4. Tabla de resistividades de materiales, tabla de conductores y tabla de clasificación de aislantes.

TABLA DE CONDUCTIVIDAD

2. Conductores, aislantes y semiconductores en función del estado de los electrones en los cuerpos materiales.

DEFINICION:

Al separar dos átomos (de carga n) considerablemente no interactúan entre sí y sus niveles de energía se pueden considerar casi nulos, o sea, como aislados pero al juntar estos dos átomos, sus órbitas exteriores empezaran a traslaparse y al llegar a una interacción bastante intensa forman dos niveles diferentes (n). Al realizar esto con un gran numero de átomos ocurre algo similar. Conforme los átomos se acercan unos a otros, los diversos niveles de energía atómicos empiezan a dividirse. A esta división es a lo que podemos llamar una Banda, y el ancho de esta banda de energía que surge de un nivel de energía atómica particular es independiente del número de átomos en un sólido. El ancho de una banda de energía depende sólo de las interacciones de vecinos cercanos, en tanto que el número de niveles dentro de la banda depende del número total de partículas interactuando.

En otras palabras seria lo mismo decir que los electrones pueden ocupar un número discreto de niveles de energía, pueden tener solamente aquellas energías que caen dentro de las bandas permitidas. La banda donde se mueven normalmente los electrones de valencia se conoce como banda de valencia, y los electrones que se mueven libremente y conducen la corriente se mueven en la banda de conducción.

Conductores: Para los conductores la banda de conducción y la de valencia se traslapan, en este caso, el traslape favorece ya que así los electrones se mueven por toda la banda de conducción.

Aislantes: En este caso las bandas de valencia y conducción se encuentran muy bien separadas lo cual casi impide que los electrones se muevan con mayor libertad y facilidad.

Semiconductores: En el caso de los semiconductores estas dos bandas se encuentran separadas por una brecha muy estrecha y esta pequeña separación hace que sea relativamente fácil moverse, no con una gran libertad pero no les hace imposible el movimiento.



TIPOS DE SEMICONDUCTORES

Primero que nada tenemos que definir claramente lo que es un semiconductor el cual no es más que un material ya sea sólido o liquido con una resistividad intermedia entre la de un conductor y la de un aislador.

Gracias a los semiconductores la tecnología del estado sólido a sido reemplazada por completo a los tubos al vació, estos materiales están formados por electrones externos de un átomo, y los cuales son conocidos como electrones de valencia.

Existen dos tipos de semiconductores los de tipo N y los de tipo P y la unión de estos dos formando así un tercero llamado unión PN.

SEMICONDUCTOR TIPO N:

Este tipo de semiconductor trata de emparejar los materiales con respecto a sus cargas y lo realiza con enlace de impurezas a ambos materiales. Por lo tanto, la impureza puede donar cargas con carga negativa al cristal, lo cual nos explica el nombre de tipo N (por negativo).

El material semiconductor de tipo N comercial se fabrica añadiendo a un cristal de silicio pequeñas cantidades controladas de una impureza seleccionada. A estas impurezas también se les llama contaminantes, claro así se le llaman a las impurezas que se agregan intencionalmente. Los contaminantes de tipo N mas comunes son el fósforo, arsénico y antimonio. A estos semiconductores se les conoce también como donadores, y como este nombre lo indica estos semiconductores pasas cargas a el material que le hace falta para así poder emparejar este material, y es por eso que se les conoce mayormente como donadores.


SEMICONDUCTOR TIPO P:

El semiconductor tipo P se produce también comercialmente por el proceso de contaminación, en este caso el contaminante tiene una carga menos que el semiconductor tipo N, entre los mas comunes podemos encontrar el aluminio, boro, galio y el indio. Conocidos como aceptores el cual contiene espacios y necesita que sean llenados para emparejar el material.

SEMICONDUCTOR UNION PN:

Al combinar los materiales de tipo P y N se obtienen datos y cosas muy curiosas pero lo mas importante y relevante es la formación del tipo unión PN. Una unión se compone de tres regiones semiconductoras, la región tipo P, una región de agotamiento y la región tipo N.

La región de agotamiento se forma al unir estos dos materiales y aquí es donde los átomos que le sobran al tipo N pasan a llenar los espacios que deja el tipo P así complementándose uno con otro. Lo mas importante de la unión es su capacidad para pasar corriente en una sola dirección.

CLASES DE AISLANTES


1Antes que nada tenemos que definir claramente lo que es un aislante y no son mas que cualquier material que conduce mal el calor o la electricidad y que se emplea para suprimir su flujo, o sea, que las cargas se mueven con mucha dificultad.

1 Son aquellos materiales en los cuales los electrones no se desprenden fácilmente, aún aplicando una diferencia de potencial, es decir, una presión eléctrica elevada.

Las dos clases de aislantes mas importantes que existen son:

Aislantes Eléctricos.

Aislantes Térmicos.

AISLANTES ELÉCTRICOS

Como su nombre lo dice es perfecto para las aplicaciones eléctricas y sería aun mas perfecto si fuera absolutamente no conductor, pero claro ese tipo de material no existe. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad, pero 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. Un buen aislante apenas poseen electrones permitiendo así el flujo continuo y rápido de las cargas.

En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento aislante para los cables. Los cables muy finos, como los empleados en las bobinas (por ejemplo, en un transformador), pueden aislarse con una capa delgada de barniz. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta tensión se aislan con vidrio, porcelana u otro material cerámico.

La elección del material aislante suele venir determinada por la aplicación. El polietileno y poliestireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia, y el mylar se emplea en condensadores eléctricos. También hay que seleccionar los aislantes según la temperatura máxima que deban resistir. El teflón se emplea para temperaturas altas, entre 175 y 230 ºC. Las condiciones mecánicas o químicas adversas pueden exigir otros materiales. El nylon tiene una excelente resistencia a la abrasión, y el neopreno, la goma de silicona, los poliésteres de poxy y los poliuretanos pueden proteger contra los productos químicos y la humedad.

AISLANTES TÉRMICOS

Los materiales de aislamiento térmico se emplean para reducir el flujo de calor entre zonas calientes y frías. Por ejemplo, el revestimiento que se coloca frecuentemente alrededor de las tuberías de vapor o de agua caliente reduce las pérdidas de calor, y el aislamiento de las paredes de una nevera o refrigerador reduce el flujo de calor hacia el aparato y permite que se mantenga frío.

El aislamiento térmico puede cumplir una o más de estas tres funciones: reducir la conducción térmica en el material, que corresponde a la transferencia de calor mediante electrones; reducir las corrientes de convección térmica que pueden establecerse en espacios llenos de aire o de líquido, y reducir la transferencia de calor por radiación, que corresponde al transporte de energía térmica por ondas electromagnéticas. La conducción y la convección no tienen lugar en el vacío, donde el único método de transferir calor es la radiación. Si se emplean superficies de alta reflectividad, también se puede reducir la radiación. Por ejemplo, puede emplearse papel de aluminio en las paredes de los edificios. Igualmente, el uso de metal reflectante en los tejados reduce el calentamiento por el sol. Los termos o frascos Dewar impiden el paso de calor al tener dos paredes separadas por un vacío y recubiertas por una capa reflectante de plata o aluminio.

El aire presenta unas 15.000 veces más resistencia al flujo de calor que un buen conductor térmico como la plata, y unas 30 veces más que el vidrio. Por eso, los materiales aislantes típicos suelen fabricarse con materiales no metálicos y están llenos de pequeños espacios de aire. Algunos de estos materiales son el carbonato de magnesio, el corcho, el fieltro, la guata, la fibra mineral o de vidrio y la arena de diatomeas. El amianto se empleó mucho como aislante en el pasado, pero se ha comprobado que es peligroso para la salud y ha sido prohibido en los edificios de nueva construcción de muchos países.

En los materiales de construcción, los espacios de aire proporcionan un aislamiento adicional; así ocurre en los ladrillos de vidrio huecos, las ventanas con doble vidrio (formadas por dos o tres paneles de vidrio con una pequeña cámara de aire entre los mismos) y las tejas de hormigón (concreto) parcialmente huecas. Las propiedades aislantes empeoran si el espacio de aire es suficientemente grande para permitir la convección térmica, o si penetra humedad en ellas, ya que las partículas de agua actúan como conductores. Por ejemplo, la propiedad aislante de la ropa seca es el resultado del aire atrapado entre las fibras; esta capacidad aislante puede reducirse significativamente con la humedad.

Los costes de calefacción y aire acondicionado en las viviendas pueden reducirse con un buen aislamiento del edificio. En los climas fríos se recomiendan unos 8 cm de aislamiento en las paredes y entre 15 y 20 cm de aislamiento en el techo.

Recientemente se han desarrollado los llamados superaislantes, sobre todo para su empleo en el espacio, donde se necesita protección frente a unas temperaturas externas cercanas al cero absoluto. Los tejidos superaislantes están formados por capas múltiples de mylar aluminizado, cada una de unos 0,005 cm de espesor, separadas por pequeños espaciadores, de forma que haya entre 20 y 40 capas por centímetro.


INTRODUCCION

El siguiente trabajo de investigación que se presenta es sobre Conductores, Semiconductores y Aislantes, en el cual se maneja lo que es Teoría de Bandas de cada uno de los tres materiales, una lista de conductores del de mayor calidad al de menor, los tres tipos de semiconductores existentes que son muy útiles en nuestros tiempos y las diferentes clases de aislantes que como se vera mas adelante una de ellos nos ahorra grandes cantidades de dinero y muchos recursos.

CONCLUSIONES

Un conductor es un material a través del cual se transfiere fácilmente la carga.

Un aislante es un material que se resiste al flujo de carga.

Un semiconductor es un material intermedio en su capacidad para transportar carga.

Un semiconductor tipo N contiene impurezas donadoras y electrones libres.

Un semiconductor tipo P esta formado por átomos aceptores y por huecos faltantes de electrones.

Los tipos de aislantes son dos: Eléctricos y Térmicos.

1. Estructura de la materia, molécula, átomo, electrones, protones y neutrones.

Introducción:

Suponga que toma una muestra del elemento cobre y se divide en pedazos cada vez más pequeños. Antes de 1800, se pensaba que la materia era continua, es decir que podía ser dividida en infinitas partes más pequeñas sin cambiar la naturaleza del elemento. Sin embargo, alrededor de 1803 ganó aceptación la teoría de un científico inglés llamado Jhon Dalton (17766-1844). La naturaleza de la materia y la forma en que los elementos se combinaban, sugería la existencia de un límite a lo que un elemento podía subdividirse.

Ahora sabemos que al dividir una muestra de cobre en trozos cada vez más pequeños, finalmente se encuentra una unidad básica que no puede ser dividida sin cambiar la naturaleza del elemento. Esta unidad básica se llama Átomo. Un átomo es la partícula más pequeña que puede existir de un elemento conservando las propiedades de dicho elemento.

Para esta unidad se tienen dos objetivos, primero se examinará la naturaleza de átomo en la forma que se encuentra en los elementos y compuestos. Luego se verá más de cerca el átomo, con el objeto de comprender su estructura interna; las partes de que se compone.

Lo primero de que nos debemos percatar es que los átomos son extremadamente pequeño, ya que l diámetro de un átomo es del orden de 10-8 cm, se necesitarían 100 millones de átomos en una línea recta para alcanzar una longitud de 1 cm.

Átomos y Moléculas:


Aproximadamente 400 a.C., el filósofo griego Demócrito sugirió que toda la materia estaba formada por partículas minúsculas, discretas e indivisibles, a las cuáles llamó átomos. Sus ideas fueron rechazadas durante 2000 años, pero a finales del siglo dieciocho comenzaron a ser aceptadas.

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 la Teoría Atómica de Dalton, que es de las más relevantes dentro del pensamiento científico.

Los postulados de Dalton se pueden enunciar:


Un elemento está compuesto 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 la Ley de la Conservación de la Materia y la Ley de las Proporciones Definidas, las cuales fueron la base de su teoría atómica. Dalton consideró que los átomos eran esferas sólidas e indivisibles, idea que en la actualidad se rechaza, pero demostró puntos de vista importantes acerca de la naturaleza de la materia y sus interacciones.

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 Teoría Atómica Moderna.

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.

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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 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.

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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 la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos. Influenciado por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, dedujo que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos.

Aunque Stoney había propuesto la existencia del electrón fue Thomson quién descubrió su caracter 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 descubrimento 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 electron 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 atómo de hidrógeno está formado por un único protón. La masa de un protón es de 1,6726 × 10-27 kg, aproximadamente 1.836 veces la del electrón. Por tanto, la masa de un átomo está concentrada casi exclusivamente en su núcleo. El protón tiene un momento angular intrínseco, o espín, y por tanto un momento magnético. Por otra parte, el protón cumple el principio de exclusión.

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 la Universidad de California.

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 coulombiana 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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