Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Conductores, Semiconductores e Aislantes


En el campo de la física del estado sólido, la clasificación de los materiales en conductores, semiconductores e aislantes es fundamental. Estas tres categorías reflejan la capacidad de los materiales para conducir corriente eléctrica. Los principios subyacentes que rigen estas propiedades están vinculados al comportamiento de los electrones en la materia sólida. Comprender estas clasificaciones implica averiguar cómo se mueven los electrones a través de los materiales, la estructura de los materiales a nivel atómico y la aplicación de estos principios en diversas tecnologías.

Conductor eléctrico

Los conductores eléctricos son materiales que permiten que los electrones fluyan libremente en sus estructuras atómicas. Esta propiedad hace que los conductores sean altamente eficientes en la transmisión de corrientes eléctricas. Metales como el cobre, el aluminio y la plata son ejemplos clásicos de conductores. Vamos a entender la física detrás de esta propiedad.

Banda de conducción y banda de valencia

En los conductores, la banda de conducción, donde los electrones pueden moverse libremente, se superpone con la banda de valencia, que está llena de electrones de valencia. Esta superposición significa que incluso una ligera aplicación de energía puede hacer que los electrones fluyan, contribuyendo a la conducción de electricidad.

E = hf − φ

La ecuación anterior describe el efecto fotoeléctrico, donde E es la energía del electrón, h es la constante de Planck y φ es la función de trabajo del material.

Piense en los electrones como trabajadores de fábrica ocupados siempre listos para moverse de un lugar a otro, compartiendo sus tareas entre ellos. Aquí hay un diagrama simple que muestra la conducción en los metales:

banda de valencia banda de conducción Flujo de electrones

Ejemplo de conductor: cobre

Los cables de cobre se utilizan a menudo en cables eléctricos y líneas de energía porque tienen baja resistividad y alta conductividad. Cuando se aplica voltaje, los electrones externos en los átomos de cobre, que están retenidos débilmente, pueden moverse libremente, permitiendo que la corriente pase con mínima resistencia.

Semiconductores

Los semiconductores son materiales que tienen una conductividad entre la de los conductores y los aislantes. El silicio y el germanio son los materiales semiconductores más comunes. Su capacidad para conducir corriente eléctrica se puede mejorar al agregar impurezas, un proceso conocido como dopaje.

Banda prohibida

La principal diferencia entre los conductores y los semiconductores está en la banda prohibida: la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción. En los semiconductores, esta brecha es tan pequeña que los electrones pueden cruzarla a temperatura ambiente.

E_gap < 3 eV

Esta pequeña banda prohibida permite que los electrones salten a la banda de conducción cuando se les proporciona suficiente energía, como calor o luz.

banda de conducción banda de valencia banda prohibida

Ejemplo de un semiconductor: silicio

El silicio, el pilar de la electrónica moderna, se vuelve más conductor cuando se dopa con elementos como el fósforo (dopaje de tipo n) o el boro (dopaje de tipo p). Esta modificación ajusta su flujo neto de electrones, haciéndolo integral en dispositivos como transistores y diodos.

En los semiconductores, podemos aumentar la conductividad aumentando la temperatura o proporcionando energía a los electrones utilizando luz, empujándolos más allá de la banda prohibida.

Aislante

Los aislantes son materiales que no permiten que la corriente eléctrica fluya fácilmente. Tienen alta resistencia y una gran banda prohibida, lo que significa que es difícil para los electrones llegar a la banda de conducción. Ejemplos incluyen materiales como goma, vidrio y la mayoría de los plásticos.

Mayor banda prohibida

Los aislantes tienen una banda prohibida tan grande que los electrones no pueden cruzarla fácilmente sin una entrada significativa de energía, previniendo el flujo adecuado de corriente eléctrica en condiciones normales.

E_gap > 3 eV

Esto significa que los electrones permanecen en la banda de valencia y, por tanto, la conductividad eléctrica es muy baja.

banda de conducción banda de valencia Mayor banda prohibida

Ejemplo de un aislante: goma

La goma se utiliza a menudo para aislar cables eléctricos para protegerlos de descargas accidentales. Los electrones en la estructura atómica de la goma están fuertemente vinculados, creando una alta banda prohibida que los electrones no pueden cruzar fácilmente con fuerzas normales.

Comparación y aplicaciones

Comprender estas categorías es importante para el desarrollo y uso de varios dispositivos electrónicos. Exploremos algunas de las aplicaciones y veamos cómo se incorporan a la tecnología.

Aplicaciones de los conductores

  • Cableado eléctrico: Los conductores como el cobre se utilizan extensamente en el cableado eléctrico para hacer eficiente el flujo de corriente eléctrica.
  • Bobinados de motores: Metales utilizados en motores para convertir energía eléctrica en trabajo mecánico.

Aplicaciones de los semiconductores

  • Transistores: Utilizados en amplificadores y dispositivos de conmutación, los semiconductores controlan el flujo de corriente.
  • Células solares: Convierten la luz en energía eléctrica utilizando el efecto fotovoltaico en materiales semiconductores.

Aplicaciones de los aislantes

  • Recubrimientos: Los aislantes tienen recubrimientos sobre cables y alambres para evitar fugas accidentales.
  • Equipo de protección: Utilizado en la fabricación de guantes y otros equipos de protección para proteger contra riesgos eléctricos.

En conclusión, la comprensión de los conductores, semiconductores y aislantes es uno de los pilares del avance de la física y la tecnología. Esta clasificación permite a los científicos e ingenieros manipular materiales para cumplir con propiedades electrónicas deseadas, impulsando así la innovación en los sectores de la electrónica, las comunicaciones, la computación y la energía.


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