12.1:12.1 Introducción a la Conductancia y Conductores

Desafortunadamente, las teorías científicas que explican por qué ciertos materiales conducen y otros no son bastante complejas, enraizadas en explicaciones mecánicas cuánticas en cómo se disponen los electrones alrededor de los núcleos de los átomos. Contrariamente al conocido modelo “planetario” de electrones que giran alrededor del núcleo de un átomo como trozos bien definidos de materia en órbitas circulares o elípticas, los electrones en “órbita” no actúan realmente como piezas de materia en absoluto. Más bien, exhiben las características tanto de partícula como de onda, su comportamiento se ve limitado por la colocación dentro de distintas zonas alrededor del núcleo denominadas “conchas” y “subconchas”. Los electrones pueden ocupar estas zonas sólo en un rango limitado de energías dependiendo de la zona particular y cuán ocupada esté esa zona con otros electrones. Si los electrones realmente actuaran como planetas diminutos mantenidos en órbita alrededor del núcleo por atracción electrostática, sus acciones descritas por las mismas leyes que describen los movimientos de planetas reales, no podría haber distinción real entre conductores y aislantes, y los enlaces químicos entre átomos no existirían en el como lo hacen ahora. Es la naturaleza discreta, “cuantificada” de la energía electrónica y la colocación descrita por la física cuántica lo que da a estos fenómenos su regularidad.

Cuando un electrón es libre de asumir estados de mayor energía alrededor del núcleo de un átomo (debido a su colocación en una “concha” particular), puede ser libre de separarse del átomo y comprender parte de una corriente eléctrica a través de la sustancia. Si las limitaciones cuánticas impuestas a un electrón le niegan esta libertad, sin embargo, se considera que el electrón está “atado” y no puede desprenderse (al menos no fácilmente) para constituir una corriente. El primer escenario es típico de los materiales conductores, mientras que el segundo es típico de los materiales aislantes.

Algunos libros de texto te dirán que la conductividad o no conductividad de un elemento está determinada exclusivamente por el número de electrones que residen en la “capa” externa de los átomos (llamada la capa de valencia), pero esto es una simplificación demasiado, como cualquier examen de conductividad versus electrones de valencia en un tabla de elementos confirmará. La verdadera complejidad de la situación se revela aún más cuando se considera la conductividad de las moléculas (colecciones de átomos unidos entre sí por actividad electrónica).

Un buen ejemplo de ello es el elemento carbono, que comprende materiales de conductividad muy diferente: grafito y diamante. El grafito es un conductor justo de la electricidad, mientras que el diamante es prácticamente un aislante (aún más extraño, está técnicamente clasificado como semiconductor, que en su forma pura actúa como aislante, pero puede conducir bajo 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 grafito y diamante es que las moléculas de grafito son agrupaciones planas de átomos de carbono, mientras que las moléculas de diamante son agrupaciones tetraédricas (piramidales) de átomos de carbono.

Si los átomos de carbono se unen a otros tipos de átomos para formar compuestos, la conductividad eléctrica vuelve a alterarse. El carburo de silicio, un compuesto de los elementos silicio y carbono, exhibe un comportamiento no lineal: ¡su resistencia eléctrica disminuye con aumentos en el voltaje aplicado! Los compuestos hidrocarbonados (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 indicador pobre 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 permisibles que flotan libremente entre los diferentes núcleos de la sustancia, fácilmente motivados por cualquier campo eléctrico. Los electrones son tan móviles, de hecho, que a veces son descritos por los científicos como un gas de electrones, o incluso un mar de electrones en el que descansan los núcleos atómicos. Esta movilidad electrónica explica algunas de las otras propiedades comunes de los metales: buena conductividad térmica, maleabilidad y ductilidad (fácilmente formadas en diferentes formas), y un acabado lustroso cuando está puro.

Agradecidamente, la física detrás de todo esto es mayormente 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 conseguir que la electricidad haga nuestra oferta es poder construir caminos para que los electrones fluyan con cantidades controladas de resistencia. También es de vital importancia que podamos evitar que los electrones fluyan donde no queremos, mediante el uso de materiales aislantes. Sin embargo, no todos los conductores son iguales, y tampoco todos los aislantes. Necesitamos entender algunas de las características de los conductores y aisladores comunes, y poder aplicar estas características a aplicaciones específicas.

Casi todos los conductores poseen una cierta resistencia medible (tipos especiales de materiales llamados superconductores no poseen absolutamente ninguna resistencia eléctrica, pero estos no son materiales ordinarios, y deben sujetarse en condiciones especiales para ser súper conductores). Normalmente, asumimos que la resistencia de los conductores en un circuito es cero, y esperamos que la corriente pase a través de ellos sin producir ninguna 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 una caída de voltaje esté ahí o no:

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

Revisar

• La conductividad eléctrica de un material está determinada por la configuración de electrones en ese material átomos y moléculas (grupos de átomos unidos).
• Todos los conductores normales poseen resistencia en cierto grado.
• Los electrones que fluyen a través de un conductor con (cualquier) resistencia producirán cierta cantidad de caída de voltaje a lo largo de ese conductor.