Propiedades dos conductores eléctricos

Un conductor eléctrico é un material que permite que as cargas eléctricas se movan facilmente a través del mesmo cando está suxeto a unha diferenza de potencial. Os conductores eléctricos son esenciais para moitas aplicacións, como o cableado, liñas de transmisión, máquinas eléctricas, elementos de calefacción, escudo electrostático e moito máis. Neste artigo, exploraremos as propiedades dos conductores eléctricos, os seus tipos, exemplos e aplicacións.

Que é un Conductor Eléctrico?

Un conductor eléctrico defínese como un material que ten electróns ou íons libres que poden transportar corrente eléctrica cando se aplica un campo eléctrico. A capacidade dun material para conducir electricidade chámase conductividade. O oposto dun conductor é un aislante, que ten moi poucos ou ningún electrón ou íon libre e non permite que a corrente eléctrica flua a través do mesmo.

A conductividade dun material depende de varios factores, como a súa estrutura atómica, a temperatura, as impurezas e as influencias externas. Xeralmente, os metais teñen alta conductividade porque teñen moitos electróns libres na súa cáscara máis externa que poden moverse facilmente dun átomo a outro. Algunhas exemplos de bons conductores son a prata, o cobre, o ouro, o aluminio, o ferro e o grafite. Os non-metais teñen baixa conductividade porque teñen poucos ou ningún electrón libre na súa cáscara máis externa e tenden a retelos estreitamente. Algunhas exemplos de aislantes son o caucho, o vidro, a madeira, o plástico e o aire.

Algunhas substancias teñen conductividade intermedia entre os conductores e os aislantes. Estes chámanse semiconductores e úsanse amplamente en electrónica e tecnoloxía informática. Algunhas exemplos de semiconductores son o silicio, o xermánio, arseniuro de galio e as nanotubos de carbono.

Propiedades dos Conductores Eléctricos

Os conductores eléctricos exhiben algúnsas propiedades comúns cando están en condicións de equilibrio. Estas propiedades son:

• Resistencia: A resistencia é a medida de cantísimo un conductor se opón ao flujo da corrente eléctrica. Dependendo do material, a súa resistividad, lonxitude, área seccional e temperatura. A resistividad é a propiedade intrínseca dun material que determina a súa resistencia por unidade de lonxitude e área. É inversamente proporcional á conductividade. Os conductores teñen baixa resistividad e baixa resistencia, mentres que os aislantes teñen alta resistividad e alta resistencia. A resistencia converte parte da enerxía eléctrica en enerxía térmica nun conductor. Isto chámase calor xoule o calor ohmico.

• Inductancia: A inductancia é a medida de cantísimo un conductor se opón ao cambio na corrente eléctrica que fluye a través del. Dependendo da forma, tamaño, orientación e disposición do conductor. A inductancia causa un campo magnético a xerar ao redor dun conductor cando fluye unha corrente eléctrica a través del. Este campo magnético pode inducir unha forza electromotriz (FEM) no mesmo ou noutros conductores próximos que se opón ao cambio na corrente. Isto chámase autoinductancia ou mutua inductancia, respectivamente. A inductancia afecta á distribución da corrente e ao voltaxe de caída nun conductor cando se usa para corrente alternada (CA).

• O campo eléctrico dentro do conductor é cero: O campo eléctrico dentro dun conductor perfecto é cero porque calquera campo eléctrico exercería unha forza sobre os electróns libres e os aceleraría ata que alcanzasen o equilibrio. En condicións de equilibrio, a forza neta sobre os electróns libres é cero, e non se move. Isto significa que non hai diferenza de potencial dentro do conductor, e todos os puntos están ao mesmo potencial. Esta propiedade fai que os conductores sexan adecuados para o escudo electrostático de equipos eléctricos.

• A densidade de carga dentro do conductor é cero: A densidade de carga dentro dun conductor perfecto é cero porque calquera carga crearía un campo eléctrico que repeliría a mesma carga cara á superficie do conductor. A repulsión electrostática mútua entre cargas semellantes (electróns) empurráronas cara á superficie exterior do conductor, onde poden estar tan lejos como sexa posible. Isto significa que non hai carga dentro do conductor, e só existe carga libre na superficie.

• A carga libre só existe na superficie do conductor: Como se discutió anteriormente, a carga libre (electróns) non existe dentro do conductor, senón só na súa superficie debido á repulsión electrostática. A cantidade e a distribución de carga libre na superficie dependen da forma e do tamaño do conductor e do campo eléctrico externo aplicado a este.

• O campo eléctrico na superficie do conductor é normal á superficie: O campo eléctrico na superficie dun conductor perfecto é normal (perpendicular) á superficie porque calquera compoñente tangencial causaría que os electróns libres se moviesen ao longo da superficie ata que cancelasen o compoñente tangencial. Isto significa que non hai compoñente paralelo dun campo eléctrico na superficie, e só existe un compoñente normal.

Tipo de Conductores Eléctricos

Os conductores eléctricos poden clasificarse en diferentes tipos en función da súa estrutura, composición, comportamento e aplicación. Algúns tipos comúns son:

• Conductores metálicos: Estes son conductores feitos de metais ou aleacións que teñen alta conductividade debido aos seus electróns libres. Usanse amplamente para o cableado, liñas de transmisión, máquinas eléctricas, contactos eléctricos, etc. Algunhas exemplos son a prata (Ag), o cobre (Cu), o ouro (Au), o aluminio (Al), o ferro (Fe), etc.

• Conductores iónicos: Estes son conductores feitos de compostos iónicos que teñen alta conductividade debido aos seus íons libres cando están disueltos en auga ou fundidos nun estado líquido. Usanse para electrolisis, baterías, células de combustible, etc. Algunhas exemplos son o cloruro de sodio (NaCl), o hidróxido de potasio (KOH), o ácido sulfúrico (H2SO4), etc.

• Conductores moleculares: Estes son conductores feitos de moléculas que teñen alta conductividade debido aos seus electróns delocalizados ou orbitais moleculares que poden superporse entre si. Usanse para electrónica orgánica, nanotecnoloxía, etc. Algunhas exemplos son o grafite ©, nanotubos de carbono (CNTs), poliacetileno (PA), etc.

• Superconductores: Estes son conductores que teñen resistencia cero e conductividade infinita cando se enfrían por debaixo dunha certa temperatura crítica. Tamén exhiben outros fenómenos, como o efecto Meissner, corrente persistente, levitación cuántica, etc. Usanse para imanes superconductores, ordenadores cuánticos, imaxes médicas, etc. Algunhas exemplos son o mercurio (Hg), o chumbo (Pb), óxido de cobre bario itrio (YBCO), etc.

Aplicacións dos Conductores Eléctricos

Os conductores eléctricos teñen moitas aplicacións en diversos campos da ciencia, enxeñaría e tecnoloxía. Algúnsas aplicacións comúns son:

• Cableado: O cableado é unha das aplicacións máis comúns dos conductores eléctricos. Inclúe conectar diferentes dispositivos ou componentes eléctricos con cables feitos de conductores metálicos como o cobre ou o aluminio. O cableado permite que a electricidade fluea dende un punto a outro con mínima perda ou interferencia.

• Liñas de transmisión: As liñas de trans