INFORME PREVIO DEL CURSO DE ELECTROTECNIA

ALUMNO: RENZO CANDIOTTI ARANCIBIA

PROFESORA: Ing. Lita

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TEORIA ATOMICA

1. DESCRIBA LA ESTRUCTURA ATOMICA:

La teoría atómica constituyó tan sólo inicialmente una hipótesis de trabajo, muy fecundada en el desarrollo posterior de la Química, pues un fue hasta fines del siglo XIX en que fue universalmente aceptada al conocerse pruebas físicas concluyentes de la existencia real de los átomos. Pero fue entonces cuando se llegó a la conclusión de que los átomos eran entidades complejas formadas por partículas más sencillas y que los átomos de un mismo elemento tenían en muchísimos casos masa distinta. Estas modificaciones sorprendentes de las ideas de Dalton acerca de la naturaleza de los átomos no invalidan en el campo de la Química los resultados brillantes de la teoría atómica.

Los átomos están constituidos por protones, neutrones y electrones. Los protones están cargados positivamente y se encuentran reunidos con los neutrones (sin carga) en el núcleo. Los electrones, que tienen una carga negativa igual en magnitud a la carga positiva del protón, se mueven en el espacio que rodea al núcleo. Los protones y los neutrones tienen masas semejantes, aproximadamente 1800 veces mayor que la masa de un electrón. Casi toda la masa del átomo reside en el núcleo, pero son los electrones los que toman parte en los enlaces y en las reacciones químicas.

Cada elemento se distingue por el número de protones en su núcleo. Por lo general, el número de neutrones es semejante al número de protones, aunque puede variar. Los átomos que tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones se llaman isótopos. Por ejemplo, la especie más común de átomo de carbono tiene en su núcleo seis protones y seis neutrones. Su número de masa (la suma de protones y neutrones) es 12, y representamos su símbolo 12C. Aproximadamente 1% de los átomos de carbono tienen siete neutrones; el número de masa es 13, y el símbolo es 13C.

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL ÁTOMO.

Las propiedades químicas de un elemento se determinan por el número de protones en su núcleo y el correspondiente número de electrones alrededor del mismo. Los electrones son los que forman enlaces y determinan la estructura de las moléculas resultantes. Como son pequeños y livianos, muestran propiedades tanto de partículas como de ondas; en muchos aspectos, los electrones en los átomos y las moléculas se comportan mas como ondas que como partículas.

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Los electrones que están unidos a los núcleos se encuentran en orbítales. El principio de incertidumbre de Heisenberg afirma que nunca se puede determinar con exactitud dónde se encuentra el electrón; pero aun cuando no se conozca su lugar exacto, podemos hablar de la densidad electrónica, que es la probabilidad de encontrar al electrón en una parte determinada del orbital. Por tanto, un orbital es un estado permitido de energía de un electrón, con una función asociada de probabilidad que define la distribución de la densidad electrónica en el espacio.

COMPONENETES DEL ÁTOMO.

Como toda teoría científica útil, la teoría atómica presentaba mas preguntas de las que resolvía. Aun antes de que las ideas de Dalton hubieran sido generalmente aceptadas, filósofos y científicos especulaban si los átomos, diminutos como eran, podrían a su vez ser desintegrados en partículas menores. Casi 100 años hubieron de pasar antes de que se pudiera responder a esto afirmativamente basándose en evidencias experimentales. Tres físicos efectuaron los primeros trabajos en esta área: El inglés J.J. Thomson, Ernest Rutherford, natural de nueva Zelandia y Robert . Millekan.

Las primeras evidencias convincentes de las partículas subatómicas provinieron de experimentos que requerían la conducción de la electricidad a través de gases a bajas presiones. Cuando se vacía parcialmente un tubo de rayos catódicos y se le conecta a una fuente de energía de alto voltaje, como una bobina de chispa, fluye corriente eléctrica a través del tubo.

Acompañando a este flujo eléctrico hay rayos de luz de color, que tienen su origen en el electrodo negativo (cátodo), las propiedades de los rayos catódicos, fueron estudiadas extensamente durante las tres últimas décadas del siglo XIX. En particular, se encontró que estos rayos sufrían una desviación, tanto por los campos eléctricos como los magnéticos. Mediante un estudio cuidadoso de la naturaleza de esta desviación, J. J. Tomson demostró en 1897 que los rayos consistían en una corriente desarticulas negativamente cargadas, que él llamó electrones. Thomson prosiguió para medir la proporción entre masa y carga del electrón, encontrando que

m / e = 5,69 x 10-9 g / culombio

El hecho de que esta relación sea más pequeña, en varios órdenes de magnitud, que la de cualquier otra especie cargada, implica que estamos ante una diminuta partícula subatómica.

En 1909 Millikan determinó la carga del electrón, empleando el experimento con gotas de aceite. Al medir el ritmo al que cae una gota de aceite entre las placas, es posible determinar la carga ejercida sobre la gota. Midió el efecto de un campo eléctrico sobre la frecuencia con la que unas gotas de aceite cargadas caían bajo la influencia de la gravedad. Pariendo de estos datos, calculó la carga de las gotas, encontrando que era siempre un múltiplo integral de la carga más pequeña. Suponiendo que la carga mas pequeña sea la del electrón, llegó a determinar un valor de 1,60 x 10-19 culombios. Combinando

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este número con la razón entre masa y carga ya citada, obtenemos para la masa del electrón:

m = (1,60 x 10-19 culombios) x (5,69 x 10-9 g/ culombios) = 9,11 x 10-28 g

Esto es solo aproximadamente 1/1837 de la masa del átomo más ligero, la del elemento hidrógeno. El electrón es también mucho mas pequeño que el átomo de hidrógeno, con un diámetro de solo 1/10000 del de aquel, o sea aproximadamente 10-12 cm.

La existencia de los electrones ha sido confirmada por muchos experimentos. Los electrones se encuentran entre las partículas (partículas ) emitidas por los átomos que sufren desintegración radiactiva.

NÚCLEO ATÓMICO.

En 1911 Ernest Rutherford y sus estudiantes efectuaron una serie de experimentos que influyeron profundamente en nuestras ideas respecto a la naturaleza de los átomos. Empleando una fuente radiactiva, bombardearon un trozo de delgado papelillo de oro, con partículas alfa (átomos de helio despojados de sus electrones). Con una pantalla fluorescente, observaron la forma en que las partículas eran diseminadas por el papelillo. La mayoría lo atravesaban casi sin sufrir desviación.

Algunas pocas, sin embargo, eran reflejadas hacia atrás del papelillo en ángulos agudos. Los números relativos de partículas reflejadas en ángulos diferentes fueron determinados contando sobre pantalla las escintilaciones (centello) causadas por las partículas individuales. Mediante un bello análisis matemático de las fuerzas electrostáticas que intervenían, Rutherford pudo mostrar que esa dispersión era provocada por un centro de carga positiva dentro del átomo del oro, que tenia una masa casi igual a la del átomo, pero un diámetro (aproximadamente 10-12 cm) de solo 1/10000 del átomo. Se repitió este experimento con resultados similares, empleando laminillas de muchos otros elementos. En esta forma estableció Ruthrford que un átomo contiene un centro masivo, diminuto y de carga positiva, llamado núcleo atómico.

Desde la época de Rutherford hemos aprendido mucho respecto a las propiedades de los núcleos atómicos, aunque todavía no tenemos un cuadro físico claro de las fuerzas que mantienen unido al núcleo. Para nuestros fines, podemos considerar al núcleo:

1. El protón, que tiene una masa casi igual a la del átomo de hidrógeno y lleva una carga positiva unitaria, igual en magnitud, pero designo opuesto a la del electrón.

2. El neutrón, partícula sin carga, con una masa aproximadamente equivalente a la del protón.

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Todos los núcleos contienen un número integral de protones, exactamente igual al número de protones del átomo neutro. En el núcleo de cada átomo de hidrógeno hay un protón; el núcleo de de cada átomo de lawrencio contiene 103 protones. El número de protones del núcleo de un átomo es una propiedad fundamental del elemento correspondiente, conocida como su número atómico.

número atómico = número de protones

En esta forma podremos decir que el número atómico del elemento hidrógeno es 1, en tanto que el del elemento lawrencio es 103.

Los átomos del mismo elemento pueden variar en el número de neutrones que se encuentran en su núcleo. El elemento hidrógeno, por ejemplo, encontramos tres clases diferentes de núcleos atómicos que contienen 0, 1 y 2 neutrones respectivamente. Estas tres especies de denominan a menudo isótopos del elemento hidrógeno. Difieren en masa; el isótopo más pesado de hidrógeno (tritio) tiene una masa aproximadamente tres veces mayor que la del isótopo más ligero. Un átomo de deuterio (un protón, un neutrón) tiene aproximadamente doble peso que un átomo ligero de hidrógeno (un protón, cero neutrones).

Como otro ejemplo, diremos que dos bien conocidos isótopos de uranio, el uranio-235, contiene ambos el mismo número de protones, 92, pero difieren en el número de neutrones, 143 en uno y 146 en el otro.

El número de masa de un núcleo se encuentra sumando los números de protones y neutrones.

número de masa = número e protones + número de neutrones

Los tres isótopos de hidrógeno tienen números de masa de 1, 2 y 3, respectivamente, en tanto que los números de masa de los dos isótopos de uranio son:

“isótopo ligero”: número de masa = 92 + 143 = 235 (uranio-235)

“isótopo pesado”: número de masa = 92 + 146 = 238 (uranio-238)

A menudo indicamos la composición de un núcleo escribiendo el número atómico en la parte inferior izquierda del símbolo del elemento, y el número de masa en la parte izquierda superior. Para las especies de que hemos trabajado, escribiríamos:

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2. DEFINA EL PRINCIPIO DE PAULI:

El principio de exclusión de Pauli, fue desarrollado por el físico austriaco Ernst Pauli en el año 1925. Este principio de la cuántica dice que dos partículas (concretamente fermiones) que tiene los números cuánticos con los que constan idénticos, no pueden existir.

Esto significa que dos electrones ( fermiones) que se encuentren en un átomo no podrán poseer a la vez iguales números cuánticos. Este hecho explicaría que los electrones se dispersen en capas o niveles en torno al núcleo del átomo y por lo cual, los átomos que posean mayor número de electrones ocupen mayor espacio, debido a que aumenta el número de capas de las que consta el átomo. El número máximo de electrones que puede tener una capa o nivel es de 2n^2.

Para poder describir de forma completa al electrón dentro del átomo de hidrógeno, necesitamos introducir obligatoriamente un cuarto número cuántico a los ya conocidos. Dicho cuarto número cuántico se representa por las letras ms, y es conocido como el número cuántico de spin, el cual se encuentra relacionado estrechamente con las propiedades magnéticas que presentan los electrones. El número cuántico ms, tan sólo puede tener dos valores diferentes, +1/2 o -1/2. A los electrones cuyos valores de ms son iguales, se dice que cuentan con lo que se conoce como spines paralelos, sin embargo, si los valores que presenta ms son distintos se dice que poseen spines opuestos o también llamados anti paralelos.

Para poder describir a un orbital, se necesitan tres números cuánticos ( los números n, l y ml), a la vez que un electrón que se encuentra en un átomo viene dado por una combinación de cuatro números cuánticos, los tres principales más el número ms. El principio de exclusión de Pauli nos dice que en un átomo es imposible que coexistan dos electrones con los cuatro números cuánticos idénticos. Según establece este principio, en un orbital de tipo atómico, que se encuentra determinado por los números cuánticos n, l, y ml, solamente pueden haber dos electrones: uno de ellos con un spin positivo +1/2 y otro con su contrario spin negativo -1/2.

Entonces decimos que cada uno de los tipos de orbitales solamente puede contener 2 electrones como máximos, los cuales deberán obligatoriamente tener spines contrarios. Estos electrones tendrán todos sus números cuánticos iguales , y tan sólo se diferenciarán en el número cuántico ms ( spin).

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Para entenderlo mejor, cuando distribuimos los electrones por capas, representamos un orbital con una flecha hacia arriba y otra hacia abajo, lo cual nos indicará que hay dos electrones en dicho orbital, pero que poseen spines diferentes. Este tipo de representación se conoce como configuración electrónica. Para realizar dicha representación de llenado de orbitales electrónicos, se comienza llenado el orbital S,, para seguidamente continuar con el siguiente orbital. Vamos insiriendo los electrones de uno en uno hasta completar enteramente el espacio del que cuenta el orbital

El principio de exclusión de Pauli también explica la estabilidad de la que constan los orbitales atómicos, así como la presión que realiza la materia degenerada

3. DESCRIBA LA DIFERENCIA ENTRE UN AISLANTE, UN SEMICONDUCTOR Y UN CONDUCTOR:

Los conductores tienen la propiedad física de conducir los electrones debido a que un la ultima órbita comúnmente pueden tener más de cuatro y hasta ocho electrones lo cual les da esta característica, la mayoría de los metales son excelentes conductores porque sus átonos están muy junto entonces aunado a la característica anterior funcionan muy bien para conducir electrones. El mejor conductor es el oro.

Los semiconductores tienen la característica de que en su ultima órbita solamente tienen cuatro electrones, por lo cual mezclados con otros materiales funcionan ya sea como aislante o conductores, los materiales semiconductores son cristales como el silicio y germanio de los cuales se pueden dopar con otro material para forma los materiales llamados P o N (depende el dopaje) comúnmente usados en la electrónica.

Los materiales aislantes reducen la conducción eléctrica debido a a que en su ultima órbita tienen menos de cuatro electrones por lo cual no son buenos conductores, el mejor material aislante es la porcelana.

Es importante saber que no existen materiales ideales (ni conductores ni aislantes), es decir que no conducen ni aislan al 100%.

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4. DEFINA EL PORTADOR LIBRE, MATERIAL INTRINSECO, MATERIAL EXTRINSECO, BANDA DE VALENCIA, BANDA DE CONDUCCION Y BANDA PROHIBIDA

Portador de carga denota en física una partícula libre (móvil y no enlazada) portadora de una carga eléctrica. Como ejemplo los electrones y los iones. En la física de semiconductores, los huecos producidos por falta de electrones son tratados como portadores de carga.

En soluciones iónicas, los portadores de carga son los cationes y aniones disueltos. Similarmente, los cationes y aniones de los líquidos disociados sirven como portadores de carga en líquidos y en sólidos iónicos derretidos.

En el plasma, así como en el arco eléctrico, los electrones y cationes del gas ionizado y del material vaporitado de los electrodos actúan como portadores de carga.

En vacío, en un arco eléctrico o en un tubo de vacío, los electrones libres actúan como portadores de carga.

Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:

1. Intrínsecos2. Extrínsecos

Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

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Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"

Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas". 

Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una

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oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos. integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de. minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en. transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en. transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro. de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).

Durante mucho tiempo se empleó también el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica.

Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de selenio.

Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

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Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un diodo láser de arseniuro de galio (GaAs) empleado para leer datos de texto, presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración el. CD se ha sustituido por un disco similar transparente de plástico común.

En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico.

Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

La teoría de bandas está basada en la mecánica cuántica y procede de la teoría de los orbitales moleculares (TOM). En esta teoría, se considera el enlace metálico como un caso extremo del enlace covalente, en el que los electrones de valencia son compartidos de forma conjunta y simultánea por todos los cationes. Desaparecen los orbitales atómicos y se forman orbitales moleculares con energías muy parecidas, tan próximas entre ellas que todos en conjunto ocupan lo que se franja de denomina una “banda de energía”.

Aunque los electrones van llenando los orbitales moleculares en orden creciente de energía, estas son tan próximas que pueden ocupar cualquier posición dentro de la banda.

La banda ocupada por los orbitales moleculares con los electrones de valencia se llama banda de valencia, mientras que la banda formada por los

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orbitales moleculares vacíos se llama banda de conducción. A veces, ambas bandas se solapan energéticamente hablando.

Este modelo explica bastante bien el comportamiento eléctrico no solo de las sustancias conductoras sino también de las semiconductoras y las aislantes.

En los metales, sustancias conductoras, la banda de valencia se solapa energéticamente con la banda de conducción que está vacía, disponiendo de orbitales moleculares vacíos que pueden ocupar con un mínimo aporte de energía, es decir, que los electrones están casi libres pudiendo conducir la corriente eléctrica.

En los semiconductores y en los aislantes, la banda de valencia no se solapa con la de conducción. Hay una zona intermedia llamada banda prohibida.

En los semiconductores, como el Silicio o el Germanio, la anchura de la banda prohibida no es muy grande y los electrones con suficiente energía cinética pueden pasar a la banda de conducción, por esa razón, los semiconductores conducen la electricidad mejor en caliente. Sin embargo, en los aislantes, la banda prohibida es tan ancha que ningún electrón puede saltarla. La banda de conducción está siempre vacía.

BIBLIOGRAFIA

http://www.100ciaquimica.net/temas/tema4/punto5c.htm

https://espanol.answers.yahoo.com/question/index?qid=20081116164355AArKmBd

http://html.rincondelvago.com/estructura-atomica_2.html

http://quimica.laguia2000.com/general/principio-de-exclusion-de-pauli

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