La conductividad eléctrica es una propiedad fundamental que mide la capacidad de un material para conducir corriente eléctrica. Varía según el material y está influenciada por factores como la temperatura, la composición del material, las impurezas y la presión. La conductividad eléctrica se mide normalmente en siemens por metro (S/m).
La conductividad eléctrica tiene aplicaciones en electrónica, transmisión de energía, ciencia de los materiales, ciencia ambiental, geología, campos biomédicos y más. En este artículo, aprendemos sobre la conductividad eléctrica en detalle.
¿Qué es la Conductividad Eléctrica?
Básicamente, la conductividad eléctrica mide cuánta corriente eléctrica puede transportar un material, o describe la capacidad del material para transportar esta corriente. La conductividad es una propiedad intrínseca de la mayoría de los materiales.
Otra forma de decirlo es que los materiales que conducen electrones son conductores eléctricos. En la mayoría de los casos, los conductores eléctricos tienen electrones poco ligados. Algunos ejemplos de excelentes conductores eléctricos son el latón, el grafito, la plata, el oro, el papel de aluminio, el cobre y el acero.
Normalmente, si un material es bueno para conducir la electricidad, también lo es para conducir el calor. Esto es cierto para la mayoría de los metales. Existe una relación entre la temperatura del material y su capacidad para conducir la electricidad. Los materiales que conducen el calor se denominan conductores térmicos.
En muchos metales, su conductividad disminuye al aumentar la temperatura, y viceversa. Comprender esta relación es muy útil a la hora de seleccionar los materiales que se utilizarán en distintas aplicaciones.
Unidades de la conductividad eléctrica
La unidad del SI para la conductividad eléctrica es el siemens por metro (S/m). Sin embargo, también se utilizan el ohmio-1m-1 y el mho/m.
Fórmula de conductividad eléctrica
Matemáticamente, la conductividad se define como el inverso de la resistividad.
σ = 1/ ρ
Conocemos la fórmula de la resistencia R=ρ(L/A), donde L es la longitud del conductor y A es el área.
Sustituyendo el valor de ρ,
σ = L/AR
De la ley de Ohm, R = V/I. Sustituyendo el valor de R,
σ = (L/A)(I/V) = (L/V)(I/A)
Reordenando, obtenemos
I/A = V/L σ
V/L es el campo eléctrico e I/A es la densidad de corriente, denotada por J. Por lo tanto, esto se convierte en:
J = σ E
Esta es la relación entre la densidad de corriente y el campo eléctrico.
A partir de esto, la conductividad se puede definir como:
σ = J/E
donde,
- J es la densidad de corriente
- E es el campo eléctrico
Conductividad eléctrica de los metales
Los metales son conocidos por su alta conductividad eléctrica en comparación con los no metales. Esto se debe a la presencia de electrones libres dentro de la estructura metálica. Estos electrones tienen libertad para moverse por todo el metal, lo que permite un fácil flujo de corriente eléctrica.
La conductividad de los metales depende de factores como la temperatura, las impurezas y la estructura cristalina. En general, los metales puros tienen mayor conductividad en comparación con las aleaciones o los metales impuros. La conductividad de los metales disminuye con el aumento de las temperaturas debido al aumento de las colisiones electrón-átomo.
La conductividad eléctrica de algunos metales comunes se tabula a continuación:
| Metal | Conductividad en S/m |
|---|---|
| Aluminio | 37.7 × 106 |
| Calcio | 29.8 × 106 |
| Cromo | 7.74 × 106 |
| Cobre | 59.6 × 106 |
| Galio | 6.78 × 106 |
| Oro | 45.2 × 106 |
| Hierro | 9.93 × 106 |
| Magnesio | 22.6 × 106 |
| Níquel | 14.3 × 106 |
| Platino | 9.66 × 106 |
| Plata | 63 × 106 |
Características de los materiales conductivos
Los materiales conductivos presentan una baja resistencia a las corrientes eléctricas, lo que permite que éstas fluyan libremente a través de ellos. La estructura atómica de los materiales conductivos permite el movimiento sin esfuerzo de electrones entre átomos, requiriendo una energía mínima para su transmisión.
La abundancia de electrones libres en los materiales conductivos facilita la transmisión de la corriente eléctrica, y el cobre suele servir de referencia para comparar los niveles de conductividad. Los materiales conductivos son maleables, por lo que pueden moldearse y manipularse sin romperse. Además, los materiales conductivos son muy resistentes al desgaste y soportan condiciones extremas, como las fluctuaciones de temperatura, sin sufrir un deterioro significativo.
Por qué es importante entender la conductividad
Los materiales se eligen para determinadas aplicaciones en función de su conductividad eléctrica. Esto ocurre principalmente cuando el paso de la corriente eléctrica es fundamental para el funcionamiento de la aplicación.
Algunos de los mejores conductores de la electricidad son los metales. Los polímeros, en cambio, son los peores conductores de la electricidad. La plata es, con diferencia, uno de los mejores conductores de electricidad. Sin embargo, es muy raro ver cableado residencial o comercial con plata. Esto se debe a que la plata es escasa y bastante cara.
RELACIONADO: 10 Materiales conductores de electricidadAplicaciones de la conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica tiene numerosas aplicaciones en diversos campos, entre ellos:
Conductividad eléctrica en electrónica y cableado
Los materiales conductores como el cobre, el aluminio y el oro son esenciales para la fabricación de componentes eléctricos como cables, conectores y placas de circuitos impresos (PCB). Estos materiales permiten la transmisión eficiente de señales eléctricas en dispositivos electrónicos como teléfonos inteligentes, computadoras y televisores. El cobre y el aluminio se utilizan en líneas de transmisión eléctrica para transportar electricidad a largas distancias con una pérdida mínima de energía. La conductividad es crucial para reducir las pérdidas resistivas y garantizar una transferencia eficiente de energía.
Importancia en la ingeniería y la ciencia de materiales
La conductividad eléctrica es un parámetro clave en la investigación y el desarrollo de la ciencia de materiales. Comprender las propiedades eléctricas de los materiales ayuda a diseñar nuevos materiales para aplicaciones específicas, como polímeros conductores para electrónica flexible o superconductores para transmisión de energía de alta eficiencia.
Aplicaciones en la ciencia ambiental y la geología
En la ciencia ambiental, las mediciones de conductividad se emplean en el monitoreo de la calidad del agua, la evaluación del suelo y los esfuerzos de remediación ambiental. En geología, los estudios de conductividad ayudan en la exploración de aguas subterráneas, el mapeo de recursos geotérmicos y la exploración de minerales. El monitoreo de los procesos terrestres y la evaluación de los peligros ambientales también se facilitan con las mediciones de conductividad eléctrica. En general, su versatilidad contribuye significativamente a la comprensión y gestión de los entornos superficiales y subterráneos de la Tierra para el desarrollo sostenible y la mitigación de peligros.
Aplicaciones biomédicas
La conductividad eléctrica desempeña un papel en aplicaciones biomédicas como las mediciones de bioimpedancia, que evalúan las propiedades de los tejidos para el diagnóstico y el control médicos. Además, los materiales conductores se utilizan en electrodos para aplicaciones como la electrocardiografía (ECG) del corazón y la electroencefalografía (EEG) del cerebro.
Factores que afectan la conductividad eléctrica
Varios factores influirán en la conductividad del metal, entre ellos la temperatura, la composición del material, las impurezas y los defectos, y la estructura cristalina.
- Temperatura. Normalmente, la conductividad eléctrica disminuirá a medida que aumenta la temperatura del metal conductor. Esto sucede porque, a medida que aumenta la temperatura de un cable, también aumentan las vibraciones térmicas de los átomos. Esto afecta el movimiento de los electrones.
- Composición del material. La disposición y los tipos de átomos en un material afectan su conductividad eléctrica. La plata, el cobre y metales similares tienen una conductividad eléctrica más alta debido a sus electrones deslocalizados, que pueden moverse libremente.
- Defectos e impurezas. Si un material contiene impurezas o defectos, estos pueden afectar el movimiento de los electrones, lo que reduce la conductividad eléctrica.
- Estructura cristalina. Los átomos están dispuestos de una manera que crea una red cristalina. Los materiales con una estructura cristalina compacta tienen una tasa de conductividad más alta que aquellos con una estructura más suelta.
Tipos de materiales según su conductividad
Los materiales se pueden clasificar en tres grandes categorías según su conductividad eléctrica:
Conductores
Las características, ejemplos y aplicaciones de los conductores son:
- Características: Los conductores tienen una alta densidad de electrones libres que pueden moverse fácilmente en respuesta a un campo eléctrico. Esto permite el flujo eficiente de corriente eléctrica a través del material con una resistencia mínima.
- Ejemplos: Los metales como el cobre, la plata, el oro, el aluminio y el hierro son excelentes conductores de electricidad.
- Aplicaciones: Los conductores se utilizan ampliamente en cableado eléctrico, circuitos, líneas de transmisión de energía y diversos componentes electrónicos donde se requiere baja resistencia y alta conductividad.
Aisladores
Las características, ejemplos y aplicaciones de los aisladores son:
- Características: Los aislantes tienen una conductividad eléctrica muy baja, lo que significa que impiden el flujo de corriente eléctrica. Esto se debe a su falta de electrones libres o de electrones fuertemente ligados, lo que dificulta que los portadores de carga se muevan a través del material.
- Ejemplos: Materiales como el vidrio, el caucho, el plástico, la cerámica y la madera son aislantes.
- Aplicaciones: Los aislantes se utilizan para aislar componentes eléctricos, evitar el flujo de corriente en direcciones no deseadas y brindar seguridad eléctrica. Se encuentran habitualmente en aislamientos eléctricos, revestimientos protectores y materiales aislantes para cables y dispositivos electrónicos.
Semiconductores
Las características, ejemplos y aplicaciones de los Semiconductores son:
- Características: Los semiconductores tienen un nivel intermedio de conductividad eléctrica entre los conductores y los aislantes. Su conductividad puede verse alterada significativamente por factores como la temperatura, el dopaje y el voltaje aplicado.
- Ejemplos: Silicio, germanio, arseniuro de galio y varios compuestos semiconductores.
- Aplicaciones: Los semiconductores son fundamentales para la electrónica moderna y sirven como base para transistores, diodos, circuitos integrados y otros dispositivos semiconductores.
Relación entre Conductividad y Resistividad
A continuación se muestran algunas diferencias entre la conductividad eléctrica y la resistividad eléctrica:
| Criterios | Conductividad eléctrica | Resistividad eléctrica |
|---|---|---|
| Definición | La conductividad eléctrica mide la capacidad de un material para conducir la electricidad. | La resistividad eléctrica mide la resistencia que ofrece un material al flujo de electricidad. |
| Unidades | La conductividad eléctrica se mide normalmente en unidades de Siemens por metro (S/m) o mho por metro (℧/m). | La resistividad eléctrica se mide normalmente en unidades de ohmios-metro (Ω⋅m). |
| Electrones libres | Los materiales con alta conductividad tienen electrones libres que permiten que la corriente eléctrica fluya fácilmente. | Los materiales con alta resistividad tienen muy pocos electrones libres e impiden el flujo de la corriente eléctrica. |
| Dependencia de la temperatura | La conductividad eléctrica de los metales suele disminuir con el aumento de la temperatura. | La resistividad eléctrica incrementa con el aumento de la temperatura. |
Preguntas Frecuentes
La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material para conducir una corriente eléctrica. Describe la facilidad con la que la electricidad puede fluir a través de una sustancia.
La unidad de medida de la conductividad eléctrica es el siemens por metro (S/m).
La siguiente es la fórmula de la conductividad eléctrica: σ = 1/ρ = l/AR, donde ρ es la resistividad, R es la resistencia, l es la longitud del conductor y A es el área.
Para que un material conduzca la electricidad, debe tener electrones libres. En la plata, estos electrones libres rebotan como bolas de billar que han sido golpeadas y ahora están dando tumbos por la mesa. La plata es un metal con electrones de valencia que se mueven libremente. Estos electrones pueden atravesar la plata con poca resistencia. La plata tiene, con diferencia, la conductividad más alta de todos los metales. Sin embargo, es cara y propensa a empañarse.
La conductividad eléctrica se utiliza para determinar la capacidad de un material concreto para conducir la electricidad. Cuanto mayor sea la conductividad eléctrica, más fácilmente se transmitirá la electricidad. La conductividad eléctrica también puede utilizarse para calcular la resistencia de un cable.
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