Propiedades eléctricas de los materiales

Configuración electrónica del átomo de cobre. Sus propiedades conductoras se deben a la facilidad de circulación que tiene su electrón más exterior (4s).

Origen microscópico

La posibilidad de transmitir corriente eléctrica en los materiales depende de la estructura e interacción de los átomos que los componen. Los átomos están constituidos por partículas cargadas positivamente (los protones), negativamente (los electrones) y neutras (los neutrones). La conducción eléctrica en los conductores, semiconductores, y aislantes, se debe a los electrones de la órbita exterior oportadores de carga, ya que tanto los electrones interiores como los protones de los núcleos atómicos no pueden desplazarse con facilidad. Los materiales conductores por excelencia son metales, como el cobre, que usualmente tienen un único electrón en la últimacapa electrónica. Estos electrones pueden pasar con facilidad a átomos contiguos, constituyendo los electrones libres responsables del flujo de corriente eléctrica.⁶⁴

En todos los materiales sometidos a campos eléctricos se modifican, en mayor o menor grado, las distribuciones espaciales relativas de las cargas negativas y positivas. Este fenómeno se denomina polarización eléctrica y es más notorio en los aislantes eléctricos debido a que gracias a este fenómeno se impide liberar cargas, y por lo tanto no conducen, característica principal de estos materiales.⁶⁵

Conductividad y resistividad

Artículos principales: Conductividad eléctrica y Resistividad.

Conductor eléctrico de cobre.

La conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico.⁶⁶ La resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos, dando una idea de lo buen o mal conductor que es.⁶⁴ Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.⁶⁴

Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en conductores, dieléctricos, semiconductores ysuperconductores.

• Conductores eléctricos. Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el grafito, las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60 % de la del cobre es, sin embargo, un material mucho menos denso, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro.⁶⁷
• Dieléctricos. Son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son vidrio,cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. Aunque no existen materiales absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos (forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga) y para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico). Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, es aislante a temperatura ambiente y seco pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.⁶⁸

Producción y usos de la electricidad

Generación y transmisión

Artículo principal: Red eléctrica

La energía eólica está tomando importancia en muchos países.

Hasta la invención de la pila voltaica en el siglo XVIII (Volta, 1800) no se tenía una fuente viable de electricidad. La pila voltaica (y sus descendientes modernos, la pila eléctrica y la batería eléctrica), almacenaba energía químicamente y la entregaba según la demanda en forma de energía eléctrica.⁶⁹ La batería es una fuente común muy versátil que se usa para muchas aplicaciones, pero su almacenamiento de energía es limitado, y una vez descargado debe ser recargada (o, en el caso de la pila, reemplazada). Para una demanda eléctrica mucho más grande la energía debe generarse y transmitirse continuamente por líneas de transmisión conductoras.⁷⁰

Por lo general, la energía eléctrica se genera mediante generadores electromecánicos movidos por el vapor producido por distintas fuentes de energía primarias, en particular la energía eólica, hidráulica y solar fotovoltaica, entre otras. La moderna turbina de vaporinventada por Charles Algernon Parsons en 1884 genera cerca del 80 % de la energía eléctrica en el mundo usando una gran variedad de fuentes de energía. Este generador no tiene ningún parecido al generador de disco homopolar de Faraday, aunque ambos funcionan bajo el mismo principio electromagnético, que dice que al cambiar el campo magnético a un conductor produce una diferencia de potencial en sus terminales. La invención a finales del siglo XIX del transformador implicó transmitir la energía eléctrica de una forma más eficiente. La transmisión eléctrica eficiente hizo posible generar electricidad en plantas generadoras, para después trasportarla a largas distancias, donde fuera necesaria.⁷¹

Debido a que la energía eléctrica no puede ser almacenada fácilmente para atender la demanda a una escala nacional, la mayoría de las veces se produce la misma cantidad que la que se demanda. Esto requiere de una bolsa eléctrica que hace predicciones de la demanda eléctrica, y mantiene una coordinación constante con las plantas generadoras. Se mantiene una cierta reserva de capacidad de generación en reserva para soportar cualquier anomalía en la red.⁷²

Aplicaciones de la electricidad

Artículo principal: Aplicaciones de la electricidad

La electricidad tiene un sinfín de aplicaciones tanto para uso doméstico, industrial, medicinal y en el transporte. Solo para citar se puede mencionar a la electrónica,electrosoldadura, motores eléctricos, máquinas frigoríficas, aire acondicionado, electroimanes, telecomunicaciones, electroquímica, electroválvulas, iluminación y alumbrado,producción de calor, electrodomésticos, robótica, señales luminosas. También se aplica la inducción electromagnética para la construcción de motores movidos por energía eléctrica, que permiten el funcionamiento de innumerables dispositivos.⁷³

Corriente Eléctrica

Corriente eléctrica

Un arco eléctrico permite una demostración de la energía de la corriente eléctrica.

Se conoce como corriente eléctrica al movimiento de cargas eléctricas. La corriente puede estar producida por cualquier partícula cargada eléctricamente y en movimiento. Lo más frecuente es que sean electrones, pero cualquier otra carga en movimiento se puede definir como corriente.⁴⁹Según el Sistema Internacional, la intensidad de una corriente eléctrica se mide en amperios, cuyo símbolo es A.⁵⁰

Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó como sentido convencional de circulación de la corriente el flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Más adelante se observó que, en los metales, los portadores de carga son electrones, con carga negativa, y que se desplazan en sentido contrario al convencional.⁵¹ Lo cierto es que, dependiendo de las condiciones, una corriente eléctrica puede consistir de un flujo de partículas cargadas en una dirección, o incluso simultáneamente en ambas direcciones. La convención positivo-negativo se usa normalmente para simplificar esta situación.⁴⁹

El proceso por el cual la corriente eléctrica circula por un material se llama conducción eléctrica. Su naturaleza varía, dependiendo de las partículas cargadas y el material por el cual están circulando. Ejemplos de corrientes eléctricas son la conducción metálica, donde los electrones recorren un conductor eléctrico, como el metal; y la electrólisis, donde los iones (átomos cargados) fluyen a través de líquidos. Mientras que las partículas pueden moverse muy despacio, algunas veces con una velocidad media de deriva de sólo fracciones de milímetro por segundo,⁵² el campo eléctrico que las controla se propaga cercano a la velocidad de la luz, permitiendo que las señales eléctricas se transmitan rápidamente por los cables.⁵³

La corriente produce muchos efectos visibles, que han hecho que su presencia se reconozca a lo largo de la historia. En 1800, Nicholsony Carlisle descubrieron que el agua podía descomponerse por la corriente de una pila voltaica, en un proceso que se conoce comoelectrólisis. En 1833, Michael Faraday amplió este trabajo.⁵⁴ En 1840, James Prescott Joule descubrió que la corriente a través de unaresistencia eléctrica aumenta la temperatura, fenómeno que en la actualidad se denomina Efecto Joule.

Carga eléctrica

Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza.

La carga eléctrica es una propiedad de la materia que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión. La carga se origina en el átomo, que está compuesto de partículas subatómicas cargadas como el electrón y el protón.³⁴ La carga puede transferirse entre los cuerpos por contacto directo o al pasar por un material conductor, generalmente metálico.³⁵ El término electricidad estática se refiere a la presencia de carga en un cuerpo, por lo general causado por dos materiales distintos que se frotan entre sí, transfiriéndose carga uno al otro.³⁶

La presencia de carga da lugar a la fuerza electromagnética: una carga ejerce una fuerza sobre las otras. Este efecto era conocido en la antigüedad, pero no comprendido.³⁷ Una bola liviana, suspendida de un hilo, podía cargarse al contacto con una barra de vidrio cargada previamente por fricción con un tejido. Se encontró que si una bola similar se cargaba con la misma barra de vidrio, se repelían entre sí. A finales del siglo XVIII, Charles-Augustin de Coulomb investigó este fenómeno. Dedujo que la carga se manifiesta de dos formas opuestas.³⁸ Este descubrimiento trajo el conocido axioma «objetos con la misma polaridad se repelen y con diferente polaridad se atraen».^37 39

La fuerza actúa en las partículas cargadas entre sí, y además la carga tiene tendencia a extenderse sobre una superficie conductora. La magnitud de la fuerza electromagnética, ya sea atractiva o repulsiva, se expresa por la ley de Coulomb, que relaciona la fuerza con el producto de las cargas y tiene una relación inversa al cuadrado de la distancia entre ellas.^40 41 La fuerza electromagnética es muy fuerte, la segunda después de la interacción nuclear fuerte,⁴² con la diferencia que esa fuerza opera sobre todas las distancias.⁴³ En comparación con la débil fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética que aleja a dos electrones es 10⁴² veces más grande que la atracción gravitatoria que los une.⁴⁴

Una carga puede expresarse como positiva o negativa. Las cargas de los electrones y de los protones tienen signos contrarios. Por convención, la carga que tiene electrones se asume negativa y la de los protones, positiva, una costumbre que empezó con el trabajo deBenjamin Franklin.⁴⁵ La cantidad de carga se representa por el símbolo Q y se expresa en culombios.⁴⁶ Todos los electrones tienen la misma carga, aproximadamente de -1.6022×10⁻¹⁹ culombios. El protón tiene una carga igual pero de signo opuesto +1.6022×10⁻¹⁹coulombios. La carga no sólo está presente en la materia, sino también en la antimateria: cada antipartícula tiene una carga igual y opuesta a su correspondiente partícula.⁴⁷

La carga puede medirse de diferentes maneras. Un instrumento muy antiguo es el electroscopio, que aún se usa para demostraciones en las aulas, aunque ahora está superado por el electrómetro electrónico.⁴⁸

Electricidad

La electricidad: es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica. Es una forma de energía tan versátil que tiene un sinnúmero de aplicaciones, por ejemplo: transporte, climatización, iluminación ycomputación.²

La electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos y propiedades físicas:

• Carga eléctrica: una propiedad de algunas partículas subatómicas, que determina suinteracción electromagnética. La materia eléctricamente cargada produce y es influida por los campos electromagnéticos.
• Corriente eléctrica: un flujo o desplazamiento de partículas cargadas eléctricamente por un material conductor. Se mide en amperios.
• Campo eléctrico: un tipo de campo electromagnético producido por una carga eléctrica, incluso cuando no se está moviendo. El campo eléctrico produce una fuerza en toda otra carga, menor cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Además, las cargas en movimiento producen campos magnéticos.
• Potencial eléctrico: es la capacidad que tiene un campo eléctrico de realizar trabajo. Se mide en voltios.
• Magnetismo: la corriente eléctrica produce campos magnéticos, y los campos magnéticos variables en el tiempo generan corriente eléctrica.

La electricidad se usa para generar:

• luz, mediante lámparas
• calor, aprovechando el efecto Joule
• movimiento, mediante motores que transforman la energía eléctrica en energía mecánica
• señales, mediante sistemas electrónicos, compuestos de circuitos eléctricos que incluyen componentes activos (tubos de vacío,transistores, diodos y circuitos integrados) y componentes pasivos como resistores, inductores y condensadores.