Conductor eléctrico

En física e ingeniería eléctrica , un conductor es un objeto o material que permite el paso de carga ( corriente eléctrica ) en una o más direcciones. Los materiales metálicos son conductores eléctricos comunes. El flujo de electrones con carga negativa genera corriente eléctrica, mientras que el de huecos con carga positiva genera iones positivos o negativos .

Para que fluya corriente en un circuito eléctrico cerrado , una partícula cargada no necesita desplazarse desde el componente que la produce (la fuente de corriente ) hasta los que la consumen (las cargas ). En cambio, la partícula cargada simplemente necesita empujar a su vecina una cantidad finita, quien a su vez empujará a su vecina, y así sucesivamente hasta que una partícula sea empujada hacia el consumidor, alimentándolo. En esencia, lo que ocurre es una larga cadena de transferencia de momento entre portadores de carga móviles ; el modelo de conducción de Drude describe este proceso con mayor rigor. Este modelo de transferencia de momento convierte al metal en una opción ideal como conductor; los metales, por su naturaleza, poseen un mar deslocalizado de electrones que les confiere la movilidad suficiente para colisionar y, por lo tanto, producir una transferencia de momento.

Como se mencionó anteriormente, los electrones son los principales portadores de carga en los metales; sin embargo, otros dispositivos, como el electrolito catiónico de una batería o los protones móviles del conductor de protones de una pila de combustible, dependen de portadores de carga positiva. Los aislantes son materiales no conductores con pocas cargas móviles que soportan corrientes eléctricas insignificantes.

La resistencia de un conductor dado depende del material del que está hecho y de sus dimensiones. Para un material dado, la resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal. ^{[ 1 ]} Por ejemplo, un cable de cobre grueso tiene menor resistencia que un cable de cobre delgado idéntico en todo lo demás. Además, para un material dado, la resistencia es proporcional a la longitud; por ejemplo, un cable de cobre largo tiene mayor resistencia que un cable de cobre corto idéntico en todo lo demás. Por lo tanto, la resistencia R y la conductancia G de un conductor de sección transversal uniforme se pueden calcular como ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell }{A}},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{aligned}}}$

dónde${\displaystyle \ell }$es la longitud del conductor, medida en metros [m], A es el área de la sección transversal del conductor, medida en metros cuadrados [m² ^] , σ ( sigma ) es la conductividad eléctrica, medida en siemens por metro (S·m⁻¹ ⁾ , y ρ ( rho ) es la resistividad eléctrica (también llamada resistencia eléctrica específica ) del material, medida en ohm-metros (Ω·m). La resistividad y la conductividad son constantes de proporcionalidad y, por lo tanto, dependen únicamente del material del que está hecho el cable, no de su geometría. La resistividad y la conductividad son recíprocas :${\displaystyle \rho =1/\sigma }$La resistividad es una medida de la capacidad de un material para oponerse a la corriente eléctrica.

Esta fórmula presupone que la densidad de corriente es uniforme en el conductor. Esto no siempre se cumple en situaciones prácticas, como en el caso del efecto pelicular en corriente alterna . Sin embargo, esta fórmula sigue siendo una buena aproximación para conductores largos y delgados, como los cables.

Otra situación para la que esta fórmula no es exacta es con corriente alterna (CA), porque el efecto pelicular inhibe el flujo de corriente cerca del centro del conductor. Entonces, la sección transversal geométrica es diferente de la sección transversal efectiva en la que realmente fluye la corriente, por lo que la resistencia es mayor de lo esperado. De manera similar, si dos conductores están cerca uno del otro transportando corriente alterna, sus resistencias aumentan debido al efecto de proximidad . A la frecuencia de la red eléctrica comercial , estos efectos son significativos para conductores grandes que transportan grandes corrientes, como las barras colectoras en una subestación eléctrica , ^{[ 2 ]} o cables de alta potencia que transportan más de unos pocos cientos de amperios.

Además de la geometría del cable, la temperatura también influye significativamente en la eficacia de los conductores. La temperatura afecta a los conductores de dos maneras principales: primero, los materiales pueden expandirse al aplicarles calor. La magnitud de esta expansión está determinada por el coeficiente de dilatación térmica específico del material. Dicha expansión (o contracción) modifica la geometría del conductor y, por lo tanto, su resistencia característica. Sin embargo, este efecto suele ser pequeño, del orden de 10⁻⁶ ^. Un aumento de la temperatura también incrementa la cantidad de fonones generados en el material. Un fonón es esencialmente una vibración de la red cristalina, o más bien un pequeño movimiento cinético armónico de los átomos del material. De forma similar a la vibración de una máquina de pinball, los fonones alteran la trayectoria de los electrones, provocando su dispersión. Esta dispersión electrónica reduce el número de colisiones entre electrones y, por consiguiente, disminuye la cantidad total de corriente transferida.

Los materiales conductores incluyen metales , electrolitos , superconductores , semiconductores , plasmas y algunos conductores no metálicos como el grafito y los polímeros conductores .

El cobre tiene una alta conductividad . El cobre recocido es el estándar internacional con el que se comparan todos los demás conductores eléctricos; la conductividad del estándar internacional de cobre recocido es58  MS/m , aunque el cobre ultrapuro puede superar ligeramente el 101% IACS. El grado principal de cobre utilizado para aplicaciones eléctricas, como cables de construcción, bobinados de motores , cables y barras colectoras , es el cobre de paso resistente a la corrosión electrolítica (ETP) (CW004A o designación ASTM C100140). Si se debe soldar o soldar con latón cobre de alta conductividad o utilizarlo en una atmósfera reductora, entonces se puede utilizar cobre de alta conductividad libre de oxígeno (CW008A o designación ASTM C10100). ^{[ 3 ]} Debido a su facilidad de conexión mediante soldadura o sujeción, el cobre sigue siendo la opción más común para la mayoría de los cables de calibre ligero.

La plata es un 6 % más conductora que el cobre, pero debido a su coste no resulta práctica en la mayoría de los casos. Sin embargo, se utiliza en equipos especializados, como satélites , y como recubrimiento delgado para mitigar las pérdidas por efecto pelicular a altas frecuencias. Cabe destacar que, durante la Segunda Guerra Mundial, se utilizaron 14 700 toneladas cortas (13 300 t) de plata, prestadas por el Tesoro de los Estados Unidos, en la fabricación de los imanes del calutrón debido a la escasez de cobre en tiempos de guerra. ^{[ 4 ]} 

El cable de aluminio es el metal más común en la transmisión y distribución de energía eléctrica . Si bien su conductividad es solo el 61 % de la del cobre en función de su área de sección transversal, su menor densidad lo hace el doble de conductor en función de su masa. Dado que el aluminio cuesta aproximadamente un tercio del cobre en peso, las ventajas económicas son considerables cuando se requieren conductores de gran tamaño.

Las desventajas del cableado de aluminio radican en sus propiedades mecánicas y químicas. Forma fácilmente un óxido aislante, lo que provoca que las conexiones se calienten. Su mayor coeficiente de dilatación térmica, en comparación con el latón utilizado para los conectores, hace que estos se aflojen. El aluminio también puede deformarse lentamente bajo carga, lo que también contribuye al aflojamiento de las conexiones. Estos efectos pueden mitigarse con conectores diseñados adecuadamente y una instalación cuidadosa, pero han hecho que el cableado de aluminio en edificios sea impopular más allá de la acometida eléctrica .

Muy pocos compuestos orgánicos conducen la electricidad. Por ejemplo, los aceites de hidrocarburos , como el octano , son un aislante común en los transformadores . Los compuestos orgánicos típicos no conducen porque carecen de portadores de carga . Son moléculas sin carga, incapaces de realizar conducción iónica ; y sus electrones son imperturbables a baja energía, localizados en enlaces covalentes relativamente inertes . Los conductores orgánicos raros surgen de la ausencia de cualquiera de estas condiciones: ciertos líquidos iónicos conducen mediante transporte iónico y los polímeros conductores deslocalizan una porción sustancial de sus electrones en un sistema π .

Si bien el agua pura no es conductora de electricidad, incluso una pequeña cantidad de impurezas iónicas, como la sal , puede transformarla rápidamente en conductora.

Los cables se miden por su sección transversal. En muchos países, el tamaño se expresa en milímetros cuadrados. En Norteamérica, los conductores se miden con el calibre americano (American wire gauge) para los más pequeños y con milésimas de pulgada circulares (Circular Mils) para los más grandes.

La capacidad de conducción de un conductor, es decir, la cantidad de corriente que puede transportar, está relacionada con su resistencia eléctrica: un conductor de menor resistencia puede transportar una corriente mayor. La resistencia, a su vez, está determinada por el material del que está hecho el conductor (como se describió anteriormente) y su tamaño. Para un material dado, los conductores con una sección transversal mayor tienen menor resistencia que los conductores con una sección transversal menor.

En el caso de conductores desnudos, el límite máximo es aquel en el que la pérdida de potencia por resistencia provoca la fusión del conductor. Sin embargo, a excepción de los fusibles , la mayoría de los conductores en la práctica funcionan muy por debajo de este límite. Por ejemplo, el cableado doméstico suele estar aislado con PVC , cuya temperatura de funcionamiento está diseñada para aproximadamente 60  °C. Por lo tanto, la corriente en estos cables debe limitarse para que el conductor de cobre nunca supere los 60  °C, evitando así el riesgo de incendio . Otros materiales aislantes más costosos, como el teflón o la fibra de vidrio, permiten operar a temperaturas mucho más elevadas.

Si se aplica un campo eléctrico a un material y la corriente eléctrica inducida resultante tiene la misma dirección, se dice que el material es un conductor eléctrico isótropo . Si la corriente eléctrica resultante tiene una dirección diferente a la del campo eléctrico aplicado, se dice que el material es un conductor eléctrico anisótropo .

• Pararrayos

• BBC: Breves explicaciones para la etapa clave 2: Conductores eléctricos
• El descubrimiento de conductores y aislantes por Gray, Dufay y Franklin.