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Qué son las propiedades eléctricas de los conductores

La materia tiene diferentes propiedades eléctricas que dependen del tipo de material con que están formados. Las propiedades físicas de los materiales incluyen: propiedades eléctricas, propiedades termales, propiedades magnéticas y propiedades ópticas.

Los comportamientos eléctricos de los materiales son diversas, y también lo son sus usos en aplicaciones eléctricas. Los materiales se clasifican en función de sus propiedades eléctricas como conductores, semiconductores y aisladores.

La conductividad eléctrica de un material se define en términos de facilidad de flujo de carga a través de él. La carga que fluye está compuesta de electrones, iones, agujeros cargados y sus combinaciones.

Conducción electrónica e iónica

En los metales, la corriente es transportada por electrones, y de ahí el nombre de conducción electrónica.

En los cristales iónicos, los portadores de carga son iones, por lo tanto, el nombre de conducción iónica,

Propiedades eléctricas
Propiedades eléctricas

Estructuras de bandas de energía en sólidos

Cuando los átomos se unen para formar un sólido, sus electrones de valencia interactúan debido a las fuerzas de Coulomb, y también sienten el campo eléctrico producido por su propio núcleo y el de los otros átomos.

Además, ocurren dos efectos mecánicos cuánticos específicos. Primero, según el principio de incertidumbre de Heisenberg, restringir los electrones a un pequeño volumen aumenta su energía, esto se llama promoción.

El segundo efecto, debido al principio de exclusión de Pauli, limita la cantidad de electrones que pueden tener la misma propiedad (que incluye la energía).

Como resultado de todos estos efectos, los electrones de valencia de los átomos forman amplias bandas de valencia cuando forman un sólido. Las bandas están separadas por huecos, donde los electrones no pueden existir

En semiconductores y aislantes, la banda de valencia está llena y no se pueden agregar más electrones, siguiendo el principio de Pauli. La conducción eléctrica requiere que los electrones puedan obtener energía en un campo eléctrico; esto no es posible en estos materiales porque eso implicaría que los electrones se promueven en la banda prohibida..

Movilidad de electrones

Los electrones se aceleran en un campo eléctrico E, en la dirección opuesta al campo debido a su carga negativa. La fuerza que actúa sobre el electrón es – eE , donde e es la carga eléctrica.

Esta fuerza produce una aceleración constante de modo que, en ausencia de obstáculos (en el vacío, como dentro de un tubo de TV) el electrón se acelera continuamente en un campo eléctrico. En un sólido, la situación es diferente.

Los electrones se dispersan por colisiones con átomos y espacios vacíos que cambian drásticamente su dirección de movimiento. Por lo tanto, los electrones se mueven aleatoriamente pero con una deriva neta en la dirección opuesta al campo eléctrico.

La velocidad de deriva es constante, igual al campo eléctrico. Lo que significa que hay una fuerza de fricción proporcional a la velocidad. Esta fricción se traduce en energía que entra en la red como calor. Esta es la forma en que funcionan los calentadores eléctricos.

Propiedades eléctricas
Propiedades eléctricas

Resistividad eléctrica de los metales

La resistividad depende de las colisiones. La mecánica cuántica nos dice que los electrones se comportan como ondas. Uno de los efectos de esto es que los electrones no se dispersan desde un enrejado perfecto. Se dispersan por defectos, que pueden ser:

  • átomos desplazados por vibraciones reticulares
  • vacantes e intersticiales
  • dislocaciones, límites de grano
  • impurezas

La resistividad aumenta con la temperatura, con la deformación y con la aleación.

Características eléctricas de las aleaciones comerciales

El mejor material para la conducción eléctrica (resistividad más baja) es plata. Como es muy caro, se prefiere el cobre.

El cobre es suave para aplicaciones donde la resistencia mecánica es importante. Cuando el peso es importante, se utiliza aluminio que es la mitad de bueno que el cobre. El aluminio también es más resistente a la corrosión.

Cuando se necesitan materiales de alta resistividad, como en los calentadores eléctricos, especialmente aquellos que funcionan a alta temperatura, se usa nicromo (NiCr) o grafito.

Semiconducción intrínseca

Los semiconductores pueden ser intrínsecos o extrínsecos. Intrínseco significa que la conductividad eléctrica no depende de las impurezas, por lo tanto, los medios intrínsecos son puros. En los semiconductores extrínsecos, la conductividad depende de la concentración de impurezas.

La conducción es por electrones y agujeros. En un campo eléctrico, los electrones y los agujeros se mueven en dirección opuesta porque tienen cargas opuestas.

Semiconducción Extrínseca

A diferencia de los semiconductores intrínsecos, un semiconductor extrínseco puede tener diferentes concentraciones de orificios y electrones.

Se fabrican mediante dopaje, la adición de una muy pequeña concentración de átomos de impureza. Dos métodos comunes de dopaje son la difusión y la implantación iónica.

El exceso de portadores de electrones se produce por impurezas sustitutivas que tienen más electrones de valencia por átomo que la matriz de semiconductores.

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