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 cargados negativamente genera corriente eléctrica, huecos cargados positivamente y, en algunos casos, iones positivos o negativos .
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 vecino una cantidad finita, quien empujará a su vecino, y así sucesivamente hasta que una partícula sea empujada hacia el consumidor, dándole energía. Básicamente, lo que está ocurriendo es una larga cadena de transferencia de impulso entre operadores de carga de móviles ; el modelo de conducción Drude describe este proceso de manera más rigurosa. Este modelo de transferencia de impulso convierte al metal en una opción ideal para un conductor; Los metales, característicamente, poseen un mar de electrones deslocalizado que les da suficiente movilidad para colisionar y así afectar la transferencia de impulso.
Como se analizó anteriormente, los electrones son el principal motor de los metales; sin embargo, otros dispositivos, como el electrolito catiónico de una batería o los protones móviles del conductor de protones de una pila de combustible, dependen de portadores de carga positivos. Los aislantes son materiales no conductores con pocas cargas móviles que soportan sólo corrientes eléctricas insignificantes.
La resistencia de un conductor determinado depende del material del que está hecho y de sus dimensiones. Para un material dado, la resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal. [1] Por ejemplo, un alambre de cobre grueso tiene una resistencia menor que un alambre de cobre delgado, por lo demás idéntico. Además, para un material determinado, la resistencia es proporcional a la longitud; por ejemplo, un cable de cobre largo tiene mayor resistencia que un cable de cobre corto idéntico. 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 ohmímetros (Ω·m). La resistividad y la conductividad son constantes de proporcionalidad y, por lo tanto, dependen únicamente 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 situación práctica. Sin embargo, esta fórmula todavía proporciona una buena aproximación para conductores largos y delgados, como los alambres.
Otra situación para la que esta fórmula no es exacta es con la corriente alterna (CA), porque el efecto piel inhibe el flujo de corriente cerca del centro del conductor. Entonces, la sección transversal geométrica es diferente de la sección transversal efectiva por 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 y transportan corriente alterna, sus resistencias aumentan debido al efecto de proximidad . En la frecuencia eléctrica comercial , estos efectos son significativos para conductores grandes que transportan grandes corrientes, como barras colectoras en una subestación eléctrica , [2] o grandes cables eléctricos que transportan más de unos pocos cientos de amperios.
Además de la geometría del cable, la temperatura también tiene un efecto significativo sobre la eficacia de los conductores. La temperatura afecta a los conductores de dos maneras principales: la primera es que los materiales pueden expandirse bajo la aplicación de calor. La cantidad que se expandirá el material se rige por el coeficiente de expansión térmica específico del material. Tal expansión (o contracción) cambiará la geometría del conductor y por tanto su resistencia característica. Sin embargo, este efecto es generalmente pequeño, del orden de 10 −6 . Un aumento de 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 sacudida de una máquina de pinball, los fonones sirven para interrumpir el camino de los electrones, provocando que se dispersen. Esta dispersión de electrones disminuirá el número de colisiones de electrones y, por lo tanto, disminuirá la cantidad total de corriente transferida.
Los materiales de conducción 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, devanados de motores , cables y barras colectoras , es el cobre de brea resistente electrolítica (ETP) (CW004A o designación ASTM C100140). Si se debe soldar o usar cobre de alta conductividad en una atmósfera reductora, entonces se puede usar cobre de alta conductividad libre de oxígeno (CW008A o designación ASTM C10100). [3] Debido a su facilidad de conexión mediante soldadura o sujeción, el cobre sigue siendo la opción más común para la mayoría de los cables de calibre liviano.
La plata es un 6% más conductora que el cobre, pero debido a su coste no resulta práctico en la mayoría de los casos. Sin embargo, se utiliza en equipos especializados, como satélites , y como revestimiento delgado para mitigar las pérdidas por efecto superficial en altas frecuencias. Es famoso 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 calutron durante la Segunda Guerra Mundial debido a la escasez de cobre en tiempos de guerra. [4]
El alambre de aluminio es el metal más común en la transmisión y distribución de energía eléctrica . Aunque sólo tiene el 61% de la conductividad del cobre por área de sección transversal, su menor densidad lo hace dos veces más conductor en masa. Como el aluminio cuesta aproximadamente un tercio del costo del cobre en 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 que hace que las conexiones se calienten. Su mayor coeficiente de expansión térmica que 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 pueden mitigarse con conectores diseñados adecuadamente y con especial cuidado en la instalación, pero han hecho que el cableado de aluminio para edificios sea impopular después de la caída del servicio .
Los compuestos orgánicos como el octano, que tiene 8 átomos de carbono y 18 átomos de hidrógeno, no pueden conducir electricidad. Los aceites son hidrocarburos, ya que el carbono tiene la propiedad de 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 el intercambio de electrones. Por lo tanto, no hay separación de iones cuando la electricidad pasa a través de él. Los líquidos formados por compuestos que sólo tienen enlaces covalentes no pueden conducir electricidad. Por el contrario, ciertos líquidos iónicos orgánicos 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 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 con el calibre de cable americano para los más pequeños y con milésimas circulares para los más grandes.
La ampacidad 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 dado, los conductores con una sección transversal mayor tienen menos resistencia que los conductores con una sección transversal más pequeña.
Para conductores desnudos, el límite último es el punto en el que la potencia perdida debido a la resistencia hace que el conductor se funda. Sin embargo, aparte de los fusibles , la mayoría de los conductores en el mundo real funcionan muy por debajo de este límite. Por ejemplo, el cableado doméstico suele estar aislado con aislamiento de PVC que solo está clasificado para funcionar a aproximadamente 60 °C; por lo tanto, la corriente en dichos cables debe limitarse para que nunca caliente el conductor de cobre por encima de 60 °C, lo que genera un riesgo de fuego . 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 va en la misma dirección, se dice que el material es un conductor eléctrico isotrópico . 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 }},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{aligned }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35fbdb44e9efe87d664cc2e178e9b29c53a44cbc)
