ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LA MATERIA.

MATERIA.

La materia es todo lo que ocupa un lugar en el universo. Es todo aquello que se forma a partir de átomos o moléculas, con la propiedad de estar en estado sólido, líquido o gaseoso. Son ejemplos de materia las piedras, la madera, los huesos, el plástico, el vidrio, el aire y el agua. Al observar un paisaje pueden verse pájaros, árboles, un río, un caballo pastoreando, flores, etc. Todas esas cosas forman parte de la naturaleza y se pueden ver y tocar. Esa característica común (visible y palpable) que tienen todos los objetos se denomina materia. Es decir, la materia es lo que forman las cosas que tocamos y vemos.

La materia tiene volumen porque ocupa un lugar en el espacio. Además tiene masa, que es la cantidad de materia que posee un objeto y que se puede medir con una balanza. La materia, a diferencia de los objetos o cuerpos, no está limitada por la forma ni por el tamaño. A su vez, los objetos o cuerpos (por ejemplo una caja) pueden estar construidos por diferentes materiales (cartón, metal, madera, plástico). Además, un mismo objeto puede estar formado por uno o varios materiales (caja de madera con tapa de plástico y cerradura de metal). También, diferentes objetos pueden estar fabricados con el mismo tipo de material (balde, pelota y botella de plástico).En el universo, la materia suele encontrarse en tres estados diferentes de agregación: sólido (hierro, madera), líquido (agua de mar) y gaseoso (aire atmosférico). En estos tres estados de agregación se observan las siguientes características:

1) La materia está formada por pequeñas partículas.

2) Esas partículas están en constante movimiento (en los gases más que en los líquidos y sólidos).

3) Hay fuerzas de atracción entre las partículas que forman la materia (en los sólidos más que en líquidos y gases).

Esas partículas, que son pequeñísimas y que forman parte de la materia se denominan átomos.

PROPIEDADES DE LA MATERIA.

ESTADOS DE LA MATERIA

El estado en que se encuentra la materia (sólido, líquido y gaseoso) depende de la energía que poseen las partículas (átomos, moléculas e iones) que constituyen la materia, y de las fuerzas de atracción que existen entre ellas. Además, también depende de las condiciones de temperatura y presión a las que están sometidas esas partículas.

Estado sólido

Las partículas que forman los sólidos se atraen fuertemente, están cerca unas de otras y dispuestas de manera ordenada, lo que le dan la característica de ser estructuras rígidas. Tienen poco espacio para moverse, ya que solo pueden hacerlo vibrando en posiciones fijas. Esta particularidad les da la característica de tener forma y volumen constantes.

Estado líquido

Las partículas que forman los líquidos se atraen parcialmente y tienen más libertad para moverse que en los sólidos, pero no llegan a separarse de las demás, por lo que conservan su volumen. Esas partículas disponen de más espacio y pueden deslizarse unas sobre otras con facilidad. Esto explica por qué los líquidos tienen forma variable, adoptando la del recipiente que los contiene. Una característica de los líquidos es la fluidez, ya que pueden trasladarse hacia otros lugares y atravesar orificios muy pequeños. Otra propiedad es la viscosidad, debido a que poseen cierta dificultad para desplazarse a raíz del rozamiento de sus partículas.

Estado gaseoso

En los gases prácticamente no existen fuerzas de atracción que mantengan unidas las partículas que los forman. Es por eso que sus partículas están muy separadas entre sí y existe más espacio vacío que en los líquidos o en los sólidos. Ello permite que se muevan con mayor facilidad, al azar y con bastante rapidez. Así se explica que los gases tengan una forma y un volumen variables y sean expansibles, es decir, ocupen todo el espacio disponible.

MOLÉCULA.

Es la menor porción de una sustancia que puede existir en estado libre y conservar las propiedades de dicha sustancia. Por ejemplo, la menor porción de agua que puede existir en estado libre y conservar las propiedades del agua es la formada por 1 átomo de oxígeno y 2 de hidrógeno. La molécula es una estructura formada a partir de la unión de dos o más átomos que comparten electrones. A temperatura ambiente hay moléculas sólidas (cloruro de sodio o sal común), líquidas (agua) y gaseosas (dióxido de carbono). En síntesis, la materia está formada por partes muy pequeñas llamadas átomos. Los átomos se reúnen para constituir moléculas. A su vez, las moléculas se unen para formar sustancias. El suelo, el aire y el agua no tienen vida. Pertenecen al mundo mineral o inorgánico. La materia que forma el agua, suelo y aire se llama materia inorgánica. El árbol, el caballo y el humano, entre otros, pertenecen al mundo de los seres vivos. La materia que los forma se llama materia orgánica. Los compuestos o sustancias orgánicas son aquellos que comprenden a los hidrocarburos y sus derivados. Los hidrocarburos son elementos formados por átomos de carbono y de hidrógeno. Las sustancias inorgánicas comprenden a los restantes compuestos químicos que, en general, se encuentran en la naturaleza como minerales.

Molécula del agua.

Molécula de oxigeno.

ÁTOMO

Un átomo es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia propia, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Un átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos. Los átomos están formados por un núcleo que contiene dos tipos de partículas: los protones (tienen carga eléctrica positiva) y los neutrones (sin carga eléctrica). Ambas partículas tienen una masa similar. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones, que tienen carga eléctrica negativa y una masa muchísimo más pequeña que la correspondiente a los protones y neutrones. El átomo es eléctricamente neutro, ya que tiene tantos electrones como protones hay dentro del núcleo. Los electrones giran alrededor del núcleo en zonas llamadas orbitales, que se agrupan en niveles de energía. Los electrones que giran más cercanos al núcleo del átomo tienen menor energía que aquellos que lo hacen alejados del núcleo. Los electrones van llenando los orbitales desde la zona más cercana al núcleo hacia la más alejada. De esa forma, el último nivel que contenga electrones puede estar completo o incompleto.

Cuando el último nivel orbital está incompleto, el átomo es inestable y tiende a completarlo para ganar estabilidad. Para ello puede dar, recibir o compartir electrones con otros átomos. Es así como se forman agrupaciones de dos o más átomos. Un átomo puede prestarle a otro átomo uno o varios electrones. De esa forma ambos adquieren carga eléctrica. El átomo que gana electrones (queda cargado negativamente) se denomina anión. El átomo que pierde electrones (queda cargado positivamente) se llama catión. Tanto el anión como el catión reciben el nombre de "iones". Es decir, un ion es un átomo cargado eléctricamente, sea en forma positiva o negativa.

John Dalton propuso la denominada “Teoría Atómica” en el año 1808, donde se postula:

1- La materia está formada por partículas indivisibles y pequeñas llamadas átomos.

2- Un elemento químico es un tipo de materia formada por una sola clase de átomos.

3- Cuando los átomos de dos o más elementos se combinan forman compuestos en una razón fija de números enteros.

4- Durante una reacción química, ningún átomo desaparece o se transforma en átomos de otro elemento.

La teoría atómica dio lugar a tres leyes de la materia.

-Ley de la conservación de la masa: durante los cambios químicos no se producen modificaciones apreciables en la masa.

-Ley de la composición constante: un compuesto contiene siempre los mismos elementos y en igual razón por peso, independientemente de su origen.

-Ley de las proporciones múltiples: cuando dos elementos forman dos compuestos distintos, la relación de masa de los elementos en un compuesto está asociada a la relación de masa en el otro compuesto a través de un número sencillo y entero.

Electrones, Protones y Neutrones.

El átomo está formado por partículas subatomicas. Proton, Neutron y electron.

El proton y el neutron están alojados en el núcleo, mientras que los electrones están en la zona extranuclear, fuera del núcleo; formando una nube electrónica.

Los protones son particulas con carga positiva.

Los neutrones son particulas sin carga.

Los electrones son particulas con carga electrica negativa.

El proton, que como dijimos antes, se encuentra alojado en el núcleo, le confiere masa al átomo junto con el neutron.

El neutron es la otra partícula subatomica alojada en el nucleo, que junto al electrón forman la masa del átomo.

La masa del electrón es despreciable.

CONDUCTORES

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.

Conductores sólidos: Metales

Características 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, 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; (puede batirse o extenderse en planchas o laminas), resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión continuadas, ductilidad: permite su deformación forzada, en hilos, sin que se rompa o astille.

Características químicas:

Valencias positivas: Tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan, tienden a formar óxidos básicos.

Energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo electrones para formar iones positivos o cationes

Características eléctricas:

Mucha resistencia al flujo de electricidad, todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos, superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes.

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.

Ejemplos de metales conductores: Cobre. Este material es un excelente conductor de las señales eléctricas y soporta los problemas de corrosión causados por la exposición a la intemperie, por eso se usa para los cables. También el aluminio es un buen conductor. La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta (a temperatura ordinaria) la plata.

Conductores líquidos:

El agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actúan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidad.

Algunos otros líquidos pueden tener falta o exceso de electrones que se desplacen en el medio. Son iones, que pueden ser cationes, (+) o aniones (-).

Conductores gaseosos:

Valencias negativas (se ioniza negativamente)

En los gases la condición que implica el paso de una corriente se conoce como el fenómeno de descarga o "ruptura" eléctrica del gas: paso de un comportamiento no conductor (baja corriente) a conductor.

Tienden a adquirir electrones.

Tienden a formar óxidos ácidos.

Ejemplos: Nitrógeno, cloro, Neón (ionizados)

AISLANTES

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.

Aislantes sólidos:

En los sistemas de aislación de transformadores destacan las cintas sintéticas PET (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno) y PPS (sulfido de polifenileno) que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos.

Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado o pressboard, el cual da forma a estructuras de aislación rígidas.

Aislantes líquidos:

Las propiedades físicas de los dieléctricos líquidos como por ejemplo: peso específico, conductibilidad térmica, calor específico, constante dieléctrica, viscosidad, dependen de su naturaleza, es decir de la composición química, pero su rigidez dieléctrica, además está ligada a factores externos como por ejemplo: impureza en suspensión, en solución, humedad, etc., que, generalmente, reducen su valor, degradando la característica importante.

Los fluidos o líquidos dieléctricos cumplen la doble función de aislar los bobinados en los transformadores y disipar el calor al interior de estos equipos.

El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable.

Fluidos dieléctricos sintéticos, (hidrocarburos) con alto punto de inflamación.

El líquido aislante sintético más utilizado desde principios de la década de 1930 hasta fines de los 70's fue el Ascarel o PCB, que dejo de usarse por ser muy contaminante.

Entre los nuevos líquidos sintéticos destacan las siliconas y los poly-alfa-olefines. Tienen un alto costo, eso dificulta su masificación.

Aislantes gaseosos:

Los gases aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas.

El SF6 (hexafluoruro de azufre) es otro gas aislante que se caracteriza por ser incoloro, inodoro, no toxico, química y fisiológicamente inerte, no corrosivo no inflamable y no contaminante. Por sus características dieléctricas es ideal como medio aislante, tiene una rigidez dieléctrica muy elevada, tanto a la frecuencia industrial como a impulso, gracias a su peculiar característica de gas electronegativo. Con la captura de los electrones libres la molécula de SF6 se transforma en iones negativos pesados, y por lo tanto poco móviles. La rigidez dieléctrica del SF6 a la frecuencia industrial es por lo menos dos veces y media la del aire a la presión de 5 kg/cm2, condición que permite lograr un dado nivel de aislamiento con presiones relativamente bajas, lo cual implica sistemas de contención simples y de completa confiabilidad. Este gas tiene menor capacidad de disipación de calor que el aceite mineral, situación que se puede mejorar aumentando la presión del SF6 en el tanque del transformador.

SEMICONDUCTORES

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.

Para incrementar el nivel de la conductividad se provocan cambios de temperatura, de la luz o se integran impurezas en su estructura molecular.

Estos cambios originan un aumento del número de electrones liberados (o bien huecos) conductores que transportan la energía eléctrica.

Los cuatro electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están en parejas y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido.

Para producir electrones de conducción, se utiliza energía adicional en forma de luz o de calor (se maneja como temperatura), que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transportar su propia energía.

Cada electrón de valencia que se desprende de su enlace covalente deja detrás de sí un hueco, o dicho en otra forma, deja a su átomo padre con un electrón de menos, lo que significa entonces que en ese átomo existirá un protón de más.

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.

Los cristales semiconductores de dividen en intrínsecos y extrínsecos. Un cristal intrínseco es aquél que se encuentra puro (aunque no existe prácticamente un cristal 100% puro); es decir, no contiene impurezas; mientras que un cristal extrínseco es aquél que ha sido impurificado con átomos de otra sustancia. Al proceso de impurificación se le llama también dopado, y se utiliza para obtener electrones libres que sean capaces de transportar la energía eléctrica a otros puntos del cristal.

Los materiales extrínsecos se dividen en “tipo n” y “tipo p”.

La diferencia del número de electrones 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 o positivos.

Si aumenta el número de electrones de conducción negativos, entonces el material es tipo n; y si aumenta el número de cargas positivas (lagunas), es un material tipo p.

Ejemplos:

Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia. 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.

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CONDUCTIVIDAD

La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales.

RESISTIVIDAD

Todas las sustancias se oponen en mayor o menor grado al paso de la corriente eléctrica, esta oposición es a la que llamamos resistencia eléctrica. Los materiales buenos conductores de la electricidad tienen una resistencia eléctrica muy baja, los aisladores tienen una resistencia muy alta. Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω·m, a veces también en Ω·mm²/m).

Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.

Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.

CONDUCTANCIA

Se denomina Conductancia eléctrica (G) de un conductor a la inversa de la oposición que dicho conductor presenta al movimiento de los electrones en su seno, esto es, a la inversa de su resistencia eléctrica (R).

La conductancia eléctrica está relacionada, pero no se debe confundir, con la conducción, que es el mecanismo mediante el cual la carga fluye, o con la conductividad, que es una propiedad del material.

La unidad de medida de la conductancia en el Sistema internacional de unidades es el Siemens. Este parámetro es especialmente útil a la hora de tener que manejar valores de resistencia muy pequeños, como es el caso de los conductores eléctricos.

RESISTENCIA

Se denomina resistencia eléctrica, simbolizada habitualmente como R, a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de él. En el Sistema Internacional de Unidades, su valor se expresa en ohmios, que se designa con la letra griega omega mayúscula, Ω. Para su medida existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro.

Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia.

Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

MODELO MATEMÁTICO

En ciencias aplicadas un Modelo matemático es uno de los tipos de modelos científicos, que emplea algún tipo de formulismo matemático para expresar relaciones, proposiciones sustantivas de hechos, variables, parámetros, entidades y relaciones entre variables y/o entidades u operaciones, para estudiar comportamientos de sistemas complejos ante situaciones difíciles de observar en la realidad.