Conductores, aislantes y flujo de electrones

Los electrones de diferentes tipos de átomos tienen diferentes grados de libertad para moverse. Con algunos tipos de materiales, como los metales, los electrones más externos de los átomos están tan débilmente unidos que se mueven caóticamente en el espacio entre los átomos de ese material por nada más que la influencia de la energía térmica a temperatura ambiente. Debido a que estos electrones prácticamente no unidos son libres de dejar sus respectivos átomos y flotar en el espacio entre los átomos adyacentes, a menudo se les llama electrones libres .

Conductores frente a aisladores

En otros tipos de materiales como el vidrio, los electrones de los átomos tienen muy poca libertad para moverse. Si bien las fuerzas externas, como el roce físico, pueden obligar a algunos de estos electrones a abandonar sus respectivos átomos y transferirse a los átomos de otro material, no se mueven entre los átomos dentro de ese material con mucha facilidad.

Esta movilidad relativa de los electrones dentro de un material se conoce como conductividad eléctrica. . La conductividad está determinada por los tipos de átomos en un material (el número de protones en el núcleo de cada átomo determina su identidad química) y cómo los átomos están unidos entre sí. Los materiales con alta movilidad de electrones (muchos electrones libres) se denominan conductores , mientras que los materiales con baja movilidad de electrones (pocos electrones libres o ninguno) se denominan aislantes . A continuación, se muestran algunos ejemplos comunes de conductores y aislantes:

• Conductores
• plateado
• cobre
• oro
• aluminio
• hierro
• acero
• latón
• bronce
• mercurio
• grafito
• agua sucia
• hormigón

• Aisladores
• vidrio
• caucho
• aceite
• asfalto
• fibra de vidrio
• porcelana
• cerámica
• cuarzo
• algodón (seco)
• papel (seco)
• madera (seca)
• plástico
• aire
• diamante
• agua pura

Debe entenderse que no todos los materiales conductores tienen el mismo nivel de conductividad y no todos los aislantes son igualmente resistentes al movimiento de los electrones. La conductividad eléctrica es análoga a la transparencia de ciertos materiales a la luz:los materiales que "conducen" la luz fácilmente se denominan "transparentes", mientras que los que no lo hacen se denominan "opacos". Sin embargo, no todos los materiales transparentes son igualmente conductores de la luz. El vidrio de ventana es mejor que la mayoría de los plásticos y ciertamente mejor que la fibra de vidrio “transparente”. Lo mismo ocurre con los conductores eléctricos, algunos son mejores que otros.

Por ejemplo, la plata es el mejor conductor en la lista de "conductores", ofreciendo un paso de electrones más fácil que cualquier otro material citado. El agua sucia y el hormigón también se enumeran como conductores, pero estos materiales son sustancialmente menos conductores que cualquier metal.

También debe entenderse que algunos materiales experimentan cambios en sus propiedades eléctricas en diferentes condiciones. El vidrio, por ejemplo, es un muy buen aislante a temperatura ambiente, pero se convierte en conductor cuando se calienta a una temperatura muy alta. Los gases como el aire, normalmente materiales aislantes, también se vuelven conductores si se calientan a temperaturas muy altas. La mayoría de los metales se vuelven conductores más pobres cuando se calientan y mejores conductores cuando se enfrían. Muchos materiales conductores se vuelven perfectamente conductores (esto se denomina superconductividad ) a temperaturas extremadamente bajas.

Flujo de electrones / corriente eléctrica

Si bien el movimiento normal de los electrones "libres" en un conductor es aleatorio, sin una dirección o velocidad en particular, se puede influir en los electrones para que se muevan de manera coordinada a través de un material conductor. Este movimiento uniforme de electrones es lo que llamamos electricidad o corriente eléctrica . Para ser más precisos, podría llamarse electricidad dinámica en contraste con la electricidad estática , que es una acumulación inamovible de carga eléctrica. Al igual que el agua que fluye a través del vacío de una tubería, los electrones pueden moverse dentro del espacio vacío dentro y entre los átomos de un conductor. El conductor puede parecer sólido a nuestros ojos, ¡pero cualquier material compuesto de átomos es en su mayor parte un espacio vacío! La analogía del flujo de líquido es tan adecuada que el movimiento de los electrones a través de un conductor a menudo se denomina "flujo".

Aquí se puede hacer una observación digna de mención. A medida que cada electrón se mueve uniformemente a través de un conductor, empuja al que está delante de él, de modo que todos los electrones se mueven juntos como un grupo. El inicio y la detención del flujo de electrones a lo largo de una trayectoria conductora es prácticamente instantáneo de un extremo al otro de un conductor, aunque el movimiento de cada electrón puede ser muy lento. Una analogía aproximada es la de un tubo lleno de canicas de punta a punta:

El tubo está lleno de canicas, al igual que un conductor está lleno de electrones libres listos para ser movidos por una influencia externa. Si una única canica se inserta repentinamente en este tubo lleno en el lado izquierdo, otra canica inmediatamente intentará salir del tubo de la derecha. Aunque cada canica solo viajó una distancia corta, la transferencia de movimiento a través del tubo es prácticamente instantánea desde el extremo izquierdo al derecho, sin importar la longitud del tubo. Con la electricidad, el efecto general de un extremo de un conductor al otro ocurre a la velocidad de la luz:¡¡¡300.000 kilómetros por segundo !! Sin embargo, cada electrón individual viaja a través del conductor a mucho ritmo más lento.

Flujo de electrones a través del cable

Si queremos que los electrones fluyan en una dirección determinada a un lugar determinado, debemos proporcionar la ruta adecuada para que se muevan, al igual que un plomero debe instalar tuberías para que el agua fluya donde él o ella quiere que fluya. Para facilitar esto, cables están hechos de metales altamente conductores como el cobre o el aluminio en una amplia variedad de tamaños.

Recuerde que los electrones solo pueden fluir cuando tienen la oportunidad de moverse en el espacio entre los átomos de un material. Esto significa que puede haber corriente eléctrica solo donde existe un camino continuo de material conductor que proporciona un conducto para que viajen los electrones. En la analogía del mármol, las canicas pueden fluir hacia el lado izquierdo del tubo (y, en consecuencia, a través del tubo) si y solo si el tubo está abierto en el lado derecho para que fluyan las canicas. Si el tubo está bloqueado en el lado derecho, las canicas simplemente se "amontonarán" dentro del tubo y las canicas no fluirán. Lo mismo es válido para la corriente eléctrica:el flujo continuo de electrones requiere que haya un camino ininterrumpido para permitir ese flujo. Veamos un diagrama para ilustrar cómo funciona esto:

Una línea delgada y sólida (como se muestra arriba) es el símbolo convencional de un trozo de alambre continuo. Dado que el cable está hecho de un material conductor, como el cobre, sus átomos constituyentes tienen muchos electrones libres que pueden moverse fácilmente a través del cable. Sin embargo, nunca habrá un flujo continuo o uniforme de electrones dentro de este cable a menos que tengan un lugar de donde venir y un lugar al que ir. Agreguemos un electrón hipotético "Origen" y "Destino:"

Ahora, con la fuente de electrones empujando nuevos electrones hacia el cable en el lado izquierdo, puede ocurrir un flujo de electrones a través del cable (como lo indican las flechas que apuntan de izquierda a derecha). Sin embargo, el flujo se interrumpirá si se rompe la ruta conductora formada por el cable:

Continuidad eléctrica

Dado que el aire es un material aislante y un espacio de aire separa los dos trozos de cable, el camino que alguna vez fue continuo ahora se ha roto y los electrones no pueden fluir desde el origen al destino. Esto es como cortar una tubería de agua en dos y tapar los extremos rotos de la tubería:el agua no puede fluir si no hay salida de la tubería. En términos eléctricos, teníamos una condición de continuidad eléctrica cuando el cable estaba en una sola pieza, y ahora esa continuidad se rompe con el cable cortado y separado.

Si tuviéramos que tomar otro trozo de cable que conduce al Destino y simplemente hacer contacto físico con el cable que conduce a la Fuente, tendríamos una vez más un camino continuo para que fluyan los electrones. Los dos puntos en el diagrama indican un contacto físico (metal con metal) entre las piezas de alambre:

Ahora, tenemos continuidad desde la Fuente, hasta la conexión recién establecida, hacia abajo, hacia la derecha y hacia arriba hasta el Destino. Esto es análogo a colocar una conexión en "T" en una de las tuberías tapadas y dirigir el agua a través de un nuevo segmento de tubería hasta su destino. Tenga en cuenta que el segmento de cable roto en el lado derecho no tiene electrones fluyendo a través de él porque ya no es parte de una ruta completa desde el origen al destino.

Es interesante notar que no ocurre “desgaste” dentro de los cables debido a esta corriente eléctrica, a diferencia de las tuberías que transportan agua que eventualmente se corroen y desgastan por los flujos prolongados. Sin embargo, los electrones encuentran cierto grado de fricción a medida que se mueven, y esta fricción puede generar calor en un conductor. Este es un tema que exploraremos con mucho más detalle más adelante.

REVISAR:

• En conductivo materiales, los electrones externos de cada átomo pueden ir o venir fácilmente y se denominan electrones libres .
• En aislante materiales, los electrones externos no son tan libres para moverse.
• Todos los metales son conductores de electricidad.
• Electricidad dinámica o corriente eléctrica , es el movimiento uniforme de los electrones a través de un conductor.
• Electricidad estática es inmóvil (si está en un aislante), carga acumulada formada por un exceso o deficiencia de electrones en un objeto. Por lo general, se forma por separación de carga por contacto y separación de materiales diferentes.
• Para que los electrones fluyan continuamente (indefinidamente) a través de un conductor, debe haber una ruta completa e ininterrumpida para que puedan entrar y salir de ese conductor.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de conductores y aisladores