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Aislantes, Conductores y Semiconductores

sábado, 6 de agosto de 2011

Aislantes, Conductores y Semiconductores

Los átomos, o las moléculas de los sólidos, están, por lo general, dispuestos ordenadamente en un retículo cristalino. Entre los diversos átomos hay fuerzas de enlace que mantienen esta disposición. Algunos electrones forman parte de estos enlaces existentes entre los componentes del retículo cristalino. Pero en un sólido conductor hay electrones que muestran cierta libertad, y que no están directamente ligados a un átomo particular, sino que, por el contrario, forman una especie de nube electrónica uniformemente distribuida por todo el retículo, capaz de desplazarse en conjunto y constituyendo así una corriente eléctrica.

En los sólidos aislantes, los electrones están, por el contrario, directamente enlazados a sus átomos y no tienen la posibilidad de desplazarse.

De la especial disposición de los átomos en el retículo cristalino puede depender, en muchos casos, que un sólido sea aislante o conductor.

Tomemos un buen ejemplo de cómo la estructura atómica afecta a la conductividad de un sólido: el carbón. En el grafito (material utilizado en las minas de los lápices), los átomos de carbono están, por decirlo así, débilmente asociados entre sí. Sólo tres de sus cuatro electrones de valencia, que componen su última capa, están directamente compartidos con otros átomos de carbono. El otro electrón tiene una relativa libertad para circular por el cristal, por lo que el carbono, en este estado cristalino, es un semi conductor, al igual que el silicio y el germanio.

En el diamante, sin embargo, los átomos de carbono forman una estructura rígida, en la que todos los electrones de valencia están comprometidos en la formación de enlaces, de forma que ya no es posible la existencia de ningún flujo de corriente. El diamante es, por lo tanto, un magnífico aislante.

A continuación, una tabla en la que se puede observar las propiedades de algunos metales como conductores.

Material
Resistividad  20º Ohm-M
Coeficiente de Temp. para la Resistividad
Densidad
Gm/ Cm3
Punto de Fusion
ALUMINIO
2.8 x 10-8
3.9 x 10-3
2.7
659
COBRE
1.7 x 10-8
3.9 x 10-3
8.9
1080
CARBONO
3.5 x 10-5
-5 x 10-4
1.9
3500
HIERRO
1.0 x 10-7
5.0 x 10-3
7.8
1530
MANGANINA
4.4 x 10-7
1 x 10-3
8.4
910
NIQUEL
7.8 x 10-8
6 x 10-3
8.9
1450
PLATA
1.6 x 10-8
3.8 x 10-3
10.5
960
ACERO
1.8 x 10-7
3 x 10-3
7.7
1510
VOLERAMIO
5.6 x 10-8
4.5 x 10-3
19
3400

Materiales Aislantes

Un aislante eléctrico se define como cualquier sustancia que conduce deficientemente la corriente eléctrica, con una resistencia especifica de 1013 hasta 1020 ohmios/ cm. Los aislantes se construyen para alta y baja tensión; dentro de estos dos tipos pueden ser para alta o baja frecuencia. Como aislante absoluto, sin conductividad alguna, sólo existe el espacio vacío. La escasa conductividad de los aislantes crece con la temperatura.

Numerosos aislantes han alcanzado máxima importancia técnica, por ejemplo, los cerámicos. En este grupo se encuentran: la porcelana esmaltada para aisladores de alta y baja tensión; la estalactita, especialmente para la técnica de alta frecuencia; los productos compuestos de arcilla, para aparatos caloríficos eléctricos. Otros aislantes son el mármol, la pizarra, la mica, la fibra, la madera, el vidrio, la ebonita y muchas sustancias plásticas.

Efecto de las Impurezas

La adición de impurezas a un sólido modifica su conductividad, ya que la presencia de átomos extraños altera la estructura cristalina. Por ejemplo, si bien tanto el cobre como el níquel son excelentes conductores, la aleación de ambos, denominada constantán (60% Cu, 40% Ni), presenta una conductividad diez veces menor.

Las impurezas no siempre afectan a la conductividad en ese sentido. En muchos aislantes los átomos están unidos estrechamente y la presencia de átomos extraños modifica su disposición, facilitando que algunos electrones estén más sueltos, incrementando así su conductividad. La aplicación práctica más importante de este fenómeno podemos encontrarla en los semiconductores germanio y silicio. Ambos elementos son tetravalentes, es decir, tienen cuatro electrones en su última capa, los cuales forman parte de sus respectivos enlaces, por lo que no existe circulación electrónica alguna. Si a estos elementos les añadimos átomos penta o trivalentes, en el espacio donde antes había cuatro electrones, existirán cinco o tres electrones. Entonces
se produce un exceso, o defecto de electrones, que incrementa enormemente la conductividad del sólido primitivo, pues estos electrones son partículas que transportan carga eléctrica y que tienen cierta libertad dentro del retículo cristalino donde se encuentran.

Variación con la Temperatura

La conductividad varía con la temperatura, pero mientras que en los metales decrece cuando la temperatura aumenta, en los aislantes y semiconductores sucede a la inversa.

En los metales la corriente eléctrica es, idealmente, un flujo ordenado de electrones a través de ellos. El calor excita a los átomos y tiende a desorganizar el flujo, haciendo más difícil el paso de la corriente. Conforme se enfría el metal, éste se va haciendo cada vez más conductor hasta que alcanza el cero absoluto (- 273º C); el metal llega a ser super-conductor. A estas temperaturas tan bajas, los movimientos de vibración de los átomos dejan ya de producirse y los electrones fluyen en un orden casi perfecto.

En los aislantes y semiconductores, el calor proporciona energía suficiente para liberar algunos electrones de sus enlaces. Los semiconductores son particularmente sensibles al calor, de forma que si se sobrecalientan, permiten que pase un flujo demasiado grande de corriente; ésta aumenta tan rápidamente que los semiconductores pueden llegar a quemarse.

Efectos caloríficos de la corriente eléctrica. Ley de Joule

El calentamiento de los conductores por el paso de la corriente eléctrica fue uno de los primeros efectos observados por los científicos estudiosos de los fenómenos eléctricos. Sin embargo, habría de pasar algún tiempo antes de que se conociera la magnitud de tal efecto calorífico y los factores de los que depende.
Joule (1818−1889) se interesó desde joven en la medida de temperaturas de motores eléctricos, lo que le permitió hacia 1840 encontrar la ley que rige la producción de calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor.

La ley de Joule establece que la cantidad de calor producida es directamente proporcional a la resistencia R del conductor, al cuadrado de la intensidad de corriente I que lo atraviesa y al tiempo t. Es decir:

Q = I2 • R • t

El efecto calorífico, también llamado efecto Joule, puede ser explicado a partir del mecanismo de conducción de los electrones en un metal. La energía disipada en los choques internos aumenta la agitación térmica del material, lo que da lugar a un aumento de la temperatura y a la consiguiente producción de calor. La ley de Joule, por su parte, puede ser enfocada como una consecuencia de la interpretación energética de la ley de Ohm. Si I • R representa la energía disipada por cada unidad de carga, la energía total que se disipa en el conductor en forma de calor, cuando haya sido atravesado por una carga q, será:

Q = q • I • R

Pero dado que q = I • t, se tiene finalmente:

Q = I2 • R • t

que es precisamente la ley de Joule.

La potencia calorífica representa el calor producido en un conductor en la unidad de tiempo. Su expresión se deduce a partir de la ley de Joule en la forma:

P = Q / t = I^2 • R • t / t = I^2 • R

Puesto que el calor es una forma de energía, se expresa en joules (J) y la potencia calorífica en watts (W).
Cuando se combinan las ecuaciones resulta otra expresión para la potencia eléctrica consumida en un conductor:

P = IR • I = I • V

Ley de Coulomb


Aún cuando los fenómenos electrostáticos fundamentales eran ya conocidos en la época de Charles Coulomb (1736-1806), no se conocía la proporción en la que esas fuerzas de atracción y repulsión variaban. Fue este físico francés quien, tras poner a punto un método de medida de fuerzas sensible a pequeñas magnitudes, lo aplicó al estudio de las interacciones entre pequeñas esferas dotadas de carga eléctrica. El resultado final de esta investigación experimental fue la ley que lleva su nombre y que describe las características de las fuerzas de interacción entre cuerpos cargados.

Cuando se consideran dos cuerpos cargados, la intensidad de las fuerzas atractivas o repulsivas que se ejercen entre sí es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa, dependiendo además dicha fuerza de la naturaleza del medio que las rodea.

Como fuerzas de interacción, las fuerzas eléctricas se aplican en los respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo largo de la línea que los une.

La expresión matemática de la ley de Coulomb es:


en donde q y q' corresponden a los valores de las cargas que interaccionan tomadas con su signo positivo o negativo, r representa la distancia que las separa supuestas concentradas cada una de ellas en un punto y K es la constante de proporcionalidad correspondiente que depende del medio en que se hallen dichas cargas.
El hecho de que las cargas aparezcan con su signo propio en la ecuación anterior da lugar a la existencia de dos posibles signos para la fuerza Fe, lo cual puede ser interpretado como el reflejo de los dos tipos de fuerzas, atractivas y repulsivas, características de la interacción electrostática. Así, cargas con signos iguales darán lugar a fuerzas (repulsivas) de signo positivo, en tanto que cargas con signos diferentes experimentarán fuerzas (atractivas) de signo negativo.

La constante de proporcionalidad K toma en el vacío un valor igual a:

K = 8.9874 • 10^9 N • m2/C2


Esa elevada cifra indica la considerable intensidad de las fuerzas electrostáticas. Pero además se ha comprobado experimentalmente que si las cargas q y q' se sitúan en un medio distinto del aire, la magnitud de las fuerzas de interacción se ve afectada. Así, por ejemplo, en el agua pura la intensidad de la fuerza electrostática entre las mismas cargas, situadas a igual distancia, se reduce en un factor de 1/81 con respecto de la que experimentaría en el vacío. La constante K traduce la influencia del medio. Finalmente, la variación con el inverso del cuadrado de la distancia indica que pequeños aumentos en la distancia entre las cargas reducen considerablemente la intensidad de la fuerza, o en otros términos, que las fuerzas electrostáticas son muy sensibles a los cambios en la distancia r.

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