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• Camila Hizo

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“AÑO DE LA LUCHA CONTRA LA CORRUPCIÓN Y LA IMPUNIDAD”

INFORME DE LABORATORIO

Escuela Profesional De Ingeniería Civil Física Aplicada

Docente: Ing. Montalban Chininin Cesar Augusto

Alumna: Hizo Celestino, Camila

PRÁCTICA DE LABORATORIO N°02

MATERIALES CONDUCTORES Y NO CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD

I. • • II.

OBJETIVOS Comprobar experimentalmente la conductividad eléctrica de algunos de los materiales sólidos y líquidos Establecer las diferencias entre los materiales conductores y los no conductores FUNDAMENTO TEÓRICO

CONDUCTORES SEMICONDUCTORES Y AISLANTES Existen dos enfoques, basados en la teoría de bandas, que nos permiten entender los fenómenos de conductividad eléctrica y térmica en los materiales sólidos. Estos enfoques son capaces de explicar, por ejemplo, las diferencias tan enormes en las resistividades eléctricas de tales materiales. Uno de ellos es la teoría de F. Bloch (1928), la cual establece que los electrones de valencia en un metal se encuentran sujetos a un potencial no constante (periódico) y cuya periodicidad es impuesta por la estructura cristalina. El otro, la teoría de W. Heitler y F. London, considera los efectos sobre los niveles energéticos de átomos aislados, cuando dichos átomos se encuentran agrupados en un cristal (átomos inter-actuantes). Un tratamiento riguroso de la teoría de bandas, requiere de la aplicación de la mecánica cuántica, en cualquiera de los dos enfoques. El de Heitler y London, sin embargo, permite una explicación cualitativa más clara de los fenómenos involucrados en la teoría de bandas, por lo cual nos centraremos en esta teoría. Los materiales pueden clasificarse, de acuerdo con su resistividad, en conductores, semiconductores y aislantes.

CONDUCTORES Los conductores son materiales (generalmente metales), cuya estructura electrónica les permite conducir la corriente eléctrica a bajas temperaturas o temperatura ambiente; su resistividad al paso de la corriente eléctrica es muy baja. De acuerdo con la teoría de bandas, son aquellos materiales cuyas bandas de valencia y de conducción, se encuentran muy próximas entre si, al grado de que, en algunos casos, estas bandas se encuentran sobrepuestas. Los electrones de valencia en un átomo, son los que se encuentran en el nivel energético más externo y ellos permiten los enlaces entre los átomos en los compuestos o entre átomos del mismo tipo en una

molécula o un cristal. Por su parte, los electrones de conducción son los que se han promovido a niveles energéticos vacíos, lo que da lugar a su mayor movilidad y, eventualmente, da origen a las corrientes eléctricas. Veamos lo que sucede, tanto con los electrones en estados energéticos de átomos aislados, como los que se encuentran en estados energéticos en un cristal (átomos inter-actuantes).

AISLANTES Los aislantes son materiales con una resistencia tan alta, que no es posible la conducción eléctrica a través de ellos. Un caso extremo, de este tipo de materiales, es el diamante

SEMICONDUCTORES Los semiconductores se encuentran situados, por lo que hace a su resistencia, entre los conductores y los aislantes, ya que a temperaturas muy bajas difícilmente conducen la corriente eléctrica y más bien se comportan como aislantes, pero, al elevar su temperatura o al ser sometidos a un campo eléctrico externo, su comportamiento cambia al de los conductores. Estos semiconductores son conocidos como intrínsecos y, en ellos, las bandas de conducción y valencia se encuentran separadas por una barrera de energía (banda prohibida) más pequeña (comparada con la del diamante), de aproximadamente 1 eV (1.1 eV para el Si y 0.7 eV para el Ge).

CORRIENTE ELÉCTRICA De forma general, la corriente eléctrica es el flujo neto de carga eléctrica que circula de forma ordenada por un medio material conductor. Dicho medio material puede ser sólido, líquido o gaseoso y las cargas son transportadas por el movimiento de electrones o iones. Mas concretamente: − −

En los sólidos se mueven los electrones. En los líquidos los iones.

−

Y en los gases, los iones o electrones.

Aunque esto es así, el caso más general de corriente eléctrica es el que se produce por el movimiento de los electrones dentro de un conductor, así que suele reservarse este término para este caso en concreto. Tal y como estudiamos en el apartado del movimiento de cargas en el seno de un campo eléctrico, los eléctrones se mueven desde zonas de menor potencial eléctrico a mayor potencial eléctrico. A medida que los electrones se desplazan, el potencial en ambas zonas tiende a igualarse y poco a poco el movimiento de los electrones se detiene. Por esta razón, si deseamos mantener una corriente eléctrica constante es necesario hacer uso de un dispositivo que permita una diferencia de potencial o tensión constante denominado generador de corriente.

TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA Dependiendo de la temporalidad del sentido de la corriente eléctrica podemos distinguir dos tipos: • •

Corriente contínua (C.C.) El flujo de eléctrones se produce siempre en el mismo sentido. Corriente alterna (C.A.) El sentido de circulación de los electrones cambia de forma periódica.

EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA De forma general, la corriente eléctrica produce tres tipos de efectos: • •

•

Efectos caloríficos: Cuando circula una corriente eléctrica por un conductor, este aumenta su temperatura. Este efecto es utilizado en estufas, hornillos, etc. Efectos químicos: Si la corriente eléctrica circula por un conductor iónico, dicha corriente es capaz de producir un cambio químico en él. Este efecto es utilizado en la electrólisis. Efectos magnéticos: El paso de la corriente eléctrica a través de un conductor crea un campo magnético similar al que produce un imán. Este efecto es el fundamento de motores eléctricos, dispositivos de televisión, radio, amperímetros, voltímetros, etc.

III.

MATERIALES

• Placas de: madera, cobre, cinc, Aleación de cobre, plástico • cables • Fuente de Corrientes continua

IV.

PROCEDIMIENTO

a) Instalar el circuito, vemos que la fuente de cc. Y el multitester se encuentran en serie. Luego comprobamos el voltaje de 6 voltios. Cierre el circuito, uniendo extremos libres de los alambres. El foco se enciende porque al tener el Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería.

b) Conectar las puntas de los extremos pelados a los extremos de una tira de papel aluminio. ¿Se enciende el foquito? Explique El foquito se enciende porque el aluminio es un buen conductor de electricidad debido a que ofrece poca resistencia al movimiento de la carga eléctrica. c) Repita el paso anterior, conectando los extremos pelados a los extremos de varios materiales Observamos y anotamos los siguientes datos:

Material de prueba

Características

Buen Conductor

Aleación

Metal sólido color dorado

X

Cobre

Metal de transición de color rojizo

X

Acero

Mezcla de hierro y carbono

X

Mica

Mineral del grupo de los silicatos

X

Plástico

Material sintético

X

Madera

Material ortótropo de distinta elasticidad

X

Mal conductor

d) Utilice ahora un multitester digital, colocando el selector en la escala de resistencia Ω donde se encuentra el dibujo de un diodo y las puntas del multitester se colocan separadas un centímetro en algunos productos vegetales. Estos alimentos contienen una gran cantidad de agua y, por lo tanto, en algunos casos pueden conducir bien la electricidad, como en el caso de la papa, el tomate y la cebolla. Sucede lo contrario con el limón e) Colocar ahora los extremos pelados en la cubeta de vidrio como se muestra en la figura teniendo cuidado que dichos extremos no hagan contacto, vacíe agua destilada dentro de la cubeta. Agregue poco a poco cantidades pequeñas de sal de cocina al agua contenida en la cubeta. Explique Al ir agregando sal se observa que la resistividad disminuye porque las sustancias como la sal tienen naturaleza iónica y son buenos conductores de electricidad f)

Vierta el contenido de la cubeta en el lavadero y enjuáguela de tal manera que pueda repetir el paso anterior, pero ahora utilizar azúcar

V.

CUESTIONARIO

1. Establezca las principales diferencias entre materiales conductores y no conductores -

Material conductor

Un material conductor es aquel que opone muy poca resistencia al paso de una corriente eléctrica. Esto quiere decir que permiten el flujo de la electricidad a través de ellos. El porqué de la conductividad de algunos materiales es simple. Los átomos de este tipo de materiales tienen pocos electrones en su capa de valencia. Esto da como resultado que no se necesite demasiada energía para hacer que estos pasen de un átomo a otro, dando, así como resultado el flujo de electricidad. -

Material aislante

Por el contrario, un material aislante no permite el flujo de electricidad a través de él; es decir, opone total resistencia al paso de corriente. Los materiales aislantes suelen ser utilizados para proteger o aislar las corrientes eléctricas. Esto quiere decir que no permiten que la electricidad se desvíe del material semiconductor que la transporta. Algunos materiales aislantes incluyen al plástico, la madera (seca) y el caucho. 2. Haga un cuadro anotando la conductividad y la resistividad de los materiales más comunes, de acuerdo con esta tabla ¿qué material tiene mayor conductividad? ¿Cuál mayor resistividad?

De acuerdo a esta tabla el material con mayor conductividad es la plata con una conductividad de 0.6305, y el de mayor resistividad tenemos al carbón con un 40 de resistividad.

3. Explique las reacciones químicas que ocurren durante la electrólisis, con las sustancias utilizadas, sal y agua La electrólisis es la descomposición de un elemento químico bajo el efecto de una corriente eléctrica, es la producción de una reacción química no espontánea mediante el paso de una corriente eléctrica por una disolución o por una sal fundida. Lo importante es la presencia de iones libres que permitan el paso de la corriente eléctrica.

4. ¿Por qué se produce la conductividad en los vegetales? Las frutas y verduras contienen vitaminas y minerales importantes para sobrevivir y mantenernos adecuadamente. Sin embargo, curiosamente, estos mismos alimentos también contienen una gran cantidad de agua y, por lo tanto, en algunos casos pueden conducir bien la electricidad. Otros ingredientes, como el ácido cítrico y el ácido ascórbico, aumentan la conductividad, y en algunos casos, el contenido ácido es lo suficientemente alto como para crear un voltaje que puede alimentar pequeños componentes electrónicos. 5. Justifique el fenómeno observado en el paso 4.6 Para que pueda ser posible conducir corriente eléctrica mediante una solución esta debe necesariamente contener partículas cargadas eléctricamente, es decir, iones. Pero el azúcar no es iónico y no se ioniza en el agua. Entonces, una solución de azúcar no tiene portadores de carga móvil: no hay iones que se muevan en respuesta a un campo eléctrico. Solo tiene las mismas cantidades pequeñas de iones producidas por la auto ionización del agua, lo cual no es suficiente para convertirlo en un conductor importante. 6. ¿Cuál de estos materiales utilizados en la práctica podría utilizarse como interruptores? Un interruptor eléctrico es un dispositivo que permite desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica. Por lo que sería beneficioso usar a madera debido a que es un buen aislante térmico. 7. Explique por qué tendría que haber una relación entre la conducción eléctrica y la conducción térmicas en los metales. La propiedad inversa o contraria a la conductividad térmica es la resistencia térmica (la capacidad de un material para generar oposición al transporte del calor). Entonces La conductividad térmica, por lo tanto, es la capacidad de los cuerpos que permite que pase la corriente a través de ellos 8. ¿Qué término representa a la conductancia? Justifique su respuesta No debe confundirse con conducción, que es el mecanismo mediante el cual la carga fluye, o con la conductividad, que es la conductancia específica de un material. La unidad de medida de la conductancia en el Sistema internacional de unidades es el siemens.

VI.

BIBLIOGRAFÍA

Fink, D. G., Beaty, H. W., & Carroll, J. M. (1981). Manual práctico electricidad ingenieros. Reverte. Lacoba, R. N. (2014). Electricidad. Rocío Navarro Lacoba. Seippel, R. G. (1977). Fundamentos de electricidad: Principios de electricidad, electr¢nica, control y ordenadores. Reverte.

VII.

PÁGINAS WEB

Electrólisis de la sal. (2012, febrero 3). Recuperado 18 de septiembre de 2019, de https://rinconciencia.wordpress.com/2012/02/03/electrlisis-de-la-sal/ La Corriente Eléctrica y El Movimiento De Iones – Demócrito Y Sus Demonios. (s. f.). Recuperado 18 de septiembre de 2019, de https://labquimica.wordpress.com/2008/08/06/la-corriente-electrica-y-elmovimiento-de-iones/

VIII.

ANEXOS

9. Una moneda de un sol contiene predominante cobre tiene una masa de 3,20 g, por ser eléctricamente neutro, contiene la misma cantidad de carga positiva y negativa. Hallar: a) ¿cuántos átomos hay en la moneda de un sol? x= 3.4 g x (6,02 x 1023 átomos/ 63,5 g) x= 3.22x1022 átomos b) ¿cuál es la magnitud de carga neta positiva en la moneda de un sol? q = (Nº átomos) e = 3.22x1022x1.6x10-19 q = 5152 C c) ¿cuál es la magnitud de carga neta negativa en la moneda de un sol? q = (Nº átomos) e = 3.22x1022x1.6x10-19 q = 5152 C 10. Desarrollar: a.)

¿cuál es la masa de un grupo de electrones que tienen una carga total de 1 coulomb? 1.602𝑥10−19 𝐶 ≪≫ 9.1083𝑥10−28 𝑔𝑟 1 𝐶 ≪≫ 𝑋 𝑔𝑟 𝑋 = 5.686𝑥10−9 𝑔

b.) ¿Cuál es la masa de un grupo de protones tienen una carga total de 1 coulomb 1.602𝑥10−19 𝐶 ≪≫ 1836 . (9.1083𝑥10−28 ) 𝑔𝑟? 1 𝐶 ≪≫ 𝑋 𝑔𝑟 𝑋 = 1.0438𝑥10−19 𝑔 c.)

¿Cuál es la carga total de 1kg de electrones? 1.602𝑥10−19 𝐶 ≪≫ 9.1083𝑥10−28 𝑔𝑟 𝑋 𝐶 ≪≫ 1000𝑔𝑟 𝑋 = 1.758 𝑥1011 𝐶

d.)

¿Cuál es la carga total de 1kg de protones? 1.602𝑥10−19 𝐶 ≪≫ 9.1083𝑥10−28 𝑔𝑟 𝑋 𝐶 ≪≫ 1000𝑔𝑟 𝑋 = 95.797 𝑥 106 𝐶

11. Hállese la carga “q” conociéndose que las esferitas están separadas en 10 cm, ambas pesan 0,54 N y están suspendidas mediante hilos de seda de 13 cm de longitud.

sin 𝛼 =

0.05 0.13

𝛼 = 22.620º