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.