Propiedades eléctricas de los materiales: qué son, cuáles, ejemplos
¿Qué son las propiedades eléctricas de los materiales?
Las propiedades eléctricas de los materiales son aquellas que determinan su respuesta ante el paso de la corriente eléctrica, es decir, su capacidad de conductividad y resistividad (propiedad de transmitir la electricidad y resistencia al paso de la misma, respectivamente). De acuerdo a este criterio, los materiales se clasifican en tres categorías: conductores, aislantes y semiconductores.
La disposición de las partículas que conforman el átomo es la responsable de esta respuesta. Dos de las más importantes, los protones y los electrones, se caracterizan por tener carga eléctrica, una propiedad de la materia, al igual que la masa.
En el caso de los materiales conductores, es fácil establecer una corriente eléctrica en su interior, pues algunos poseen electrones libres, que no están vinculados a un átomo en particular. Normalmente, el movimiento de estos electrones es aleatorio, pero si algún agente externo se ocupa de moverlos ordenadamente, se genera una corriente.
Por el contrario, el núcleo atómico en los materiales aislantes es capaz de retener con más firmeza a los electrones, por lo que no es tan sencillo que circulen las cargas eléctricas a través de ellos.
En cuanto a los materiales semiconductores, estos tienen características intermedias, es decir, pueden conducir electricidad bajo determinadas circunstancias. Esto los hace especialmente útiles en los dispositivos electrónicos, ya que sirven como amplificadores y como reguladores de la intensidad y el paso de la corriente, entre otras funciones.
Para conocer de forma cuantitativa la respuesta eléctrica de un material, se define el concepto de conductividad eléctrica, y su recíproco, la resistividad. De un material con alta conductividad, se espera que transporte fácilmente la corriente, como sucede con los metales, mientras que aquellos con baja conductividad se comportan como aislantes, por ejemplo, plástico y madera.
¿Cuáles son las propiedades eléctricas de los materiales?
Conductividad eléctrica
El físico inglés Stephen Gray (1666-1736) fue uno de los primeros en clasificar los materiales en conductores y aislantes, según su facilidad para conducir la electricidad. Naturalmente, la manera idónea de averiguarlo es haciendo pasar corriente eléctrica a través de materiales diferentes y estudiar la respuesta de cada uno.
Ahora bien, cuando una corriente eléctrica se hace circular a través de un objeto, se crea en su interior una densidad de corriente (intensidad por unidad de área), que, para muchas sustancias, es proporcional al campo eléctrico producido.
Tanto el campo eléctrico como la densidad de corriente son cantidades vectoriales, por lo que se denotan con negritas, para diferenciarlas de las que no lo son. Si al campo eléctrico se le llama E y la densidad de corriente es J, entonces se puede escribir:
J ∝ E
Donde el símbolo “∝” se lee “… es proporcional a…”. Para establecer la igualdad, se requiere de una constante de proporcionalidad, llamada σ (se lee “sigma”), a la cual se conoce como conductividad eléctrica del material. De esta forma:
J = σ E
Unidades
La conductividad eléctrica se expresa en amperios /voltios-metro, o abreviadamente A /V∙m, puesto que la densidad de corriente viene dada en A/m2 y el campo eléctrico en V/m. El cociente entre la corriente que pasa por un material y el voltaje aplicado al mismo es la conductancia G y su unidad de medida es el siemens y se abrevia S, por lo tanto, la conductividad σ puede expresarse también como S/m o S∙m−1.
Los materiales en los que se cumple J = σ E se conocen como materiales óhmicos, pues esta es la forma microscópica de la conocida ley de Ohm para circuitos eléctricos resistivos V = I∙R, donde V es el voltaje, I la corriente y R una resistencia eléctrica.
Sustancias y materiales conductores
La ley de Ohm establece que cuanto mayor es el campo eléctrico dentro del conductor, mayor es la densidad de corriente, hecho que se favorece cuando σ es grande. De allí que los buenos conductores son aquellos con conductividad σ elevada.
Los materiales con facilidad para transportar corriente pueden ser conductores electrónicos o conductores electrolíticos. Los primeros poseen los llamados electrones libres, que son electrones poco o nada ligados a algún átomo en particular, y que por ello pueden circular por el material. Entre ellos destacan los metales: plata, cobre y oro, por ejemplo.
Cuando se establece un voltaje en un trozo de cobre, se crea un campo eléctrico dentro del cual se mueven los electrones libres, generando una corriente eléctrica en sentido contrario al campo.
El segundo tipo de conductores, los electrolíticos, son disoluciones en medio acuoso de distintos ácidos, bases o sales. En estos, la conducción se lleva a cabo gracias a los iones positivos y negativos (cationes y aniones respectivamente), capaces de moverse en el medio, guiados por electrodos con carga de signo contrario.
Salvo elevados voltajes, los conductores electrolíticos también cumplen la ley de Ohm.
Tabla de conductividades
En la siguiente tabla se muestran las conductividades de diversos materiales, conductores, semiconductores y aislantes, a una temperatura de 20° C.
La temperatura es un factor importante para la conductividad eléctrica, pues a mayor temperatura la conductividad disminuye, debido a la agitación térmica. De esta manera, los átomos vibran con mayor rapidez, aumentando el número de colisiones entre estos y los electrones libres, cuyo movimiento es más desordenado.
Por el contrario, cuando la temperatura desciende, los materiales tienden a incrementar su conductividad. Algunos pueden volverse superconductores a muy baja temperatura, lo cual significa que su conductividad es prácticamente infinita.
Aunque los metales son los materiales conductores por excelencia, el grafeno es el que tiene la mayor conductividad, como podemos observar en la tabla.
El grafeno no es un metal, sino una sustancia hecha de carbón puro, cuyos átomos se disponen en una estructura altamente regular. Al ser también un excelente conductor del calor, el grafeno puede soportar el paso de elevadas corrientes eléctricas sin que el calor lo dañe.
Conductividad y resistividad
Cuando se trata de conductores electrónicos, se trabaja mucho con la resistividad, en lugar de la conductividad.
La resistividad es el recíproco o inverso de la conductividad. Esto significa que cuanto mayor sea la conductividad de un material, menor es su resistividad.
La resistividad se denota con la letra griega ρ (se lee “rho”) y según lo dicho anteriormente, se puede expresar mediante:
ρ = 1 / σ
Al contrario de la conductividad, la resistividad aumenta con la temperatura, por lo tanto, a mayor temperatura, mayor resistividad.
Referencias
- Bauer, W. 2011. Física para Ingeniería y Ciencias. Volumen 2. Mc Graw Hill.
- Callister, W. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Reverté.
- Open Stax. College Physics. Recuperado de: openstax.org.
- Resnick, R. 1999. Física. Vol. 2. 3ra Ed. en español. Compañía Editorial Continental S.A. de C.V.
- Smith, W. 2006. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los materiales. 4ta. Edición. McGraw Hill.