Estructura del átomo, iones y materiales conductores

Un día seco, bajas del carro, tocas la manija metálica y sientes un piquete en los dedos. Frotaste tu ropa contra el asiento y algo pasó de un material al otro. Ese «algo» son electrones, y viven dentro de los átomos. Entender la estructura del átomo explica por qué el cobre conduce, por qué el plástico de un cable aísla y por qué una pulsera antiestática protege los chips de una tarjeta madre.

Las partes del átomo#

Partícula	Carga	Masa aproximada	Dónde está
Protón	+1,602 × 10-19 C	1,673 × 10-27 kg	Núcleo
Neutrón	0	1,675 × 10-27 kg	Núcleo
Electrón	−1,602 × 10-19 C	9,109 × 10-31 kg	Alrededor del núcleo

Mira la masa: un protón pesa unas 1 836 veces lo que pesa un electrón. Por eso los protones se quedan quietos en el núcleo y los electrones son los que se mueven y hacen el trabajo eléctrico. La carga del electrón, 1,602 × 10^-19 coulombs, es la carga elemental: ninguna carga libre puede ser menor.

Una cifra para dimensionar: 1 ampere equivale a unos 6,24 × 10¹⁸ electrones pasando por un punto cada segundo. Cuando un puerto USB entrega 500 mA, son más de 3 × 10¹⁸ electrones por segundo. Cada uno aporta muy poco; el efecto sale de la cantidad.

Número atómico y capas#

El número atómico (Z) es la cantidad de protones del núcleo y define el elemento: Z = 1 es hidrógeno, Z = 14 es silicio, Z = 29 es cobre. Los electrones se acomodan en capas o niveles de energía alrededor del núcleo. Cada capa admite un máximo: 2 electrones en la primera, 8 en la segunda, 18 en la tercera, y así sigue.

La capa más externa se llama capa de valencia, y sus electrones, electrones de valencia. Son los que están más lejos del núcleo, los que menos los atrae, y los únicos que participan en enlaces y en la conducción. Todo lo eléctrico que ves en un circuito se decide ahí.

Elemento	Z	Distribución por capas	Electrones de valencia
Cobre (Cu)	29	2 – 8 – 18 – 1	1
Aluminio (Al)	13	2 – 8 – 3	3
Silicio (Si)	14	2 – 8 – 4	4
Carbono (C)	6	2 – 4	4
Neón (Ne)	10	2 – 8	8

El cobre tiene un solo electrón en su última capa, muy flojo, y esa es la razón de que los cables de una instalación sean de cobre. El neón tiene la capa externa llena (8), no comparte ni cede nada, y por eso es un gas inerte.

Moléculas e iones#

Cuando dos o más átomos se unen compartiendo electrones forman una molécula. El agua (H₂O) son dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; el oxígeno del aire (O₂) son dos átomos de oxígeno. Una molécula puede ser de un solo elemento o de varios, y es la parte más pequeña de una sustancia compuesta que conserva sus propiedades.

Un ion es un átomo (o grupo de átomos) que perdió o ganó electrones y por eso quedó con carga neta.

• Catión: perdió electrones y queda positivo. El sodio pierde uno y es Na⁺.
• Anión: ganó electrones y queda negativo. El cloro gana uno y es Cl⁻.

Los iones importan en electrónica porque son portadores de carga en líquidos. El electrolito de una batería de plomo-ácido, como la de un UPS, es ácido sulfúrico disuelto en agua, y la corriente dentro de la batería es un movimiento de iones. El agua pura casi no conduce; con sal disuelta, sí. Por eso el agua del mar o un piso mojado vuelven peligroso un equipo que parecía apagado.

Estructura de metales y no metales#

Metales#

En un metal los átomos forman una red ordenada y cada uno suelta su electrón o electrones de valencia. Esos electrones no pertenecen a ningún átomo en particular: se mueven libres entre los iones positivos de la red, como una multitud en una plaza. Se llama enlace metálico. Cuando conectas una pila a un alambre de cobre, esa multitud empieza a desplazarse en una misma dirección, y eso es la corriente eléctrica.

Plata, cobre, oro y aluminio son los mejores conductores. En la práctica el cobre gana porque es muy buen conductor y es mucho más barato que la plata. El oro, aunque conduce un poco peor, no se oxida, así que se usa en los contactos de las memorias RAM y de los conectores de las tarjetas. Los dedos dorados que ves en una memoria DDR son eso.

No metales#

En los no metales los átomos se unen por enlaces covalentes: comparten electrones con sus vecinos y cada electrón queda atado a su pareja de átomos. No hay electrones libres, así que la corriente no pasa. Son los aislantes: el plástico PVC de la cubierta de un cable, la fibra de vidrio de una tarjeta impresa (FR-4), el hule, la cerámica y el vidrio.

El silicio y el germanio están en medio: son metaloides (ni metal ni no metal del todo) con 4 electrones de valencia, aislantes casi perfectos a baja temperatura pero que conducen un poco al calentarse o al agregarles impurezas. Son los semiconductores, con los que se hacen diodos, transistores y procesadores. Cómo se dopan y cómo funcionan los tipos N y P es tema de otra lección.

Tipo de material	Electrones libres	Ejemplos en un equipo
Conductor	Muchos	Pistas de cobre, cable de poder, disipador de aluminio
Semiconductor	Pocos, controlables	Chip de silicio del procesador
Aislante	Prácticamente ninguno	Funda del cable, carcasa de plástico, FR-4

Relación con los fenómenos eléctricos#

Aquí se junta todo. La electricidad estática aparece cuando un material gana electrones y otro los pierde, casi siempre por fricción. Dos cargas del mismo signo se repelen; de signo contrario, se atraen. Lo que sientes al tocar la manija del carro es la descarga del exceso de electrones hacia un conductor.

Ejemplo. Una persona camina sobre una alfombra sintética y acumula unos miles de volts. Se acerca a una tarjeta madre y toca un contacto de la memoria. Un chip CMOS se puede dañar con tan poco como un centenar de volts, y la persona ni siquiera siente la chispa, porque el ser humano percibe una descarga hasta aproximadamente los 3 000 V. Solución. Antes de abrir un CPU se usa una pulsera antiestática conectada a tierra, o, con el equipo desconectado de la pared, se toca primero el chasis metálico para igualar potenciales.

La corriente eléctrica, en cambio, es el movimiento ordenado de cargas. En un cable de cobre son electrones libres; en una batería o en un líquido son iones. Y la resistencia es la dificultad que encuentran al avanzar, porque chocan con los átomos de la red. Un material más caliente tiene átomos que vibran más y estorban más: por eso los metales aumentan su resistencia con la temperatura, mientras los semiconductores la bajan.

Errores frecuentes#

• Pensar que los electrones «viajan» por el cable a la velocidad de la luz. Cada electrón avanza muy despacio, a fracciones de milímetro por segundo; lo que se propaga rápido es el empuje eléctrico.
• Decir que un átomo con más electrones que protones «tiene más masa eléctrica». Tiene carga negativa neta y se llama anión.
• Creer que un objeto cargado es el que tiene «más electrones». Un objeto neutro ya tiene muchísimos; cargado es el que tiene un desbalance entre protones y electrones.
• Confundir molécula con ion: la molécula es neutra, el ion tiene carga neta.
• Pensar que los aislantes no pueden conducir nunca. Si el voltaje es suficientemente alto, hasta el aire conduce; el rayo es el ejemplo.

Para repasar, dibuja en tu cuaderno el modelo por capas del cobre, del aluminio y del silicio, marca los electrones de valencia y escribe al lado si ese material sería conductor, semiconductor o aislante. Si puedes explicarle a un compañero por qué, ya dominas la base de lo que sigue en el curso.

Ponte a prueba#

¿Por qué el cobre conduce mejor que el plástico?#

¿Cuántos electrones de valencia tiene el silicio y cómo lo sabes?#

¿Qué diferencia hay entre un catión y un anión?#

¿Por qué se usa una pulsera antiestática al armar una PC?#

Si 1 A son 6,24 × 10^18 electrones por segundo, ¿cuántos pasan por segundo con 250 mA?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Electrónica, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)