1.2: Conductores, aisladores y flujo de electrones

Conductores vs Aisladores

En otros tipos de materiales como el vidrio, los electrones de los átomos tienen muy poca libertad para moverse. Si bien las fuerzas externas como el roce físico pueden obligar a algunos de estos electrones a abandonar sus respectivos átomos y transferirse a los átomos de otro material, no se mueven entre átomos dentro de ese material muy fácilmente.

Esta movilidad relativa de los electrones dentro de un material se conoce como conductividad eléctrica. La conductividad está determinada por los tipos de átomos en un material (el número de protones en el núcleo de cada átomo, determinando su identidad química) y cómo los átomos están unidos entre sí. Los materiales con alta movilidad de electrones (muchos electrones libres) se denominan conductores, mientras que los materiales con baja movilidad de electrones (pocos o ningún electrones libres) se denominan aislantes.

Aquí hay algunos ejemplos comunes de conductores y aisladores:

Debe entenderse que no todos los materiales conductores tienen el mismo nivel de conductividad, y no todos los aislantes son igualmente resistentes al movimiento de electrones. La conductividad eléctrica es análoga a la transparencia de ciertos materiales a la luz: los materiales que fácilmente “conducen” la luz se llaman “transparentes”, mientras que los que no lo hacen se llaman “opacos”. Sin embargo, no todos los materiales transparentes son igualmente conductores a la luz. El vidrio de ventana es mejor que la mayoría de los plásticos, y ciertamente mejor que la fibra de vidrio “transparente” Así es con conductores eléctricos, siendo unos mejores que otros.

Por ejemplo, la plata es el mejor conductor en la lista de “conductores”, ofreciendo un paso más fácil para los electrones que cualquier otro material citado. El agua sucia y el concreto también se enumeran como conductores, pero estos materiales son sustancialmente menos conductores que cualquier metal.

También se debe entender que algunos materiales experimentan cambios en sus propiedades eléctricas bajo diferentes condiciones. El vidrio, por ejemplo, es un muy buen aislante a temperatura ambiente pero se convierte en conductor cuando se calienta a una temperatura muy alta. Los gases como el aire, normalmente materiales aislantes, también se vuelven conductores si se calientan a temperaturas muy altas. La mayoría de los metales se vuelven conductores más pobres cuando se calientan y mejores conductores cuando se enfrían. Muchos materiales conductores se vuelven perfectamente conductores (esto se llama superconductividad) a temperaturas extremadamente bajas.

Flujo de Electrones/Corriente Eléctrica

Si bien el movimiento normal de los electrones “libres” en un conductor es aleatorio, sin ninguna dirección o velocidad particular, los electrones pueden ser influenciados para que se muevan de manera coordinada a través de un material conductor. Este movimiento uniforme de electrones es lo que llamamos electricidad o corriente eléctrica. Para ser más precisos, podría llamarse electricidad dinámica en contraste con la electricidad estática, que es una acumulación inmóvil de carga eléctrica. Al igual que el agua que fluye a través del vacío de una tubería, los electrones son capaces de moverse dentro del espacio vacío dentro y entre los átomos de un conductor. El conductor puede parecer sólido a nuestros ojos, ¡pero cualquier material compuesto de átomos es en su mayoría espacio vacío! La analogía de flujo de líquido es tan apropiada que el movimiento de electrones a través de un conductor a menudo se conoce como un “flujo”.

Aquí se puede hacer una observación notable. A medida que cada electrón se mueve uniformemente a través de un conductor, empuja al que está delante de él, de tal manera que todos los electrones se mueven juntos como un grupo. El inicio y detención del flujo de electrones a través de la longitud de una trayectoria conductora es prácticamente instantáneo de un extremo de un conductor al otro, aunque el movimiento de cada electrón puede ser muy lento. Una analogía aproximada es la de un tubo lleno de extremo a extremo con canicas:

El tubo está lleno de canicas, así como un conductor está lleno de electrones libres listos para ser movidos por una influencia externa. Si de repente se inserta una sola canica en este tubo lleno del lado izquierdo, otra canica intentara inmediatamente salir del tubo de la derecha. A pesar de que cada mármol solo viajó una corta distancia, la transferencia de movimiento a través del tubo es prácticamente instantánea desde el extremo izquierdo hasta el extremo derecho, sin importar la longitud del tubo. Con la electricidad, el efecto general de un extremo de un conductor al otro ocurre a la velocidad de la luz: ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ Sin embargo, cada electrón individual viaja a través del conductor a un ritmo mucho más lento

Flujo de electrones a través del alambre

Si queremos que los electrones fluyan en cierta dirección a un lugar determinado, debemos proporcionar el camino adecuado para que se muevan, así como un plomero debe instalar tuberías para que el agua fluya donde quiera que fluya. Para facilitar esto, los cables están hechos de metales altamente conductores como el cobre o el aluminio en una amplia variedad de tamaños.

Recuerda que los electrones solo pueden fluir cuando tienen la oportunidad de moverse en el espacio entre los átomos de un material. Esto significa que puede haber corriente eléctrica solo donde existe una trayectoria continua de material conductor que proporciona un conducto para que los electrones viajen. En la analogía del mármol, los mármoles pueden fluir hacia el lado izquierdo del tubo (y, en consecuencia, a través del tubo) si y solo si el tubo está abierto en el lado derecho para que los mármoles fluyan hacia afuera. Si el tubo está bloqueado en el lado derecho, las canicas simplemente se “apilarán” dentro del tubo, y no se producirá el “flujo” de mármol. Lo mismo ocurre con la corriente eléctrica: el flujo continuo de electrones requiere que haya un camino ininterrumpido para permitir ese flujo. Veamos un diagrama para ilustrar cómo funciona esto:

Una línea delgada y sólida (como se muestra arriba) es el símbolo convencional para una pieza continua de alambre. Dado que el cable está hecho de un material conductor, como el cobre, sus átomos constituyentes tienen muchos electrones libres que pueden moverse fácilmente a través del cable. Sin embargo, nunca habrá un flujo continuo o uniforme de electrones dentro de este cable a menos que tengan un lugar de donde venir y un lugar a donde ir. Agreguemos un hipotético electrón “Fuente” y “Destino:”

Ahora, con la Fuente de Electrones empujando nuevos electrones hacia el cable en el lado izquierdo, puede ocurrir el flujo de electrones a través del cable (como lo indican las flechas que apuntan de izquierda a derecha). Sin embargo, el flujo se interrumpirá si se rompe la trayectoria conductora formada por el cable:

Continuidad eléctrica

Dado que el aire es un material aislante, y un entrehierro separa las dos piezas de alambre, la trayectoria una vez continua ahora se ha roto y los electrones no pueden fluir de la Fuente al Destino. Esto es como cortar una tubería de agua en dos y tapar los extremos rotos de la tubería: el agua no puede fluir si no hay salida fuera de la tubería. En términos eléctricos, teníamos una condición de continuidad eléctrica cuando el cable estaba en una sola pieza, y ahora esa continuidad se rompe con el alambre cortado y separado.

Si tuviéramos que tomar otro trozo de cable que conduce al Destino y simplemente hacer contacto físico con el cable que conduce a la Fuente, una vez más tendríamos un camino continuo para que fluyeran los electrones. Los dos puntos en el diagrama indican el contacto físico (metal a metal) entre las piezas de alambre:

Ahora, tenemos continuidad desde la Fuente, hasta la conexión recién hecha, hacia abajo, hacia la derecha y hasta el Destino. Esto es análogo a colocar un accesorio en “T” en una de las tuberías tapadas y dirigir el agua a través de un nuevo segmento de tubería hacia su destino. Tenga en cuenta que el segmento roto del cable en el lado derecho no tiene electrones fluyendo a través de él, porque ya no forma parte de una ruta completa de Origen a Destino.

Es interesante notar que no se produce ningún “desgaste” dentro de los cables debido a esta corriente eléctrica, a diferencia de las tuberías transportadoras de agua que eventualmente son corroídas y desgastadas por flujos prolongados. Los electrones sí encuentran cierto grado de fricción a medida que se mueven, sin embargo, y esta fricción puede generar calor en un conductor. Este es un tema que exploraremos con mucho mayor detalle más adelante.

Revisar

• En los materiales conductores, los electrones externos en cada átomo pueden ir o venir fácilmente, y se llaman electrones libres.
• En los materiales aislantes, los electrones externos no son tan libres para moverse.
• Todos los metales son conductores eléctricos.
• La electricidad dinámica, o corriente eléctrica, es el movimiento uniforme de los electrones a través de un conductor.
• La electricidad estática es inmóvil (si está en un aislante), carga acumulada formada por un exceso o deficiencia de electrones en un objeto. Se forma típicamente por separación de carga por contacto y separación de materiales diferentes.
• Para que los electrones fluyan continuamente (indefinidamente) a través de un conductor, debe haber un camino completo e ininterrumpido para que puedan entrar y salir de ese conductor.