La Conductividad Eléctrica
En la naturaleza, las cargas eléctricas están presentes en todos los materiales. Básicamente, todos los materiales están compuestos de moléculas constituídas por átomos. Estos son compuestos por partículas menores, los protones, los electrones y los neutrones.
Los neutrones no poseen carga eléctrica, pero los protones poseen carga eléctrica positiva y los electrones, negativa. El valor de la carga elemental es constante. Son paquetes cuantizados de intensidad igual a 1,6×10-19 C para el protón y –1,6×10-19C para el electrón.
Por tanto un átomo neutro posee el mismo número de protones y electrones.
El núcleo atómico está compuesto por los protones y neutrones. Ya los electrones están ubicados en las regiones externas al átomo. Las fuerzas responsables por al cohesión nuclear son la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Estas fuerzas tienen intensidad suficientes para vencer las fuerzas de repulsión electroestática entre los protones, dado que cargas del mismo signo se repelen.
De esta forma, el núcleo atómico se encuentra en una configuración en la cual los neutrones y protones quedan relativamente bastante más próximos conforme vemos en la figura a continuación:
Los electrones se mantienen a una distancia relativamente grande del núcleo atómico, sujetos a las fuerzas de atracción electrostática, debido al hecho de que el nucleo tenga carga positiva y los electrones tengan carga negativa.
Pero si actuasen solamente las fuerzas de atracción los electrones colapsarían y ocuparían el núcleo atómico.
Según el modelo atómico de Bohr, esto no sucede porque los electrones ejecutan movimientos circulares e torno del núcleo atómico. En razón de ello surgen las fuerzas de repulsión. Y son estas fuerzas que mantienen los electrones en órbitas estables. Los electrones pueden cambiar de nivel en su órbita.
Especialmente los electrones de la capa más externa pueden inclusive ser extraídos del átomo.
En este caso, pueden ocupar un átomo vecino. Siendo así ocurre un cambio en la carga eléctrica de los átomos involucrados en el intercambio.
Si el átomo que cedió el electrón inicialmente estaba neutro, después de este proceso adquiere carga eléctrica positiva. Ya un átomo que adquirió un electrón quedará con carga negativa. Este es un proceso de transferencia de electrones. Este tipo de transferencias puede ocurrir de varias formas.
Entre las posibilidades, en un proceso de rozamiento, de conducción o de inducción.
En general el proceso de conducción eléctrica sucede en los metales. Este tipo de substancias posee un buen ordenamiento en su estructura cristalina y también electrones libres que pueden trasladarse a través de la red de átomos.
Los electrones se movilizan en virtud de las diferencias de potencial aplicada en las extremidades de este material. Estas diferencias de potencial aparecen debido a la falta de electrones en algunas regiones y la sobra de electrones en otras regiones.
La diferencia de potencial está asociada a las fuerzas de atracción entre las cargas eléctricas. O sea, la región de carga positiva, donde faltan electrones, atrae los electrones de carga negativa.
Durante el desplazamiento de estas cargas ocurren interacciones entre los electrones y la cadena de átomos. Esto causa alguna resistencia al movimiento de estos electrones conforme muestra la figura a continuación
Esta resistencia al pasaje de la corriente eléctrica es debida a la resistencia que es una característica de cada material. Matemáticamente esta resistividad está dada por:
ρ = R.S/l
Se nota que la resistividad es proporcional a la resistencia eléctrica R y el área de la sección transversal S del material e inversamente proporcional al largo del material en cuestión. O sea, cuanto mayor la resistencia medida en un material, para una área dada de sección transversal recta y un determinado largo, mayor será su resistividad.
La conductividad eléctrica es simplemente el inverso de la resistividad. O sea, cuanto mayor la resistividad, menor será la conductividad. Así como vemos en la ecuación a continuación:
σ = 1/ρ
Los materiales son clasificados como conductores cuando su conductividad es mayor que 104/Ω.m, semiconductores si su conductividad estuviese en el intervalo entre 10-10/Ω.m y 104/Ω.m y aislantes si su conductividad fuese menor que 10-10/Ω.m.
Los metales generalmente poseen óptima conductividad, en la franja de 107/Ω.m. Estos son los más utilizados para las líneas de transmisión de energía eléctrica, pues propician un menor desperdicio. Debido a su alta conductividad, hay menos pérdidas por calentamiento de la red eléctrica.
La plata es óptimo conductor, pro sobre el cobre es la más aplicada por la mejor relación costo/beneficio
El fenómeno de la superconductividad es observado en algunos materiales y algunas ligas. En este caso, la resistividad es nula y la conductividad infinita. Pro esto solo es posible cuando la sustancia se encuentra a bajísimas temperaturas.