Introducción a la conductancia y los conductores

A estas alturas, debe conocer bien la correlación entre la conductividad eléctrica y ciertos tipos de materiales. Los materiales que permiten el paso fácil de electrones libres se denominan conductores , mientras que aquellos materiales que impiden el paso de electrones libres se denominan aislantes .

Desafortunadamente, las teorías científicas que explican por qué ciertos materiales conducen y otros no son bastante complejas, basadas en explicaciones de la mecánica cuántica sobre cómo se organizan los electrones alrededor de los núcleos de los átomos. Al contrario del conocido modelo "planetario" de los electrones que giran alrededor del núcleo de un átomo como fragmentos bien definidos de materia en órbitas circulares o elípticas, los electrones en "órbita" no actúan realmente como pedazos de materia. Más bien, exhiben las características tanto de partícula como de onda, su comportamiento restringido por la ubicación dentro de zonas distintas alrededor del núcleo denominadas "capas" y "subcapas". Los electrones pueden ocupar estas zonas solo en un rango limitado de energías dependiendo de la zona en particular y cuán ocupada esté esa zona con otros electrones. Si los electrones realmente actuaran como pequeños planetas mantenidos en órbita alrededor del núcleo por atracción electrostática, sus acciones descritas por las mismas leyes que describen los movimientos de los planetas reales, no podría haber una distinción real entre conductores y aislantes, y los enlaces químicos entre átomos no lo harían. existen en la forma en que lo hacen ahora. Es la naturaleza discreta y "cuantificada" de la energía y la ubicación de los electrones descritas por la física cuántica lo que da a estos fenómenos su regularidad.

Átomo en estado excitado

Cuando un electrón es libre de asumir estados de mayor energía alrededor del núcleo de un átomo (debido a su ubicación en una "capa" particular), puede ser libre de separarse del átomo y formar parte de una corriente eléctrica a través de la sustancia.

Átomo en estado fundamental

Sin embargo, si las limitaciones cuánticas impuestas a un electrón le niegan esta libertad, se considera que el electrón está "unido" y no puede separarse (al menos no fácilmente) para constituir una corriente. El primer escenario es típico de materiales conductores, mientras que el segundo es típico de materiales aislantes.

Algunos libros de texto le dirán que la conductividad eléctrica de un elemento está determinada exclusivamente por la cantidad de electrones que residen en la "capa" externa de los átomos (llamada valencia shell), pero esto es una simplificación excesiva, como confirmará cualquier examen de conductividad versus electrones de valencia en una tabla de elementos. La verdadera complejidad de la situación se revela aún más cuando se considera la conductividad de las moléculas (conjuntos de átomos unidos entre sí por la actividad de los electrones).

Un buen ejemplo de esto es el elemento carbono, que comprende materiales de conductividad muy diferente: grafito y diamante . El grafito es un buen conductor de la electricidad, mientras que el diamante es prácticamente un aislante (aún más extraño, técnicamente se clasifica como un semiconductor , que en su forma pura actúa como aislante, pero puede conducir a altas temperaturas y / o la influencia de impurezas). Tanto el grafito como el diamante están compuestos exactamente por los mismos tipos de átomos:carbono, con 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones cada uno. La diferencia fundamental entre el grafito y el diamante es que las moléculas de grafito son agrupaciones planas de átomos de carbono, mientras que las moléculas de diamante son agrupaciones tetraédricas (en forma de pirámide) de átomos de carbono.

La introducción intencional de impurezas en un semiconductor intrínseco con el fin de alterar sus propiedades eléctricas, ópticas y estructurales se denomina dopaje . Si los átomos de carbono se unen a otros tipos de átomos para formar compuestos, la conductividad eléctrica se altera una vez más. El carburo de silicio, un compuesto de los elementos silicio y carbono, exhibe un comportamiento no lineal:¡su resistencia eléctrica disminuye con los aumentos en el voltaje aplicado! Los compuestos de hidrocarburos (como las moléculas que se encuentran en los aceites) tienden a ser muy buenos aislantes. Como puede ver, un simple recuento de electrones de valencia en un átomo es un mal indicador de la conductividad eléctrica de una sustancia.

Todos los elementos metálicos son buenos conductores de electricidad, debido a la forma en que los átomos se unen entre sí. Los electrones de los átomos que comprenden una masa de metal están tan desinhibidos en sus estados de energía permitidos que flotan libremente entre los diferentes núcleos de la sustancia, motivados fácilmente por cualquier campo eléctrico. Los electrones son tan móviles, de hecho, que a veces los científicos los describen como un gas de electrones . , o incluso un mar de electrones en el que descansan los núcleos atómicos. Esta movilidad de electrones explica algunas de las otras propiedades comunes de los metales:buena conductividad térmica, maleabilidad y ductilidad (fácilmente formada en diferentes formas) y un acabado brillante cuando está puro.

Afortunadamente, la física detrás de todo esto es en su mayoría irrelevante para nuestros propósitos aquí. Baste decir que algunos materiales son buenos conductores, algunos son malos conductores y algunos están en el medio. Por ahora, es suficiente entender simplemente que estas distinciones están determinadas por la configuración de los electrones alrededor de los átomos constituyentes del material.

Un paso importante para lograr que la electricidad cumpla con nuestras órdenes es poder construir caminos para que la corriente fluya con cantidades controladas de resistencia. También es de vital importancia que podamos evitar que la corriente fluya donde no queremos, mediante el uso de materiales aislantes. Sin embargo, no todos los conductores son iguales, ni tampoco todos los aislantes. Necesitamos comprender algunas de las características de los conductores y aislantes comunes, y poder aplicar estas características a aplicaciones específicas.

Casi todos los conductores poseen cierta resistencia medible (tipos especiales de materiales llamados superconductores no poseen absolutamente ninguna resistencia eléctrica, pero estos no son materiales ordinarios y deben mantenerse en condiciones especiales para que sean superconductores). Por lo general, asumimos que la resistencia de los conductores en un circuito es cero y esperamos que la corriente pase a través de ellos sin producir una caída de voltaje apreciable. En realidad, sin embargo, casi siempre habrá una caída de voltaje a lo largo de las vías conductoras (normales) de un circuito eléctrico, ya sea que queramos que haya una caída de voltaje allí o no:

Para calcular cuáles serán estas caídas de voltaje en cualquier circuito en particular, debemos poder determinar la resistencia de un cable ordinario, conociendo el tamaño y el diámetro del cable. Algunas de las siguientes secciones de este capítulo abordarán los detalles para hacer esto.

REVISAR:

• La conductividad eléctrica de un material está determinada por la configuración de los electrones en los átomos y moléculas de ese material (grupos de átomos enlazados).
• Todos los conductores normales poseen cierta resistencia.
• La corriente que fluye a través de un conductor con (cualquier) resistencia producirá una cierta cantidad de caída de voltaje a lo largo de ese conductor.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de conductores y aisladores
• Hoja de trabajo de resistencia específica de conductores