• Author / Uploaded
• Klouya Tanaki

Citation preview

Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Primer Semestre Ingeniería en Ciencias y Sistemas

Conductividad Erick Enrique Gonzalez Chavez Esmin Antonio Orellana Y Orellana Gerson Aaron Quinia Folgar Jackeline Andrea Canel García

201900621 201900170 201904157 201903286

Química General I Ingeniera Bertha Molina Auxiliar Pedro Mancilla Año 2019

Contenido Introducción ....................................................................................................................... 3 Objetivos ............................................................................................................................ 4 ¿Qué es conductividad? ..................................................................................................... 5 La electroquímica .............................................................................................................. 6 Tipos de conductividad ...................................................................................................... 7 Conductividad en medios líquidos ................................................................................. 7 Conductividad del suelo................................................................................................. 7 Conductividad de los metales ........................................................................................ 8 Conductividad térmica ................................................................................................... 9 Medición de la conductividad .......................................................................................... 10 Conductímetro: ............................................................................................................ 10 Multímetro con medidor de temperatura ..................................................................... 10 La conductividad en el campo informático...................................................................... 11 El cobre ........................................................................................................................ 11 Cable UTP ................................................................................................................................. 12 Cable STP.................................................................................................................................. 12 Cable FTP.................................................................................................................................. 12

Conclusiones .................................................................................................................... 14 Bibliografía ...................................................................................................................... 15

2

Introducción La conductividad es la una característica de la materia la cual varia por diversos aspectos, pero la materia puede clasificarse por su capacidad de conducir electricidad en dos conductores y aislantes. Los conductores son aquellos en que la electricidad puede pasar libremente y los aislantes carecen totalmente de la conductividad. El suelo al ser bastante importante para los trabajos eléctricos y por ende la conductividad su capacidad conductiva es de suma importancia, por lo cual se presenta su variación. En la clasificación de la materia la se encuentra los compuestos que pueden estar formados por enlaces iónicos y covalentes, respecto a la conductividad los compuestos iónicos son conductores por su estructura, pero ello solo disuelto en un soluto. Los enlaces covalentes carecen de la conductividad.

3

Objetivos Objetivo general 

Saber los conceptos básicos teóricos de la conductividad en los diferentes campos que existen para poder aplicar los conocimientos adquiridos durante la práctica de la carrera escogida.

Objetivos específicos 

Determinar los tipos de conductividad que existen para conocer sus aplicaciones adecuadas.



Identificar las medidas y los instrumentos de medición para realizar una medición correcta.



Conocer las diferentes aplicaciones del tema a estudiar para poder aplicar los conceptos teóricos en la carrera elegida.

4

¿Qué es conductividad? Se puede definir conductividad como: la propiedad de un material que mide la capacidad de conducir una corriente eléctrica a través de sí mismo. La corriente eléctrica es el paso de los electrones a través de un material o sustancia conductora. Todos los materiales pueden ser clasificados como conductores, aislantes o semiconductores. Los materiales se clasifican según su resistencia al flujo de corriente (I). Un conductor es una sustancia o material que es capaz de transportar una carga eléctrica de un punto a otro. Un aislante bloquea el flujo de corriente. Los semiconductores no son ninguno. Su conductividad se encuentra entre los dos, dependiendo de varios factores para que conduzca o no. La conductividad eléctrica es lo contrario a la resistividad, que es la oposición al paso de la corriente. El símbolo para representar la conductividad es la letra griega sigma (σ) y su unidad de medición es el siemens por metro (S/m) o Ω−1·m−1. Para su cálculo se suelen tomar en cuenta también las nociones de campo eléctrico (E) y densidad de corriente de conducción (J), de la siguiente manera: 𝐽 = 𝜎𝐸, 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝜎 =

𝐽 𝐸

Cabe destacar que la conductividad variará dependiendo del estado en que se encuentre la materia. En los medios líquidos, por ejemplo, dependerá de la presencia de sales (iones) en ellos, ya que se forman en su interior electrolitos que responden con facilidad a un campo eléctrico. En cambio, en los materiales sólidos la conductividad dependerá de la nube de electrones compartidos por bandas de valencia, la cual varía según la naturaleza atómica de la materia: los metales serán buenos conductores eléctricos y los no metales, en cambio, serán malos conductores, o aislantes.

Figura I. Conductividad Eléctrica en la tabla periódica en dimensiones S/m

5

La electroquímica La electroquímica, es uno de los campos de la química que considera las reacciones químicas, que producen energía eléctrica, o son ocasionadas por ellas. a) Conductores de 1° clase: son aquellos que dejan fluir la electricidad sin sufrir alteración, como los metales. b) Conductores de 2° clase o electrólitos: son aquellos que se ionizan y entonces conducen la corriente eléctrica, como las soluciones acuosas de ácidos, bases y sales, así también las sales fundidas. Los electrólitos a su vez se clasifican en: I) Fuertes: Los electrólitos que proporcionan disoluciones altamente conductoras se llaman electrólitos fuertes (como el ácido nítrico o el cloruro de sodio). II) Débiles: Los que producen disoluciones de baja conductividad reciben el nombre de electrólitos débiles como el cloruro mercurioso (HgCl2) o el ácido etanoico (CH3-COOH). La ionización: es el proceso químico o físico mediante el cual se producen iones, éstos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutro. Solvatación: es un proceso que consiste en la atracción y agrupación de las moléculas que conforman un disolvente, o en el caso del soluto, sus iones. Cuando se disuelven los iones de un disolvente, éstos se separan y se rodean de las moléculas que forman el disolvente. Cuanto mayor es el tamaño del ion, mayor será el número de moléculas capaces de rodear a éste, por lo que se dice que el ion se encuentra mayormente solvatado.

Figura II. La ionización es un procedimiento a través del cual se generan iones (un átomo o una molécula que dispone de carga eléctrica a partir de ganar o de perder una cierta cantidad de electrones).

6

Tipos de conductividad Conductividad en medios líquidos

¿Qué son los sólidos disueltos totales?

El agua en líneas generales es un buen conductor Los Sólidos Disueltos Totales eléctrico. Sin embargo, dicha capacidad depende de su (TDS) son la suma de los margen de Sólidos Disueltos Totales (TDS). La minerales, sales, metales, cationes o aniones disueltos en el conductividad en medios líquidos (Disolución) está agua. Esto incluye cualquier relacionada con la presencia de sales en solución, cuya elemento presente en el agua que disociación genera iones positivos y negativos capaces no sea (H20) molécula de agua de transportar la energía eléctrica si se somete el pura y sólidos en suspensión. Los líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos sólidos en suspensión son partículas o sustancias que ni se se denominan electrolitos o conductores electrolíticos. disuelven ni se asientan en el La conductividad es el parámetro utilizado para medir agua, tales como pulpa de la concentración de iones y la actividad de una madera o rocas. solución. En general, la concentración de Prueba de lo antes mencionado es que el agua sólidos disueltos totales es la suma de los cationes y aniones destilada, a la cual se le eliminan en un laboratorio iones en el agua. todos sus minerales, no conduce la electricidad (y tampoco es absorbida por el cuerpo humano). De esta manera, la conductividad del agua salada es mayor a la del agua dulce. Se puede registrar el incremento en la tasa de conductividad a medida que se añaden iones disueltos en el líquido, hasta alcanzar un tope de concentración iónica en el cual se forman pares de iones que anulan su carga, impidiendo así que la conductividad se incremente más.

Conductividad del suelo

Figura III. Pautas canadienses acerca del consumo del agua.

Los suelos en general presentan distinta conductividad eléctrica, dependiendo de diversos factores como la irrigación hídrica o la cantidad de sales que presenten. Así como en el caso del agua, los suelos más salinos serán mejores conductores eléctricos que los menos salinos, y esta distinción está determinada muchas veces por la cantidad de agua que reciben (ya que el agua puede “lavar” las sales del suelo). En muchos casos se emplean técnicas como el lavado (para los suelos muy salinos) o la inyección de otros elementos neutralizadores (como el azufre) para los muy básicos. Esto puede a menudo determinarse mediante pruebas de conducción eléctrica.

7

La CE1 mide la capacidad del suelo para conducir corriente eléctrica al aprovechar la propiedad de las sales en la conducción de esta; por lo tanto, la CE mide la concentración de sales solubles presentes en la solución del suelo. Su valor es más alto cuanto más fácil se mueva dicha corriente a través del mismo suelo por una concentración más elevada de sales. Las unidades utilizadas para medir la CE son dS/m (decisiemens por metro). Esta medida es equivalente a la que anteriormente se utilizaba: mmhos/cm.

Figura IV. Conductividad del suelo según su tipo.

Conductividad de los metales Los metales son en línea general excelentes conductores eléctricos. Esto se debe a que los átomos de este tipo se juntan en enlaces metálicos, para los cuales resulta indispensable sacrificar electrones de la capa externa (capa de valencia). Estos electrones permanecen alrededor del metal como una nube, desplazándose alrededor de los núcleos atómicos estrechamente unidos, y son ellos los que permiten el flujo eléctrico. Al aplicar el metal a un campo eléctrico, los electrones fluyen libremente de un extremo a otro del metal, tal y como ocurre también con el calor, del cual son a la vez buenos transmisores. Por eso se emplea el cobre y otros metales en el tendido eléctrico y en los dispositivos electrónicos.

Conductividad Eléctrica (MS/m) Plata 63 Cobre 59 Oro 45 Alumino 37 Wolframio 18 Hierro 15 Metales

Tabla I. Conductividad de los metales en Megasiemens por metro.

Si bien los metales son conductores, sus óxidos NO son conductores. Tanto el cobre como la plata, al oxidarse, dejan de ser unos buenos conductores. El oro es más resistente a la oxidación. Es por ello que el oro, en determinadas aplicaciones -como pueden ser los conectores de audio que portan señal analógica o determinadas áreas de la electrónica de un satélite-, tiene mejor rendimiento dado que su Figura V. Diferentes tipos de metales que existen.

1

CE: Conductividad Eléctrica.

8

óxido no representa un problema a lo largo del tiempo en cualquier ambiente. El material que normalmente se usa en los conductores para instalaciones eléctricas es el cobre y se aplica en el caso específico de las instalaciones eléctricas residenciales dentro de la categoría de las instalaciones de “Baja tensión” que son aquellas cuyos voltajes de operación no exceden a 1000 volts entre conductores o hasta 600 volts a tierra. El cobre se le emplea en más del 90% en la fabricación de conductores eléctricos, porque reúne las condiciones deseadas para tal fin, tales como: a) Alta conductividad b) Resistencia a los esfuerzos mecánicos

c) Flexibilidad d) Bajo costo

El aluminio es otro buen conductor eléctrico sólo que, es menos conductor que el cobre y tiene la desventaja de ser quebradizo. Se usa con regularidad en líneas de transmisión, es decir, para transportar energía eléctrica grandes distancias, reforzado en su parte central interior con una guía de acero.

Conductividad térmica

Figura VI. La conductividad térmica es la propiedad de ciertos materiales capaces de transmitir el calor. Fuente: https://concepto.de/conductividad-termica/#ixzz5kUPZdOBA.

La conductividad térmica se refiere a la cantidad/velocidad de calor transmitida a través de un material. La transferencia de calor se produce en mayor proporción en los materiales con alta conductividad térmica con respecto a aquellos con baja conductividad térmica. Los materiales con alta conductividad térmica se usan mucho en aplicaciones de disipación térmica y los materiales con baja conductividad térmica se usan como aislante térmico. La conductividad térmica de los materiales depende de la temperatura. Los metales con una alta conductividad térmica, por ejemplo, el cobre, tienen una alta conductividad

9

eléctrica. El calor generado en los materiales con alta conductividad térmica es alejado rápidamente de la región de la soldadura.

Medición de la conductividad La conductividad eléctrica de una solución de un electrolito (un electrolito o electrólito es cualquier sustancia que contiene en su composición iones libres, que hacen que se comporte como un conductor eléctrico), se mide determinando la resistencia de la solución entre dos electrodos planos o cilíndricos separados por una distancia fija. Se utiliza una tensión alterna para evitar la electrólisis. La resistencia se mide con un medidor de conductividad. Las frecuencias típicas utilizadas están en el rango de 1 a 3 kHz. La dependencia de la frecuencia suele ser pequeña, pero puede llegar a ser apreciable a frecuencias muy altas, un efecto conocido como el efecto Debye-Falkenhagen.2

Conductímetro: El conductímetro es un aparato que mide la resistencia eléctrica que ejerce el volumen de una disolución encerrado entre los dos electrodos3, según la siguiente ecuación, para un conductímetro cuyos electrodos sean cuadrados y tengan la misma área: donde es la conductividad de la disolución, R es la resistencia que mide el conductímetro, l la distancia entre los electrodos y A el área de éstos. El aparato mide la resistencia, y dependiendo del electrodo, realiza las operaciones necesarias y muestra la conductividad en la pantalla.

Figura VII. Conductímetro EDGE de tres electrodos.

Multímetro Un multímetro, también de nominado tester, es un dispositivo eléctrico y portátil, que le permite a una persona medir distintas magnitudes eléctricas que forman parte de un circuito, como ser corrientes, potencias, resistencias, capacidades, entre otras. Entre la gran variedad que hay en el mercado, existen los multímetros con termómetro incluido, el cual permite medir la temperatura es escala Celsius o Fahrenheit.

2

El aumento de la conductividad de una solución de electrolito cuando se aplica un voltaje de muy alta frecuencia se conoce como efecto Debye-Falkenhagen. 3 Es un conductor eléctrico utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, por ejemplo, un semiconductor, un electrolito, el vacío (en una válvula termoiónica), un gas (en una lámpara de neón), etc…

10

Figura VIII. Multímetro y sus puntas para medir temperatura.

La pasta térmica

La conductividad en el campo informático

El objetivo de la pasta térmica es que el calor pase de un componente a otro. Cuya función es expulsarlo para colaborar con la refrigeración del equipo. Durante su aplicación, es importante no utilizar una cantidad excesiva de grasa; si esto ocurre, se debe tomar el recaudo de limpiar el sobrante para evitar obtener resultados opuestos a los buscados en primer lugar.

Tal como se mencionó anteriormente, el conocer la conductividad de los materiales, permiten tener conocimiento acerca de cuáles son mejores para utilizarlos en diferentes casos, ya sea desde la creación de una placa electrónica, para mejorar el paso de la corriente eléctrica de un punto a otro, o a momento de ensamblar un ordenador o de reemplazar alguno de sus componentes, También nos permite transmitir datos entre un dispositivo a otro. Uno de los elementos más ignorados e incomprendidos es la llamada pasta, silicona o grasa térmica, entre otros nombres que suele recibir en el mercado. Se trata de un material que ayuda a aumentar el nivel de conductividad térmica que tiene lugar entre dos o más superficies que, por distintas razones, no logren unirse por completo. Esto para evitar futuros daños a la placa y a los componentes que la integran.

Figura IX. Aplicación de la pasta térmica.

El cobre

A pesar de todos sus usos posibles, principalmente son usados para llevar electricidad en tarjetas madres, cubiertos por aislamiento y una resistencia. El Cobre se utiliza de distintas formas en la informática, puede ser desde soldaduras hasta como conectores en la tarjeta madre. Distinguimos dos tipos de medios: guiados y no guiados.  

Los medios guiados conducen las ondas a través de un campo físico (cables). Los medios no guiados proporcionan un soporte para que las ondas se transmitan, pero no las dirigen (como es el aire).

Entre los diferentes tipos de cables están;

11

Figura X. Diferentes tipos de cables de cobre.

Cable UTP (Unshielded Twisted Pair – Par trenzado no apantallado)

Es el cable de pares trenzados más utilizado, no posee ningún tipo de protección adicional a la recubierta de PVC y tiene una impedancia4 de 100 Ohms. Es sin duda el que hasta ahora ha sido mejor aceptado, por su costo accesibilidad y fácil instalación. Sin embargo, a altas velocidades puede resultar vulnerable a las interferencias electromagnéticas del medio ambiente.

Cable STP (Shielded Twisted Pair- Par trenzado apantallado)

En este caso, cada par va recubierto por una malla conductora que actúa de apantalla frente a interferencias y ruido eléctrico. Su impedancia es de 150 Ohm. El nivel de protección del STP ante perturbaciones externas es mayor al ofrecido por UTP. Sin embargo, es más costoso y requiere más instalación. Es utilizado generalmente en las instalaciones de procesos de datos por su capacidad y sus buenas características contra las radiaciones electromagnéticas, pero el inconveniente es que es un cable robusto, caro y difícil de instalar.

Cable FTP (Foiled Twisted Pair- Par trenzado con pantalla global)

En este tipo de cable como en el UTP, sus pares no están apantallados, pero sí dispone de una apantalla global para mejorar su nivel de protección ante interferencias externas. Su impedancia típica es de 120 Ohm y sus propiedades de transmisión son más parecidas a las del UTP. Además, puede utilizar los mismos conectores RJ45. Tiene un precio intermedio entre el UTP y STP.

4

La impedancia es la resistencia que opone un componente PASIVO (resistencia, bobina, condensador) al paso de la corriente eléctrica alterna.

12

El cobre constituye el soporte físico a través del cual emisor y receptor pueden comunicarse en un sistema de transmisión de datos. -Velocidad de datos. -Ancho de banda. -Espacio entre repetidores. -Fiabilidad la transmisión. -Coste. -Fácil instalación.

13

Conclusiones 





Existen diferentes tipos de conductividad, cada uno de ellas es utilizada en campos como electrónica, agricultura o química. Ya que existen varios tipos de conductividad, hay diferentes instrumentos para medirla, desde termómetros, hasta conductímetro y multímetros. Las conductividades de los materiales pueden mejorar la transmisión de datos entre dos o más dispositivos, así como su velocidad. Uno de los elementos más utilizados es el cobre.

14

Bibliografía 1. ENCICLOPEDIA DE CONCEPTOS. La Conductividad Eléctrica [en línea]. Argentina: 2017 [ref. abril 2019]. Disponible en: < https://concepto.de/conductividad-electrica/> 2. INTAGRI S.A. La Conductividad Eléctrica del Suelo en el Desarrollo de los Cultivos [en línea, descarga]. México: 2017 [ref. abril 2019]. Disponible en: < https://www.intagri.com/articulos/suelos/la-conductividad-electrica-del-suelo-en-eldesarrollo-de-los-cultivos > 3. GUMIEL, Francisco. Diferencias entre los cables de par trenzado UTP, STP y FTP. [en línea]. España: Junio, 2016 [ref. abril 2019]. Disponible en: < https://www.telecocable.com/blog/diferencias-entre-cable-utp-stp-y-ftp/1374> 4. MONTOYA, Marcelo Alejandro. La electricidad en el PC. [en línea, descarga]. México: Julio, 2004 [ref. abril 2019]. Disponible en: < http://www.mailxmail.com/curso-electricidad-pc/conductividad> 5. PALACIOS, Jazmín. Ionización, Solvatación y Conductividad. [en línea]. México: Noviembre, 2017 [ref. abril 2019]. Disponible en: < http://jazminpalaciosg108.blogspot.com/2011/11/ionizacion-solvatacion-yconductividad.html> 6. WIKIPEDIA. Conductivity [en línea]. 2019 [ref. abril 2019]. Disponible en: < https://en.wikipedia.org/wiki/Conductivity_(electrolytic)#Measurement> 7. ZUÑIGA, Pedro. Materiales conductores [en línea]. México: Noviembre, 2010 [ref. abril 2019]. Disponible en: < https://instalacioneselctricasresidenciales.blogspot.com/2012/10/materialesconductores.html>

15