Conductores y aislantes: ¿Qué son y por qué son importantes? (con gráfico)

Para comprender los circuitos eléctricos y cómo los humanos pueden alimentar todo, desde las luces de sus casas hasta los trenes eléctricos (y, cada vez más con el tiempo, los coches eléctricos) que los hacen funcionar, primero debes entender qué es la corriente eléctrica y qué permite que la corriente flujo.

La corriente eléctrica es el resultado de electrones en movimiento, que son partículas subatómicas casi sin masa que tienen una carga negativa muy, muy pequeña. Cuando oye hablar de "jugo" (como se suele llamar a la electricidad) "fluir" a través de los cables de alimentación o de su televisor, esto se refiere al flujo de electrones a través de los cables de un circuito. Los alambres de metal se eligen específicamente para transportar electricidad porque tienen comparativamente bajosresistencia eléctrica​.

Los electrones pueden servir como medio para las corrientes porque, al igual que los cometas que orbitan alrededor del sol a grandes distancias, existen fuera del núcleo atómico. donde los protones y neutrones "viven" y son considerablemente menos masivos que cualquiera de las partículas nucleares (y los protones y neutrones son terriblemente ligeros por sí mismos derecho).

Los átomos de diferentes elementos difieren en masa, número de partículas y otras formas inherentes, y el único La configuración de cada átomo determina si es un buen conductor, un mal conductor (es decir, un aislante) o algo entre.

Corriente eléctrica (representada porIy medido enamperioso A) es el flujo decarga eléctrica(denotado porqy medido enculombioso C) en forma de electrones a través de un medio conductor, como un alambre de cobre. Los electrones se mueven debido a la influencia de undiferencia de potencial eléctrico (voltaje)entre puntos a lo largo del cable, experimentandoresistencia(representado porRy medido enohmioso Ω).

• Toda esta física está perfectamente capturada porLey de Ohm​:

Por convención, una carga positiva colocada cerca de una terminal o carga positiva tiene un potencial eléctrico más alto que en puntos más alejados, todo lo demás igual. El voltaje tiene unidades de julios por culombio, o J / C, que es energía por carga. Esto tiene sentido, porque el efecto del voltaje sobre las cargas es similar al efecto de la gravedad sobre las masas.

Si bien cualquier punto se puede elegir como un punto de voltaje cero o de energía potencial gravitacional, una masa dada siempre pierde gravitacional energía potencial a medida que se acerca al centro de la Tierra, y una carga positiva siempre pierde energía potencial eléctrica (que puede ser escritoqE) a medida que se aleja de la fuente de carga positiva.

Dado lo que se le ha presentado, es posible que ya se haya dado cuenta de que los electrones fluyen en la dirección opuesta de cargas positivas, y que por lo tanto pierden potencial eléctrico en el curso de fluir como elementos de corriente.

Esto es análogo a un piano que cae del cielo y pierde energía potencial gravitacional cuando se acerca a la Tierra. (energía que se conserva en forma de energía cinética creciente) y pérdidas de energía por fricción (calor) debido al aire resistencia.

Mientras imagina que la corriente aumenta en un cable, imagine que el número de electrones que pasan por un punto dado también aumenta, y lo mismo se aplica a las disminuciones de la corriente.

• La carga de un solo electrón es:1.60 × 10^-19 C, mientras que en un protón es +1.60 × 10^-19 C. Esto significa que se necesitan (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 trillones) de protones solo para hacer 1.0 C de carga.

La facilidad con que los electrones pueden moverse a través de un material depende de laconductividad. La conductividad, generalmente denotada por σ (la letra griega sigma), es una propiedad de la materia que depende de ciertas características intrínsecas de esa materia, algunas de las cuales se mencionaron anteriormente.

Lo más importante es el concepto deelectrones libres, o electrones pertenecientes a un átomo que son capaces de "vagar" libremente lejos del núcleo. (Tenga en cuenta que "lejos" en términos atómicos todavía significa una distancia increíblemente corta para los estándares normales). Los electrones más externos en cualquier átomo se llamanelectrones de valenciay cuando resulta que sólo hay uno de ellos, como ocurre con el cobre, se establece la situación ideal para la "libertad" de los electrones.

Los buenos conductores de electricidad permiten que la corriente fluya prácticamente sin obstáculos, mientras que en el otro extremo del espectro, los buenos aislantes resisten este flujo. La mayoría de los materiales no metálicos cotidianos son buenos aislantes; si no lo fueran, experimentaría continuamente descargas eléctricas después de tocar objetos comunes.

El comportamiento de un material en particular depende de su composición y estructura molecular. En general, los alambres de metal conducen la electricidad con relativa facilidad porque sus electrones externos están menos unidos a sus átomos asociados y, por lo tanto, pueden moverse con mayor libertad. Puede identificar qué materiales son metales consultando una tabla periódica de elementos como la de Recursos.

• El hormigón, aunque es una sustancia mucho menos conductora que los metales, se considera sin embargo un conductor en equilibrio. ¡Esto es importante dado que una fracción de las ciudades del mundo contiene concreto!

• Considere la afirmación "La mayoría de los materiales conductores tienen diferentes resistencias a diferentes temperaturas.. "¿Es esto verdadero o falso? Explica tu respuesta.

Hay más materiales aislantes que materiales conductores en la vida cotidiana, lo que tiene sentido dado los estrictos requisitos de los materiales aislantes para simplemente eliminar los niveles graves de peligro de la vida diaria Procesos. El caucho, la madera y el plástico son aislantes ubicuos y muy útiles; Prácticamente todo el mundo aprende a reconocer el característico tubo naranja alrededor de los cables de extensión.

Dados los peligros conocidos de mezclar aparatos eléctricos y agua, a la mayoría de la gente le sorprende saber que el agua pura es un aislante. El agua que en realidad consiste en hidrógeno y oxígeno sin impurezas es rara y solo se puede lograr mediante destilación en un laboratorio. El agua cotidiana a menudo contiene una cantidad suficiente de iones (moléculas cargadas) para permitir que el agua "normal" se convierta en un conductor de facto.

Los aislantes, como era de esperar, contienen materiales cuyos elementos tienen electrones de valencia unidos mucho más estrechamente al núcleo que en el caso de los metales.

​Resistividades una medida de la resistencia de un material al flujo de electrones. Medido en ohm-m (Ωm), es el opuesto conceptual y el inverso matemático de la conductividad. Por lo general, se denota por ρ (rho), por lo que ρ = 1 / σ. Tenga en cuenta que la resistividad es diferente de la resistencia, que se determina (o se puede determinar) manipulando físicamente la ubicación de las resistencias en un circuito con valores de resistencia conocidos.

La resistividad y la resistencia en un cable están relacionadas por la ecuación:

dóndeRy ρ son resistencia y resistividad yLyAson la longitud y el área de la sección transversal del cable. Los aisladores tienen valores de resistividad del orden de 10¹⁶ Ωm, mientras que los metales se registran en el rango de 10^-8Ωm. A temperatura ambiente, todos los materiales tienen algún grado de resistencia medible, pero la cantidad de resistencia en los conductores es pequeña.

• La resistencia de la mayoría de los materiales depende de la temperatura; a menudo, a temperaturas más frías, la resistencia disminuye.

Ciertos materiales alcanzan un estado de resistencia 0 a temperaturas suficientemente bajas. Estos se llamansuperconductores. Desafortunadamente, lograr las temperaturas requeridas para la superconductividad, lo que resultaría en ahorros de energía globales casi incalculables si podría propagarse en todo el mundo a la tecnología existente; son prohibitivamente bajos, alcanzables a principios del siglo XXI en laboratorio ajustes.