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    ELECTROTECNIA

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    UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

    FACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y

    ELCTRICA

    INFORME PREVIO N3

    ESCUELA ACADEMICA: 19.1

    CURSO: ELECTROTECNIA

    TEMA: NORMAS DE SEGURIDAD

    ALUMNO: DIEGO ALONSO AGUIRRE BARRIONUEVO

    CDIGO: 13190138 GRUPO: ___ MDULO: ___

    FECHA: 10 / 02 /2014

    2014

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    ESTRUCTURA ATMICA

    Introduccin

    En qumica y fsica, tomo (del latn atomus) es la unidad ms pequea de un

    elemento qumico que mantiene su identidad y sus propiedades y que no es

    posible dividir mediante procesos qumicos.

    El concepto de tomo como bloque bsico e indivisible que compone la materia

    del universo ya fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin

    embargo, su existencia no qued demostrada hasta el siglo XIX. Recin con el

    desarrollo de la fsica nuclear en el siglo XX se comprob que el tomo puede

    subdividirse en partculas ms pequeas.

    Estructura atmica

    Antes que nada, empezaremos por definir el

    concepto de tomo. Este es la parte ms

    pequea en la que se puede obtener materia de

    forma estable, ya que las partculas

    subatmicas que lo componen no pueden existir

    aisladamente salvo en condiciones muy

    especiales. El tomo est formado por un

    ncleo, compuesto a su vez por protones y

    neutrones, y por una corteza que lo rodea en la

    cual se encuentran los electrones, en igual

    nmero que los protones.

    Los tomos estn constituidos por protones, neutrones y electrones. Los

    protones estn cargados positivamente y se encuentran reunidos con los

    neutrones (sin carga) en el ncleo. Los electrones, que tienen una carga

    negativa igual en magnitud a la carga positiva del protn, se mueven en

    el espacio que rodea al ncleo. Los protones y los neutrones tienen

    masas semejantes, aproximadamente 1800 veces mayor que la masa de

    un electrn. Casi toda la masa del tomo reside en el ncleo, pero son

    los electrones los que toman parte en los enlaces y en las reacciones

    qumicas.

    Cada elemento se distingue por el nmero de protones en su ncleo. Por

    lo general, el nmero de neutrones es semejante al nmero de protones,

    aunque puede variar. Los tomos que tienen el mismo nmero de

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    protones, pero diferente nmero de neutrones se llaman istopos. Por

    ejemplo, la especie ms comn de tomo de carbono tiene en su ncleo

    seis protones y seis neutrones. Su nmero de masa (la suma de

    protones y neutrones) es 12, y representamos su smbolo 12C.

    Aproximadamente 1% de los tomos de carbono tienen siete neutrones;

    el nmero de masa es 13, y el smbolo es 13C.

    Protn, descubierto por Ernest Rutherford a principios del siglo XX, el

    protn es una partcula elemental que constituye parte del ncleo de

    cualquier tomo. El nmero de protones en el ncleo atmico,

    denominado nmero atmico, es el que determina las propiedades

    qumicas del tomo en cuestin. Los protones poseen carga elctrica

    positiva y una masa 1.836 veces mayor de la de los electrones.

    Neutrn, partcula elemental que constituye parte del ncleo de los

    tomos. Fueron descubiertos en 1930 por dos fsicos alemanes, Walter

    Bothe y Herbert Becker. La masa del neutrn es ligeramente superior a la

    del protn, pero el nmero de neutrones en el ncleo no determina las

    propiedades qumicas del tomo, aunque s su estabilidad frente a

    posibles procesos nucleares (fisin, fusin o emisin de radiactividad).

    Los neutrones carecen de carga elctrica, y son inestables cuando se

    hallan fuera del ncleo, desintegrndose para dar un protn, un electrn

    y un antineutrino.

    Electrn, partcula elemental que constituye parte de cualquier tomo,

    descubierta en 1897 por J. J. Thomson. Los electrones de un tomo

    giran en torno a su ncleo, formando la denominada corteza electrnica.

    La masa del electrn es 1836 veces menor que la del protn y tiene

    carga opuesta, es decir, negativa. En condiciones normales un tomo

    tiene el mismo nmero de protones que electrones, lo que convierte a los

    tomos en entidades elctricamente neutras. Si un tomo capta o pierde

    electrones, se convierte en un ion.

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    Interacciones elctricas entre protones y electrones

    Antes del experimento de Rutherford la comunidad cientfica aceptaba el

    modelo atmico de Thomson, descubridor del electrn en 1897.

    Thomson determin que la materia se compona de dos partes, una negativa y

    una positiva. La parte negativa estaba constituida por electrones, los cuales se

    encontraban segn este modelo, inmersos en una masa de carga positiva a

    manera de pasas en un pastel. Para explicar la formacin de iones, positivos y

    negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atmica,

    Thomson ide un tomo consistente en una nube positiva que contena las

    pequeas partculas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El nmero

    de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En el

    caso de que el tomo perdiera un electrn, la estructura quedara positiva; y si

    ganaba un electrn, la carga final sera negativa. De esta forma explicaba la

    formacin de iones; pero dej sin explicacin la existencia de las otras

    radiaciones.

    Los modelos posteriores se basan en una estructura de los tomos con una

    masa central cargada positivamente rodeada de una nube de carga negativa.

    Este tipo de estructura del tomo llev a Rutherford a proponer su modelo en

    que los electrones se moveran alrededor del ncleo en rbitas. Adems,

    Rutherford predijo la existencia del neutrn en el ao 1920, razn por la cual en

    el modelo anterior (Thomson), no se habla de ste. El modelo de Rutherford, a

    pesar de ser obsoleto en trminos cientficos, es la percepcin ms comn del

    tomo del pblico no cientfico. Este modelo tiene una dificultad proveniente del

    hecho de que una partcula cargada acelerada, como sera necesario para

    mantenerse en rbita, emitira radiacin electromagntica, perdiendo energa.

    Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones del electromagnetismo de

    Maxwell aplicadas al tomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden

    de 10-10s, toda la energa del tomo se habra radiado, con la consiguiente

    cada de los electrones sobre el ncleo. Para salvar estos inconvenientes, Bohr

    propone su modelo (que en rigor es solo un modelo del tomo de hidrgeno

    tomando como punto de partida el modelo de Rutherford), tratando de

    incorporar los fenmenos de absorcin y emisin de los gases, as como la

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    nueva teora de la cuantizacin de la energa desarrollada por Max Planck y el

    fenmeno denominado efecto fotoelctrico observado por Albert Einstein. Para

    Bohr, el tomo es un pequeo sistema solar con un ncleo en el centro y

    electrones movindose alrededor del ncleo en rbitas bien definidas, que

    estn cuantizadas (es decir que los e- pueden estar solo en ciertas rbitas).

    Cada rbita tiene una energa asociada. La ms externa es la de mayor

    energa. Los electrones no radian energa (luz) mientras permanezcan en

    rbitas estables. Los electrones pueden saltar de una a otra rbita. Si lo hacen

    desde una de menor energa a una de mayor energa absorben un cuanto de

    energa (una cantidad) igual a la diferencia de energa asociada a cada rbita.

    Si pasan de una de mayor a una de menor, pierde energa en forma de

    radiacin (fotn).

    El mayor xito de Bohr fue dar explicacin al espectro de emisin del hidrgeno

    y proporcionar una base para el carcter cuntico de la luz, ya que el fotn es

    emitido cuando un electrn cae de una rbita a otra, siendo un pulso de

    energa radiada. En trminos cuantitativos, la variacin de energa ( )

    asociada con la transicin del electrn desde un nivel a otro, est relacionada

    con la frecuencia ( ) del fotn a travs de la ecuacin de Planck:

    Para la radiacin electromagntica, la constante de Planck relaciona la

    velocidad de la luz (c= 3,00 x 108 metros/segundo) con su longitud de onda ( )

    mediante la ecuacin

    Por lo tanto, el cambio de energa asociado al fotn, tambin puede expresarse

    como:

    La verificacin experimental de las energas asociadas con electrones que son

    excitados a niveles de energa discreta superior o la prdida de energa y cada

    a niveles discretos ms bajos, se obtiene principalmente por los anlisis de las

    longitudes de onda e intensidades de las lneas espectrales. Cuando los

    tomos son excitados elctrica o trmicamente y cesa esta excitacin, emiten

    una radiacin. Si esta es dispersada por un prisma y detectada por una placa

    fotogrfica, se revelan lneas o bandas. A los conjuntos de estas lneas se los

    denomina espectros de emisin atmica. Cada lnea espectral corresponde a

    una cantidad de energa especfica que se emite.

    Utilizando los datos del espectro de hidrgeno,

    Niels Bohr desarroll en 1913 un modelo para el tomo de hidrgeno que

    consista en un electrn sencillo girando alrededor de un protn con un radio

    fijo. Una buena aproximacin de la energa del electrn en el tomo de

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    hidrgeno para un nivel energtico determinado viene dada por la ecuacin de

    Bohr:

    En la teora atmica moderna, la n de la ecuacin de Bohr se designa como

    nmero cuntico principal y representa los niveles energticos principales para

    los electrones en los tomos. A partir de la ecuacin de Bohr, se determina que

    el nivel de energa del electrn del hidrgeno en su estado fundamental es -

    13,6 eV y corresponde a la lnea donde n = 1 en el diagrama de los niveles

    energticos del hidrgeno. Cuando el electrn del hidrgeno es excitado a

    niveles energticos superiores, su energa aumenta pero su valor numrico es

    menor. Por ejemplo, cuando el electrn del hidrgeno es excitado al segundo

    nivel cuntico principal, su energa es 3,4 eV y si el electrn es excitado hasta

    el estado libre, donde n = infinito, el electrn tendr energa nula. La energa

    requerida para hacer que el electrn abandone el tomo de hidrgeno es 13,6

    eV que es la energa de ionizacin del electrn del hidrgeno.

    Energa de Ionizacin

    Generalizando la mencin hecha para el hidrgeno, se define la energa de

    ionizacin como la cantidad mnima de energa necesaria para eliminar el

    electrn ms dbilmente ligado a un tomo aislado en forma gaseosa, para dar

    lugar a la formacin de un ion con una carga de +1:

    Este valor tambin se conoce como la primera energa de ionizacin, puesto

    que hay otros electrones susceptibles de ser arrancados del tomo. La figura 5

    muestra una grfica de energa de primera ionizacin frente al nmero atmico

    de los primeros 20 elementos de la tabla peridica.

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    En esta imagen se observa como los elementos de un mismo perodo

    requieren ms energa conforme se incrementa su nmero atmico (Li, Be, B,

    C, N, O, F y Ne). Por otra parte, para elementos de un mismo grupo se verifica

    que la energa requerida es similar pero cada vez menor, (por ejemplo Li, Na y

    K). Asimismo se observa que al comparar un perodo con el siguiente, el

    comportamiento energtico es similar. En conclusin, la energa de ionizacin

    tambin es una de las propiedades peridicas, es decir forma parte del

    conjunto de propiedades repetitivas o similares que se dan sobre elementos de

    un mismo grupo y/o de un mismo perodo.

    Modelo atmico actual

    Despus de que de Broglie propusiera la naturaleza ondulatoria de la materia

    en 1924, la cual fue generalizada por Edwin Schrdinger en 1926, se actualiz

    nuevamente el modelo del tomo. En el modelo de Schrdinger se abandona la

    concepcin de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en

    torno al ncleo (que es una extrapolacin de la experiencia a nivel

    macroscpico hacia las diminutas dimensiones del tomo). En vez de esto,

    Schrdinger describe a los electrones por medio de una funcin de ondas, el

    cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una regin

    delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital.

    El movimiento de los electrones en los tomos es ms complicado que el

    presentado por el modelo atmico sencillo de Bohr. Los electrones pueden

    tener rbitas no circulares (elpticas) en torno al ncleo y, de acuerdo con el

    principio de incertidumbre de Heisenberg, la posicin y el momento (masa x

    velocidad) de una partcula pequea como es el electrn no pueden ser

    determinados simultneamente. As, la posicin exacta del electrn en un

    instante no puede ser determinada debido a que el electrn es una partcula

    muy pequea. Puesto que la posicin del electrn en el hidrgeno no puede ser

    determinada con precisin, se utiliza frecuentemente una distribucin de la

    densidad de la nube de carga electrnica para representar la posicin del

    electrn en el tomo de hidrgeno en su movimiento orbital alrededor de su

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    ncleo. La mayor densidad de carga electrnica se encuentra en un radio de

    0,05 nm, que corresponde al radio de Bohr del tomo de hidrgeno.

    Nmeros cunticos

    La moderna teora atmica establece que el movimiento de un electrn en

    torno a su ncleo y su energa estn caracterizado no slo por un nmero

    cuntico principal sino por cuatro nmeros cunticos: principal n, secundario l,

    magntico ml, y de spin ms. De acuerdo con el principio de exclusin de Pauli7,

    no puede haber dos electrones en un mismo tomo que tengan los cuatro

    nmeros cunticos iguales.

    Nmero cuntico principal (n):

    El nmero cuntico principal corresponde a la n en la ecuacin de Bohr.

    Representa los niveles energticos principales para el electrn y puede ser

    interpretado como una zona en el espacio donde es alta la probabilidad de

    encontrar al electrn con un valor particular de n. Los valores de n son nmeros

    enteros positivos comprendidos entre 1 y 7. Cuanto mayor es el valor de n, ms

    se aleja la corteza del ncleo y por consiguiente cuanto mayor es el valor del

    nmero cuntico principal de un electrn, ms lejano est el electrn (sobre

    una base de tiempo medio) del ncleo. Tambin, en general, cuanto mayor es

    el nmero cuntico principal de un electrn, mayor es su energa.

    Nmero cuntico secundario (1):

    El segundo nmero cuntico es el nmero cuntico secundario 1. Este nmero

    cuntico especifica los subniveles de energa dentro de los lmites de los

    niveles principales, y tambin especifica una subcapa donde la probabilidad de

    encontrar al electrn es alta si ese nivel energtico est ocupado, Los valores

    permitidos de 1 son 1 = 0, 1, 2, 3, ..., n 1. Las letras s, p, d, y f se utilizan8

    para designar a los subniveles energticos 1 como sigue:

    Los subniveles energticos s, p, d y f de un electrn son trminos orbitales. El

    trmino orbital tambin se refiere a una subcapa de un tomo donde la

    densidad de un electrn particular o de un par de electrones es alta. As,

    podemos hablar de una subcapa s o p de un tomo.

    Nmero cuntico magntico (ml):

    El tercer nmero cuntico, ml, representa la orientacin espacial de un orbital

    atmico y contribuye poco a la energa de un electrn. El nmero de las

    orientaciones diferentes permitidas a un orbital depende del valor de 1 en un

    orbital particular. El nmero cuntico ml, tiene valores permitidos desde - l a +l

    incluyendo el 0. Cuando 1 = 0, slo hay un valor para ml, que es el 0. Cuando 1

    = 1, hay 21+1 valores permitidos para ml, En la notacin de los orbitales s, p, d,

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    f, hay un orbital s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 orbitales f para cada uno de

    los subniveles energticos s, p, d y f permitidos.

    Nmero cuntico de spin (ms):

    El cuarto nmero cuntico, expresa las dos direcciones de spin permitidas para

    el giro del electrn en torno a su propio eje. Las direcciones son en el sentido

    de las agujas del reloj y en sentido contrario y sus valores permitidos son + y

    -. El nmero cuntico de spin tiene un efecto menor en la energa del

    electrn. Se debe indicar que dos electrones pueden ocupar el mismo orbital,

    pero si eso ocurre, deben tener los spines opuestos.

    EL PRINCIPIO DE PAULI

    El principio de exclusin de Pauli fue ideado para explicar la estructura

    atmica, y consista en imponer una restriccin sobre la distribucin de

    los electrones entre los diferentes estados. Por consiguiente, el anlisis

    de sistemas de partculas idnticas llev a la conclusin de que cualquier

    estado deba tener una simetra bajo intercambio de partculas peculiar,

    lo cual implicaba que existan dos tipos de partculas: fermiones, que

    satisfaran el principio de Pauli, y bosones, que no lo satisfaran.

    Como se ha dicho, el principio de exclusin de Pauli slo es aplicable a

    fermiones, esto es, partculas que forman estados cunticos

    antisimtricos y que tienen espn semientero. Son fermiones, por

    ejemplo, los electrones y los quarks (estos ltimos son los que forman los

    protones y los neutrones). El principio de exclusin de Pauli rige, as

    pues, muchas de las caractersticas distintivas de la materia. En cambio,

    partculas como el fotn y el (hipottico) gravitn no obedecen a este

    principio, ya que son bosones, esto es, forman estados cunticos

    simtricos y tienen espn entero. Como consecuencia, una multitud de

    fotones puede estar en un mismo estado cuntico de partcula, como en

    los lseres.

    Para entender el principio de Pauli hay que tener presente el tema de

    nmeros cunticos.

    En resumen, Pauli propuso que: dos electrones en un tomo, no pueden

    tener iguales los cuatro nmeros cunticos. Para idnticos valores de n,

    deben diferir en. Como resultado de este principio, cada orbital podr contener como mximo dos electrones y debern tener sus

    espines opuestos.

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    AISLANTE,SEMICONDUCTOR Y CONDUCTOR

    En cuanto a los aislantes, bsicamente, la conductividad elctrica de un

    slido depende del espaciamiento y el estado de ocupacin de las

    bandas de energa. Otros metales se parecen al magnesio en el hecho

    de que sus bandas de valencia son adyacentes a las de conduccin y,

    por lo tanto, estos metales actan fcilmente como conductores. En un

    aislante la brecha entre las bandas de conduccin y de valencia es

    considerablemente mayor que en un metal: en consecuencia, se

    requiere mucho mayor energa para excitar un electrn a la banda de

    conduccin. La carencia de esta energa impide la libre movilidad de los

    electrones. El vidrio, la madera y el hule son aislantes comunes.

    PORTADOR LIBRE

    Portador de carga denota en fsica una partcula libre (mvil y no

    enlazada) portadora de una carga elctrica. Como ejemplo los electrones

    y los iones. En la fsica de semiconductores, los huecos producidos por

    falta de electrones son tratados como portadores de carga.

    En soluciones inicas, los portadores de carga son los cationes y aniones

    disueltos. Similarmente, los cationes y aniones de los lquidos disociados

    sirven como portadores de carga en lquidos y en slidos inicos

    derretidos.

    En el plasma, as como en el arco elctrico, los electrones y cationes del

    gas ionizado y del material vaporitado de los electrodos actan como

    portadores de carga.

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    En vaco, en un arco elctrico o en un tubo de vaco, los electrones libres

    actan como portadores de carga.

    Al decir que est libre, se refiere a un semiconductor tipo N

    MATERIAL INTRINSECO

    Semiconductor, clasificado as, en cuanto a su pureza.

    Se dice que un semiconductor es intrnseco cuando se encuentra en

    estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni tomos de otro

    tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que

    dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda

    prohibida ser igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran

    presentes en la banda de conduccin.

    MATERIAL EXTRINSECO

    Semiconductor, clasificado as, en cuanto a su pureza.

    Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le

    introduce cierta alteracin, esos elementos semiconductores permiten el

    paso de la corriente elctrica por su cuerpo en una sola direccin. Para

    hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa

    mezclando los tomos de silicio o de germanio con pequeas cantidades

    de tomos de otros elementos o "impurezas".

    Generalmente los tomos de las impurezas corresponden tambin a

    elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres

    electrones en su ltima rbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que

    poseen cinco electrones tambin en su ltima rbita [como el antimonio

    (Sb) o el arsnico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se

    convierten en semiconductores extrnsecos y sern capaces de

    conducir la corriente elctrica.

    En la actualidad el elemento ms utilizado para fabricar semiconductores

    para el uso de la industria electrnica es el cristal de silicio (Si) por ser un

    componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada

    para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los

    materiales ms abundantes en la naturaleza.

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    BANDA DE VALENCIA

    Se define, Banda de Valencia (BV) al conjunto de energa que poseen los

    Electrones de valencia.

    BANDA DE CONDUCCIN

    Definimos Banda de Conduccin (BC) al conjunto de energa que poseen

    los electrones para desligarse de sus tomos. Los electrones que estn

    en esta banda pueden circular por el material si existe una tensin

    elctrica que los empuje entre dos puntos.

    BANDA PROHIBIDA

    Por la teora de bandas de slidos, se sabe que

    los semiconductores tienen una banda prohibida entre las bandas de

    valencia y conduccin. El tamao de la banda prohibida tiene

    implicaciones en los tipos de aplicaciones que se pueden realizar. Una

    baja banda prohibida, implica una mayor conduccin intrnseca, y una

    banda prohibida alta implica una mayor energa de fotn posible,

    asociada con una transicin a travs de la banda en los diodos emisores

    de luz. En la siguiente tabla se dan las bandas prohibidas en electrn

    voltios de unos cuantos materiales semiconductores.

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    BIBLIOGRAFA

    - http://www.eis.uva.es/~qgintro/atom/atom.html

    - http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448180488.pdf

    - http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/094/htm/sec_4.h

    tm

    - http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/atomica.html

    - http://www.angelfire.com/ma3/mambuscay/Art1.htm

    - http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo#Estructura_at.C3.B3mica