Conductores, aislantes y semiconductores (cuadro comparativo)

Los conductores, aislantes y semiconductores son tipos de materiales que exhiben diferente comportamiento ante el paso de la electricidad. Los conductores ofrecen facilidades al flujo de corriente eléctrica, mientras que los aislantes la obstaculizan.

De acuerdo a este criterio, las sustancias y los compuestos se dividen en tres grandes categorías:

• Conductores
• Aislantes
• Semiconductores

Los materiales conductores, como su nombre lo indica, permiten el paso de la corriente eléctrica a través de ellos, con mayor o menor facilidad. En cambio, los aislantes no conducen bien la electricidad, mientras que los semiconductores se comportan como conductores o aislantes bajo determinadas circunstancias.

La distinción entre materiales es muy importante en electricidad, a la hora de seleccionar el más apropiado para una determinada función. Por ejemplo, los alambres destinados a conducir electricidad requieren buenos conductores, sin embargo, su recubrimiento tiene que ser de material aislante para que se puedan manipular con seguridad.

En cuanto a los semiconductores, son imprescindibles en la fabricación de componentes electrónicos, tan importantes para la tecnología moderna.

El hecho de que un material responda a la electricidad de una manera determinada, depende de cuán firmemente sujeta el átomo a sus electrones más externos, que son los más fáciles de movilizar, dado que se encuentran más lejos del núcleo y el resto de los electrones apantalla a este.

Cuando el núcleo atrae electrostáticamente con firmeza a todos sus electrones, el material se comporta como aislante, pero si hay uno o más electrones débilmente sujetos en la capa más externa, la sustancia será conductora.

La temperatura puede tener asimismo una gran influencia, puesto que a temperaturas cercanas al cero absoluto, algunos metales se vuelven superconductores, ya que su conductividad aumenta infinitamente. En rangos más elevados de temperatura, algunos compuestos no metálicos también se tornan superconductores.

Materiales conductores

Definición

Son aquellos materiales por los cuales la corriente eléctrica fluye con mayor facilidad, gracias a que poseen entre uno y tres electrones libres en la capa electrónica más externa, fáciles de movilizar con poca energía.

Características

Las principales características de los conductores eléctricos son:

• Tienen entre 1 y 3 electrones libres que, al estar débilmente sujetos al núcleo atómico, pueden moverse de un átomo a otro con relativa facilidad, para establecer una corriente eléctrica.
• Asimismo, los buenos conductores eléctricos también conducen bien el calor.
• Casi siempre son metales, como el cobre y el aluminio. El grafito y algunos ácidos, hidróxidos y soluciones salinas, también son excepcionalmente buenos conductores.
• Los metales conductores tienen un brillo particular.
• En su mayoría son sólidos, salvo el mercurio y el agua de mar, que son líquidos. Al ionizarse, los gases como el aire pueden convertirse en conductores eléctricos.
• La conductividad eléctrica es la magnitud que cuantifica qué tan buen conductor es un material, elevadas conductividades son propias de los buenos conductores. El grafeno es el material de mayor conductividad que se conoce.

Son deseables, además, las siguientes características: resistencia a las altas temperaturas, ductilidad y maleabilidad, para dar la forma apropiada al elemento conductor, según el uso que se le vaya a dar. La resistencia a la temperatura es importante, puesto que siempre que circula corriente por un conductor, se desprende calor por efecto Joule.

Funciones

Los conductores se utilizan fundamentalmente para conducir la corriente eléctrica y para almacenar energía. Estas son sus principales funciones:

-Transportar la corriente eléctrica, cuando forman parte de los cables de energía que alimentan hogares, industrias y dispositivos diversos. Asimismo, los circuitos impresos contienen delgados caminos de cobre para conectar elementos electrónicos.

-Brindar un camino a las descargas eléctricas no deseadas, como en el caso del pararrayos.

-Fabricar capacitores y bobinas que almacenan energía electromagnética.

-Generar campos electromagnéticos para aprovechar la inducción electromagnética, tal como ocurre con los transformadores.

-Interrumpir el flujo de corriente cuando sea necesario, por ejemplo, en caso de sobrecarga, para lo cual se emplean conductores con bajo punto de fusión. Las aleaciones de plata son apropiadas para la fabricación de elementos como fusibles.

-Fabricar materiales para soldadura.

Ejemplos

Los conductores eléctricos se clasifican en:

• Metales
• No metales

La gran mayoría son metales, entre los cuales destacan:

-Cobre

-Aluminio

-Oro

-Plata

-Agua de mar (no metal)

-Hierro

-Grafito y grafeno (no metales)

-Estaño

-Wolframio

-Bronce (aleación de cobre y estaño)

-Latón (aleación de cobre y zinc)

-Acero recubierto de aluminio.

Materiales aislantes

Definición

Son los materiales a través de los cuales la corriente eléctrica no fluye fácilmente. Por regla general, tampoco conducen bien el calor, aunque hay excepciones como el diamante, que es excelente conductor de calor, pero no de la electricidad (salvo cuando sufre deformaciones a muy pequeña escala: la nanoescala, según revelan estudios recientes).

Características

Las principales características de los aislantes son:

-Carecen de electrones libres.

-Poseen entre 5 y 8 electrones en su capa más externa.

-Tienen una muy baja conductividad.

-Algunos aislantes permiten la formación de dipolos eléctricos en su interior, cuando están bajo la acción de un campo eléctrico. A estos aislantes se les conoce como dieléctricos.

-Los conforman las sustancias no metálicas, pudiendo ser orgánicas o inorgánicas. Por ejemplo, la seda, un material textil derivado del gusano de la seda, es un excelente aislante.

Asimismo, es muy deseable que un buen aislante tenga:

• Resistencia a la temperatura sin deformarse o resquebrajarse
• Estabilidad ante la acción de la luz solar, sustancias químicas diversas, oxígeno y otros agentes
• Resistencia mecánica ante las deformaciones.

Funciones

-Recubrir los cables conductores de corriente, para evitar pérdidas y proteger a los usuarios.

-Desviar la corriente eléctrica, evitando que circule por determinados caminos.

-Separar a los conductores unos de otros, o evitar que entren en contacto con otras partes metálicas, para evitar daños en el dispositivo y quienes lo manipulan.

-Aumentar la capacitancia en los dispositivos que almacenan energía eléctrica, llamados capacitores.

Ejemplos

Existe una gran variedad de materiales aislantes:

-Plástico

-Mica

-Madera

-Corcho

-Papel

-Celulosa

-Aceite

-Fibras como seda y algodón

-Caucho (natural y sintético)

-Cuarzo

-Vidrio, pyrex y porcelana

-Amianto

-Mármol

-Resinas

-Poliestireno

-Aire (a temperatura ambiente)

Materiales semiconductores

Definición

Los semiconductores se comportan como conductores o como aislantes, dependiendo de ciertas condiciones de temperatura, exposición a los campos electromagnéticos, presión y otros factores.

Características

Las más destacables en los semiconductores son:

-La existencia de 4 electrones en su última capa.

-Conductividad intermedia entre conductores y aislantes.

-Uniones entre átomos a través de enlaces de tipo covalente.

-Aumento de la conducción eléctrica con la temperatura, al contrario de lo que sucede en los metales, cuya conductividad disminuye con la temperatura, por efecto de la agitación térmica.

Funciones

-Son imprescindibles en la fabricación de componentes electrónicos como diodos y transistores, la base de los chips y microprocesadores.

-Se usan también para elaborar sensores de diversos tipos.

Ejemplos

El silicio (el elemento más abundante en la corteza terrestre)  y el germanio son los elementos semiconductores por excelencia, pero también se comportan como semiconductores:

-Oxígeno

-Cadmio

-Azufre

-Selenio

-Arseniuro de galio

-Fósforo

-Compuestos de Indio (sulfuro, arseniuro, antimonurio y fosfuro)