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Modelo microscópicos de conductores, semiconductores y aislantes.
Potencial de ruptura
Capacitores, dieléctricos
Para modelar microscópicamente la conducción eléctrica se recurre a la Ley de Ohm V = I.R, siendo R=ρ.L/A la resistencia del material; L y A las dimensiones del conductor y ρ la resistividad propia de cada material.
La primera modelización teórica para relacionar la resistividad eléctrica con magnitudes microscópicas propias del material, es la teoría de electrones libres desarrollada por Drude (modelo de Drude) a principios del siglo pasado. Dicha teoría supone que el origen de la resistividad eléctrica son las colisiones que sufren los electrones al moverse por el interior del material. Dado que los electrones libres son arrastrados por el potencial V al que es sometido el conductor.
En el caso de los semiconductores a diferencia de los metales, con su capa de valencia sólo parcialmente ocupada, los materiales semiconductores, al unirse mediante covalencia, forman una estructura electrónica estable, en la que no quedan lugares vacantes.
Todos los electrones se encontrarán en su estado energético fundamental y la banda de valencia estará totalmente ocupada, mientras que la banda de conducción estará totalmente vacía. La característica distintiva de los semiconductores es que la "zona prohibida" tiene una "altura" energética del orden de 1eV, y ésta es una diferencia de energía que los electrones pueden adquirir con sólo que aumente la temperatura unos pocos grados.
Representación de la recombinación electrón hueco.
Es decir, que a temperaturas crecientes le corresponderá una distribución electrónica cada vez más desplazada hacia la banda de conducción, donde hay muchos estados vacantes. Al mismo tiempo, se van creando lugares vacantes en la banda de valencia. Por supuesto que la distribución electrónica entre las bandas es el resultado de un equilibrio dinámico en el que el "flujo" de electrones hacia la banda de conducción es igual al flujo en sentido inverso. Un electrón en la banda de conducción puede perder cierta cantidad de energía y volver a la banda de valencia y ello está ocurriendo permanentemente. Se llama a este proceso "recombinación". O sea que en un semiconductor en equilibrio térmico, existe un proceso continuo de excitación y recombinación de tal forma que la concentración de electrones y huecos se mantiene sensiblemente constante.
Con los aislantes o dieléctricos, debido a la banda de conducción se encuentra prácticamente vacía de electrones, mientras que la banda de valencia está completamente llena de éstos. Entonces no tiene electrones libres para que se comporte como un conductor.
No obstante, si a un dieléctrico se lo somete a un campo eléctrico externo potente, se produce la ruptura del dieléctrico, el cual comienza a comportarse como un material conductor, debido a la presencia del campo eléctrico externo al dieléctrico, las moléculas de éste se polarizan, orientándose en la dirección de campo actuante.
Un método para almacenar energía eléctrica es por medio de un capacitor, o también llamado condensador. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un dieléctrico, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.
Un capacitor simple está formado por dos placas metálicas, de la misma superficie y enfrentadas entre sí, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q.
La magnitud que caracteriza a un capacitor es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.
Para un capacitor se define su capacidad como la razón de la carga que posee uno de los conductores a la diferencia de potencial entre ambos, es decir, la capacidad es proporcional a la carga e inversamente proporcional a la diferencia de potencial: C = Q/V, medida en Faradios (F).
La diferencia de potencial entre estas placas es igual a: V=E·d ya que depende de la intensidad de campo eléctrico y la distancia que separa las placas. Para un capacitor de placas paralelas de superficie S por placa, la capacidad del dispositivo resulta:
Siendo d la separación entre las placas y e la constante dieléctrica propia de cada material colocado entre las placas que forman el capacitor.
La energía electrostática almacenada en el capacitor será igual a la suma de todos estos trabajos desde el momento en que la carga es igual a cero hasta llegar a un valor dado de la misma, al que llamaremos Q.
Si ponemos la carga en función de la diferencia de potencial y capacidad, la expresión de la energía almacenada en un capacitor resulta:
Dependiendo de la superficie de las placas su fórmula de capacidad es:
