Conductores Eléctricos: Tipos y Características Principales

Los conductores eléctricos o materiales conductores son aquellos que tienen poca resistencia a la circulación de la corriente eléctrica, dadas sus propiedades específicas. La estructura atómica de los conductores eléctricos facilita el movimiento de los electrones a través de estos, con lo cual este tipo de elementos favorece la transmisión de electricidad.

Los conductores pueden presentarse de diversas formas, una de estas es el material en condiciones físicas específicas, como barras de metal (cabillas) que no hayan sido elaboradas para formar parte de circuitos eléctricos. A pesar de no formar parte de un montaje eléctrico, estos materiales siempre mantienen sus propiedades de conducción.

También existen los conductores eléctricos unipolares o multipolares, los cuales son empleados formalmente como elementos conectores de circuitos eléctricos en ámbitos residenciales e industriales. Este tipo de conductor puede estar conformado en su interior por hilos de cobre u otro tipo de material metálico, recubierto de una superficie aislante.

Además, dependiendo de la configuración del circuito, pueden diferenciarse los conductores para aplicaciones residenciales (delgados) o cables para tomas subterráneas en sistemas de distribución eléctrica (gruesos).

A efectos del presente artículo, nos enfocaremos en las características de los materiales conductores en estado puro; además, conoceremos cuáles son los materiales conductores más empleados en la actualidad y por qué.

Características

Los conductores eléctricos se caracterizan por no ofrecer mucha resistencia al paso de la corriente eléctrica a través de estos, lo cual solo es posible gracias a sus propiedades eléctricas y físicas, que garantizan que la circulación de electricidad por el conductor no induzca la deformación o destrucción del material en cuestión.

Características eléctricas

Las principales características eléctricas de los conductores eléctricos son las siguientes:

Conductividad buena

Los conductores eléctricos deben tener una conductividad eléctrica buena para cumplir con su función de transporte de energía eléctrica.

La Comisión Electrotécnica Internacional determinó a mediados de 1913 que la conductividad eléctrica del cobre en estado puro podía servir de referencia para medir y comparar la conductividad de otros materiales conductores.

Así, se estableció el Estándar Internacional del Cobre Recocido (International Annealed Copper Standard, IACS por sus siglas en inglés).

La referencia adoptada fue la conductividad de un hilo de cobre recocido de un metro de longitud, y un gramo de masa a 20 °C, cuyo valor es igual a 5,80 x 10⁷ S.m^-1. Este valor se conoce como conductividad eléctrica 100 % IACS, y es el punto de referencia para medir la conductividad de los materiales conductores.

Un material conductor es considerado como tal si posee más de 40 % IACS. Los materiales que tengan una conductividad superior a 100 % IACS son considerados materiales de alta conductividad.

Estructura atómica permite el paso de la corriente

La estructura atómica posibilita el paso de la corriente eléctrica, ya que los átomos poseen pocos electrones en su capa de valencia y, a su vez, estos electrones están desprendidos del núcleo del átomo.

La configuración descrita implica que no se requiere de una gran cantidad de energía para que los electrones se trasladen de un átomo al otro, facilitando el movimiento de electrones a través del conductor.

Este tipo de electrones se denomina electrones libres. Su disposición y libertad de movimiento a lo largo de la estructura atómica es lo que hace propicia la circulación de la electricidad a través del conductor.

Núcleos unidos

La estructura molecular de los conductores está conformada por una red de núcleos muy unida, la cual se mantiene prácticamente inmóvil debido a su cohesión.

Esto hace propicio el movimiento de los electrones que se encuentran alejados dentro de la molécula, ya que estos se movilizan libremente y reaccionan ante la cercanía de un campo eléctrico. 

Dicha reacción induce el movimiento de los electrones en una dirección específica, con lo cual se da pie a la circulación de corriente eléctrica pasando por el material conductor.

Equilibrio electróstatico

Al estar sometidos a una carga particular, los materiales conductores alcanzan eventualmente un estado de equilibrio electrostático en el que no se produce el movimiento de cargas en el interior del material.

Las cargas positivas se aglomeran en un extremo del material y las cargas negativas se acumulan en el extremo opuesto. El desplazamiento de las cargas hacia la superficie del conductor genera la presencia de campos eléctricos iguales y opuestos en el interior del conductor. Así, el campo eléctrico interno total dentro del material es nulo.

Características físicas

Maleables

Los conductores eléctricos deben ser maleables; es decir, deben ser capaces de deformarse sin romperse.

Los materiales conductores suelen emplearse en aplicaciones domésticas o industriales, en las cuales deben ser sometidos a curvaturas y dobleces; por esto, la maleabilidad es una característica sumamente importante.

Resistentes

Estos materiales deben ser resistentes al desgaste, para soportar las condiciones de estrés mecánico a las que suelen estar sometidos, aunadas a las temperaturas elevadas debido a la circulación de la corriente.

Capa aislante

Al ser empleados en una aplicación residencial, industrial o como parte del sistema interconectado de suministro eléctrico, los conductores deben estar siempre recubiertos por una capa aislante adecuada.

Esta capa externa, también conocida como chaqueta aislante, es necesaria para evitar que la corriente eléctrica que circula a través del conductor esté en contacto con las personas u objetos que se encuentran alrededor.

Tipos de conductores eléctricos

Existen diferentes categorías de conductores eléctricos y, a su vez, en cada categoría están los materiales o medios de mayor conductividad eléctrica.

Por excelencia, los mejores conductores eléctricos son los metales sólidos, entre los cuales se destacan el cobre, el oro, la plata, el aluminio, el hierro y algunas aleaciones.

No obstante, existe otro tipo de materiales o soluciones que tienen buenas propiedades de conducción eléctricas, como el grafito o las soluciones salinas.

Dependiendo de la forma en la cual se lleva a cabo  la conducción eléctrica, es factible diferenciar tres tipos de materiales o medios conductores, los cuales se detallan a continuación:

Conductores metálicos

Este grupo está conformado por los metales sólidos y sus respectivas aleaciones.

Los conductores metálicos deben su alta conductividad a las nubes de electrones libres que favorecen la circulación de corriente eléctrica a través de estos. Los metales ceden los electrones ubicados en la última órbita de sus átomos sin invertir mayores cantidades de energía, lo cual hace propicio el salto de electrones de un átomo a otro.

Por su parte, las aleaciones se caracterizan por tener una alta resistividad; es decir, presentan una resistencia proporcional a la longitud y diámetro del conductor.

Las aleaciones más empleadas en instalaciones eléctricas son el latón, una aleación de cobre y zinc; la hojalata, una aleación de hierro y estaño; aleaciones de cobre y níquel; y aleaciones de cromo y níquel.

Conductores electrolíticos

Se trata de soluciones constituidas por iones libres, que ayudan a la conducción eléctrica de clase ionica.

En su mayoría, este tipo de conductores están presentes en soluciones ionicas, ya que las sustancias electrolíticas deben someterse a disociaciones parciales (o totales) para formar los iones que serán portadores de carga.

Los conductores electrolíticos fundamentan su funcionamiento en las reacciones químicas y en el desplazamiento de la materia, lo cual facilita el movimiento de los electrones a través del camino de circulación habilitado por los iones libres.

Conductores gaseosos

En esta categoría se encuentran los gases que hayan sido sometidos previamente a un proceso de ionización, lo cual posibilita la conducción de electricidad a través de estos.

El aire en sí mismo funge como un conductor de electricidad cuando, al producirse la ruptura dieléctrica, sirve como medio conductor de electricidad para la formación de rayos y descargas eléctricas.

Ejemplos de conductores

Aluminio

Es altamente empleado en sistemas de transmisión eléctrica aéreos ya que, a pesar de tener una conductividad 35 % menor al compararse con el cobre recocido, su peso es tres veces más ligero que este último.

Las tomas de alta tensión suelen estar recubiertas por una superficie externa de cloruro de polivinilo (PVC), la cual evita el sobrecalentamiento del conductor y aísla el paso de la corriente eléctrica del exterior.

Cobre

Es el metal más empleado como conductor eléctrico en aplicaciones industriales y residenciales, dado el balance que presenta entre su conductividad y el precio.

El cobre puede ser empleado en conductores de bajo y mediano calibre, de uno o varios hilos, dependiendo de la capacidad amperimétrica del conductor.

Oro

Es un material empleado en montajes electrónicos de microprocesadores y circuitos integrados. También es empleado para fabricar los bornes de las baterías para vehículos, entre otras aplicaciones.

La conductividad del oro es aproximadamente 20 % menor que la conductividad del oro recocido. Sin embargo, es un material muy duradero y resistente a la corrosión.

Plata

Con una conductividad de 6,30 x 10⁷ S.m^-1 (9-10 % superior a la conductividad del cobre recocido), es el metal con mayor conductividad eléctrica conocido a la fecha.

Se trata de un material muy maleable y dúctil, con una dureza comparable a la del oro o el cobre. No obstante, su costo es sumamente elevado, por lo que su uso no es tan común en la industria.

Semiconductores: Tipos, Aplicaciones y Ejemplos

Los semiconductores son elementos que desempeñan la función de conductores o aislantes selectivamente, en función de las condiciones externas a las cuales están sometidos, como temperatura, presión, radiación y campos magnéticos o eléctricos.

En la tabla periódica están presentes 14 elementos semiconductores, entre los cuales destacan silicio, germanio, selenio, cadmio, aluminio, galio, boro, indio y carbono. Los semiconductores son sólidos cristalinos con una conductividad eléctrica media, por lo que pueden emplearse de manera dual como un conductor y un aislador.

Tipos

Existen diferentes tipo de materiales semiconductores, dependiendo de las impurezas que estos presenten y de su respuesta física ante diferentes estímulos del entorno.

Semiconductores intrínsecos

Son aquellos elementos cuya estructura molecular está conformada por un solo tipo de átomo. Entre este tipo de semiconductores intrínsecos se encuentra el silico y el germanio.

La estructura molecular de los semiconductores intrínsecos es tetraédrica; es decir, tiene enlaces covalentes entre cuatro átomos circundantes, tal como se presenta en la imagen a continuación.

Cada átomo de un semiconductor intrínseco tiene 4 electrones de valencia; es decir, 4 electrones orbitando en la capa más externa de cada átomo. A su vez, cada uno de estos electrones forma enlaces con los electrones adyacentes.

De esta forma, cada átomo cuenta con 8 electrones en su capa más superficial, con lo cual se forma una sólida unión entre los electrones y los átomos que conforman la red cristalina.

Debido a esta configuración, los electrones no se desplazan fácilmente dentro de la estructura. Así, en condiciones estándares, los semiconductores intrínsecos se comportan como un aislante.

No obstante, la conductividad del semiconductor intrínseco sube siempre que aumente la temperatura, ya que algunos electrones de valencia absorben energía calorífica y se separan de los enlaces.

Estos electrones se convierten en electrones libres y, si son direccionados adecuadamente mediante una diferencia de potencial eléctrico, pueden contribuir a la circulación de corriente dentro de la red cristalina.

En este caso, los electrones libres saltan a la banda de conducción y se dirigen al polo positivo de la fuente de potencial (una pila, por ejemplo).

El movimiento de los electrones de valencia induce un vacío en la estructura molecular, lo cual se traduce en un efecto similar al que produciría una carga positiva en el sistema, por lo que se consideran como portadores de carga positiva.

Entonces, se produce un efecto inverso, ya que algunos electrones pueden caer desde la banda de conducción hasta la capa de valencia liberando energía en el proceso, lo cual recibe el nombre de recombinación.

Semiconductores extrínsecos

Se conforman al incluir impurezas dentro de los conductores intrínsecos; es decir, mediante la incorporación de elementos trivalentes o pentavalentes.

Este proceso se conoce como dopaje y tiene como finalidad aumentar la conductividad de los materiales, para mejorar las propiedades físicas y eléctricas de estos.

Al sustituir un átomo de semiconductor intrínseco por un átomo de otro componente se pueden obtener dos tipos de semiconductores extrínsecos, los cuales se detallan a continuación.

Semiconductor tipo P

En este caso, la impureza es un elemento semiconductor trivalente; es decir, con tres (3) electrones en su capa de valencia.

Los elementos intrusos dentro de la estructura reciben el nombre de elementos dopantes. Ejemplos de estos elementos para los semiconductores tipo P son el boro (B), el galio (Ga) o el indio (In).

Al carecer de un electrón de valencia para formar los cuatro enlaces covalentes de un semiconductor intrínseco, el semiconductor tipo P tiene un vacío en el enlace faltante.

Lo anterior hace propicio el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina a través de ese hueco portador de carga positiva.

Debido a la carga positiva del hueco del enlace, este tipo de conductores se denomina con la letra “P” y, en consecuencia, se reconocen como aceptadores de electrones.

El flujo de electrones por los huecos del enlace produce una corriente eléctrica que circula en sentido contrario a la corriente derivada de los electrones libres.

Semiconductor tipo N

El elemento intruso en la configuración viene dado por elementos pentavalentes; es decir, aquellos que cuentan con cinco (5) electrones en la banda de valencia.

En este caso, las impurezas que son incorporadas al semiconductor intrínseco son elementos como el fósforo (P), el antimonio (Sb) o el arsénico (As).

Los dopantes tienen un electrón de valencia adicional que, al no tener un enlace covalente al cual unirse, queda libre automáticamente para desplazarse a través de la red cristalina.

Aquí, la corriente eléctrica circula a través del material gracias al excedente de electrones libres proporcionado por el dopante. Por ende, los semiconductores tipo N son considerados donadores de electrones.

Características

Los semiconductores se caracterizan por su doble funcionalidad, eficiencia energética, diversidad de aplicaciones y bajo costo. Las características más destacadas de los semiconductores se detallan a continuación.

– Su respuesta (conductor o aislante) puede variar dependiendo de la sensibilidad del elemento a la iluminación, campos eléctricos y campos magnéticos del entorno.

– Si el semiconductor está sometido a una baja temperatura, los electrones se mantendrán unidos en la banda de valencia y, por ende, no surgirán electrones libres para la circulación de corriente eléctrica. 

En cambio, si el semiconductor es expuesto a temperaturas elevadas, la vibración térmica puede afectar la solidez de los enlaces covalentes de los átomos del elemento, con lo cual quedan electrones libres para la conducción eléctrica.

– La conductividad de los semiconductores varía dependiendo de la proporción de impurezas o elementos dopantes dentro de un semiconductor intrínseco.

Por ejemplo, si se incluyen 10 átomos de boro en un millón de átomos de silicio, esa proporción aumenta la conductividad del compuesto mil veces, en comparación con la conductividad del silicio en estado puro.

– La conductividad de los semiconductores varía en un intervalo entre 1 y 10^-6 S.cm^-1, dependiendo del tipo de elemento químico empleado.

– Los semiconductores compuestos o extrínsecos pueden presentar propiedades ópticas y eléctricas considerablemente superiores a las propiedades de los semiconductores intrínsecos.Un ejemplo de este aspecto es el arseniuro de galio (GaAs), empleado predominantemente en radiofrecuencia y otros usos de aplicaciones optoelectrónicas.

Aplicaciones

Los semiconductores son ampliamente utilizados como materia prima en el ensamblaje de elementos electrónicos que forman parte de nuestra vida cotidiana, como por ejemplo, los circuitos integrados.

Uno de los principales elementos de un circuito integrado son los transistores. Estos dispositivos cumplen la función de proporcionar una señal de salida (oscilatoria, amplificada o rectificada) según una señal de entrada específica.

Además, los semiconductores también son el material primario de los diodos utilizados en circuitos electrónicos para permitir el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido.

Para el diseño de diodos, se forman junturas de semiconductores extrínsecos tipo P y tipo N. Al alternar elementos portadores y donadores de electrones, se activa un mecanismo de equilibrio entre ambas zonas.

Así, los electrones y los huecos de ambas zonas se cruzan y se complementan donde sea necesario. Esto se da en dos vías:

– Ocurre el traslado de electrones de la zona tipo N a la zona P. La zona tipo N obtiene una zona de carga predominantemente positiva.

– Se presenta un paso de huecos portadores de electrones de la zona tipo P a la zona tipo N. La zona tipo P adquiere una carga predominantemente negativa.

Finalmente, se constituye un campo eléctrico que induce la circulación de la corriente en un solo sentido; es decir, desde la zona N hacia la zona P.

En adición, al emplear combinaciones de semiconductores intrínsecos y extrínsecos se pueden producir dispositivos que desempeñen funciones similares a un tubo de vacío que contiene su volumen cientos de veces.

Este tipo de aplicaciones aplica en circuitos integrados como, por ejemplo, chips microprocesadores que abarcan una cantidad considerable de energía eléctrica.

Los semiconductores se encuentran presentes en aparatos electrónicos que utilizamos en nuestra vida cotidiana, como equipos de línea marrón tales como televisores, reproductores de video, equipos de sonido; computadores y teléfonos celulares.

Ejemplos

El semiconductor más utilizado en la industria electrónica es el silicio (Si). Este material está presente en los dispositivos que conforman los circuitos integrados que forman parte de nuestro día a día.

Las aleaciones de germanio y silicio (SiGe) son empleadas en circuitos integrados de alta velocidad para radares y amplificadores de instrumentos eléctricos, como por ejemplo, guitarras eléctricas.

Otro ejemplo de semiconductor es el arseniuro de galio (GaAs), ampliamente utilizado en amplificadores de señales, específicamente de señales con alta ganancia y bajo nivel de ruido.