Propiedades de los conductores eléctricos
Un conductor eléctrico es un material que permite que las cargas eléctricas se muevan a través de él fácilmente cuando se somete a una diferencia de potencial. Los conductores eléctricos son esenciales para muchas aplicaciones, como el cableado, líneas de transmisión, máquinas eléctricas, elementos calefactores, blindaje electrostático y más. En este artículo, exploraremos las propiedades de los conductores eléctricos, sus tipos, ejemplos y aplicaciones.
¿Qué es un Conductor Eléctrico?
Un conductor eléctrico se define como un material que tiene electrones o iones libres que pueden transportar corriente eléctrica cuando se aplica un campo eléctrico. La capacidad de un material para conducir electricidad se llama conductividad. Lo opuesto a un conductor es un aislante, que tiene muy pocos o ningún electrón o ion libre y no permite que la corriente eléctrica fluya a través de él.
La conductividad de un material depende de varios factores, como su estructura atómica, temperatura, impurezas e influencias externas. Generalmente, los metales tienen alta conductividad porque tienen muchos electrones libres en su capa más externa que pueden moverse fácilmente de un átomo a otro. Algunos ejemplos de buenos conductores son la plata, el cobre, el oro, el aluminio, el hierro y el grafito. Los no metales tienen baja conductividad porque tienen pocos o ningún electrón libre en su capa más externa y tienden a retenerlos fuertemente. Algunos ejemplos de aislantes son el caucho, el vidrio, la madera, el plástico y el aire.
Algunos materiales tienen conductividad intermedia entre conductores y aislantes. Estos se llaman semiconductores y se utilizan ampliamente en electrónica y tecnología de computación. Algunos ejemplos de semiconductores son el silicio, el germanio, arseniuro de galio y los nanotubos de carbono.
Propiedades de los Conductores Eléctricos
Los conductores eléctricos exhiben algunas propiedades comunes cuando están en condiciones de equilibrio. Estas propiedades son:
Resistencia: La resistencia es la medida de cuánto un conductor se opone al flujo de la corriente eléctrica. Depende de la resistividad del material, su longitud, su área de sección transversal y su temperatura. La resistividad es la propiedad intrínseca de un material que determina su resistencia por unidad de longitud y área. Es inversamente proporcional a la conductividad. Los conductores tienen baja resistividad y baja resistencia, mientras que los aislantes tienen alta resistividad y alta resistencia. La resistencia hace que parte de la energía eléctrica se convierta en energía térmica en un conductor. Esto se llama calentamiento Joule o calentamiento ohmico.
Inductancia: La inductancia es la medida de cuánto un conductor se opone al cambio en la corriente eléctrica que fluye a través de él. Depende de la forma, el tamaño, la orientación y la disposición del conductor. La inductancia causa que se genere un campo magnético alrededor de un conductor cuando una corriente eléctrica fluye a través de él. Este campo magnético puede inducir una fuerza electromotriz (FEM) en el mismo conductor o en conductores cercanos que se oponen al cambio en la corriente. Esto se llama autoinductancia o inductancia mutua, respectivamente. La inductancia afecta la distribución de la corriente y el voltaje en un conductor cuando se usa para suministro de corriente alterna (CA).
El campo eléctrico dentro del conductor es cero: El campo eléctrico dentro de un conductor perfecto es cero porque cualquier campo eléctrico ejercería una fuerza sobre los electrones libres y los aceleraría hasta que alcanzaran el equilibrio. En condiciones de equilibrio, la fuerza neta sobre los electrones libres es cero y no se mueven. Esto significa que no hay diferencia de potencial dentro del conductor y todos los puntos están al mismo potencial. Esta propiedad hace que los conductores sean adecuados para el blindaje electrostático de equipos eléctricos.
La densidad de carga dentro del conductor es cero: La densidad de carga dentro de un conductor perfecto es cero porque cualquier carga crearía un campo eléctrico que repelería la misma carga hacia la superficie del conductor. La repulsión electrostática mutua entre cargas del mismo signo (electrones) los empuja a la superficie exterior del conductor, donde pueden estar tan separados como sea posible. Esto significa que no hay carga dentro del conductor y solo existe carga libre en la superficie.
La carga libre existe solo en la superficie del conductor: Como se discutió anteriormente, la carga libre (electrones) no existe dentro del conductor, sino solo en su superficie debido a la repulsión electrostática. La cantidad y distribución de la carga libre en la superficie dependen de la forma y el tamaño del conductor y del campo eléctrico externo aplicado a él.
El campo eléctrico en la superficie del conductor es normal a la superficie: El campo eléctrico en la superficie de un conductor perfecto es normal (perpendicular) a la superficie porque cualquier componente tangencial causaría que los electrones libres se movieran a lo largo de la superficie hasta que cancelaran el componente tangencial. Esto significa que no hay componente paralelo del campo eléctrico en la superficie y solo existe un componente normal.
Tipos de Conductores Eléctricos
Los conductores eléctricos se pueden clasificar en diferentes tipos según su estructura, composición, comportamiento y aplicación. Algunos tipos comunes son:
Conductores metálicos: Son conductores hechos de metales o aleaciones que tienen alta conductividad debido a sus electrones libres. Se utilizan ampliamente para cableado, líneas de transmisión, máquinas eléctricas, contactos eléctricos, etc. Algunos ejemplos son la plata (Ag), el cobre (Cu), el oro (Au), el aluminio (Al), el hierro (Fe), etc.
Conductores iónicos: Son conductores hechos de compuestos iónicos que tienen alta conductividad debido a sus iones libres cuando se disuelven en agua o se derriten en un estado líquido. Se usan para electrolisis, baterías, pilas de combustible, etc. Algunos ejemplos son el cloruro de sodio (NaCl), el hidróxido de potasio (KOH), el ácido sulfúrico (H2SO4), etc.
Conductores moleculares: Son conductores hechos de moléculas que tienen alta conductividad debido a sus electrones deslocalizados u orbitales moleculares que pueden superponerse entre sí. Se usan para electrónica orgánica, nanotecnología, etc. Algunos ejemplos son el grafito (C), los nanotubos de carbono (CNTs), el poliacetileno (PA), etc.
Supercónductores: Son conductores que tienen resistencia cero y conductividad infinita cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura crítica. También exhiben otros fenómenos, como el efecto Meissner, corriente persistente, levitación cuántica, etc. Se usan para imanes superconductores, computadoras cuánticas, imagen médica, etc. Algunos ejemplos son el mercurio (Hg), el plomo (Pb), el óxido de ytrio bario cobre (YBCO), etc.
Aplicaciones de los Conductores Eléctricos
Los conductores eléctricos tienen muchas aplicaciones en diversos campos de la ciencia, la ingeniería y la tecnología. Algunas aplicaciones comunes son:
Cableado: El cableado es uno de los usos más comunes de los conductores eléctricos. Implica conectar diferentes dispositivos o componentes eléctricos con cables hechos de conductores metálicos como el cobre o el aluminio. El cableado permite que la electricidad fluya de un punto a otro con mínima pérdida o interferencia.
Líneas de transmisión: Las líneas de transmisión son cables especializados que llevan corriente alterna (CA) de alta tensión (HVAC) o
