estructura electronica

1. Estructura Electrónica
En sus primeros esfuerzos para explicar la estructura electrónica de los metales, los
científicos esgrimieron las propiedades de su buena conductividad térmica y eléctrica para
apoyar la teoría de que los metales se componen de átomos ionizados, cuyos electrones
libres forman un 'mar' homogéneo de carga negativa. La atracción electrostática entre los
iones positivos del metal y los electrones libres, se consideró la responsable del enlace entre
los átomos del metal. Así, se pensaba que el libre movimiento de los electrones era la causa
de su alta conductividad eléctrica y térmica. La principal objeción a esta teoría es que en tal
caso los metales debían tener un calor específico superior al que realmente tienen.
En 1928, el físico alemán Arnold Sommerfeld sugirió que los electrones en los metales se
encuentran en una disposición cuántica en la que los niveles de baja energía disponibles
para los electrones se hallan casi completamente ocupados. En el mismo año, el físico suizo
estadounidense Felix Bloch, y más tarde el físico francés Louis Brillouin, aplicaron esta
idea en la hoy aceptada 'teoría de la banda' para los enlaces en los sólidos metálicos.
Conductor eléctrico:
Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. La diferencia entre
un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado
más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor
medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una
conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la
mica. El fenómeno conocido como superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas
sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve
prácticamente infinita. 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.
Electrones de conducción y huecos:
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. El incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz
o las impurezas se debe al aumento del número de electrones conductores que transportan
la corriente eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los
electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son
compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal
unido. Estos electrones de valencia no están libres para transportar corriente eléctrica. Para
producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los
electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden
transmitir la corriente. 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.
Dopar:

2. Otro método para obtener electrones para el transporte de electricidad consiste en añadir
impurezas al semiconductor o doparlo. La diferencia del número de electrones de valencia
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 (tipo n) o positivos (tipo
p). Este concepto se ilustra en el diagrama adjunto, que muestra un cristal de silicio dopado.
Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia (representados mediante puntos).
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. La aplicación más eficiente de este tipo
de chips es la fabricación de circuitos de semiconductores de metal - óxido complementario
o CMOS, que están formados por parejas de transistores de canal p y n controladas por un
solo circuito. Además, se están fabricando dispositivos extremadamente pequeños
utilizando la técnica epitaxial de haz molecular.
Propiedades De Los Electrones
E
lectrón, tipo de partícula elemental de carga negativa que forma parte de la familia de los
leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas.
Los electrones están presentes en todos los átomos y cuando son arrancados del átomo se
llaman electrones libres.

3. Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos físicos y químicos. Se dice
que un objeto está cargado eléctricamente si sus átomos tienen un exceso de electrones
(posee carga negativa) o un déficit de los mismos (posee carga positiva). El flujo de una
corriente eléctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres
del conductor. La conducción del calor también se debe fundamentalmente a la actividad
electrónica. El estudio de las descargas eléctricas a través de gases enrarecidos en los tubos
de vacío fue el origen del descubrimiento del electrón. En los tubos de vacío, un cátodo
calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o
rectificar una corriente eléctrica (véase Rectificación). Si esa corriente se enfoca para
formar un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos. Si se dirige el haz de
rayos catódicos hacia un objetivo adecuado se producen rayos X; si se dirigen hacia la
pantalla fluorescente de un tubo de televisión, se obtienen imágenes visibles. Las partículas
beta que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones.
Los electrones también intervienen en los procesos químicos. Una reacción química de
oxidación es un proceso en el cual una sustancia pierde electrones, y una reacción de
reducción es un proceso en el cual una sustancia gana electrones.
En 1906, el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de
“la gota de aceite”, determinó la carga del electrón: 1,602 × 10-19 culombios; su masa en
reposo es 9,109 × 10-31 kg. La carga del electrón es la unidad básica de electricidad y se
considera la carga elemental en el sentido de que todos los cuerpos cargados lo están con un
múltiplo entero de dicha carga. El electrón y el protón poseen la misma carga, pero,
convencionalmente, la carga del protón se considera positiva y la del electrón negativa.
En 1897 Joseph John Thomson realizó su famoso experimento con un tubo de rayos
catódicos, un tubo de cristal al que le había hecho el vacío y cuando las placas metálicas del
tubo se conectaban a una batería y se generaba corriente eléctrica, podía observarse que el
interior del tubo comenzaba a brillar.
Thomson pensó que los rayos catódicos eran partículas infinitesimales que se producían en
el cátodo y eran atraídas hacia el ánodo, descubrió además que la trayectoria de estas
partículas se alteraba si eran expuestas a un campo eléctrico, Thomson llamó a esas
partículas "corpúsculos". Tiempo después esos corpúsculos serian conocidos como
electrones, así es común en la historia de la física considerar a Thomson como el
descubridor del electrón.

4. el nombre "electrón" fue introducido por
George J. Stoney en 1891 y en 1894 fue
retomado por el teórico británico Joseph
Larmor para denotar las características
electromagnéticas del éter
Modelo de Thomson
El electrón no es una partícula de la realidad tal cual es, sino un concepto cambiante, que es
muchas cosas diferentes a lo largo del tiempo. El trabajo del científico no es "descubrir" los
secretos de una realidad ya dada, sino la de construir teorías y explorar en que sentido
corresponden con el mundo, pero esta correspondencia no es una sola.
Movimiento electrónico en un campo magnético.
Además de sus notables descubrimientos experimentales Faraday hizo una contribución
teórica que ha tenido una gran influencia en el desarrollo de la física hasta la actualidad: el
concepto de línea de fuerza y asociado a éste, el de campo.
Oersted había escrito que el efecto magnético de una corriente eléctrica que circula por un
alambre conductor se esparce en el espacio fuera del alambre. De esta forma la aguja de
una brújula lo podrá sentir y girar debido a la fuerza que experimenta.
Por otro lado, ya desde tiempos de Gilbert se habían hecho experimentos como el
mencionado en el capítulo IV, el de una barra magnética con limaduras de hierro, donde se
puede apreciar que las limaduras se orientan a lo largo de ciertas líneas.
Asimismo, desde la época de Newton se trató de encontrar el mecanismo por medio del
cual dos partículas separadas cierta distancia experimentan una fuerza, por ejemplo, la de
atracción gravitacional. Entre los científicos de esa época y hasta tiempos de Faraday se
estableció la idea de que existía la llamada acción a distancia. Esto significa que las dos
partículas experimentan una interacción instantánea. Así, por ejemplo, si una de las
partículas se mueve y cambia la distancia entre ellas, la fuerza cambia instantáneamente al
nuevo valor dado en términos de la nueva distancia entre ellas.

5. Antes de Faraday la idea de las líneas de fuerza se había tratado como un artificio
matemático. Estas líneas de fuerza ya se habían definido de la siguiente forma: supongamos
que hay una fuerza entre dos tipos de partículas, por ejemplo, eléctricas. Sabemos que si
son de cargas iguales se repelen, mientras que si sus cargas son opuestas se atraen.
Consideremos una partícula eléctrica positiva (Figura 8(a)), que llamaremos 1. Tomemos
ahora otra partícula, la 2, también positiva, pero de carga mucho menor que la 1. A esta
partícula 2 la llamaremos de prueba, pues con ella veremos qué pasa en el espacio alrededor
de la partícula 1. La fuerza entre ellas se muestra en la figura. Ahora dejemos que la
partícula de prueba se mueva un poco. Debido a que es repelida por la 1 se alejará y llegará
a una nueva posición que se muestra en la figura 8(b). Si se vuelve a dejar que la partícula
de prueba se mueva un poco llegará a otra posición, y así sucesivamente. La trayectoria que
sigue la partícula de prueba al moverse en la forma descrita es una línea de fuerza. Nos
damos cuenta de que la fuerza que experimenta la partícula de prueba es siempre tangente a
la línea de fuerza. Ahora podemos repetir la experiencia colocando la partícula de prueba
en otro lugar y así formar la línea de fuerza correspondiente. De esta manera podemos
llenar todo el espacio que rodea a la partícula 1 de líneas de fuerza, y nos percatamos de
que todas ellas salen de la partícula 1.
Si la partícula 1 fuera de carga negativa, las líneas de fuerza tendrían sentido opuesto a las
anteriores, pues la partícula 1 atraería a la 2.
De esta forma se pueden encontrar las líneas de fuerza de cualquier conjunto de cargas
eléctricas. En general éstas son líneas curvas que empiezan en cargas positivas y terminan
en cargas negativas.
Forma en que se define la línea de fuerza del campo eléctrico.

6. En cada caso la fuerza que experimentaría una partícula de prueba de carga positiva que se
colocara en cualquier punto del espacio tendría una dirección que sería tangente a la línea
de fuerza en ese punto.
Podemos por tanto afirmar que para cualquier distribución de carga la(s) partícula(s)
crea(n) una situación en el espacio a su alrededor tal, que si se coloca una partícula de
prueba en cualquier punto, la fuerza que experimenta la partícula de prueba es tangente a la
línea de fuerza. Se dice que cualquier distribución de carga eléctrica crea a su alrededor una
situación que se llama campo eléctrico.
De manera completamente análoga se pueden definir las líneas de fuerza magnéticas. Al
colocar una limadura de hierro ésta se magnetiza y se orienta en una dirección tangente a la
línea de fuerza. Las limaduras de hierro desempeñan el papel de sondas de prueba para
investigar qué situación magnética se crea alrededor de los agentes que crean el efecto
magnético. En el capítulo anterior hablamos del efecto magnético que se produce en el
espacio. Este efecto es el campo magnético.
Al cambiar la disposición de las cargas eléctricas, imanes o corrientes eléctricas, es claro
que las líneas de fuerza que producen en el espacio a su alrededor también cambian. El
efecto que se produce en el espacio constituye un campo. Así tenemos tanto un campo
eléctrico como uno magnético. Por tanto, un campo es una situación que un conjunto de
cargas eléctricas o imanes y corrientes eléctricas producen en el espacio que los rodea.
Fue Faraday quien proporcionó una realidad física a la idea de campo, y basándose en ello
se dio cuenta de que si se cambia la posición física de cualquier partícula eléctrica en una
distribución, entonces el campo eléctrico que rodea a ésta también deberá cambiar y por
tanto, al colocar una partícula de prueba en cualquier punto, la fuerza que experimenta
cambiará. Sin embargo, a diferencia de la acción a distancia, estos cambios tardan cierto
intervalo de tiempo en ocurrir, no son instantáneos. Otro ejemplo es cuando una corriente
eléctrica que circula por un alambre cambia abruptamente. Faraday se preguntó si el
cambio en el campo magnético producido ocurría instantáneamente o si tardaba en ocurrir,
pero no pudo medir estos intervalos de tiempo ya que en su época no se disponía del
instrumental adecuado. (Incluso hizo varios intentos infructuosos por diseñar un
instrumento que le sirviera a este propósito al final de su vida.) Sin embargo, no tuvo la
menor duda de que en efecto transcurría un intervalo finito de tiempo en el que se
propagaba el cambio. Así, Faraday argumentó que la idea de acción a distancia no podía ser
correcta.
Hemos de mencionar que no fue sino hasta el año de 1887 cuando se midió en un
laboratorio por primera vez, y se comprobó que este tipo de propagación ocurre en un
tiempo finito. El experimento fue hecho por Heinrich Hertz y lo describiremos más
adelante.
Faraday dio otro argumento para rechazar la idea de acción a distancia. La fuerza entre dos
partículas eléctricamente cargadas no solamente depende de la distancia entre ellas sino
también de lo que haya entre ellas. Si las partículas están en el vacío, la fuerza tendrá cierto
valor, pero si hay alguna sustancia entre ellas el valor de la fuerza cambiará. Faraday

7. realizó varios experimentos para confirmar sus afirmaciones. Escribió que el medio que se
encuentre entre las partículas causa una diferencia en la transmisión de la acción eléctrica,
lo que ocasiona que no pueda haber acción a distancia. Por lo tanto, la acción entre las
partículas se debe transmitir, punto a punto, a través del medio circundante.
Fue en 1837 que Faraday propuso la idea de que la línea de fuerza tenía realidad física. Con
ello demostró tener una gran intuición física para entender los fenómenos
electromagnéticos. Hay que mencionar que debido a que no tenía preparación matemática
adecuada, por no haber asistido a una escuela de enseñanza superior, Faraday no pudo
desarrollar la teoría matemática del campo electromagnético, hecho que tuvo que esperar
hasta Maxwell. Sin embargo, tuvo el genio extraordinario para describir esta idea de
manera gráfica.