálculos.
Electrones en el Universo: Se cree que el número total de electrones que cabrían en el universo conocido es del orden de 10130.
Electrones en la vida cotidiana: La corriente eléctrica que suministra energía a nuestros hogares está originada por electrones en movimiento. El tubo de rayos catódicos de un televisor se basa en un haz de electrones en el vacío desviado mediante campos magnéticos que impacta en una pantalla fosforescente. Los semiconductores utilizados en dispositivos tales como los transistores Más información en: Electricidad
Electrones en la industria: Los haces de electrones se utilizan en soldaduras.
Electrones en el laboratorio: El microscopio electrónico, que utiliza haces de electrones en lugar de fotones, permite ampliar hasta 500.000 veces los objetos. Los efectos cuánticos del electrón son la base del microscopio de efecto túnel, que permite estudiar la materia a escala atómica.
El Protón:
Partícula nuclear con carga positiva igual en magnitud a la carga negativa del electrón; junto con el neutrón, está presente en todos los núcleos atómicos. Al protón y al neutrón se les denomina también nucleones. El núcleo del átomo de hidrógeno está formado por un único protón. La masa de un protón es de 1,6726 × 10-
El número atómico de un elemento indica el número de protones de su núcleo, y determina de qué elemento se trata. En física nuclear, el protón se emplea como proyectil en grandes aceleradores para bombardear núcleos con el fin de producir partículas fundamentales. Como ion del hidrógeno, el protón desempeña un papel importante en la química.
El antiprotón, la antipartícula del protón, se conoce también como protón negativo. Se diferencia del protón en que su carga es negativa y en que no forma parte de los núcleos atómicos. El antiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, cuando un antiprotón colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve. Si bien la existencia de esta partícula elemental se postuló por primera vez en la década de 1930, el antiprotón no se identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación de
Los protones son parte esencial de la materia ordinaria, y son estables a lo largo de periodos de miles de millones, incluso billones, de años. No obstante, interesa saber si los protones acaban desintegrándose, en una escala temporal de 1033 años o más. Este interés se deriva de los actuales intentos de lograr teorías de unificación que combinen las cuatro interacciones fundamentales de la materia en un único esquema.
Muchas de las teorías propuestas implican que el protón es, en último término, inestable, por lo que los grupos de investigación de numerosos aceleradores de partículas están llevando a cabo experimentos para detectar la desintegración de un protón. Hasta ahora no se han encontrado pruebas claras; los indicios observados pueden interpretarse de otras formas.
El Neutrón:
El Neutrón es una partícula eléctricamente neutra, de masa 1.838,4 veces mayor que la del electrón y 1,00014 veces la del protón; juntamente con los protones, los neutrones son los constitutivos fundamentales del núcleo atómico y se les considera como dos formas de una misma partícula: el nucleón.
La existencia de los neutrones fue descubierta en 1932 por Chadwick; estudiando la radiación emitida por el berilio bombardeado con partículas, demostró que estaba formada por partículas neutras de gran poder de penetración, las cuales tenían una masa algo superior a la del protón.
El número de neutrones en un núcleo estable es constante, pero un neutrón libre, en decir, fuera del núcleo, se desintegra con una vida media de unos 1000 segundos, dando lugar a un protón, un electrón y un neutrino.
En un núcleo estable, por el contrario, el electrón emitido no tiene la energía suficiente para vencer la atracción colombiana del núcleo y los neutrones no se desintegran. La fuente de neutrones de mayor intensidad disponible hoy día es el reactor nuclear. El proceso fundamental que conduce a la producción de energía nuclear es la fisión de un núcleo de uranio originado por un neutrón: en la fisión el núcleo se escinde en dos partes y alrededor de tres neutrones por término medio (neutrones rápidos); los fragmentos resultantes de la escisión emiten, además otros neutrones.
Los neutrones como todas las radiaciones, producen daños directos, provocando reacciones nucleares y químicas en los materiales alcanzados. Una particularidad de los neutrones es la de producir en los materiales irradiados sustancias radioactivas de vida media muy larga. De ahí que los daños más graves producidos por las explosiones nucleares sean los provocados por neutrones en cuanto que las sustancias transformadas en radiactivas por su acción pueden ser asimiladas por organismos vivientes; pasado cierto tiempo, estas sustancias se desintegran y provocan en el organismo trastornos directos y mutaciones genéticas
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