Tabla de clasificación de aislantes

Tabla de conductores

Tabla de resistividades de materiales

Conductancia eléctrica

La conductancia está directamente relacionada con la facilidad que ofrece un material cualquiera al paso de la corriente eléctrica. La conductancia es lo opuesto a la resistencia. A mayor conductancia la resistencia disminuye y viceversa, a mayor resistencia, menos conductancia, por lo que ambas son inversamente proporcionales.

Existen algunos materiales que conducen mejor la corriente que otros. Los mejores conductores son, sin duda alguna, los metales, principalmente el oro (Au) y la plata (Ag), pero por su alto costo en el mercado se prefiere utilizar, en primer lugar, el cobre (Cu) y, en segundo lugar, el aluminio (Al), por ser ambos metales buenos conductores de la electricidad y tener un costo mucho menor que el del oro y la plata.

Otros tipos de materiales, como el alambre nicromo (Ni-Cr, aleación de níquel y cromo), el constantán, la manganina, el carbón, etc. no son buenos conductores y ofrecen mayor resistencia al paso de la corriente eléctrica, por lo que son utilizados como tales, es decir, como “resistencias eléctricas” para producir calor fundamentalmente, o para controlar el paso de la corriente en los circuitos electrónicos

Se denota G

• G = Conductancia en Siemens
• R = Resistencia en Ohmios
  

La unidad de medida de la conductancia en el Sistema internacional de unidades es el Siemens.

Resistencia Eléctrica

La resistencia eléctrica es la relación existente entre la diferencia de potencial eléctrico al que se somete a un medio o componente y la intensidad de la corriente que lo atraviesa

R = V / I

La resistencia eléctrica se suele representar con la letra R, y su unidad en el sistema internacional es el ohmio, definido como la resistencia de un conductor en el cual la corriente es de un amperio cuando la diferencia de potencial entre sus extremos es de un voltio.

De la ecuación anterior se desprende que cuanta menor sea la intensidad de la corriente, mayor será la resistencia, por ello se dice que la resistencia eléctrica es un medida de la dificultad que opone un conductor al paso de la corriente a su través.

Para una gran variedad de materiales y condiciones, la resistencia eléctrica no depende de la cantidad de corriente o la diferencia de potencial aplicada por lo que ambas son proporcionales, siendo la resistencia de un conductor función de las características del material y la temperatura a la que éste se encuentra

Resistividad

Es el grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos.
Se denota por la letra griega rho minúscula (p) y se mide en ohms por metro.

Ω·m ó Ω·mm²/m

Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente electrica, por lo que define de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.

Es la resistividad medida en Ω·m

R Es un valor de la resistencia electrica en Ω

L Es la longitud del material medida en m.

A Es el area tranversal medida en m*2

Con la anterior formula se deduce que el valor de una resistencia, depende del material con que fue construido, su longitud y su area tranversal.

• A mayor longitud y menor area tranversal del elemento, mas resistencia.
• A menor longitud y mayor area transversal del elemento, menos resistencia.

Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica, es la capacidad que tiene un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí.
También es la propiedad natural característica de cada cuerpo, que representa la facilidad con la que los electrones pasan por el. Esto varía con la temperatura y es una de las características más importantes de los materiales.
La conductividad es la inversa de la resistividad.

Se denota [sigma]

Su unidad es el S/m (siemens por metro).

Conductores y aislantes

Por regla general, los átomos de todos los conductores tienen una cosa en común: sus capas externas están incompletas, teniendo solamente uno o dos electrones ligados débilmente al núcleo. De esta forma, cuando la capa externa está casi vacía, la debilidad de esa ligazón permite que sus electrones se puedan mover fácilmente cuando son atraídos por una fuerza externa. Por ejemplo, el cobre y la plata son excelentes conductores ya que ambos solo tienen un electrón en la capa externa.

Los átomos de los no conductores o aislantes tienen en cambio su capa exterior completa o casi completa, haciendo que sus electrones sean muy estables y difícil de hacerlos saltar de sus órbitas. La mayor parte de los aislantes tienen una composición semejante al cristal o al caucho. Sin embargo, ningún material es totalmente aislante, ya que una fuerza suficientemente potente puede romper las ligaduras de que hablamos y hacerlo conductor. Más adelante se estudiarán estos conceptos.

Átomos ionizados

Dijimos que cuando un átomo pierde uno o varios electrones, adquiere una carga positiva a causa de que los protones del núcleo no tienen compensación. Cuando esto sucede, el átomo se le denomina ión. El ión positivo así formado tiene una fuerte atracción sobre los electrones

Por su parte, cuando un átomo adquiere uno o más electrones su carga es negativa, a causa de que los electrones no están compensados por las cargas positivas del núcleo, este átomo cargado negativamente es un ión negativo.

Materiales Conductores

Los materiales conductores son aquellos materiales cuya resistencia al paso de la corriente es muy baja, recordemos que un buen aislante presenta una resistencia de hasta 1024 veces mayor que un buen conductor.
En general podemos denominar material conductor a cualquier sustancia o material que sometido a una diferencia de potencial eléctrico proporciona un paso continuo de corriente eléctrica.
En general todas las sustancias en estado sólido o liquido poseen la propiedad de conductividad eléctrica, pero algunas sustancias son buenos conductores, las mejores sustancias conductoras son los metales.
Dentro de los materiales metálicos más utilizados mencionamos: la Plata, el cobre, aluminio, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre y conductores compuestos de aluminio-acero y cobre-acero cuyas aplicaciones en las industrias eléctricas son muy útiles.

Propiedades generales de los materiales conductores.

• Propiedades eléctricas.
• Propiedades mecánicas; dentro de las mecánicas es importante el peso, resistencia a la tracción y propiedades elásticas.
• Propiedades físico-químicas.

Propiedades eléctricas de los materiales conductores.

Las propiedades eléctricas que han de tener en cuenta para determinar la calidad de los materiales conductores son las siguientes:

• Resistencia eléctrica.
• Resistividad.
• Conductividad.
  

Resistencia eléctrica para materiales conductores.

La resistencia eléctrica R, de un material conductor constituye un índice de la oposición que ofrece el paso de la corriente eléctrica.

Se define como la relación entre la tensión constante U, aplicada a sus extremos y la corriente I permanente que circula por el conductor, es decir, que se trata de un coeficiente de proporcionalidad entre ambas magnitudes, expresado por:

Para un material conductor determinamos, la resistencia R es, en general, independiente de la tensión aplicada U y de la corriente I que pasa por el circuito formando con un conductor; en realidad, un parámetro que depende de la naturaleza y dimensiones del metal considerado.
En conductores de sección uniforme, relativamente pequeña respecto de su longitud, la resistencia es directamente proporcional a la longitud l e inversamente proporcional a S, de forma que puede expresarse por:

En la que ρ es el coeficiente de proporcionalidad, distinto para casa material conductor y denominado resistividad.
La unidad practica de resistencia es el Ohmio (Ω), definido como la resistencia eléctrica de un circuito recorrido por la corriente de 1 amperio, con una diferencia de potencial de 1 voltio.

Resistividad eléctrica.

La resistividad eléctrica es la medida de la resistencia eléctrica de una cantidad unidad de un material dado. Si la resistividad se refiere a las unidades de superficie y de longitud, se denomina resistividad volumétrica, que en general es la mas utilizada para materiales conductores metálicos

La unidad de medida es:

Definición de conductor: denominamos conductor al cuerpo construido por un metal de alta conductividad que puede ser utilizado como portador de corriente eléctrica.
A continuación mencionaremos tres clases de conductores según su poder de conducción eléctrica en orden descendiente:

• Conductor de clase1: son los de elevada conductividad eléctrica, en general son los metales comerciales de uso eléctrico, cobre, aluminio, aleaciones de aluminio.
• Conductor de clase 2: Son los semiconductores de germanio, Silicio.
• Conductor de clase 3: Los aislantes.

Los conductores se ven afectados por la variación de la temperatura y por las variaciones de esfuerzos mecánicos durante el servicio.

Los conductores pueden ser de un hilo macizo o varios hilos cableados entre sí.

Características físicas de conductores sólidos metálicos:

• A temperatura ambiente su estado es sólido.
• Opacos a espesores normales.
• Buena conductividad térmica y eléctrica.
• Buena dureza o resistencia a ralladuras.
• Resistencia longitudinal o la rotura.
• Elasticidad.
• Maleabilidad.
• Resistencia a la fatiga.
• Ductilidad.

Características Químicas:

Tiene valencia positiva (+), es decir ceden electrones a los átomos que se enlazan:

• Forman óxidos básicos
• Baja energía de ionización
  

Características Eléctricas:

• Posee resistencia al flujo de electricidad.
• Elevada conductividad térmica.
• Ejemplo : Cobre, Aluminio, Plata.

El cobre excelente conductor y junto con el Aluminio soportan problemas de corrosión por estar a la intemperie.

Conductores Líquidos:

En general el agua con sales tales como cloruros, sulfuros y carbonatos, etc., son buenos conductores, debido a que las sales actúan como agente reductores, donante de electrones.

Conductores Gaseosos:

Valencias negativas (se ioniza negativamente)

En los gases la condición que implica el paso de una corriente se conoce como el fenómeno de descarga o "ruptura" eléctrica del gas: paso de un comportamiento no conductor (baja corriente) a conductor.

• Tienden a adquirir electrones.
• Tienden a formar óxidos ácidos.
• Ejemplos: Neón, cloro, (ionizados)
  

Principales materiales conductores:

Conductor de Cobre:

Nos referimos exclusivamente al alma conductora, o sea no nos interesa analizar la naturaleza del aislante. Lo único que tendremos en cuenta es si el conductor se utiliza desnudo o aislado.

Cobre electrolítico. Se obtiene electrolíticamente, por refinado: un electrodo de cobre hace de cátodo y un electrodo de cobre con impurezas hace de ánodo; el cobre electrolítico se deposita cobre el cátodo. Las características del cobre electrolítico coinciden, casi exactamente con las del cobre puro, ya que el contenido mínimo de cobre ha de ser de 99.9 %.

Cobre recocido. El cobre recocido llamado también cobre blando tiene una resistencia a la rotura de 22 a 28 [Kg/mm2]. El cobre recocido a 20º C de temperatura ha sido adoptado como cobre-tipo para las transacciones comerciales en todo el mundo. El cobre recocido es dúctil, maleable se maquina fácilmente y se utiliza, sobre todo, para la fabricación de conductores eléctricos que no hayan de estar sometidos a grandes esfuerzos mecánicos.

Cobre semiduro. Tiene una resistencia a la rotura de 28 a 34 [Kg/mm2]y no es tan dúctil ni maleable como el cobre recocido. Se utiliza en líneas aéreas, con vanos que no excedan de 40 a 50 m.

Cobre duro. El cobre duro trabajado, en frió tiene, adquiere dureza y resistencia mecánica, aunque a expensas de su ductilidad y maleabilidad. El cobre duro tiene una resistencia a la rotura de 35 a 47 [Kg/mm2] y sus buenas propiedades mecánicas se emplea para conductores de líneas eléctricas exteriores, donde han de estar sometidos a esfuerzos mecánicos elevados; este tipo de cobre no es muy empleado en instalaciones interiores, debido a que se maquina mas difícilmente, que el cobre recocido.

Aleaciones de Cobre

Los que son solubles en cantidad moderada en una solución sólida de cobre, telas como el manganeso, el níquel, el zinc, el estaño, el aluminio, etc., generalmente endurecen el cobre y disminuyen su ductilidad, pero mejoran sus condiciones de laminado y de trabajo mecánico.

De una forma general se puede decir que las aleaciones de cobre mejoran algunas de las propiedades mecánicas o térmicas del cobre puro, pero a excepción de las propiedades eléctricas. Las aleaciones de cobre las utilizadas en electrotecnia son las siguientes:

• Latones
• Bronces

Latones

Los latones son aleaciones de cobre y zinc con un 50 % de este ultimo metal como máximo, ya que a partir de dicho porcentaje, las aleaciones resultan frágiles.La conductividad eléctrica es relativamente baja, por lo que su empleo en electrotecnia no es tan extendido.

Bronces.

Los bronces son aleaciones de cobre y estaño. Pero actualmente las aleaciones dejaron de ser binarias para pasar a ser ternarias, introduciendo un tercer elemento, además del cobre y el estaño, como fósforo, silicio, manganeso, zinc, cadmio, aluminio; según el tercer elemento es el nombre del bronce, por ejemplo: bronce fosforoso, bronce silicioso, etc.

La Norma IRAM 2002 especifica las características más importantes que ha de satisfacer un cobre que, tomado como patrón secundario, servirá en la práctica para chequear los alambres de cobre conductores elaborados con respecto a él.

SEMICONDUCTORES

Los dispositivos de estado sólido son elementos pequeños pero versátiles que pueden ejecutar una gran variedad de funciones de control en los equipos electrónicos. Al igual que otros dispositivos electrónicos, son capaces de controlar casi instantáneamente el movimiento de cargas eléctricas.

Se los utiliza como rectificadores, detectores, amplificadores, osciladores, conmutadores, mezcladores, moduladores, etc. Su peso y tamaño son reducidos, son de construcción sólida y muy resistentes mecánicamente lo que los hace libres de microfonismos y se los puede fabricar de manera que sean inmunes a severas condiciones ambientales

Los dispositivos de estado sólido hacen uso de la circulación de corriente en un cuerpo sólido. En general todos los materiales pueden clasificarse en tres categorías principales: conductores, semiconductores y aisladores. Como su nombre lo indica, un material "semiconductor" tiene menor conductividad que un "conductor" pero mayor conductividad que un "aislador". Hasta hace algunos años el material más utilizado en la fabricación de semiconductores era el Germanio, luego fué reemplazado por el Silicio, material que sigue siendo utilizado actualmente. De cualquier manera en muchos circuitos todavía son utilizados diodos de germanio.

Estructura de la Materia

Para estudiar la estructura y composición de la materia es preciso llegar a su fracción fundamental. Supongamos una gota de agua, la cual fuera subdividida por la mitad una y otra vez. Si pudiéramos continuar este proceso físicamente lo suficiente, llegaría un momento en que no se podría dividir más veces, llegando así a obtener la partícula de agua más pequeña posible sin que dejara de ser agua. La partícula de una sustancia (en nuestro ejemplo la partícula de agua) se denomina molécula. Esto puede ser aplicado a cualquier sustancia, sea sólida, líquida o gaseosa.

Sí físicamente pudiéramos subdividir una gota de agua hasta la porción más pequeña sin que dejara de ser agua, obtendríamos una molécula de agua.

Una sola molécula de agua podría volver a ser subdividida, pero dejaría de ser agua, quedando solo sus elementos (oxígeno e hidrógeno); los elementos son las subdivisiones más pequeñas posibles de una molécula y se denominan átomos. Así, una molécula de agua (H2O) está compuesta de 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Por tanto, el agua no es un cuerpo simple, sino compuesto, dado que una molécula de agua está formada por dos tipos de átomos. La plata, por ejemplo, es un cuerpo simple, y su subdivisión progresiva hasta obtener una molécula termina en un único átomo de plata.

Una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno

Mientras que el agua está formada solamente por dos clases de átomos, las moléculas de otras materias tienen una estructura mucho más compleja. La molécula de celulosa, por ejemplo, que es base de la constitución de la madera, está formada por tres clases diferentes de átomos: oxígeno, hidrógeno y carbono. Todos los cuerpos están formados por diferentes combinaciones de átomos que forman sus moléculas.

La idea de que la materia está compuesta de átomos data de hace más de 2000 años, de los griegos (véase el artículo sobre los antecedentes históricos). Pasaron muchos siglos antes de que el estudio derivado de esta idea básica de la estructura atómica fuera asumido como correcto. Los físicos han explorado el interior del átomo y encontrado más divisiones en él. El cuerpo central del átomo se denomina núcleo y la mayor parte de la masa del átomo está concentrado en él. El núcleo está formado por protones (partículas con cargas positivas), y neutrones que son eléctricamente neutros.
Girando alrededor del núcleo hay uno o más electrones (partículas cargadas negativamente). El número de electrones en órbita de un átomo cualquiera es el mismo que el de protones de su núcleo, de tal forma que el átomo en su estado normal es eléctricamente neutro. El neutrón añade peso al átomo pero ninguna carga.
El peso atómico de un elemento es esencialmente la masa de protones y neutrones de su núcleo. El número atómico de un elemento indica el número de electrones en órbita alrededor del núcleo.

En las figuras anteriores se simplifican varios átomos de diferentes materias, según la concepción de electrones planetarios en órbita alrededor del núcleo. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno tiene un núcleo formado por un protón alrededor del cual gira un electrón. El átomo de helio tiene un núcleo formado por dos protones y dos neutrones con dos electrones en una órbita. Al final de la tabla de los elementos está el uranio, con 92 protones y 92 electrones.
Una de las leyes fundamentales de la electricidad es que las cargas iguales se repelen y que las cargas distintas se atraen. Esta ley explica el vínculo que existe en un átomo entre las cargas positivas del núcleo y los electrones de las órbitas.

De acuerdo con la teoría de Bohr, los electrones están situados en capas. La única característica de una capa es que contiene un número determinado de electrones como máximo. Puede tener menos, pero no más que dicho número. Solamente 2 electrones pueden ocupar la capa K, que la primera. Estos electrones están fuertemente ligados al núcleo. La siguiente capa es la L, que estando completa alberga 8 electrones. Las capas M y N tienen 18 y 32 electrones respectivamente. Los átomos más complejos y pesados tienen otras capas después de la N, pero su estudio no es necesario aquí para el conocimiento general de la estructura atómica

uando se aplica una fuerza eléctrica a un medio conductor, tal como un alambre de cobre, los electrones de la órbita más exterior son obligados a abandonarla, e impulsados a lo largo del hilo. La dirección del movimiento de los electrones viene determinado por la dirección de la fuerza que los impulsa.

Los protones no se mueven, principalmente a causa de su gran masa con relación a los electrones. El protón del elemento más ligero, que es el hidrógeno, tiene una masa que es 1850 veces más pesado que un electrón. De esta forma, es precisamente el elemento más ligero el que más fácilmente se mueve en presencia de una fuerza externa.

Electrones libres

Cuando se aplica una fuerza electromotriz a un electrón y éste abandona su átomo se le denomina electrón libre. Son solamente las capas externas fuentes de electrones libres, ya que las órbitas interiores están fuertemente ligadas al núcleo.

Cuando se fuerza a un electrón a abandonar la capa externa de un átomo, éste adquiere una carga positiva. Esta carga positiva atrae a otro electrón de la capa exterior de un átomo que se encuentre cercano. Este átomo, ahora positivo, atraerá otro electrón del inmediato que esté completo. De esta forma, el flujo de la corriente es el resultado de muchos millones de tales pérdidas y atracciones, mantenidas en acción por la fuerza electromotriz.