Tarea 2: Conceptos Básicos

Sistema Internacional de Unidades (SI)

El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI del francés: Le Système International d'Unités), también denominado Sistema Internacional de Medidas, es el nombre que recibe el sistema de unidades que se usa en todos los países y es la forma actual del sistema métrico decimal. El SI también es conocido como «sistema métrico», especialmente en las naciones en las que aún no se ha implantado para su uso cotidiano. Fue creado en 1960 por laConferencia General de Pesos y Medidas, que inicialmente definió seis unidades físicas básicas. En 1971 se añadió la séptima unidad básica, el mol.

Una de las principales características, que constituye la gran ventaja del Sistema Internacional, es que sus unidades están basadas en fenómenos físicos fundamentales. La única excepción es la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, que está definida como «la masa del prototipo internacional del kilogramo» o aquel cilindro de platino e iridio almacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.

Las unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medida y a las que están referidas a través de una cadenaininterrumpida de calibraciones o comparaciones. Esto permite alcanzar la equivalencia de las medidas realizadas por instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares apartados y por ende asegurar, sin la necesidad de ensayos y mediciones duplicadas, el cumplimiento de las características de los objetos que circulan en el comercio internacional y su intercambiabilidad.

Unidades básicas del Sistema Internacional

El Sistema Internacional de Unidades (SI) define ´unidades básicas' o unidades físicas fundamentales, las cuales son descritas por una definición operacional y son independientes desde el punto de vista dimensional.

• Unidad de longitud: metro (m): El metro es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo.
• Unidad de masa: El kilogramo (kg) es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo
  Unidad de tiempo: El segundo (s) es la duraciónde 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.
• Unidad de intensidad de corriente eléctrica: El ampere (A) es la intensidad de una corriente constante que manteniéndoseen dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2·10-7 newton por metro de longitud.
• Unidad de temperatura termodinámica: El kelvin (K), unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Observación: Además de la temperatura termodinámica (símbolo T) expresada en kelvins, se utiliza también la temperatura Celsius (símbolo t) definida por la ecuación t = T - T0 donde T0 = 273,15 K por definición.
• Unidad de cantidad de sustancia: El mol (mol) es lacantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Cuando se emplee el mol, deben especificarse las unidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados de tales partículas.
• Unidad de intensidad luminosa: La candela (cd) es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540·1012 hertz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watt por estereorradián.
  

Prefijos del Sistema Internacional

Los prefijos del SI se emplean para nombrar a los múltiplos y submúltiplos de cualquier unidad del Sistema Internacional (SI), ya sean unidades básicas o derivadas. Estos prefijos se anteponen al nombre de la unidad para indicar el múltiplo o submúltiplo decimal de la misma; del mismo modo, los símbolos de los prefijos se anteponen a los símbolos de las unidades.

Los prefijos pertenecientes al SI los fija oficialmente la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (Bureau International des Poids et Mesures).

La carga eléctrica

 Es una propiedad física intrínseca de algunas partículas, que las caracteriza y por la cual sufren la interacción electromagnética. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en culombios y en las fórmulas físicas suele representarse con la letras q o Q.

La esencia de la electricidad es la carga eléctrica. Esta cualidad existe en dos clases distintas, que se denominan cargas positivas y negativas. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen.

En realidad, la carga eléctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mínimos: moléculas, átomos y partículas elementales. Por ello se dice que la carga eléctrica está cuantizada. Además, las cargas se pueden mover o intercambiar, pero sin que se produzcan cambios en su cantidad total (ley de conservación de la carga).

En el estado normal de los cuerpos materiales, las cargas eléctricas mínimas están compensadas, por lo que dichos cuerpos se comportan eléctricamente como neutros. Hace falta una acción externa para que un objeto material se electrice.

La electrización de un cuerpo se consigue extrayendo del mismo las cargas de un signo y dejando en él las de signo contrario. En tal caso, el cuerpo adquiere una carga eléctrica neta no nula.

Propiedades de la carga eléctrica

• La carga eléctrica no se crea ni se destruye, sólo se transforma (conservación de la energía).

• La carga eléctrica siempre está cuantizada. Se representa en cantidades enteras de la unidad fundamental de carga.

Esto se puede visualizar como el espacio (hueco) que deja el electrón al moverse de un potencial negativo a un positivo. Este hueco es positivo (ausencia de un electrón) y circula en sentido opuesto al electrón.

La corriente eléctrica se mide en Amperios (A) y se simboliza con la letra I.

Hasta aquí se ha supuesto un flujo de corriente da va de un terminal a otro en, forma continua. A este flujo de corriente se le llama corriente continua. Hay otro caso en que el flujo de corriente circula, en forma alternada, primero en un sentido y después en el opuesto. A este tipo de corriente se le llama corriente alterna.

Voltaje, tensión o diferencia de potencial El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica. A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor. Las cargas eléctricas en un circuito cerrado fluyen del polo negativo al polo positivo de  la  propia  fuente<de fuerza electromotriz. La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente de FEM se manifiesta como la acumulación de<cargas eléctricas negativas (iones negativos o aniones), con exceso de electrones en el polo negativo (–)<y la acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes), con defecto de electrones<en el polo positivo (+) de la propia fuente de FEM. A la izquierda podemos apreciar la estructura completa de un átomo de cobre (Cu) en estado "neutro",<con un solo electrón girando en su última órbita y a la derecha un "ión" cobre, después que el átomo ha<perdido el único electrón que posee en su órbita más externa. Debido a   que  en  esas  condiciones  la<carga positiva de los protones supera a las cargas negativas  de  los e lectrones  que  aún  continúan<girando en el resto de las órbitas, el ión se denomina en este caso "catión", por tener carga positiva.< En otras palabras, el voltaje, tensión o diferencia de potencial es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico cerrado. Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir del polo negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la propia fuente. A continuación una tabla de los múltiplos y submúltiplos del Sistema Internacional de Unidades. Múltiplos del Sistema Internacional para voltio (V) Submúltiplos Múltiplos Valor Símbolo Nombre Valor Símbolo Nombre 10–1 V dV decivoltio 101 V daV decavoltio 10–2 V cV centivoltio 102 V hV hectovoltio 10–3 V mV millivoltio 103 V kV kilovoltio 10–6 V µV microvoltio 106 V MV megavoltio 10–9 V nV nanovoltio 109 V GV gigavoltio 10–12 V pV picovoltio 1012 V TV teravoltio 10–15 V fV femtovoltio 1015 V PV petavoltio 10–18 V aV attovoltio 1018 V EV exavoltio 10–21 V zV zeptovoltio 1021 V ZV zettavoltio 10–24 V yV yoctovoltio 1024 V YV yottavoltio Prefijos comunes de unidades están en negrita. Voltajes comunes Multímetro donde pueden medirse varios parámetros eléctricos, incluido elvoltaje. Aparato Voltaje Potencial de acción de una neurona cerca de 75 mV Batería de célula simple 1,2 V Batería de mercurio 1,355 V Batería alcalina no recargable 1,5 V Batería recargable de litio 3,75 V Transistor de tecnología TTL 5 V Batería PP3 9 V Sistema eléctrico de un automóvil 12 V (en algunos casos: 16 V) Electricidad central de una vivienda 240 V en Oceanía; 230 V en Europa, Asia (salvo Japón) y África; 220 V en Sudamérica (menos en Colombia, Ecuador y Venezuela); 120 V en Norteamérica; 110 V en Colombia, Ecuador y Venezuela; 100 V en Japón. Rieles del tren 600 a 700 V Líneas de corriente de trenes de alto voltaje aprox. 25 kV Red de transporte de energía eléctrica de alto voltaje 110 kV o más Rayos 100 MV La corriente eléctrica Es una corriente de electrones que atraviesa un material. Algunos materiales como los "conductores" tienen electrones libres que pasan con facilidad de un átomo a otro. Estos electrones libres, si se mueven en una misma dirección conforme saltan de un átomo a átomo, se vuelven en su conjunto, una corriente eléctrica. Para lograr que este movimiento de electrones se de en un sentido o dirección, es necesario una fuente de energía externa. Cuando se coloca un material eléctricamente neutro entre dos cuerpos cargados con diferente potencial (tienen diferente carga), los electrones se moverán desde el cuerpo con potencial más negativo hacia el cuerpo con potencia más positivo. Ver la figura Los electrones viajan del potencial negativo al potencial positivo. Sin embargo se toma por convención que el sentido de la corriente eléctrica va desde el potencial positivo al potencial negativo.

Referencias

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades

http://satori.geociencias.unam.mx/LGM/Unidades-CENAM.pdf

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/unidades/unidades/unidades.htm

http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_voltaje/ke_voltaje_1.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Voltio

www.hiru.com/fisica/la-carga-electrica-ley-de-coulomb
es.wikibooks.org/wiki/Electrónica/Carga_eléctrica
http://www.unicrom.com/Tut_corriente_electrica.asp

Tarea 1; Clasificación de materiales: Conductores , semiconductores y aislantes

Introducción

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aislantes y los segundos conductores.

Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aislantes, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa.

Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad mejorando prodigiosamente su conductividad, ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.

Materiales Conductores

Una propiedad común a prácticamente todos los materiales, es la de permitir, en algún grado, la conducción de la corriente eléctrica, pero así como algunos materiales son buenos conductores, otros son malos conductores de dicha corriente.

Un conductor eléctrico o un material conductor es un cuerpo que puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Un material conductor contiene cargas eléctricas que se mueven cuando se aplica una diferencia de potencial.

Los materiales conductores son aquellos cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Generalmente los mejores conductores son los metales y sus aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento de cargas. Algunos conductores no metálicos son el grafito, algunas soluciones salinas y materiales en estado de plasma.

De los metales más comúnmente utilizados como conductores se encuentra la plata que tiene una lata conductividad, pero debido a su costo no es practico su uso. Sin embargo es utilizada en equipos especializados tales como satélites. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el mejor conductor es el oro pero es muy caro, así que el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos.

Alternativamente se emplea el aluminio, metal que tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre, sin embargo, es un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión.

Los conductores en general pueden clasificarse en: metálicos, electrolíticos y gaseosos.

En los conductores metálicos la conducción es electrónica, es decir, los portadores de cargas son electrones libres. Pertenecen a este grupo los metales y aleaciones. Se suele hablar en estos casos de conducción metálica. En los conductores electrolíticos la conducción es iónica; pertenecen a este grupo los llamados electrolitos, es decir, los ácidos (bases o sales, disueltos o fundidos). Las moléculas de estas sustancias, cuando se disuelven o funden, de disocian total o parcialmente formando iones positivos o negativos, y estos iones son portadores de cargas. En estos casos, el paso de la corriente eléctrica corresponde a un desplazamiento de material, y viene acompañada de una reacción química.

En los conductores metálicos la electricidad circula a través de la materia, mientras que en los conductores electrolitos circula con la materia. Los gases pertenecen a un tercer grupo de conductores, los conductores gaseosos; en estado normal, los gases no son conductores, pero pueden convertirse relativamente en buenos conductores cuando están ionizados. Normalmente no se utilizan los gases para conducir corriente, salvo en casos muy especiales. La conducción a través de los gases no cumple con la Ley de Ohm.

Semiconductores

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican a continuación:

Elemento	Grupo	Electrones de valencia
Cd	II B	2 e-
Al, Ga, B, In	III A	3 e-
Si, Ge	IV A	4 e-
P, As, Sb	V A	5 e-
Se, Te, (S)	VI A	6 e-

• Los semiconductores presentan un diagrama de bandas similar al de los sólidos aislantes pero con una separación entre las bandas de valencia y de conducción menor de ≈ 3.0 eV.

El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos:

• Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila.
• Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.
• Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo
• momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.
• Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.

Categorías

Semiconductores tipo P y tipo N

En la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos:

• Impurezas pentavalentes: Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico.

• Impurezas trivalentes: Son elementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio.

Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace mucho mejor conductor. De un semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N.

En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo P. 

Aplicaciones de semiconductores

• Posibilitan la fabricación de circuitos integrados , que han revolucionado en las últimas décadas las industrias de la electrónica y de ordenadores.

Se utilizan por sus extraordinarias características eléctricas y para la fabricación de diodos, transistores y muchos otros componentes electrónicos.

Aislante

Aislante hace referencia a cualquier material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas: con masa que impide el transporte de energía.

Un aislante eléctrico es un material con escasa capacidad de conducción de la electricidad, utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga. Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas. Las piezas empleadas en torres de alta tensión empleadas para sostener o sujetar los cables eléctricos sin que éstos entren en contacto con la estructura metálica de las torres se denominan aisladores.

El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material. Para más detalles ver semiconductor.

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 más de 4 electrones en la capa de valencia.

Referencias

• http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/enlace-metales/semiconductores
• http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdf
• http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/Conductoresyaislantes.html
• http://enciclopedia.us.es/index.php/Aislante_el%C3%A9ctrico
• http://ayudaelectronica.com/materiales-conductores/
• http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_conductor