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Propiedades de algunos conductores y aislantes




Enviado por jrgaitan



    ¿Qué son los metales?

    Grupo de elementos químicos que presentan todas o
    gran parte de las siguientes propiedades 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. Metales y no metales se encuentran
    separados en el sistema periódico
    por una línea diagonal de elementos. Los elementos a
    la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a
    la derecha son los no metales. Los elementos que
    integran esta diagonal
    —boro,
    silicio,
    germanio,
    arsénico,
    antimonio,
    teluro, polonio
    y astato— tienen
    propiedades tanto metálicas como no metálicas. Los
    elementos metálicos más comunes son los
    siguientes: aluminio,
    bario,
    berilio,
    bismuto,
    cadmio,
    calcio,
    cerio, cromo,
    cobalto,
    cobre, oro,
    iridio,
    hierro,
    plomo, litio,
    magnesio,
    manganeso,
    mercurio,
    molibdeno,
    níquel,
    osmio,
    paladio,
    platino,
    potasio,
    radio, rodio,
    plata, sodio,
    tantalio,
    talio, torio,
    estaño,
    titanio,
    volframio,
    uranio, vanadio
    y cinc. Los elementos
    metálicos se pueden combinar unos con otros y
    también con otros elementos formando compuestos,
    disoluciones y mezclas. Una
    mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no
    metales como el carbono se
    denomina aleación. Las aleaciones de
    mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como
    amalgamas.

    Los metales muestran un amplio margen en sus
    propiedades físicas. La mayoría de ellos son de
    color
    grisáceo, pero algunos presentan colores
    distintos; el bismuto es rosáceo, el cobre rojizo y
    el oro amarillo. En otros metales aparece más de un
    color, y este
    fenómeno se denomina pleocroismo. El punto de
    fusión
    de los metales varía entre los -39 °C del
    mercurio, a los 3.410 °C del tungsteno. El iridio, con
    una densidad relativa
    de 22,4, es el más denso de los metales. Por el contrario,
    el litio es el menos denso, con una densidad relativa
    de 0,53. La mayoría de los metales cristalizan en el
    sistema
    cúbico, aunque algunos lo hacen en el hexagonal y en el
    tetragonal. La más baja conductividad eléctrica la
    tiene el bismuto, y la más alta a temperatura
    ordinaria la plata. La conductividad en los metales puede
    reducirse mediante aleaciones.
    Todos los metales se expanden con el calor y se
    contraen al enfriarse. Ciertas aleaciones,
    como las de platino e iridio, tienen un coeficiente de
    dilatación extremadamente bajo.

    Propiedades
    físicas

    Los metales suelen ser duros y resistentes. Aunque
    existen ciertas variaciones de uno a otro, en general los metales
    tienen las siguientes propiedades: 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; resistencia a
    la fatiga o capacidad de soportar una
    fuerza o
    presión continuadas y ductilidad o posibilidad de
    deformarse sin sufrir roturas.

    Propiedades
    químicas

    Es característico de los metales tener
    valencias positivas en la mayoría de sus compuestos. Esto
    significa que tienden a ceder electrones a los átomos con
    los que se enlazan. También tienden a formar óxidos
    básicos. Por el contrario, elementos no metálicos
    como el nitrógeno, azufre y cloro tienen valencias
    negativas en la mayoría de sus compuestos, y tienden a
    adquirir electrones y a formar óxidos
    ácidos.

    Los metales tienen energía de
    ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo
    electrones para formar iones positivos o cationes. De este modo,
    los metales forman sales como cloruros, sulfuros y carbonatos,
    actuando como agentes reductores (donantes de
    electrones).

    Estructura electrónica

    En sus primeros esfuerzos para explicar la estructura
    electrónica de los metales, los
    científicos esgrimieron las propiedades de su buena
    conductividad térmica y eléctrica para apoyar la
    teoría
    de que los metales se componen de átomos ionizados, cuyos
    electrones libres forman un 'mar' homogéneo de carga
    negativa. La atracción electrostática entre los
    iones positivos del metal y los electrones libres, se
    consideró la responsable del enlace entre los
    átomos del metal. Así, se pensaba que el libre
    movimiento de
    los electrones era la causa de su alta conductividad
    eléctrica y térmica. La principal objeción a
    esta teoría
    es que en tal caso los metales debían tener un
    calor específico superior al que
    realmente tienen.

    En 1928, el físico alemán Arnold
    Sommerfeld sugirió que los electrones en los metales se
    encuentran en una disposición cuántica en la que
    los niveles de baja energía disponibles para los
    electrones se hallan casi completamente ocupados. En el mismo
    año, el físico suizo estadounidense Felix Bloch, y
    más tarde el físico francés Louis Brillouin,
    aplicaron esta idea en la hoy aceptada 'teoría
    de la banda' para los enlaces en los sólidos
    metálicos.

    De acuerdo con dicha teoría,
    todo átomo de
    metal tiene únicamente un número limitado de
    electrones de valencia con los que unirse a los átomos
    vecinos. Por ello se requiere un amplio reparto de electrones
    entre los átomos individuales. El reparto de electrones se
    consigue por la superposición de orbitales atómicos
    de energía equivalente con los átomos adyacentes.
    Esta superposición va recorriendo toda la muestra del
    metal, formando amplios orbitales que se extienden por todo el
    sólido, en vez de pertenecer a átomos concretos.
    Cada uno de estos orbitales tiene un nivel de energía
    distinto debido a que los orbitales atómicos de los que
    proceden, tenían a su vez diferentes niveles de
    energía. Los orbitales, cuyo número es el mismo que
    el de los orbitales atómicos, tienen dos electrones cada
    uno y se van llenando en orden de menor a mayor energía
    hasta agotar el número de electrones disponibles. En esta
    teoría
    se dice que los grupos de
    electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de
    orbitales. Cada banda tiene un margen de valores de
    energía, valores que
    deberían poseer los electrones para poder ser
    parte de esa banda. En algunos metales se dan interrupciones de
    energía entre las bandas, pues los electrones no poseen
    ciertas energías. La banda con mayor energía en un
    metal no está llena de electrones, dado que una característica de los metales es que no
    poseen suficientes electrones para llenarla. 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.

    Metales dúctiles:

    ¿Qué es la ductilidad? Bueno es una
    propiedad de
    un metal, una aleación o
    cualquier otro material que permite su deformación
    forzada, en hilos, sin que se rompa o astille. Cuanto más
    dúctil es un material, más fino es el
    alambre o hilo, que podrá ser estirado
    mediante un troquel para metales, sin
    riesgo de
    romperse. Decimos entonces que un metal dúctil es todo
    aquel que permite su deformación forzada, en hilos, sin
    que se rompa o astille.

    Metales Maleables:

    La maleabilidad es la posibilidad de cambiar de
    forma por la acción del martillo, ¿qué
    quiere decir entonces? Que puede batirse o extenderse en planchas
    o laminas.

    Conductor eléctrico:

    Cualquier material que ofrezca poca
    resistencia al flujo de
    electricidad. La diferencia entre un conductor
    y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o
    de calor, es de grado más que de
    tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en
    mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad,
    como la plata o el
    cobre, puede tener una conductividad mil
    millones de veces superior a la de un buen aislante, como
    el vidrio o la
    mica. El fenómeno conocido como
    superconductividad se produce cuando al
    enfriar ciertas sustancias a una temperatura
    cercana al cero absoluto su
    conductividad se vuelve prácticamente infinita. 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.

    Semiconductor:

    Material sólido o líquido capaz de
    conducir la electricidad mejor que
    un aislante, pero peor que un metal. La
    conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir
    la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de
    potencial, es una de las propiedades físicas más
    importantes. Ciertos metales, como el
    cobre, la plata y
    el aluminio son excelentes
    conductores. Por otro lado, ciertos aislantes
    como el diamante o el
    vidrio son muy malos conductores. A
    temperaturas muy bajas, los semiconductores
    puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas
    temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la
    conductividad de los semiconductores
    puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles
    cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores
    se estudian en la física del
    estado
    sólido.

    Electrones de conducción y
    huecos:

    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. El incremento de la conductividad
    provocado por los cambios de temperatura,
    la luz o las
    impurezas se debe al aumento del número de
    electrones conductores que transportan la
    corriente eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los
    electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo
    están emparejados y son compartidos por otros
    átomos para formar un enlace
    covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones
    de valencia no están libres para transportar corriente
    eléctrica. Para producir electrones de conducción,
    se utiliza la luz o la temperatura,
    que excita los electrones de valencia y provoca su
    liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir
    la corriente. 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.

    Dopar:

    Otro método
    para obtener electrones para el transporte de
    electricidad
    consiste en añadir impurezas al semiconductor o doparlo.
    La diferencia del número de electrones de valencia 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 (tipo n) o
    positivos (tipo p). Este concepto se
    ilustra en el diagrama
    adjunto, que muestra un
    cristal de silicio dopado. Cada átomo
    de silicio tiene cuatro electrones de
    valencia (representados mediante puntos). 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.
    La aplicación más eficiente de este tipo de chips
    es la fabricación de circuitos de
    semiconductores de metal – óxido complementario o CMOS,
    que están formados por parejas de transistores de
    canal p y n controladas por un solo circuito.
    Además, se están fabricando dispositivos
    extremadamente pequeños utilizando la técnica
    epitaxial de haz molecular.

    Aislantes eléctricos:

    El aislante perfecto para las aplicaciones
    eléctricas sería un material absolutamente no
    conductor, pero ese 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. Estos
    materiales
    conductores tienen un gran número de electrones libres
    (electrones no estrechamente ligados a los núcleos) que
    pueden transportar la corriente; los buenos aislantes apenas
    poseen estos electrones. Algunos materiales,
    como el silicio o el germanio, que tienen un número
    limitado de electrones libres, se comportan como
    semiconductores, y son la materia
    básica de los
    transistores.

    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 aíslan 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 epoxy y los poliuretanos
    pueden proteger contra los productos
    químicos y la humedad.

    ¿Cuál es la diferencia existente
    entre conductor, semiconductor y aislante?

    Es sencillo, los conductores son todos aquellos
    que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia, el
    semiconductor es aquel que posee 4 electrones en la capa de
    valencia y el aislante es el que posee mas de 4 electrones en la
    capa de valencia.

    Bibliografía

    Microsoft Encarta

    Edición 98

    Cuaderno de Electricidad

    Prof. Antonio Zuleta

    Guatemala

    4to. Bipe "A"

    1996

    Cuaderno de Electronica
    Básica

    Prof. Jorge Melendez

    Guatemala

    4to. Bipe "A"

    1996

    Jorge Romeo Gaitán
    Rivera

    Bachiller Industrial Perito en Electrónica Digital y
    Microprocesadores

    1er. Semestre de Ingeniería
    Electrónica

    jrgaitan[arroba]geocities.com

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