Estructura atómica, enlaces y conductividad eléctrica

Estructura atómica

1) Toda la materia está compuesta por más de 100 elementos químicos (átomos). Su núcleo se compone de protones (P) y neutrones (N) y alrededor se encuentran los electrones (e-) en equilibrio. 2) La disposición de los electrones depende de las propiedades de los elementos. Se sitúan en capas o niveles de energía, que pueden tener subniveles (orbitales atómicos). 3) Los números cuánticos indican la ubicación de los electrones. 1- Número Principal (n): nivel de energía en el que se encuentra el electrón (1a7); 2- Número Secundario/Azimutal/Momento Angular (I): forma del orbital (s, p, d, f); 3- Número Cuántico Magnético (m): orientación del suborbital (-2a2); 4- Spin: sentido de giro del electrón sobre sí mismo (-1/2, +1/2). 4) Principio de relleno de Aufbau: los electrones ocupan los huecos, primero los de menor energía. 5) Capa de Valencia: última capa con electrones (mín. 1, máx. 8). 6) Iones: los átomos tienen el mismo número de protones que de electrones, pero si ganan (carga-) o pierden (carga+) se desequilibran (ión). 7) Enlaces: 1- Covalente: se suman (H2O). No metales. Comparten todos o parte de sus electrones. Si extraes uno, se rompe el enlace. Se convierten en aislantes; 2- Iónico: se combinan (NaCl). 1 metal (da electrones, catión) + 1 no metal (recibe electrones, anión); 3- Metálico: forman una nube electrónica con un ión positivo y electrones sueltos desprendidos de la capa de valencia que se mueven libremente por todo el metal, lo que les confiere alta conductividad eléctrica y térmica. 8) Conductores: alta conductividad eléctrica. Metales (plata, cobre, oro, aluminio, calcio, wolframio). Tienen de 1 a 3 electrones en la capa de valencia y se mueven con poca resistencia eléctrica. Aislantes: los electrones no se mueven fácilmente, necesitan mucho trabajo. No metales (madera, vidrio, aire, cerámica y algunos plásticos). Tienen de 5 a 8 electrones en la capa de valencia. Semiconductores: no metales (carbono, silicio y germanio). El silicio y el germanio actúan como aislantes en estado puro (semiconductor intrínseco). 9) Semiconductores Dopados: Tipo N: Donante. Sustituir átomo de 4 electrones por 1 de 5 electrones provoca un electrón libre (Fósforo (P), Arsénico (As), Antimonio (Sb), Bismuto (Bi)) = V5; Tipo P: Aceptante. Sustituye átomo de 4 electrones por 1 de 3 electrones, creando un hueco (Boro (B), Aluminio (Al), Galio (Ga), Indio (In)) = V3.

Electrostática

10) La electrostática es una rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas. 11) La Ley de Coulomb calcula la fuerza electrostática; F = K · (Q₁ · Q₂ / R²) con K = 1/4πƐ (F: Fuerza de atracción o repulsión (N); Q: Cargas electrostáticas (C); K: Constante de Coulomb (N·m²/C²); Ɛ: Constante característica del medio (Faradios/metro). 12) Las líneas del campo eléctrico tienen las siguientes propiedades: 1- La trayectoria de las líneas de fuerza es tal que el vector campo eléctrico será tangente a ellas en cada punto. 2- Las líneas del campo eléctrico son abiertas. Salen de cargas positivas y terminan en infinito o de infinito y terminan en cargas negativas. 3- El número de líneas que salen o entran a una carga es proporcional a ella. 4- La densidad de líneas de campo en un punto es proporcional al valor del campo eléctrico en ese punto. 5- Las líneas de campo nunca se cortan. 13) El campo electrostático es conservativo. Se puede calcular el trabajo realizado por la carga al moverse de un punto a otro como la diferencia de las energías potenciales en ambos puntos. El trabajo realizado en un campo conservativo no depende de la trayectoria que sigue la carga entre el estado 1 y 2. 14) La diferencia de potencial es el trabajo necesario para mover una carga de A a B. Se mide en Voltios (V). WAB = q · (VB - VA) = q · VAB. 15) La conductividad eléctrica (σ) es la capacidad de una sustancia para permitir el paso de corriente eléctrica a través de ella. Varía con la temperatura. La resistividad (p) es su inversa. 16) La banda prohibida es la energía que un electrón debe saltar para ir de la capa de valencia a la banda de conducción (en conductores no hay banda prohibida). 17) La energía de gap (EG) es la energía necesaria para mover un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción (atravesando la banda prohibida). En los aislantes, la EG es de 10 eV (1 eV = 1.602 · 10^-19). En los semiconductores, la EG es de 1 eV (Ge = 0.66 eV; Si = 1.12 eV). 18) Un tubo fluorescente está compuesto por argón, mercurio y 2 electrodos en cada punta. El electrodo negativo envía electrones al otro electrodo, que chocan con los átomos de argón (ionizan), creando un puente de plasma entre los electrodos y rompiendo el gas, convirtiendo al argón en conductor. 19) Un tubo de efecto Edison es aquel en el que el electrodo positivo está cerca del filamento, creando una corriente eléctrica entre ellos a pesar de existir vacío entre ambos. 20) Cuando un gas alcanza la rotura por avalancha, se comportará como un conductor. 21) La misión del filamento de caldeo en una válvula termoiónica es calentar el cátodo. 22) Las válvulas termoiónicas lanzan electrones al vacío cuando se conecta el polo negativo de una batería al cátodo y se calienta. 23) La conducción en gases se produce por: 1- Energía de ionización: la necesaria para arrancar un electrón de la capa de valencia de un átomo y llevarlo tan lejos que desaparezca el lazo entre ellos. Hay tres formas: impacto, fotónica ultravioleta y temperatura. 2- Todo esto conlleva electrones libres y cationes, formando un plasma.