CONDUCTORES ELÉCTRICOS

1. Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica de un material es la capacidad que tiene para dejar conducir de forma libre la corriente eléctrica. No todos los materiales presentan la misma conductividad, es por eso que para realizar transporte de flujos eléctricos se utilizan ciertos materiales.

La conductividad eléctrica para cualquier material puede expresarse en la siguiente fórmula.

σ= 1/p

Es decir la conductividad eléctrica es la inversa de la resistividad, siendo esta:

p=R sL

Donde:

R: resistencia interna en Ohms

S: la sección transversal en m2

L: la longitud en m.

2. Conductores eléctricos

Los conductores eléctricos son materiales que ofrecen una baja resistencia al movimiento de cargas eléctricas. Por este motivo son empleados para llevar flujos de electricidad. El uso de un material como conductor eléctrico dependerá de características como:

Capacidad para transportar la electricidad Resistencia mecánica al desgaste. Maleabilidad.

Es por ello que generalmente se utilizan metales, ya que en los conductores metálicos la rapidez del transporte de la corriente eléctrica tiene lugar debido al movimiento de electrones del metal bajo la acción de una diferencia de potencial y esto sucede por los electrones de conducción (electrones de valencia).

Ejemplos:

Cobre (Cu)

Densidad 8.9 kg/dm3

Resistencia específica: 0.0178

El cobre es un buen conductor eléctrico, después de la plata es el material que tiene la mejor conductividad eléctrica y térmica (ver tabla N°01). El cobre es utilizado en electrotecnia como material conductor para cables eléctricos, barras de corriente, hilo de bobinas y pistas de circuitos impresos.

Los cables de cobre usados en instalaciones eléctricas tienen un aislamiento plástico cuyo objetivo es evitar que la energía eléctrica que circula entre en contacto con personas o cuqluier otro material extraño.

Aluminio. (Al)

Densidad: 2.7 kg/dm3

Resistencia específica: 0.0278

El aluminio es un buen conductor eléctrico con buena conductibilidad térmica. Su conductibilidad es aproximadamente el 60% de la conductividad del cobre. Se obtiene por vía electrolítica a través de bauxita. Se emplea para fabricar barras de corriente e hilos envolventes de cables, así como para las líneas aéreas.

Tabla N°01

Conductividad eléctrica de los materiales

2. Aislante eléctrico

Un aislante eléctrico es un tipo de material que no permite (ofrece resistencia) que el flujo de cargas pase sobre si cuando hay una diferencia de tensión entre dos puntos. Esto sucede debido a que sus átomos están fuertemente unidos a sus núcleos y no permiten sus desplazamientos.

Los materiales aislantes son importantes para el manejo de instalaciones eléctricas. Con el uso de este tipo de materiales como guantes, mangos de herramientas, zapatos, etc. se reduce el riesgo de accidentes a causa de descargas eléctricas.

Los materiales aislantes más empleados son

Poli cloruro de Vinilo Polietileno Reticulado Goma etilén propilénica

Fig. N° 01 - Esquema simple de un cable conductor eléctrico y aislante

3. Semiconductores

Son los materiales que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante, por eso se pueden utilizar como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores. Los elementos utilizados como semiconductores son el Silicio (Si), el germanio (Ge), y el selenio (Se).

2.1.1 Semiconductores intrínsecos (estructura cristalina)

El semiconductor más usado de este tipo es el Silicio. El comportamiento eléctrico de un semiconductor intrínseco se caracteriza por los siguientes fenómenos:

- Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila.

- Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado.

2.1.2 Semiconductores extrínsecos

Se forman añadiendo ciertas cantidades pequeñas de impurezas a los semiconductores puros. El objeto es modificar su comportamiento eléctrico al alterar la densidad de sus portadores de cargas libres. Las impurezas son denominadas dopantes. En función del tipo de dopante se pueden obtener semiconductores dopados tipo p o tipo n

Los elementos de la columna V de la tabla periódica convierten al silicio en tipo n

Los elementos de la columna III convierten al Si en tipo p

4. Superconductores

Un superconductor eléctrico es un tipo de material en el cual no existe resistencia eléctrica, por lo tanto, no hay pérdida de energía. Esto ocurre porque los electrones se agrupan en parejas interaccionando con los átomos del material de modo que logran sintonizar sus movimientos de manera que no chocan.

4.1 Superconductores de alta temperatura

Investigadores descubrieron en 1986 la existencia de una superconductividad en el óxido de cobre a una temperatura crítica de -235°C. Como tema de la investigación pura, estos materiales constituyen un nuevo fenómeno que solo se explica por el hecho de que hace pasar los electrones por parejas o "pares de Cooper". Y, debido a que el estado superconductor persiste hasta temperaturas más manejables, superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido, muchas aplicaciones comerciales serían viables, sobre todo si se descubrieran materiales con temperaturas críticas aún mayores.

Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía, por un efecto denominado Meissner- Ochsenfel. Debido a que el campo magnético inducido es cero, dentro de un superconductor cuando este es enfriado por debajo de su temperatura crítica en un débil campo magnético externo (el flujo magnético es expedido del superconductor).

Fig. N°02- Esquema del efecto Meissner en un superconductor

5. Importancia de los conductores eléctricos

Los conductores eléctricos han adquirido gran importancia en el desarrollo de la humanidad de forma esencial ligados con el desarrollo de la energía eléctrica. Los cables eléctricos, en especial, tienen gran relación con la radio. En 1876 Alexander Graham Bell y su asistente, lograron transmitir por vez primera la voz humana a través de cables eléctricos.

Por otro lado, el cableado eléctrico ha adquirido gran importancia debido a la necesidad del transporte de la energía eléctrica. En ese sentido, metales como el cobre fueron seleccionados para su uso general debido a su buena conductividad eléctrica y su bajo costo. Sim embargo, también fueron importantes los materiales aislante que permitieran el manejo de los cables sin mayores riesgos. De este modo, podemos encontrar cables de cobre con una cubierta aislante en casi todos los aparatos eléctricos que utilizamos.

Los semiconductores también han sido importantes para el desarrollo tecnológico. En 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna.

Desde 1950, los dispositivos semiconductores -conocidos también como dispositivos de estado sólido - remplazaron los tubos electrónicos de la industria tradicional. Por la enorme reducción de tamaño, consumo de energía y costo, acompañada de una mucha mayor durabilidad y confiabilidad, los dispositivos semiconductores significaron un cambio revolucionario en las telecomunicaciones, la computación, el almacenamiento de información, etc. Desde el punto de vista de su forma de operación, el dispositivo semiconductor más simple y fundamental es el diodo; todos los demás dispositivos pueden entenderse en base a su funcionamiento.

Por otro lado, en últimas décadas, el estudio de los superconductores ha generado nuevas posibilidades y expectativas para el desarrollo tecnológico. Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales, en la construcción de trenes de levitación magnética y potentes aceleradores de partículas.

Así también, aprovechando los efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica, la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes.

Finalmente, los superconductores eléctricos plantean un potencial de desarrollo y eficiencia energética de un país. Por ejemplo, en enero del 2012 en la ciudad alemana de Essen, con proyecto “Ampa City” se remplazó un cable de alta tensión de 1 km de largo que conecta dos estaciones trasformadoras, por un cable superconductor trifásico concéntrico con capacidad de transmisión de 40 megavatios. Esto supone a la larga una aplicación extendida a otros lugares que haría más eficiente el transporte de la energía eléctrica.

REFERENCIAS

Bastián, P. (2001). Electrotecnia. Madrid : Ediciones Akal.

Tipler, P. y Mosca, G. (2005). Física. España: Editorial Reverté.

Webs

Anónimo, (s.f.). Aislante eléctrico. Consultado en http://www.electropar.com.py/pdf/electricidad/Aislantes.pdf

Anónimo, (s.f.). La superconductividad. Consultado en: http://superconductor.8k.com/que_es.html

Anónimo, (s.f.). Semiconductores. Consultado en: http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/introduccion.pdf

Ecured, (2014). Cables eléctricos. Consultado: http://www.ecured.cu/index.php/Cables_El%C3%A9ctricos