En física e ingeniería eléctrica , un conductor es un objeto o tipo de material que permite el flujo de carga ( corriente eléctrica ) en una o más direcciones. Los materiales hechos de metal son conductores eléctricos comunes. El flujo de electrones con carga negativa genera corriente eléctrica, huecos con carga positiva e iones positivos o negativos en algunos casos.
Para que la corriente fluya dentro de un circuito eléctrico cerrado , una partícula cargada no necesita viajar desde el componente que produce la corriente (la fuente de corriente ) hasta aquellos que la consumen (las cargas ). En cambio, la partícula cargada simplemente necesita empujar a su vecina una cantidad finita, quien empujará a su vecina, y así sucesivamente hasta que una partícula sea empujada hacia el consumidor, alimentándolo así. Esencialmente, lo que está ocurriendo es una larga cadena de transferencia de momento entre portadores de carga móviles ; el modelo de conducción de Drude describe este proceso de manera más rigurosa. Este modelo de transferencia de momento hace que el metal sea una opción ideal para un conductor; los metales, característicamente, poseen un mar deslocalizado de electrones que les da a los electrones suficiente movilidad para colisionar y, por lo tanto, afectar una transferencia de momento.
Como se ha comentado anteriormente, los electrones son el principal motor de los metales; sin embargo, otros dispositivos, como los electrolitos catiónicos de una batería o los protones móviles del conductor de protones de una pila de combustible, dependen de portadores de carga positiva. Los aislantes son materiales no conductores con pocas cargas móviles que solo admiten corrientes eléctricas insignificantes.
La resistencia de un conductor determinado depende del material del que está hecho y de sus dimensiones. Para un material determinado, la resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal. [1] Por ejemplo, un cable de cobre grueso tiene una resistencia menor que un cable de cobre delgado idéntico en todo lo demás. Además, para un material determinado, la resistencia es proporcional a la longitud; por ejemplo, un cable de cobre largo tiene una resistencia mayor que un cable de cobre corto idéntico en todo lo demás. Por lo tanto, la resistencia R y la conductancia G de un conductor de sección transversal uniforme se pueden calcular como [1]
donde es la longitud del conductor, medida en metros [m], A es el área de la sección transversal del conductor medida en metros cuadrados [m 2 ], σ ( sigma ) es la conductividad eléctrica medida en siemens por metro (S·m −1 ), y ρ ( rho ) es la resistividad eléctrica (también llamada resistencia eléctrica específica ) del material, medida en ohmios-metros (Ω·m). La resistividad y la conductividad son constantes de proporcionalidad y, por lo tanto, dependen solo del material del que está hecho el cable, no de la geometría del cable. La resistividad y la conductividad son recíprocas : . La resistividad es una medida de la capacidad del material para oponerse a la corriente eléctrica.
Esta fórmula no es exacta: supone que la densidad de corriente es totalmente uniforme en el conductor, lo que no siempre es cierto en la práctica. Sin embargo, esta fórmula sigue siendo una buena aproximación para conductores largos y delgados, como los cables.
Otra situación para la que esta fórmula no es exacta es con corriente alterna (CA), porque el efecto pelicular inhibe el flujo de corriente cerca del centro del conductor. Entonces, la sección transversal geométrica es diferente de la sección transversal efectiva en la que realmente fluye la corriente, por lo que la resistencia es mayor de lo esperado. De manera similar, si dos conductores están cerca uno del otro transportando corriente CA, sus resistencias aumentan debido al efecto de proximidad . A la frecuencia de energía comercial , estos efectos son significativos para conductores grandes que transportan grandes corrientes, como barras colectoras en una subestación eléctrica , [2] o cables de energía grandes que transportan más de unos pocos cientos de amperios.
Aparte de la geometría del cable, la temperatura también tiene un efecto significativo en la eficacia de los conductores. La temperatura afecta a los conductores de dos formas principales: la primera es que los materiales pueden expandirse bajo la aplicación de calor. La cantidad de expansión del material está determinada por el coeficiente de expansión térmica específico del material. Tal expansión (o contracción) cambiará la geometría del conductor y, por lo tanto, su resistencia característica. Sin embargo, este efecto es generalmente pequeño, del orden de 10 −6 . Un aumento de la temperatura también aumentará la cantidad de fonones generados dentro del material. Un fonón es esencialmente una vibración reticular, o más bien un pequeño movimiento cinético armónico de los átomos del material. Al igual que la vibración de una máquina de pinball, los fonones sirven para interrumpir la trayectoria de los electrones, haciendo que se dispersen. Esta dispersión de electrones disminuirá la cantidad de colisiones de electrones y, por lo tanto, disminuirá la cantidad total de corriente transferida.
Los materiales conductores incluyen metales , electrolitos , superconductores , semiconductores , plasmas y algunos conductores no metálicos como el grafito y los polímeros conductores .
El cobre tiene una alta conductividad . El cobre recocido es el estándar internacional con el que se comparan todos los demás conductores eléctricos; la conductividad del Estándar Internacional de Cobre Recocido es58 MS/m , aunque el cobre ultrapuro puede superar ligeramente el 101% IACS. El principal grado de cobre utilizado para aplicaciones eléctricas, como cables de construcción, bobinados de motores , cables y barras colectoras , es el cobre electrolítico-tough pitch (ETP) (CW004A o designación ASTM C100140). Si el cobre de alta conductividad debe soldarse o soldarse con soldadura fuerte o usarse en una atmósfera reductora, entonces se puede utilizar cobre de alta conductividad sin oxígeno (CW008A o designación ASTM C10100). [3] Debido a su facilidad de conexión mediante soldadura o abrazadera, el cobre sigue siendo la opción más común para la mayoría de los cables de calibre ligero.
La plata es un 6% más conductora que el cobre, pero debido a su coste no resulta práctica en la mayoría de los casos. Sin embargo, se utiliza en equipos especializados, como los satélites , y como revestimiento fino para mitigar las pérdidas por efecto pelicular a altas frecuencias. Es bien sabido que se utilizaron 14.700 toneladas cortas (13.300 t) de plata prestadas por el Tesoro de los Estados Unidos en la fabricación de los imanes de calutrón durante la Segunda Guerra Mundial debido a la escasez de cobre en tiempos de guerra. [4]
El cable de aluminio es el metal más común en la transmisión y distribución de energía eléctrica . Aunque solo tiene el 61% de la conductividad del cobre por área de sección transversal, su menor densidad hace que sea el doble de conductivo por masa. Como el aluminio cuesta aproximadamente un tercio del cobre por peso, las ventajas económicas son considerables cuando se requieren conductores grandes.
Las desventajas del cableado de aluminio radican en sus propiedades mecánicas y químicas. Forma fácilmente un óxido aislante, lo que hace que las conexiones se calienten. Su coeficiente de expansión térmica , mayor que el de los materiales de latón utilizados para los conectores, hace que las conexiones se aflojen. El aluminio también puede "deslizarse", deformándose lentamente bajo carga, lo que también afloja las conexiones. Estos efectos se pueden mitigar con conectores diseñados adecuadamente y un cuidado adicional en la instalación, pero han hecho que el cableado de aluminio para edificios sea impopular más allá de la línea de servicio .
Los compuestos orgánicos como el octano, que tiene 8 átomos de carbono y 18 de hidrógeno, no pueden conducir la electricidad. Los aceites son hidrocarburos, ya que el carbono tiene la propiedad de la tetracovalencia y forma enlaces covalentes con otros elementos como el hidrógeno, ya que no pierde ni gana electrones, por lo que no forma iones. Los enlaces covalentes son simplemente la compartición de electrones. Por lo tanto, no hay separación de iones cuando pasa electricidad a través de él. Los líquidos hechos de compuestos con solo enlaces covalentes no pueden conducir la electricidad. Ciertos líquidos iónicos orgánicos , por el contrario, pueden conducir una corriente eléctrica.
Si bien el agua pura no es un conductor eléctrico, incluso una pequeña porción de impurezas iónicas, como la sal , puede transformarla rápidamente en un conductor.
Los cables se miden por su área de sección transversal. En muchos países, el tamaño se expresa en milímetros cuadrados. En América del Norte, los conductores se miden en el calibre de cable americano para los más pequeños y en milésimas circulares para los más grandes.
La capacidad de corriente de un conductor, es decir, la cantidad de corriente que puede transportar, está relacionada con su resistencia eléctrica: un conductor de menor resistencia puede transportar un valor mayor de corriente. La resistencia, a su vez, está determinada por el material del que está hecho el conductor (como se describió anteriormente) y el tamaño del conductor. Para un material determinado, los conductores con un área de sección transversal mayor tienen menos resistencia que los conductores con un área de sección transversal menor.
En el caso de los conductores desnudos, el límite máximo es el punto en el que la potencia perdida por la resistencia hace que el conductor se funda. Sin embargo, aparte de los fusibles , la mayoría de los conductores del mundo real funcionan muy por debajo de este límite. Por ejemplo, el cableado doméstico suele estar aislado con un aislamiento de PVC que solo está clasificado para funcionar a unos 60 °C, por lo tanto, la corriente en dichos cables debe limitarse para que nunca caliente el conductor de cobre por encima de los 60 °C, lo que provocaría un riesgo de incendio . Otros aislamientos más caros, como el teflón o la fibra de vidrio, pueden permitir el funcionamiento a temperaturas mucho más altas.
Si se aplica un campo eléctrico a un material y la corriente eléctrica inducida resultante tiene la misma dirección, se dice que el material es un conductor eléctrico isótropo . Si la corriente eléctrica resultante tiene una dirección diferente a la del campo eléctrico aplicado, se dice que el material es un conductor eléctrico anisotrópico .
![{\displaystyle {\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell }{A}},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35fbdb44e9efe87d664cc2e178e9b29c53a44cbc)
