Tema 1: La explicación de los fenómenos
eléctricos: El modelo atómico.
I Desarrollo histórico.
La búsqueda por una teoría atómica, una teoría de
la naturaleza de las materias, que afirman que están compuestas por pequeñas
partículas llamadas átomos, comenzó desde tiempos casi remotos en la Antigua
India, aproximadamente en el siglo
VI a. C. A pesar de eso, los vaisesika y
los niaiá desarrollaron
elaboradas teorías de cómo los átomos se combinaban en objetos
complejos. Los griegos continuaron con su búsqueda, pero a
diferencia de otros, estos no querían explicar la estructura interna, sino el
cambio y la permanencia. La teoría atómica fue abandonada durante mucho tiempo
y se restauró su investigación hasta el Renacimiento y
sus siglos posteriores,
cuando se plantearon las bases de lo que hoy se
considera es el correcto modelo atómico; introducido por John Dalton.
Antes del modelo atómico, existieron gran cantidad de
modelos para tratar de explicar la materia como el modelo cinético de Daniel
Bernoulli, y en el siglo XX el modelo cinético de partículas o
molecular que intentaba, mayoritariamente, explicar el comportamiento de
los gases a
través de ciertos supuestos. Asimismo, surgieron teorías que ayudaron
a explicar dichos modelos como la ley
de Avogadro y el movimiento browniano.
II Desarrollo cronológico.
- 450
a.C. - Modelo atómico de Demócrito.
El desarrollo filosófico de Demócrito postulaba la
imposibilidad de la división infinita de la materia y la consecuente necesidad
de la existencia de una unidad mínima, de la cual estarían compuestas todas las
sustancias.
Interesante el que se haya pensado durante 2.500 años que
Demócrito pudiera haber acertado plenamente; la verdad es que lo parecía, pero
ahora uno de los postulados o principios más importantes de la Mecánica
Global es precisamente lo contrario.
En el modelo actual de la Teoría de la Equivalencia
Global todas las sustancias forman parte de una única partícula
llamada Globus, constituida por una red tridimensional reticular irrompible que
se extiende por todo el universo.
- 1808
- Modelo atómico de Dalton.
La evolución del modelo de Dalton apuntaba ya al átomo
moderno pero como una sola partícula; si bien al principio no estaba muy claro
si el modelo atómico de Dalton sería un átomo o una molécula.
- 1897
- Modelo atómico de Thompson.
El siguiente paso importante en la historia del átomo actual
lo añade la teoría atómica de Thompson con la división del
átomo entre cargas positivas y negativas, tipo pastel de frutas o sopa de ajo,
con fuerzas de atracción eléctricas.
1911 - Modelo atómico de Rutherford.
El modelo de Rutherford separa el núcleo con carga positiva
de los electrones con carga negativa. Los electrones estarían en órbitas
circulares o elípticas alrededor del núcleo. El neutrón se añadió al modelo
de Rutherford en 1920 de forma teórica y fue descubierto
experimentalmente en 1932.
El modelo de Rutherford es la imagen visual que todos
tenemos del átomo moderno, pero tenía dos problemas:
- Contradecía
las leyes de Maxwell del electromagnetismo por las que
las partículas cargadas en movimiento deberían emitir fotones
continuamente. Por ello los electrones deberían perder energía y caer al
núcleo del átomo.
- La teoría
atómica de Rutherford no explicaba los espectros atómicos.
1913 - Modelo atómico de Bohr.
La teoría atómica de Bohr introduce mejoras
sustanciales al modelo de Rutherford al incorporar aspectos
energéticos derivados de la energía de Planck y del efecto fotoeléctrico
de Einstein.
Aunque una descripción detallada del modelo de Bohr es
compleja, las siguientes características son relevantes en relación al modelo
que va a introducir la Mecánica Global:
- Los
electrones se sitúan en órbitas circulares estables; es decir, donde no
emiten energía y no todas están permitidas.
- Las
órbitas permitidas de los electrones del modelo atómico de Bohr tienen
un momento angular que es un múltiplo exacto de hbar (constante de Planck
dividido por 2π)
- Los
electrones emiten o absorben un fotón al cambiar de órbitas atómicas,
cuya energía coincide con la diferencia de energía de las órbitas y no
necesitan pasar por estados intermedios.
- En
el átomo de Bohr, las órbitas de los electrones siguen las reglas de
la Mecánica Clásica pero no así los cambios de órbita.
Al margen del gran acierto de este modelo en muchos
aspectos, el problema del modelo de Bohr y de toda laMecánica Cuántica es
que se van añadiendo supuestos a lo largo de la historia, pero sin explicar las
razones que los justifican, únicamente que funcionan y explican mejor la
realidad; lo cual, no estando nada mal, no ayuda mucho a la comprensión de la
realidad si se apoyan en principios físicos despistantes.
Para variar, podrían haber intentado una explicación
plausible.
1916 - Modelo atómico de Sommerfeld.
Con la evolución, en el modelo de Sommerfeld se incluyen subniveles
dentro de la estructura del átomo de Bohr, se descartan las órbitas circulares
y se incorpora en cierta medida la Teoría de la Relatividad deEinstein.
El modelo de Sommerfeld también configura
los electrones como corriente eléctrica y no explica por qué las órbitas han de
ser elípticas, yo creo que son elipsoides y que Sommerfeld lleva razón en que
el electrón es un tipo especial de onda electromagnética, al que la Mecánica
Global denomina ondón.
1926 - Modelo de Schrödinger o modelo actual.
El modelo de Schrödinger cambia la filosofía de las órbitas,
seguramente por las nuevas aportaciones a lateoría atómica de De Broglie sobre
la naturaleza ondulatoria de la masa en 1924, y describe a los electrones con
funciones de onda. Dicha configuración permite obtener la probabilidad de que
el electrón se encuentre en un determinado punto del espacio. De esta forma, se
obtienen orbitales de densidad espacial de probabilidad de
encontrar un electrón.
Este modelo de átomo de Schrödinger se
ajusta mucho mejor a las observaciones; pero, al abandonar la visión anterior
sobre la forma de las órbitas se aleja de una explicación intuitiva de las
causas de esas órbitas tan caprichosas.
Al mismo tiempo, Schrödinger se adentra en
el mundo de las probabilidades y de la abstracción matemática que, en grandes
dosis, podría llegar a ser muy perjudicial o negativa.
2008 - Evolución del modelo de átomo actual.
Este libro en línea de la Mecánica Global propone
en el siguiente apartado un nuevo paso en la evolución del modelo del átomo
moderno, en un intento de seguir avanzando en el conocimiento de una realidad
física tan bonita y tan simple como compleja.
http://www.youtube.com/watch?v=Qk2B-ne3OuI
III Alcances y limitaciones de lo modelos.
Democrito:
La ventaja de este modelo es que explica que es
el átomo, su definición y en lo que consiste, pero no cuales son
sus partes.
Dalton:
Solo explica lo que el de Democrito, pero un poco mas
detallado.
Tompson:
El primer gran golpe que recibe el modelo atómico explica lo mismo que los dos anteriores solo que este nos da a conocer que el átomo tiene cargas positivas y negativas y descubrió el electrón, pero también decía que era una molécula electropositiva, y con electrones distribuidos con carga negativa, pero aun así seguía incompleto.
Rutherford:
Explica que el núcleo es denso formado por portones alrededor del cual giran los electrones, pero aunque paresa el actual no lo es.
Borh:
Relaciono la energía de los electrones con sus órbitas pero aun así seguía incompleto.
Sommerfeld:
Da a conocer que cuando los electrones esta en su órbita no pierden energía pero que cuando cambian de órbita pueden absorber radiación electromagnética pero aun así seguía incompleto.
Schrödinger:
Este es el que actualmente usamos ahora en el que se cambian las orbitas.
Caracteristicas basicas del modelo atomico.
I Núcleo con portones y neutrones:
Protones:
Es una partícula subatómica con una carga eléctrica
elemental positiva (1,602 × 10–19 columbios) y
una masa de (1,6726 × 10–27 kg) o, del mismo modo, unas 1836 veces la masa
de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como
estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque
algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse, es decir el que sus
partículas pierdan la consistencia que poseen y como tal el átomo. El protón y
el neutrón ,
en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el
núcleo de los átomos
Una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental
positiva 1, con un valor absoluto igual y signo contrario a la del electrón. Su
masa, además, es 1836 veces superior a la de un electrón.
El protón, junto a un neutrón, forman los nucleones, y forman
un núcleo de átomos. Y es que dentro de un átomo, el número de protones que lo
formen determina sus propiedades químicas.
Neutron:
Definicion
Un neutrón es una partícula subatómica contenida en el núcleo atómico. No tiene carga
eléctrica neta, a diferencia de carga eléctrica positiva del protón. El número de neutrones en un núcleo atómico determina el isótopo de ese elemento.
Detalles
El neutrón está formado por tres quarks, un quark up y dos
quarks abajo.
La masa del neutrón es ligeramente mayor que la del protón.
El neutrón no existe fuera largo del núcleo atómico, sólo unos meros 885 segundos (15 minutos) en promedio.
Masa: 1.67492729 × 10-27 kg
Carga: 0
Spin: 1/2
Electron en orbita
Debido a que el neutrón tiene un espín 1/2, es un fermión.
Los electrones son uno de los tipos más importantes de
partículas subatómicas. Los electrones se combinan con protones y (generalmente)
con neutrones para crear átomos.
Los electrones son mucho más pequeños que los neutrones y
protones. La masa de un simple neutrón o protón es más de 1 800 veces mayor que
la masa de un electrón. El tiene tiene una masa de 9.11 x 10-28 gramos.
Los electrones tienen una carga eléctrica negativa, con una
magnitud llamada algunas veces carga elemental o carga fundamental. Por esto se
dice que un electrón tiene una carga de -1. Los protonestienen
una carga del mismo valor, pero con polaridad opuesta, es decir +1. La carga
fundamental tiene un valor de 1.602 x 10-19coulombio.
Atracción y repulsión electrostática.
Los átomos que están presentes en todos los cuerpos, están
compuestos de electrones, portones y neutrones.
Los tres tienen masa pero solamente el electrón y el portón tienen carga. El portón tiene carga positiva y el electrón tiene carga
negativa.
Si se colocan dos electrones (carga negativa los dos) a una
distancia "r", estos se repelerán con una fuerza "F".
Esta fuerza depende de la distancia "r" entre los
electrones y la carga de ambos. Esta fuerza "F" es llamada Fuerza
electrostática.
Si en vez de utilizar electrones se utilizan portones la
fuerza será también de repulsión pues las cargas son iguales. (positivas las
dos)
La fuerza cambiará de repulsiva a atractiva, si en
vez de poner dos elementos de carga igual se ponen se cargas
opuestas. (un electrón y un portón)
El que la fuerza electrostática sea de
atracción o de repulsión depende de los signos de las cargas:
- cargas negativas frente a frente se repelen
- cargas positivas frente a frente se repelen
- carga positiva frente a carga negativa
se atraen
- un electrón con un neutrón no generan ninguna fuerza
- un protón con un neutrón no generan ninguna fuerza
Acordarse que el neutrón es "neutro", no tiene carga.
Conclusión:
Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen
I Corriente eléctrica.
|
Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM). |
|
|
||
|
|
|
Quizás hayamos oído hablar o leído en algún texto que el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica por un circuito es a la inversa, o sea, del polo positivo al negativo de la fuente de FEM. Ese planteamiento tiene su origen en razones históricas y no a cuestiones de la física y se debió a que en la época en que se formuló la teoría que trataba de explicar cómo fluía la corriente eléctrica por los metales, los físicos desconocían la existencia de los electrones o cargas negativas. Al descubrirse los electrones como parte integrante de los átomos y principal componente de las cargas eléctricas, se descubrió también que las cargas eléctricas que proporciona una fuente de FEM (Fuerza Electromotriz), se mueven del signo negativo (–) hacia el positivo (+), de acuerdo con la ley física de que "cargas distintas se atraen y cargas iguales se rechazan". Debido al desconocimiento en aquellos momentos de la existencia de los electrones, la comunidad científica acordó que, convencionalmente, la corriente eléctrica se movía del polo positivo al negativo, de la misma forma que hubieran podido acordar lo contrario, como realmente ocurre. No obstante en la práctica, ese “error histórico” no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere. |
Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica. |
|
|
Normalmente los electrones tratan de circular por el
circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la
resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia,
mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando
la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar
energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la
temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el
punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.
|
III Materiales aislantes.
Aislantes.
Se denomina aislante eléctrico al materia con escasa conductividad eléctrica. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y de conducción que dificultan la existencia de electrones libres capases de conducir la electricidad atravez del material, el aislante es el que posee mas de 4 electrones en su ultima capa de valencia.
Tipos y características.
Aislantes sólidos: Un buen aislante entre vueltas de las
bobinas de transformadores es el cartón prensado, el cual da forma a
estructuras de aislamiento rígidas. En los sistemas de aislamiento de transformadores
destacan las cintas sintéticas, que se utilizan para envolver los conductores
magnéticos de los bobinados.
Aislantes Líquidos: 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.
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 comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de
potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que
dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la
electricidad a través del material (para más detalles ver semiconductor).
Los materiales aislantes son mejor conocidos como aquellos
que tiene sus electrones de valencia relativamente fijos formando enlaces no
conductores eléctricos.
Ejemplos: Oxigeno, azufre, diamante.
IV Materiales conductores.
Una propiedad común a prácticamente todos los materiales,
es la de permitir, en algún grado, la conducción de la corriente eléctrica,
pero así como algunos materiales son buenos conductores,
otros son malos conductores de dicha corriente.
Desde este punto de vista, los materiales pueden
clasificarse en conductores y no conductores.
Un material es conductor cuando puede
desempeñar esa función en un circuito, independiente del valor de su
conductividad.
Los conductores en general pueden
clasificarse en: metálicos, electrolíticos y gaseosos.
En los conductores metálicos la conducción
es electrónica, es decir, los portadores de cargas son electrones libres.
Pertenecen a este grupo los metales y aleaciones. Se suele hablar en estos
casos de conducción metálica.
En los conductores electrolíticos la
conducción es iónica; pertenecen a este grupo los llamados electrolitos, es
decir, los ácidos (bases o sales, disueltos o fundidos). Las moléculas de estas
sustancias, cuando se disuelven o funden, de disocian total o parcialmente
formando iones positivos o negativos, y estos iones son portadores de cargas.
En estos casos, el paso de la corriente eléctrica corresponde a un
desplazamiento de material, y viene acompañada de una reacción química.
