Conductor eléctrico

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. La corriente eléctrica es generada por el flujo de electrones cargados negativamente, huecos cargados positivamente e iones positivos o negativos en algunos casos.

Para que la corriente fluya dentro de un circuito eléctrico cerrado, no es necesario que una partícula cargada viaje desde el componente que produce la corriente (la fuente de corriente) hasta los 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, energizándolo así. Esencialmente, lo que está ocurriendo es una larga cadena de transferencia de impulso entre los operadores de carga móvil; el modelo de conducción de Drude describe este proceso con más rigor. 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 así afectar una transferencia de impulso.

Como se discutió 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 celda de combustible, se basan en portadores de carga positiva. Los aisladores son materiales no conductores con pocas cargas móviles que soportan solo corrientes eléctricas insignificantes.

Resistencia y conductancia

La resistencia de un conductor dado 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. Por ejemplo, un alambre de cobre grueso tiene una resistencia más baja que un alambre de cobre delgado por lo demás idéntico. Además, para un material dado, la resistencia es proporcional a la longitud; por ejemplo, un cable de cobre largo tiene mayor resistencia que un cable de cobre corto idéntico. La resistencia R y la conductancia G de un conductor de sección transversal uniforme, por lo tanto, se pueden calcular como

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 ], σ (sigma) es la conductividad eléctrica medida en siemens por metro (S·m), 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 situaciones prácticas. Sin embargo, esta fórmula aún proporciona 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 piel 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 más alta de lo esperado. De manera similar, si dos conductores están cerca uno del otro que transportan corriente alterna, sus resistencias aumentan debido al efecto de proximidad. A la frecuencia de la red comercial, estos efectos son significativos para los grandes conductores que transportan grandes corrientes, como las barras colectoras de una subestación eléctrica o los grandes cables de alimentación 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 maneras principales, la primera es que los materiales pueden expandirse bajo la aplicación de calor. La cantidad de expansión del material se rige 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. Un aumento en 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 el movimiento de una máquina de pinball, los fonones sirven para interrumpir el camino de los electrones, lo que hace 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.

Materiales conductores

Material	ρ [Ω·m] a 20°C	σ [S/metro] a 20°C
Plata, Ag	1,59 × 10	6,30 × 10
Cobre, Cu	1,68 × 10	5,96 × 10
Aluminio	2,82 × 10	3,50 × 10

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 estándar internacional de cobre recocido es58 MS/m, aunque el cobre ultrapuro puede superar ligeramente el 101 % de IACS. El grado principal de cobre que se utiliza para aplicaciones eléctricas, como cables de construcción, devanados de motores, cables y barras colectoras, es el cobre de brea electrolíticamente resistente (ETP, por sus siglas en inglés) (CW004A o designación ASTM C100140). Si se debe soldar o soldar cobre de alta conductividad o usar en una atmósfera reductora, se puede usar cobre de alta conductividad libre de oxígeno (CW008A o designación ASTM C10100). Debido a su facilidad de conexión mediante soldadura o abrazaderas, 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 al costo no es práctica en la mayoría de los casos. Sin embargo, se utiliza en equipos especializados, como satélites, y como un revestimiento delgado para mitigar las pérdidas por efecto pelicular en frecuencias altas. 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 calutrones durante la Segunda Guerra Mundial debido a la escasez de cobre durante la guerra.

El alambre de aluminio es el metal más común en la transmisión y distribución de energía eléctrica. Aunque solo el 61% de la conductividad del cobre por área de sección transversal, su menor densidad lo hace dos veces más conductivo por masa. Como el aluminio cuesta aproximadamente un tercio del peso del cobre, 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, haciendo 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 "arrastrarse", deformándose lentamente bajo carga, lo que también afloja las conexiones. Estos efectos se pueden mitigar con conectores diseñados adecuadamente y con un cuidado especial 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 la 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 hechos de compuestos con solo enlaces covalentes no pueden conducir 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.

Tamaño del cable

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 por calibre de cable estadounidense para los más pequeños y mils circulares para los más grandes.

Ampacidad del conductor

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 mayor valor de corriente. La resistencia, a su vez, está determinada por el material del que está hecho el conductor (como se describe arriba) y el tamaño del conductor. Para un material dado, los conductores con un área de sección transversal más grande tienen menos resistencia que los conductores con un área de sección transversal más pequeña.

Para conductores desnudos, el límite último es el punto en el que la potencia perdida por la resistencia hace que el conductor se funda. Sin embargo, además de los fusibles, la mayoría de los conductores en el mundo real funcionan muy por debajo de este límite. Por ejemplo, el cableado doméstico generalmente está 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, causando 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.

Isotropía

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 isotrópico. Si la corriente eléctrica resultante tiene una dirección diferente al campo eléctrico aplicado, se dice que el material es un conductor eléctrico anisotrópico.