Universidad Fermín Toro
Sistema Interactivo de Educación a Distancia (SAIA)
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES
Facultad de Ingeniería Estudiante: Nicola Di Palma
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES
Acarigua, Noviembre de 2024
Nicola Di Palma
Editorial:
En este artículo hablaremos principalmente sobre los materiales conductores eléctricos, sobre como son sus propiedades tanto eléctricas como mécanicas, sobre algunas de sus aplicaciones en la industría relacionada con la Ingeniería Eléctrica, la clasificación y los tipos que existen; sobres su conductividad y sus resistencias, tanto en condiciones normales como en los que existan corrientes con una alta frecuencia, y como actúan estos materiales conductores en dichos casos; como son las características de algunos de los metales conductores de uso más común; y también veremos algunas que otras fórmulas y cuadros relacionados con este tema.
Todo esto con la finalidad de dejar una enseñanza a los Estudiantes de Ingeniería Eléctrica, y demostrar el porque es importante el conocer estos conceptos básicos de estos materiales conductores y como podrían llegar a serviles (ayudar a tomar mejores decisiones al momento de tener que buscar soluciones ante una problemática que se les presente) todas estas informaciones durante el transcurso de su larga carrera como ingeniero.
Considero que este es un artículo bastante completo y extenso, el cual también podría ayudar a los ingenieros eléctricos ya veteranos, a refrescar la memoria y a aprender alguna que otra cosa nueva, ya que nunca es tarde para aprender y adquirir nuevas informaciones. Espero esta revista pueda serle de ayuda a bastantes colegas y personas que estén interesadas en la ingeniería eléctrica.
Directorio:
Director:
Nicola Di Palma
Editor: Nicola Di Palma
Redacción:
Nicola Di Palma
Diseño:
Nicola Di Palma
Coordinación General:
Nicola Di Palma
Propiedades eléctricas:
Las Principales propiedades eléctricas de los materiales conductores son:
1. Conductividad eléctrica: La conductividad eléctrica es una propiedad física que indica la facilidad con la que un material permite el paso de corriente eléctrica a través de él. Es decir, mide la capacidad de un material para conducir cargas eléctricas. Cuanto mayor sea la conductividad, menor será la oposición al flujo de corriente. La conductividad eléctrica es inversamente proporcional a la resistividad eléctrica. Los metales, como el cobre y la plata, son excelentes conductores debido a la presencia de electrones libres que pueden moverse fácilmente a través de su estructura cristalina.
2. Resistividad eléctrica: La resistividad eléctrica es una propiedad intrínseca de un material que mide su oposición al flujo de corriente eléctrica. Es decir, representa la dificultad que encuentra una corriente eléctrica al atravesar un material. La resistividad depende de la naturaleza del material y de factores como la temperatura.
3. Coeficiente térmico de resistividad: El coeficiente térmico de resistividad es una propiedad que describe cómo cambia la resistividad eléctrica de un material al variar la temperatura. La mayoría de los metales tienen un coeficiente de temperatura positivo, lo que significa que su resistividad aumenta al aumentar la temperatura. Esto se debe a que a temperaturas más altas, los átomos vibran con mayor intensidad, lo que dificulta el movimiento de los electrones libres.
4. Conductividad térmica: La conductividad térmica es una propiedad física que indica la capacidad de un material para conducir el calor. Es decir, mide la rapidez con la que el calor se transmite a través de un material. Los materiales con alta conductividad térmica, como los metales, transmiten el calor rápidamente, mientras que los materiales con baja conductividad térmica, son malos conductores del calor. La conductividad térmica está relacionada con la vibración de los átomos y con la movilidad de los electrones libres.
5. Fuerza electromotriz (fem): La fuerza electromotriz (fem) es la energía eléctrica por unidad de carga que una fuente de energía suministra a un circuito eléctrico. Es decir, es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre los bornes de una fuente de tensión, como una batería o un generador. La fem es la causa del flujo de corriente eléctrica en un circuito cerrado.
6. Resistencia mecánica: La resistencia mecánica es la capacidad de un material para resistir fuerzas externas sin deformarse o romperse. Esta propiedad depende de factores como la composición del material, su estructura cristalina y las condiciones ambientales. La resistencia mecánica se mide a través de ensayos mecánicos, como la tracción, la compresión y la flexión. La resistencia mecánica es fundamental en la selección de materiales para diversas aplicaciones, desde la construcción hasta la fabricación de componentes electrónicos.
Medidas de Resistencia Eléctrica:
La resistencia eléctrica es la oposición al flujo de los electrones o la corriente eléctrica. Cuanto más se resista un elemento de un circuito a que pase por él la corriente eléctrica, más resistencia tendrá. Todos los materiales presentan cierta resistencia al flujo de electrones, pero unos obstruyen la circulación más que otros. Lo cual se debe a que en los átomos de algunos materiales los electrones externos se ceden con relativa facilidad, disminuyendo la resistencia al paso de la corriente eléctrica.
El valor de resistencia de un conductor eléctrico está determinado por varios factores: el material del que esté construido, su longitud, su sección y también de la temperatura a la que está expuesto. Dejando de lado por un momento la influencia de la temperatura, la resistencia de un conductor está dada por la siguiente fórmula:
Donde:
R = resistencia del conductor [Ω]
p (rho) = resistividad del material [ Ω.mm2/m]
L = longitud del conductor
S = sección transversal del conductor [mm2]
La resistividad es una medida de la oposición que ofrece un material al paso de la corriente. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Se mide en ohm-milímetro cuadrado por metro (Ω•mm²/m) o, en algunas aplicaciones, en ohm metro (Ω*m). La siguiente tabla contiene los valores de resistividad de algunos materiales:
Propiedades Mecánicas de los Materiales Conductores:
Las propiedades mecánicas de un material son aquellas que afectan a la resistencia mecánica y a su capacidad cuando se les aplica una fuerza. Es decir, las propiedades mecánicas son aquellas que posee un material relacionadas con sus posibilidades de transmitir y resistir fuerzas o deformaciones.
Dentro de las Principales propiedades mecánicas, Algunas de las más comunes son las siguientes:
- Resistencia mecánica: Se opone a la deformación o ruptura del material en presencia de fuerzas o cargas externas.
- Tenacidad: Es la capacidad de un material para absorber la energía y deformarse plásticamente sin fracturarse.
- Dureza: Es la capacidad para resistir el cambio de forma permanente debido a la tensión externa.
- Fragilidad: Indica la facilidad con la que se fractura un material cuando se somete a una fuerza o carga.
- Maleabilidad: La facilidad con la que un material se deforma bajo tensión de compresión en forma de lámina.
- Ductilidad: Es la deformación bajo tensión de un material. La mayoría de los aceros comunes son bastante dúctiles y pueden soportar concentraciones locales de tensión. En cambio, los materiales frágiles, como el vidrio, no pueden soportar concentraciones de tensión porque carecen de ductilidad y se fracturan fácilmente.
- Fluencia: La tendencia del material a moverse lentamente y a deformarse permanentemente bajo la influencia de una tensión mecánica externa.
- Resiliencia: Es la capacidad que posee el material de absorber la energía cuando se deforma elásticamente aplicando una tensión y liberar la energía cuando se elimina la tensión. La resiliencia probada se define como la energía máxima que puede ser absorbida sin que se produzca una deformación permanente.
Resistencia de los conductores a las corrientes de alta frecuencia:
En condiciones de alta frecuencia, los campos electromagnéticos inducidos en el interior del conductor se oponen al flujo de corriente en las capas más profundas. Como consecuencia, los electrones se ven obligados a circular principalmente por la superficie externa del conductor, disminuyendo la sección efectiva de conducción y, por tanto, incrementando la resistencia eléctrica.
El efecto pelicular, también llamado efecto skin o efecto Kelvin, describe la tendencia de las corrientes alternas a concentrarse en las capas superficiales de un conductor. Este fenómeno, que se acentúa a mayores frecuencias, ocasiona un incremento en la resistencia eléctrica aparente del conductor en comparación con su resistencia a corriente continua. La razón de este comportamiento se encuentra en la interacción entre el campo magnético variable generado por la corriente alterna y los electrones libres en el conductor.
El efecto pelicular se produce en conductores sometidos a corriente alterna debido a la variación del campo magnético asociado. Este campo induce corrientes parásitas en el interior del conductor, generando una especie de 'cortocircuito' local que dificulta el paso de la corriente en el centro. Como resultado, la corriente se concentra en las capas externas del conductor.
Este fenómeno se manifiesta de forma más evidente en conductores de gran diámetro, particularmente en aquellos con una sección transversal sólida. Esta se incrementa al aumentar la frecuencia, especialmente en conductores con recubrimiento metálico o enrollados sobre núcleos magnéticos.
Aplicaciones de los conductores:
Algunas de las aplicaciones de los conductores más comunes son:
- Transmisión y distribución de energía eléctrica: Los conductores, principalmente de cobre y aluminio, se utilizan para transportar energía eléctrica desde las centrales generadoras hasta nuestros hogares, industrias y edificios.
- Comunicaciones: En cables de telecomunicaciones, los conductores transportan señales eléctricas que permiten la transmisión de datos, voz e imagen.
- Construcción: Los conductores se utilizan en sistemas de puesta a tierra para proteger las instalaciones eléctricas y en sistemas de calefacción eléctrica.
- Transporte: En vehículos eléctricos, los conductores transportan la energía eléctrica desde la batería hasta los motores.
- Industria: Los conductores se emplean en una amplia variedad de procesos industriales, como la soldadura, el electroplatado y la electroquímica.
Clasificación de los Conductores:
Tenemos distintas maneras de clasificar a los conductores, una de ellas es:
1.- De acuerdo de donde provienen:
a.- Naturales: Resultan del proceso de refinamiento de los materiales.
b.- Artificiales: Los que provienen de tratamientos químicos.
2.- Según la función que cumplen:
a.- Componentes conductores básicos: como lo son la Plata, Cobre, Aluminio entre otros.
b.- Materiales conductores que: emiten luz a partir de una corriente eléctrica: como el Tungsteno, Tantalio, Galio, entre otros
c.- Materiales conductores que generan una significativa pérdida de potencial eléctrico: como las aleaciones de uso mecánico y compuestos no metálicos.
d.- Materiales conductores que transforman electricidad en calor: como el Nicrone, entre otros.
3.- Según el estado físico en que se encuentran
a.- Sólidos: Cobre, Plata, Aluminio, aleaciones
b.- Líquidos: Mercurio, Soluciones electrolíticas
c.- Gaseosos: Gases ionizado
4.- Características Mecánicas
a.- Livianos: Aluminio y sus aleaciones
b.- De alta resistencia mecánica: Hierro, Acero
c.- Blandos: como el plomo, Estaño, entre otros
Conductividad de los Materiales Conductores:
La conductividad eléctrica es la capacidad de un material para dejar que las cargas eléctricas se muevan a través de él; es decir, su capacidad de conducir la electricidad. Su símbolo es la letra griega sigma, σ y se mide en siemens por metro (S/m). La conductividad eléctrica es la inversa de la resistividad, y se expresa con la siguiente fórmula:
Los metales son reconocidos por su excelente conductividad eléctrica, debido a su estructura cristalina ordenada y a la presencia de electrones libres. La estructura cristalina del metal permite que los electrones de valencia se muevan libremente a través del material, lo que reduce la resistencia a la corriente eléctrica. Esta propiedad hace que los metales sean ampliamente utilizados en la fabricación de dispositivos electrónicos, cables eléctricos y otros componentes.
Además, los metales también tienen otras propiedades beneficiosas, como la alta conductividad térmica y la ductilidad. Esto los hace adecuados para muchas aplicaciones industriales y de fabricación. En definitiva, la conductividad eléctrica de los metales es una propiedad que ha sido fundamental en el desarrollo de la tecnología moderna.
En la siguiente tabla podremos observar la conductividad eléctrica a 20°C de varios metales, medidos en Megasiemens por metro (MS/m), es decir, un millón de Siemmens por cada metro:
Características de los Metales:
- Cobre:
El cobre ocupa el segundo lugar en cuanto a conductividad eléctrica, siendo superado solo por la plata. Incluso pequeñas cantidades de impurezas pueden reducir considerablemente su capacidad para conducir la electricidad. En aire seco, el cobre es muy resistente a la corrosión, pero en presencia de humedad se forma una capa protectora de carbonato de cobre que evita que el metal se deteriore aún más.
- Aluminio:
El aluminio es un excelente conductor tanto de la electricidad como del calor. Su alta ductilidad permite conformarlo fácilmente mediante laminado y estirado. Presenta una resistencia a la tracción que varía entre 90 y 120 N/mm² modelando y en laminado en caliente varía entre 130 a 200 N/mm², y un alargamiento entre 3% y 35%. Además, es altamente aleable y forma una capa de óxido protectora que lo hace resistente a la corrosión. Para aplicaciones eléctricas, se emplea aluminio de alta pureza (99,5% Al o superior), cuyo conductividad aumenta a bajas temperaturas."
- Hierro y Acero:
El hierro, simbolizado como Fe, es el cuarto elemento más común en la corteza terrestre, constituyendo aproximadamente el 5% de su composición. Al combinarlo con carbono en distintas proporciones, obtenemos los aceros, materiales cuya clasificación se basa en el contenido de carbono: bajo, medio, alto, inoxidables (con adición de cromo) y al carbono (sin aleantes especiales). Dentro de los aceros al carbono, encontramos una amplia variedad de tipos diseñados para aplicaciones específicas, con propiedades adaptadas a cada necesidad.
Tipos de conductores:
- Conductores de potencia: Cables de energía para instalaciones industriales y locales de pública concurrencia. Es habitual encontrar cables de potencia en aplicaciones para derivaciones individuales, para la transmisión de potencia en todo tipo de conexiones de baja tensión, para uso industrial en condiciones exigentes y para variadores de frecuencia (VFD).
- Conductores para paneles eléctricos: Para cableado de cuadros eléctricos se usan los cables flexibles. Instalaciones fáciles y seguras. En los casos en que se busque los más adecuados para uso doméstico, lo mejor son les cables eléctricos, especialmente orientados para instalación en locales de pública concurrencia, para derivaciones individuales y para cableado interno de armarios eléctricos, cajas de interruptores y pequeños aparatos eléctricos.
- Cables armados: Cables con armadura de aluminio o acero para instalaciones con riesgo de agresión mecánica. También es habitual encontrar cables armados en lugares con presencia de roedores, así como en instalaciones en locales con riesgo de incendio y explosión (ATEX).
- Cables de control: Los cables control para instalaciones fijas o móviles es conveniente que sean extremadamente flexibles, ya que principalmente su uso está diseñado para pequeños electrodomésticos, para la interconexión de partes de máquinas usadas para la fabricación, para sistemas de señalización y control, para conexión de motores o convertidores de frecuencia, para transmisión de señal donde el voltaje inducido por un campo electromagnético exterior pueda afectar a la señal transmitida o para las conexiones de suministro de potencia para evitar generar campos electromagnéticos.
- Cables de instrumentación: Se trata de cables flexibles y apantallados para la transmisión de señales entre equipos en instalaciones industriales. Especialmente indicados para la óptima transmisión de datos en entornos con un elevado nivel de interferencias electromagnéticas.
Opiniones:
Como Conclusión lo que puedo decir es que, el conocimiento profundo de las generalides de los materiales conductores eléctricos es algo fundamental para nosotros los futuros ingenieros eléctricos. Estos materiales son la base de cualquier sistema eléctrico, desde los circuitos más simples hasta las redes de transmisión de energía más complejas, y su comportamiento influye directamente en el rendimiento y la eficiencia de los equipos. Comprender sus propiedades, como la conductividad y resistividad, permite a los ingenieros seleccionar el material adecuado para cada aplicación, optimizar el diseño de circuitos y garantizar la seguridad de las instalaciones eléctricas. Además, el conocimiento de los materiales conductores facilita la resolución de problemas, la implementación de nuevas tecnologías y la innovación en el campo de la ingeniería eléctrica. En resumen, los materiales conductores son una herramienta esencial en el arsenal de un ingeniero eléctrico, y su dominio es indispensable para el éxito profesional en este campo.