INTRODUCCION A LA ELECTRONICA. En términos generales, la materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Así pues, la tierra y.

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1 INTRODUCCION A LA ELECTRONICA

2 En términos generales, la materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Así pues, la tierra y todo lo que existe en la misma se clasifica como materia.

3 La electrónica consiste en controlar el comportamiento de los electrones. Para poder comprender los fundamentos de la electrónica es importante comprender lo que es el electrón y el papel que juega dentro de la constitución del átomo.

4 En 1803 el Físico y químico Ingles John Dalton emite su teoría atómico molecular: 1. La materia no puede crearse, destruirse, ni gastarse (Ley de conservación de la materia de Lomonosov y Lavoiser) 2. Los elementos están formada por partículas infinitamente pequeñas llamadas átomos. 3. Los átomos de diferentes elementos se unen entre si para formar los compuestos 4. Los átomos de un mismo elemento tienen todos el mismo peso y propiedades, mientras que los átomos de diferentes elementos difieren en peso y propiedades

5 ELEMENTOS Y COMPUESTOS Los materiales básicos que forman la materia son los elementos. Como ejemplos tenemos el Fe, C, H y Au. Actualmente se conocen alrededor de cien. De éstos, solo 92 son naturales por lo que se denominan elementos naturales. En una tabla periódica se tiene información de ellos. Existen otros elementos artificiales.

6 Hay Sustancias como la sal, aire, agua y proteína que no son elementos, sino que se denominan compuestos. Estos están formados por dos o más elementos químicamente combinados. El agua es un compuesto formado por los elementos hidrógeno y oxígeno, el azúcar está formado por Hidrógeno, carbono y oxigeno, mientras que la sal está formado por sodio y cloro.

7 SUPONGAMOS QUE DIVIDIMOS AGUA MÚLTIPLES VECES LLEGARÍAMOS A UNA PARTÍCULA PEQUEÑÍSIMA QUE NO PODRÍA DIVIDIRSE MÁS SIN QUE DEJARA DE SER AGUA. ESTA PARTÍCULA QUE CONSERVA AÚN LAS CARACTERÍSTICAS DEL AGUA SE DENOMINA MOLÉCULA. LA MOLÉCULA DE AGUA PODRÁ DESCOMPONERSE EN PARTÍCULAS MÁS PEQUEÑAS, PERO ÉSTAS NO SERÁN AGUA. SINO LOS ELEMENTOS HIDRÓGENO Y OXÍGENO.

8 La partícula mas pequeña de un elemento se denomina átomo. Las moléculas están formadas por átomos unidos entre sí.

9 EN FORMA GENERAL EL ÁTOMO ESTÁ FORMADO POR UN NÚCLEO Y LA ENVOLTURA O CORONA. EN EL NÚCLEO RADICAN LOS PROTONES Y LOS NEUTRONES. LOS PROTONES (P + ) TIENEN MASA Y UNA CARGA ELÉCTRICA POSITIVA LOS NEUTRONES (N  ) TIENEN MASA PERO NO TIENEN CARGA ELÉCTRICA

10 EN EL NÚCLEO RADICA LA MASA DEL ÁTOMO. LA MASA DEL ÁTOMO ESTÁ DADA POR LA SUMA DE PROTONES Y NEUTRONES. EN LA ENVOLTURA O CORONA GIRAN LOS ELECTRONES. DE LA ENVOLTURA O CORONA (DE LOS ELECTRONES) DEPENDE LA ACTIVIDAD QUÍMICA DEL ÁTOMO Y LA ELECTRICIDAD EN EL NÚCLEO RADICA LA MASA DEL ÁTOMO. LA MASA DEL ÁTOMO ESTÁ DADA POR LA SUMA DE PROTONES Y NEUTRONES. EN LA ENVOLTURA O CORONA GIRAN LOS ELECTRONES. DE LA ENVOLTURA O CORONA (DE LOS ELECTRONES) DEPENDE LA ACTIVIDAD QUÍMICA DEL ÁTOMO Y LA ELECTRICIDAD.

11 TEORÍA ATÓMICA DE NIELS BOHR (DANÉS, PREMIO NOVEL DE FÍSICA) EN 1913 NIELS BOHR EMITIÓ SU TEORÍA CONSIDERO AL ÁTOMO COMO UN SISTEMA SOLAR EN MINIATURA EN EL QUE LOS ELECTRONES GIRAN ALREDEDOR DEL NÚCLEO (SOL) EN LA FIGURA L-3 SE MUESTRA LA FORMA EN QUE SE AGRUPAN LOS ELECTRONES, PROTONES Y NEUTRONES PARA FORMAR UN ÁTOMO. EL ÁTOMO REPRESENTADO ES EL DE HELIO. CERCA DEL CENTRO DEL ÁTOMO SE HALLAN AGRUPADOS DOS PROTONES Y DOS NEUTRONES. LA PARTE CENTRAL DEL ÁTOMO, COMPUESTA POR PROTONES Y NEUTRONES, SE DENOMINA NÚCLEO.

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15 El número de electrones por nivel se encuentra aplicando la formula 2 n 2 Nivel 2 n 2 número de electrones 1 (2) 1 2 2 2 (2 ) 2 2 8 3 (2) 3 2 18 4 (2) 4 2 32

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17 DEPENDIENDO DEL TIPO DE ÁTOMO, EL NÚCLEO PUEDE CONTENER ENTRE UNO Y 100 PROTONES. ASIMISMO, EN TODOS LOS ÁTOMOS EXCEPTO EL HIDRÓGENO, EL NÚCLEO CONTIENE NEUTRONES. LOS NEUTRONES Y PROTONES TIENEN APROXIMADAMENTE EL MISMO PESO Y TAMAÑO. EL PESO TOTAL DEL ÁTOMO ESTÁ DETERMINADO POR EL NÚMERO DE PROTONES Y NEUTRONES EN EL NÚCLEO.

18 ALREDEDOR DEL NÚCLEO GIRAN LOS ELECTRONES. EL ÁTOMO DE HELIO TIENE DOS ELECTRONES. LOS ELECTRONES SON EXTREMAMENTE LIGEROS Y SE MUEVEN A VELOCIDADES FANTÁSTICAS. EL ÁTOMO PUEDE COMPARARSE CON EL SISTEMA SOLAR, REPRESENTANDO EL NÚCLEO AL SOL Y LOS ELECTRONES A LOS PLANETAS. NADIE HA PODIDO VER UN ÁTOMO DEBIDO A SU PEQUEÑÍSIMO TAMAÑO. ASÍ PUES, LA IMAGEN DEL ÁTOMO SE BASA EN EXPERIMENTOS QUE RESPALDAN SU ESQUEMA

19 . EN LA ACTUALIDAD SE HAN PROPUESTO MODELOS MÁS COMPLEJOS DEL ÁTOMO. TODOS ESTOS TIENEN VARIOS FACTORES COMUNES. EN ELLOS SE ASUME QUE LA ESTRUCTURA BÁSICA ESTÁ FORMADA POR ELECTRONES QUE ORBITAN ALREDEDOR DE UN NÚCLEO COMPUESTO DE PROTONES Y NEUTRONES. EL MODELO EN LA FIGURA SIRVE COMO EJEMPLO. ESTE MODELO DEL ÁTOMO SE DENOMINA MODELO DE BOHR EN HONOR AL CIENTÍFICO QUE LO PROPUSO.

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21 DIFERENCIAS ENTRE LOS ELEMENTOS EN LA FIGURA 1-4 SE MUESTRA EL MODELO DE BOHR PARA TRES ÁTOMOS. EL PRIMERO ES EL DE HIDRÓGENO. ES EL ÁTOMO MÁS SENCILLO DE TODOS. TIENE EN UN SOLO ELECTRÓN QUE ORBITA ALREDEDOR DE UN NÚCLEO CON UN SOLO PROTÓN. ES EL ÚNICO ÁTOMO QUE NO CONTIENE UN NEUTRÓN. DEBIDO A LA SENCILLA ESTRUCTURA, EL HIDRÓGENO ES EL MÁS LIGERO DE TODOS LOS ELEMENTOS.

22 EN LA FIGURA L-4 TAMBIÉN SE MUESTRA EL MODELO DE BOHR PARA EL ÁTOMO DE CARBONO. ESTE CONTIENE 6 ELECTRONES QUE ORBITAN ALREDEDOR DE UN NÚCLEO DE 6 PROTONES Y 6 NEUTRONES.

23 TAMBIÉN SE MUESTRA EL ÁTOMO DE COBRE. CONTIENE 29 ELECTRONES Y UN NÚCLEO CON 29 PROTONES Y 35 NEUTRONES. EL MÁS COMPLEJO DE LA NATURALEZA ES EL URANIO CON 92 ELECTRONES, 92 PROTONES Y 146 NEUTRONES. LA DIFERENCIA ENTRE LOS DIVERSOS ELEMENTOS ES QUE CADA UNO ESTÁ FORMADO POR ÁTOMOS QUE CONTIENEN UN NÚMERO ÚNICO DE ELECTRONES, PROTONES, Y NEUTRONES.

24 EI ÁTOMO EQUILIBRADO EL ÁTOMO LIBRE ES ELÉCTRICAMENTE NEUTRO PORQUE EL NÚMERO DE ELECTRONES ES SIEMPRE IGUAL AL NÚMERO DE PROTONES. EN ESTE CASO, EL ÁTOMO SE DICE QUE ESTÁ EN SU ESTADO NORMAL, EQUILIBRADO O NEUTRO. COMO VEREMOS MÁS ADELANTE, ESTE ESTADO PUEDE PERTURBARSE MEDIANTE UNA FUERZA EXTERNA.

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26 LEY DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS EXISTE UNA LEY BÁSICA DE LA NATURALEZA QUE DESCRIBE LA ACCIÓN DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS. SE DENOMINA LA LEY DE COULOMB EN HONOR DE CHARLES A. DE COULOMB QUE DESCUBRIÓ ESTA RELACIÓN. SENCILLAMENTE, LA LEY DE COULOMB EXPRESA QUE: 1. LAS CARGAS IGUALES SE REPELEN 2. LAS CARGAS DESIGUALES SE ATRAEN.

27 COMO CARGAS IGUALES SE REPELEN, EXISTE REPULSIÓN ENTRE DOS ELECTRONES 0 DOS PROTONES. EN LA FIGURA SE VE LA ACCIÓN RECÍPROCA DE LAS LÍNEAS DE FUERZA ENTRE DOS ELECTRONES. LAS DIRECCIONES DE LAS LÍNEAS DE FUERZA SON TALES QUE NO PUEDEN INTERCONECTARSE LOS DOS CAMPOS. LO MISMO SUCEDE CON DOS PROTONES. EN LA FIGURA FINAL SE MUESTRA LA ATRACCIÓN ENTRE UN ELECTRÓN Y UN PROTÓN. LOS DOS CAMPOS SE INTERCONECTAN Y COMO RESULTADO DE ESTO SE ATRAEN

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30 LOS ÁTOMOS SON AFECTADOS POR FUERZAS EXTERNAS, COMO EL CALOR, LA LUZ, CAMPOS ELECTROSTÁTICOS, REACCIONES QUÍMICAS Y CAMPOS ELÉCTRICOS. EL ESTADO NEUTRO DEL ÁTOMO PUEDE PERTURBARSE POR UNA O MÁS DE ESTAS, GANANDO O PERDIENDO UN ELECTRÓN. SI EL ÁTOMO PIERDE UN ELECTRÓN ADQUIERE UNA CARGA ELÉCTRICA POSITIVA. SI GANA UN ELECTRÓN ADQUIERE UNA CARGA NEGATIVA

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33 EL ION DEL CARBONO TIENE LAS CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL CARBONO YA QUE NO SE HA ALTERADO EL NÚCLEO. UN ÁTOMO PUEDE CEDER O GANAR ELECTRONES SIN CAMBIAR SUS CARACTERÍSTICAS. LO QUE EXISTE A NUESTRO ALREDEDOR CONTIENE IONES Y ÁTOMOS. TAMBIÉN CONTIENE UN GRAN NÚMERO DE ELECTRONES LIBRES. ESTOS SE HAN ESCAPADO DE LOS ÁTOMOS DEJANDO DETRÁS UN ION POSITIVO. LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS DIFERENTES MATERIALES ESTÁN DETERMINADAS EN MAYOR PARTE POR EL NÚMERO DE ELECTRONES LIBRES O DE IONES EN EL MATERIAL.

34 LIBERACIÓN DE LOS ELECTRONES LOS ELECTRONES GIRAN ALREDEDOR DEL NÚCLEO A UNA GRAN VELOCIDAD. HAY DOS FUERZAS QUE MANTIENEN AL ELECTRÓN EN EQUILIBRIO PRECARIO. LA FUERZA CENTRÍFUGA DEL ELECTRÓN SE COMPENSA POR LAS ATRACCIÓN DEL NÚCLEO. ESTA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO PUEDE ALTERARSE FÁCILMENTE Y AL OCURRIR ESTO SE LIBERA EL ELECTRÓN.

35 BHOR CONSIDERO QUE LOS ELECTRONES GIRAN ALREDEDOR DEL NÚCLEO EN NIVELES DE ENERGÍA DETERMINADOS. CUANTO MÁS ALEJADO ESTE EL ELECTRÓN DEL NÚCLEO TENDRÁ MÁS ENERGÍA. EL NIVEL DE ENERGÍA MÁS BAJO ES EL MÁS CERCANO AL NÚCLEO. UN ELECTRÓN QUE GIRA EN EL NIVEL UNO TENDRÁ MENOS ENERGÍA QUE UNO QUE SE MUEVE EN EL NIVEL DOS. LA ENERGÍA DEL ELECTRÓN AUMENTA A MEDIDA QUE SE ALEJA DEL NÚCLEO Y DISMINUYE CUANDO SE ACERCA AL NÚCLEO.

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37 LOS ELECTRONES PUEDEN PASAR DE UN NIVEL DE ENERGÍA A OTRO SI ADQUIEREN O PIERDEN ENERGÍA. LA FORMA Y DISTRIBUCIÓN DEL ELECTRÓN ALREDEDOR DEL NÚCLEO CONSTITUYE LA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE CADA ÁTOMO. LAS CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS HACEN A LOS ÁTOMOS CAPACES DE CEDER O GANAR ELECTRONES, ES DECIR SER ACTIVOS O INACTIVOS.

38 CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Y VALENCIA LOS GASES NOBLES: HELIO (He), NEÓN (Ne), ARGÓN (Ar) KRIPTÓN (Kr), XENÓN (X), RADÓN (Rn) TIENEN CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA ESTABLE (NO SE COMBINAN Y POR LO TANTO NO CEDEN NI ADQUIEREN ELECTRONES). EL RESTO DE ELEMENTOS TIENEN UNA CONFIGURACIÓN INESTABLE QUE DA COMO RESULTADO TENER ELECTRONES LIBRES O DE VALENCIA QUE LES PERMITE COMBINARSE O PRODUCIR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA.

39 LOS GASES NOBLES TIENEN UNA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA EN LA QUE TIENEN 8 ELECTRONES EN SU ÚLTIMO NIVEL DE ENERGÍA (CON EXCEPCIÓN DEL HELIO QUE TIENE DOS). ESTA CONFIGURACIÓN NO PERMITE CEDER O GANAR ELECTRONES Y POR LO TANTO NO PUEDEN PRODUCIR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA NI COMBINARSE.

40 CONSIDEREMOS LAS CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS DE LOS PRIMEROS CUATRO GASES NOBLES

41 LOS ÁTOMOS TIENDEN A “BUSCAR” LA CONFIGURACIÓN DE UN GAS NOBLE. BUSCANDO ESA CONFIGURACIÓN CEDEN O ADQUIEREN ELECTRONES. CONSIDEREMOS EL EJEMPLO DEL CLORO Y EL SODIO QUE AL UNIRSE QUÍMICAMENTE FORMAN LA SAL DE COCINA (CLORURO DE SODIO). EN LA FIGURA SE PUEDE VER QUE AL SODIO LE FALTAN SIETE ELECTRONES EN SU ÚLTIMO NIVEL DE ENERGÍA PARA TENER LA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE UN GAS NOBLE, TENDRÍA QUE GANAR SIETE ELECTRONES O PERDER UNO. EN EL CASO DEL CLORO TIENE 7 ELECTRONES EN SU ÚLTIMO NIVEL. TENDRÍA QUE GANAR UN ELECTRÓN. EN UNA REACCIÓN QUÍMICA EL SODIO CEDE SU ELECTRÓN Y SE QUEDA CARGADO POSITIVAMENTE Y EL CLORO GANA EL ELECTRÓN Y SE CARGA NEGATIVAMENTE. ESTOS DOS IONES DE CARGAS CONTRARIAS SE ATRAEN Y FORMAN LA SAL COMÚN O CLORURO DE SODIO.

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43 EN EL CASO DEL HIDRÓGENO QUE TIENE UN ELECTRÓN EN SU ULTIMO NIVEL DE ENERGÍA NECESITA UN ELECTRÓN PARA SER COMO EL GAS NOBLE HELIO. DE ESTA FORMA LO QUE HACEN DOS ÁTOMO DE HIDROGENO ES COMPARTIR LOS ELECTRONES ALREDEDOR DE LOS DOS NÚCLEO

44 A LA CAPACIDAD QUE TIENEN LOS ÁTOMOS DE CEDER, ADQUIRIR O COMPARTIR ELECTRONES SE LE LLAMA VALENCIA. LA VALENCIA EN LA QUE SE COMPARTEN ELECTRONES SE LA LLAMA COVALENCIA Y CUANDO SE CEDEN O ADQUIEREN ELECTRONES A LA VALENCIA SE LE LLAMA VALENCIA IÓNICA O ELECTROVALENCIA.

45 POR LA RAZÓN ANTERIOR, EN LA ELECTRÓNICA TIENE PARTICULAR IMPORTANCIA EL NIVEL DE ENERGÍA EXTERIOR DE ELECTRONES DEL ÁTOMO.

46 CONDUCTORES Y AISLADORES NO ES POSIBLE EXAGERAR LA IMPORTANCIA DE LOS ELECTRONES DE VALENCIA. LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Y QUÍMICAS DE LOS ELEMENTOS DEPENDEN DE LA ACCIÓN DE LOS ELECTRONES DE VALENCIA.

47 LA ESTABILIDAD ELÉCTRICA Y QUÍMICA DE UN ELEMENTO ESTÁ DETERMINADA POR EL NÚMERO DE ELECTRONES EN SU ÚLTIMO NIVEL DE ENERGÍA. LOS ELEMENTOS CON EL ÚLTIMO NIVEL DE ENERGÍA LLENO O CASI LLENO TIENDEN A SER ESTABLES. POR EJEMPLO EL KRIPTÓN, NEÓN, ETC. TIENEN 8 ELECTRONES EN SU ÚLTIMO NIVEL. ASÍ PUES, LA CAPA DE VALENCIA ESTÁ TOTALMENTE LLENA. POR LO TANTO ESTOS ELEMENTOS SON TAN ESTABLES QUE NO PRESENTAN ACTIVIDAD QUÍMICA Y NI SIQUIERA SE COMBINAN CON OTROS ELEMENTOS PARA FORMAR COMPUESTOS.

48 ASIMISMO, LOS ÁTOMOS DE ESTOS ELEMENTOS SE RESISTEN A CEDER O GANAR ELECTRONES. LOS ELEMENTOS QUE TIENEN SUS CAPAS DE VALENCIA CASI LLENAS TIENDEN A SER TAMBIÉN ESTABLES, SI BIEN NO SON TAN ESTABLES COMO LOS GASES NOBLES. ESTOS ELEMENTOS TRATARÁN DE LLENAR SU CAPA DE VALENCIA CAPTURANDO ELECTRONES LIBRES. POR CONSIGUIENTE, LOS ELEMENTOS DE ESTE TIPO TIENEN MUY POCOS ELECTRONES LIBRES EN LA ESTRUCTURA ATÓMICA. LAS SUSTANCIAS QUE TIENEN MUY POCOS ELECTRONES LIBRES SE DENOMINAN AISLADORES.

49 ASÍ PUES TAMBIÉN ACTÚAN COMO AISLADORES. AL OPONERSE A LA PRODUCCIÓN DE ELECTRONES LIBRES, ESTAS SUSTANCIAS RESISTEN CIERTAS ACCIONES ELÉCTRICAS. POR ESTA RAZÓN, LOS AISLADORES SON IMPORTANTES EN LA ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA. EL MATERIAL PLÁSTICO EN CABLES ELÉCTRICOS ES UN AISLADOR QUE NOS PROTEGE CONTRA LA ELECTROCUCIÓN.

50 AQUELLOS ELEMENTOS QUE TIENEN UNO O DOS ELECTRONES EN SU CAPA DE VALENCIA TIENDEN A CEDER ESTOS ELECTRONES. EL COBRE, PLATA Y ORO TIENEN UN ELECTRÓN DE VALENCIA. EN ESTOS, LOS ELECTRONES DE VALENCIA SE LIBERAN CON FACILIDAD. UNA BARRA DE UNO DE ESTOS TENDRÁ UN GRAN NÚMERO DE ELECTRONES LIBRES. LAS SUSTANCIAS QUE TIENEN ELECTRONES LIBRES SE DENOMINAN CONDUCTORES.

51 OTROS BUENOS CONDUCTORES ADEMÁS DE LA PLATA, COBRE Y ORO SON EL HIERRO, NÍQUEL, ALUMINIO. OBSERVE QUE TODOS ESTOS ELEMENTOS SON METALES. LA MAYORÍA DE LOS METALES SON BUENOS CONDUCTORES. LOS CONDUCTORES SON IMPORTANTES DEBIDO A QUE SE EMPLEAN PARA CONDUCIR LA CORRIENTE ELÉCTRICA DE UN LUGAR A OTRO.

52 EN CIERTOS ELEMENTOS, LA CAPA DE VALENCIA ESTÁ MEDIO LLENA. ES DECIR, TIENEN CUATRO ELECTRONES DE VALENCIA. DOS EJEMPLOS EL SILICIO Y EL GERMANIO. ESTOS ELEMENTOS SE DENOMINAN SEMICONDUCTORES DEBIDO A QUE NO SON NI BUENOS CONDUCTORES NI BUENOS AISLADORES. LOS SEMICONDUCTORES SON IMPORTANTES EN LA ELECTRÓNICA, YA QUE FORMAN PARTE DE LOS TRANSISTORES Y CIRCUITOS INTEGRADOS.