¿Qué es la electricidad?
La electricidad alimenta casi todo en el mundo moderno, pero ¿qué es exactamente la electricidad? Para comenzar a comprender qué hace que las bombillas brillen, imagine cómo sería mirar dentro de un solo átomo. Dentro de cada átomo, hay partículas diminutas llamadas protones, neutrones y electrones. Los protones, que tienen carga positiva, y los neutrones, que no tienen carga, están estrechamente unidos dentro del núcleo del átomo, por lo que están bastante atascados donde están. Sin embargo, los electrones existen en una nube alrededor del núcleo y siempre se mueven.
A veces, los electrones pueden salir de un átomo y pasar a otro. Cuando una gran cantidad de electrones se mueven todos juntos, se crea una corriente eléctrica. La mayoría de las veces, es difícil ver la electricidad porque los electrones se mueven dentro de los cables y no son visibles a simple vista. Sin embargo, cuando se acumula suficiente carga dentro de una nube, puede crear un rayo que transporta electricidad desde la nube al suelo, ¡y es difícil no verlo!
Conductividad eléctrica de metales
Los electrones pueden moverse de un átomo a otro con mucha más facilidad que los protones y los neutrones, pero en algunos materiales este proceso ocurre con poca resistencia, mientras que en otros materiales es muy difícil conseguir que los electrones se muevan. Los materiales en los que los electrones pueden moverse fácilmente de un átomo a otro se conocen como conductores eléctricos. La mayoría de los metales son buenos conductores eléctricos, por lo que la mayoría de los cables domésticos y las líneas de transmisión eléctrica están hechos de metales como el cobre y el aluminio. La conductividad eléctrica Σ de un material es una medida de su capacidad para conducir electricidad. La mayoría de los metales tienen conductividades eléctricas altas, mientras que otros materiales como el plástico y el vidrio tienden a tener conductividades eléctricas bajas.
Otra cantidad que describe qué tan bien un material conduce la electricidad es su resistividad ρ. La resistividad es la inversa de la conductividad, por lo que los materiales con alta conductividad tendrán una baja resistividad y los materiales con baja conductividad tendrán una alta resistividad.
$$ \ rho = \ frac {1} {\ sigma} $$
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La resistividad se mide en unidades de {eq} \ Omega \ cdot m {/eq}, mientras que la conductividad se mide en unidades de {eq} \ frac {S} {m} {/eq}, donde S es el símbolo de Siemens. Dado que la conductividad y la resistividad son inversamente proporcionales, {eq} 1 \; S = 1 \; \ Omega ^ {- 1} {/eq}.
Conductores eléctricos frente a aisladores
Mientras que algunos materiales, como los metales, son buenos conductores de electricidad y tienen una alta conductividad eléctrica, otros materiales, como el plástico, el vidrio y el aire, tienen una alta resistividad, por lo que son malos conductores de la electricidad. Estos materiales se denominan aislantes . En un aislante, los electrones no pueden moverse fácilmente de un átomo a otro, lo que dificulta que la corriente pase a través de un aislante.
Debido a que tienen una conductividad muy baja, se pueden usar aisladores para evitar el flujo de electricidad. Por ejemplo, los cables eléctricos de metal generalmente están recubiertos con un material aislante de plástico para evitar que la corriente eléctrica salga del cable y golpee a una persona cercana. Los aisladores también se utilizan en las líneas eléctricas para evitar que la electricidad fluya hacia las estructuras que sostienen las líneas.
Las conductividades eléctricas de algunos conductores y aisladores comunes se enumeran en la siguiente tabla. Observe que las conductividades de los conductores son mucho más altas que las de los aisladores.
| Material | ¿Aislador o conductor? | Conductividad | Resistividad |
|---|---|---|---|
| Cobre | Conductor | 5.96×10 7 | 1,68×10 -8 |
| Aluminio | Conductor | 3,50×10 7 | 2,82×10 -8 |
| Plata | Conductor | 6.30×10 7 | 1,59×10 -8 |
| Oro | Conductor | 4.10×10 7 | 2,44×10 -8 |
| Caucho | Aislante | ~ 10-14 | ~ 10 13 |
| Vidrio | Aislante | ~ 10-13 | ~ 10 12 |
| Aire | Aislante | ~ 10-15 | ~ 10 14 |
Aplicaciones y usos de conductores eléctricos
Los conductores eléctricos se pueden utilizar para transmitir electricidad. Por ejemplo, las líneas eléctricas de larga distancia están construidas con metales, que son excelentes conductores eléctricos. La alta conductividad de estos materiales permite que la electricidad se transmita a grandes distancias sin perder demasiada energía. Los cables metálicos conductores también se utilizan para transmitir corriente eléctrica dentro de los edificios e incluso dentro de dispositivos como computadoras y teléfonos.
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Fórmulas de conductividad eléctrica
La resistencia de un cable se puede calcular utilizando la resistividad o la conductividad del material. El área de la sección transversal ( A ) y la longitud ( l ) del cable también afectan su resistencia general. La resistencia se puede calcular utilizando la siguiente fórmula de conductividad eléctrica y resistencia:
$$ R = \ frac {l} {\ sigma A} = \ frac {\ rho L} {A} $$
Como ejemplo de cómo usar esta fórmula, calculemos la resistencia de un alambre de cobre de 0.25 m de largo que tiene un diámetro de 12 mm.
Primero, calcule el área de la sección transversal del cable:
$$ A = \ pi r ^ {2} = \ pi (\ frac {d} {2}) ^ {2} = \ pi (\ frac {0.012} {2}) ^ {2} = 1.13 \ times 10 ^ {- 4} \; m ^ {2} $$
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Luego, busque la resistividad del cobre, que es $$ 1.68 \ times 10 ^ {- 8} \: \ Omega \ cdot m $$.
Finalmente, use la fórmula de conductividad eléctrica para calcular la resistencia del cable:
$$ R = \ frac {\ rho l} {A} = \ frac {(1.68 \ times 10 ^ {- 8} \: \ Omega \ cdot m) (0.25 m)} {1.13 \ times 10 ^ {- 4 } \; m ^ {2}} = 3,72 \ veces 10 ^ {- 5} \; \ Omega $$
Resumen de la lección
La corriente eléctrica existe cuando los electrones se mueven a través del material de un átomo a otro. En algunos materiales, los electrones pueden moverse de un átomo a otro con relativa facilidad, mientras que en otros materiales, es muy difícil conseguir que los electrones se muevan. Los materiales en los que los electrones pueden moverse fácilmente de un átomo a otro se conocen como conductores eléctricos , y los materiales en los que los electrones no pueden moverse fácilmente se denominan aislantes eléctricos . La mayoría de los metales son buenos conductores eléctricos, por lo que la mayoría de los cables domésticos y las líneas de transmisión eléctrica están hechos de metales.
La conductividad eléctrica ({eq} \ sigma {/eq}) de un material es una medida de su capacidad para conducir electricidad. La mayoría de los metales tienen conductividades eléctricas altas, mientras que los aislantes como el plástico y el vidrio tienden a tener conductividades eléctricas bajas.
Otra cantidad que describe qué tan bien un material conduce la electricidad es su resistividad ({eq} \ rho {/eq}).
La resistencia de un cable usando la siguiente fórmula, que depende del área de la sección transversal, la longitud y la conductividad o resistividad del material: {eq} R = \ frac {l} {\ sigma A} = \ frac {\ rho L } {A} {/eq}
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