Fundamentos de la Materia y Estructura Atómica

Composición de la Materia

Toda la materia está compuesta por más de 100 elementos químicos (átomos). El núcleo de un átomo se compone de protones (P+) y neutrones (N), que tienen una masa similar a la de los protones pero sin carga eléctrica. Alrededor del núcleo orbitan los electrones (e-), en igual número que los protones pero con carga de signo opuesto, lo que mantiene al átomo en equilibrio eléctrico.

Disposición de los Electrones

La disposición de los electrones determina las propiedades de los elementos. Estos se sitúan en capas o niveles de energía, que a su vez pueden contener subniveles, conocidos como orbitales atómicos.

Números Cuánticos

Los números cuánticos describen la ubicación y las propiedades de un electrón:

• Número Cuántico Principal (n): Indica el nivel de energía en el que se encuentra el electrón (valores del 1 al 7).
• Número Cuántico Secundario o Azimutal (l): Describe la forma del orbital (s, p, d, f).
• Número Cuántico Magnético (m): Define la orientación del suborbital en el espacio.
• Número Cuántico de Espín (s): Indica el sentido de giro del electrón sobre sí mismo (-½ o +½).

Principios y Conceptos Adicionales

Principio de Aufbau (o de relleno): Los electrones ocupan primero los orbitales de menor energía disponibles.

Capa de Valencia: Es la última capa que contiene electrones. Puede tener un mínimo de 1 y un máximo de 8 electrones.

Iones: Un átomo es eléctricamente neutro cuando tiene el mismo número de protones que de electrones. Si gana electrones, se convierte en un anión (carga negativa); si los pierde, se convierte en un catión (carga positiva). En ambos casos, el átomo desequilibrado se denomina ión.

Tipos de Enlaces Químicos

• Enlace Covalente: Se forma entre átomos de no metales que comparten todos o parte de sus electrones de valencia (ejemplo: H₂O). Si se extrae un átomo, el enlace se rompe. Los materiales con estos enlaces suelen ser aislantes.
• Enlace Iónico: Se produce por la combinación de un metal (que cede electrones y se convierte en catión) y un no metal (que recibe electrones y se convierte en anión), como en el caso del NaCl.
• Enlace Metálico: Los átomos metálicos forman una red de iones positivos inmersa en una «nube» de electrones desprendidos de la capa de valencia. Estos electrones se mueven libremente por todo el metal, lo que explica su alta conductividad eléctrica y térmica.

Propiedades Eléctricas de los Materiales

Clasificación de Materiales

Conductores

Presentan una alta conductividad eléctrica. Generalmente son metales (plata, cobre, oro, aluminio, calcio, wolframio) con 1 a 3 electrones en su capa de valencia, los cuales pueden moverse con poca energía.

Aislantes

Sus electrones no se mueven con facilidad y se necesita un gran trabajo para desplazarlos. Son materiales no metálicos (madera, vidrio, aire, cerámica y algunos plásticos) con 5 a 8 electrones en su capa de valencia.

Semiconductores

Son materiales no metálicos como el Carbono (C), el Silicio (Si) y el Germanio (Ge). En estado puro, el Silicio y el Germanio actúan como aislantes y se denominan semiconductores intrínsecos.

Semiconductores Dopados

El dopaje consiste en introducir impurezas para modificar sus propiedades eléctricas.

• Tipo N (Donante): Se crea al sustituir un átomo del semiconductor (con 4 electrones de valencia) por un átomo con 5 electrones de valencia (ej: Fósforo (P), Arsénico (As)). Esto provoca un electrón libre adicional.
• Tipo P (Aceptante): Se crea al sustituir un átomo del semiconductor por uno con 3 electrones de valencia (ej: Boro (B), Aluminio (Al)). Esto genera un «hueco» o ausencia de electrón.

Conceptos de Conductividad y Energía

Conductividad eléctrica (σ): Es la capacidad de una sustancia para permitir el paso de la corriente eléctrica. Varía con la temperatura.

Resistividad (ρ): Es la propiedad inversa a la conductividad; mide la oposición de un material al paso de la corriente.

Banda Prohibida (Gap): Es el nivel de energía que un electrón debe superar para saltar desde la banda de valencia a la banda de conducción. En los conductores, esta banda no existe o se solapa con la de conducción.

Energía de Gap (EG): Es la energía necesaria para mover un electrón a través de la banda prohibida. En los aislantes, la EG es de aproximadamente 10 eV, mientras que en los semiconductores es de alrededor de 1 eV (Ge = 0.66 eV; Si = 1.12 eV). (Nota: 1 eV = 1.602 × 10⁻¹⁹ Julios).

Principios de Electrostática

La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas (en reposo).

Ley de Coulomb

Calcula la fuerza electrostática entre dos cargas. La fórmula es: F = K · (Q₁ · Q₂) / R², donde K es la constante de Coulomb (K = 1 / (4πε)).

• F: Fuerza de atracción o repulsión (Newton, N).
• Q₁, Q₂: Valores de las cargas electrostáticas (Culombio, C).
• K: Constante de Coulomb (N·m²/C²).
• ε: Permitividad eléctrica, una constante característica del medio (Faradio/metro, F/m).

Líneas del Campo Eléctrico

Propiedades de las líneas de fuerza:

1. El vector del campo eléctrico es tangente a ellas en cada punto.
2. Son abiertas: salen de las cargas positivas y terminan en el infinito, o vienen del infinito y terminan en las cargas negativas.
3. El número de líneas que salen o entran en una carga es proporcional al valor de dicha carga.
4. La densidad de líneas en un punto es proporcional a la intensidad del campo eléctrico en ese punto.
5. Nunca se cruzan entre sí.

Campo Electrostático y Potencial

El campo electrostático es conservativo. Esto significa que el trabajo realizado para mover una carga de un punto a otro se puede calcular como la diferencia de energía potencial entre ambos puntos y no depende de la trayectoria seguida.

La diferencia de potencial (voltaje) es el trabajo necesario para mover una unidad de carga entre dos puntos (A y B). Se mide en Voltios (V). La fórmula es: Wₐᵦ = q · (Vₐ – Vₑ) = q · Vₐᵦ.

Conducción Eléctrica en Gases y Dispositivos Termoiónicos

Conducción en Gases

La energía de ionización es la energía necesaria para arrancar un electrón de la capa de valencia de un átomo. Esto puede lograrse mediante impacto, radiación fotónica ultravioleta o alta temperatura. Este proceso genera electrones libres y cationes, creando un estado de la materia conocido como plasma. Cuando un gas alcanza la rotura por avalancha, se ioniza y se comporta como un conductor.

Ejemplos de Dispositivos

Tubo Fluorescente

Contiene gas argón, mercurio y dos electrodos. Un electrodo emite electrones que chocan con los átomos de argón, ionizándolos. Se crea un puente de plasma entre los electrodos, lo que provoca una «rotura en avalancha» del gas, volviéndolo conductor.

Efecto Edison

En un tubo de vacío, si se coloca un electrodo positivo cerca de un filamento incandescente, se establece una corriente eléctrica entre ellos, a pesar del vacío existente.

Válvulas Termoiónicas

La misión del filamento de caldeo es calentar el cátodo. Si se conecta el polo negativo de una batería al cátodo de un diodo y se calienta, este comenzará a emitir electrones al vacío (emisión termoiónica).