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• Yimi Peralta Vega

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Materiales Conductores, Semiconductores y Aisladores. Materiales Conductores. Un conductor eléctrico es un material por el que puede haber un flujo de cargas eléctricas:

(1) con cierta facilidad y

(2) sin descomponerse  químicamente. Estas condiciones excluyen casos especiales en los que puede existir conducción

eléctrica en medios que no suelen denominarse "materiales conductores", como el aire durante una tormenta y una sal en la electrólisis. Incluso a través del vacío de un

acelerador de protones, hay una corriente eléctrica, pero el vacío no es un medio, por lo tanto, no puede ser un conductor. Aunque en la actualidad se estén desarrollando polímeros (plásticos, gomas)

conductores, el término "material conductor" se refiere a cables y alambres metálicos, en redes y circuitos, compuestos por metales puros o por mezclas homogéneas de

metales puros (aleaciones). Como ejemplo, en la fotografía siguiente se muestra a la izquierda un carrete de plástico negro (aislante) con bobinados de alambre de cobre (conductor), cubierto por un barniz aislador, y a la derecha, un cable bipolar con

aislante blanco, donde cada cable individual está formado por alambres de cobre (cuyo extremo visible se encuentra estañado), con aislantes plásticos independientes de color celeste y marrón.

2-PARA QUÉ SIRVE Las principales aplicaciones de un conductor eléctrico son el transporte de energía

eléctrica (cables de la red eléctrica domiciliaria, de alta tensión, aparatos eléctricos,

actuadores, iluminación, automóviles, etc.), transporte de señales (transmisores/receptores, computadores, automóviles, etc.), y fabricación de

componentes electrónicos (conectores, placas de circuito impreso, resistencias, condensadores, transistores, circuitos integrados, sensores, etc.). 3-DE QUÉ ESTÁ HECHO A continuación se ordenan algunos metales y aleaciones comunes, comenzando por el

mejor conductor, indicando entre paréntesis la conductividad eléctrica  aproximada a temperatura ambiente (20°C), en unidades de 10 millones de siemens (*) por metro, es decir 107 S/m: Plata (6.8) Cobre (6.0) Oro (4.3)

Aluminio (3.8)

Latón (cobre con 30% en peso de zinc) (1.6) Hierro (1.0)

Platino (0.94) Acero al carbono (0.6) Acero inoxidable (0.2) *

 El "siemens" (símbolo "S"), es la unidad de conductancia G en el Sistema Internacional

de Unidades. La conductancia es la inversa de la resistencia ( G = R-1), y como el

siemens es equivalente a ohm-1, es a veces mal denominado "mho" (ohm escrito al revés!) o utilizando la letra griega  (omega mayúscula) dibujada al revés! (no

comments ...)

Cuando se requiere transportar la electricidad con el mínimo de pérdidas, se utilizan metales que, además de ser buenos conductores, sean razonablemente económicos (no como la plata o el oro). Entonces, los primeros candidatos son el cobre (Cu) y el

aluminio (Al). En efecto, en la industria se utilizan gruesos conductores de cobre y a veces también de aluminio. El cobre utilizado como conductor, en realidad es un

material denominado "cobre electrolítico", con 99.92 a 99.96 % en peso de cobre. En esta aleación, un 0.03 % de oxígeno mejora su densidad y conductividad.

Existen interruptores de posición, donde una cierta cantidad de mercurio líquido, une dos contactos cerrando un circuito eléctrico. En muchos tableros y dispositivos

eléctricos también se encuentran conductores de "bronce al aluminio", una aleación de 88 a 96% de cobre con estaño, hierro, y un 2 a 10% de aluminio. Este material tiene mucha más resistencia mecánica y química que el cobre electrolítico, necesarias en interruptores donde los chispazos elevan la temperatura del material. La siguiente lista muestra valores aproximados de la resistividad eléctrica  (la inversa de la conductividad:  = -1) a 20°C y en 10-8 ohm x m, de algunos metales utilizados

en dispositivos eléctricos: Plata (1.6) Cobre (1.7) Oro (2.2)

Aluminio (2.7)

Tungsteno (wolframio) (5.51) Platino (10.6)

Bronce al aluminio (11) Estaño (11.5) Plomo (20.7)

Mercurio (96)

Materiales Seniconductores.

Los materiales semiconductores son unos materiales muy

especiales que conducen mejor la electricidad que un aislante pero peor que un conductor. A bajas temperaturas se comportan  como aislantes al aumentar su

resistividad pero a altas temperaturas su resistividad baja espectacularmente hasta acercarse a la de los metales. Una cosa muy importante a tener en cuenta es lo que se llama energía de banda prohibida que aparece en los diodos semiconductores, que es

la energía mínima necesaria para hacer pasar un electrón de una lado a otro del diodo, en puntos posteriores explicaré el funcionamiento de los diodos semiconductores.

Éstos se utilizan mucho en electrónica para construir microprocesadores de señales

lógicas para computadoras y ordenadores. En la fotografía puede verse un microchip que contiene centenares y miles de diodos semiconductores que realizan las funciones lógicas que se le mandan. Tan solo mide 0.6 cm^2

Materiales Aislantes. La experiencia nos enseña que hay ciertos materiales que se oponen casi totalmente al paso de corriente eléctrica. Estos reciben el nombre de materiales aislantes. Buenos ejemplos de aislante son la madera, el plástico, el papel, la porcelana, los barnices aislantes, etc. Obsérvese que se ha dicho que estos materiales se oponen "casi totalmente" al paso de la corriente eléctrica, queriendo con ello resaltar que aun sin favorecer el paso de electrones, en ciertas condiciones "especiales", no existen materiales aislantes. No obstante, se consideran materiales no conductores, o sea, aislantes en condiciones normales.

 

Relacionar la resistencia de un conductor con su longitud, sección y constitución. Calcular la resistecia eléctrica de un conductor. Relacionar la calidad de un aislante con su rigidez dieléctrica. Valorar la influencia de la temperatura sobre la resistencia de los materiales.

La resistencia de los diferentes materiales depende fundamentalmente de su naturaleza.Por otro lado, las dimensiones de esos materiales también influyen de forma decisiva en su resistencia final. Esto tiene una especial importancia en los cálculos de la sección de conductores para instalaciones eléctricas, ya

que una resistencia elevada en ellos provocaría su calentamiento y su probable deterioro. La fórmula general para calcular la resistencia de cualquier tipo de conductor es: R=ρ*L/S siendo: ρ: Coeficiente de resistividad (Ω.mm2/m) . L: Longitud del conductor (m). S: Sección del conductor (mm2) . R: Resistencia del conductor (Ω). En la siguiente tabla se expone una lista con el coeficiente de resistividad, a 20ºC de temperatura, de los materiales más utilizados. Material Plata Cobre Brone Oro Aluminio Magnesio Grafito Tungsteno Wolframio Cinc Latón Niquel Hierro Estaño Platino Plomo Maillechort Orocromo Niquelina Manganina Novocosntatán Reotan

ρ20º (Ω.mm2/m) 0.016 0.01786 0.018..0.056 0.023 0.02857 0.045 0.046 0.055 0.055 0.063 0.07..0.09 0.08..0.11 0.1..0.15 0.11 0.11..0.14 0.21 0.3 0.33 0.43 0.43 0.45 0.47

Material Isabelín Constantán Resistina Kruppina Mercurio Cromoníquel Bismuto Pizarra Celuloide Tela endurecida Esteatita Ámabr Baquelita Caucho Mica PVC Vidrio Netacrilato Poliestireno Polipropileno Parafina pura Cuarzo

ρ20º (Ω.mm2/m) 0.5 0.5 0.5 0.85 0.96 1.1 1.2 1012 1014 1014 1018 1020 1020 1020 1020 1020 1020 1021 1021 1021 1022 4*1023

 

Actividad

 

1.1.- ¿Que resistencia tendrá un conductor de cobre de 20m de longitud y 1 mm2 de sección? 1.2.- ¿Y un conductor de aluminio de las mismas dimensiones? 1.3.- ¿Qué sección poseerá un conductor de constantánde 12 m de longitud, si se ha medido una resistencia entre sus terminales de 6Ω? 1.4.- ¿Qué material es necesario utilizar para conseguir que un metro de conductor de 0.5mm2 posea una resistencia de 56 mΩ? a) El cobre b) El aluminio c) La plata 1.5.- ¿Que tendrá más resistencia, un conductor de cobre de 100m de longitud y 6 mm2 de sección, o uno de aluminio de la misma longitud y de 10mm 2? a) Conductor de cobre b) Conductor de aluminio c) Aproximadamente igual 1.6.- ¿Cuál será la sección de un conductor de cinc de 5 m, si posee una resistencia de 1Ω? 1.7.- Se desea medir la longitud de una bobina de cobre. Para no tener que desenrollar el conductor, se mide con un óhmetro conectado a los extremos de la bobina una resistencia de 1Ω. Mediante un calibre medimos un diámetro de 0.5mm. 1.8.- Se quiere determinar la longitud de un carrete de hilo de cobre esmaltado de 0.25mm de diámetro. Para ello, se mide con un óhmetro su resistencia, y se obtiene un resultado de 34,6Ω. 1.9.- Resuelve los ejercicios planteados en la tabla: Ejercicio 1º 2º

R(Ω) ? 5

L(m) 50 ?

S(mm2) 4 0.5

ρ Cinc Maillecchort

3º 4º 5º

2 0.01 10

5 ? 2

? 0.25 0.1

Aluminio Oro ?

 

Otra forma de expresar que un material es mejor conductor que otro es a través del concepto de conductancia, que nos indica la facilidad que presentan los conductores al paso de la corriente eléctrica. Esta magnitud es inversa a la resistencia y su unidad es el siemens (S). G=1/R G: Conducttancia (S). R: Resistencia (Ω). La conductividad de un conductor nos indica la facilidad que ofrece éste al paso de la corriente eléctrica. Es decir, es la inversa de la resistividad y su unidad es el siemens.metro/milímetro2 (S.m/mm2). γ = 1/ρ γ: Conductividad (S.m/mm2). ρ: Resistividad ( Ω.mm2/m) Así, por ejemplo, la conductividad del cobre a 20ºC es: γcobre = 1/ ρcobre = 1/ 0.01786 = 56S.m/mm2 Por lo general, la resistencia en los conductores metálicos, aumenta con la temperatura. Este aumento depende del incremento de la temperatura y de la materia de que esté constituido dicho conductor. Rtº = Ro*(1 + α*Δtº) Rtº: Resistencia a una temperatura. Ro: Resistencia a 20ºC α: Coeficiente de temperatura a 20ºC Δtº: Elevación de temperatura en ºC.    

   

Actividad

 

1.10.- Conocido el coeficiente de temperatura de un material, determinar el valor de la resistividad y de la conductividad para cualquier temperatura a partir de la resistividad o conductividad a otra temperatura conocida. En la tabla siguiente se dan los coeficientes de temperatura de los materiales más utilizados: Material Oro Plata Aluminio Cobre Estaño

ρ 0.0035 0.0036 0.00446 0.0039 0.0044

Material Constantan Wolframio Hierro Ferroníquel Maillechort

ρ 0.0001 0.0005 0.00625 0.00093 0.00036

Actividad

 

1.11.- Medimos la resistencia de una fase de un bobinado de cobre de un motor antes de haber funcionado (a la temperatura de 20ºC) y obtenemos un resultado de 4Ω. Determinar la resistencia que alcanzará cuando esté en funcionamiento a una temperatura de 75ºC. 1.12.- ¿Cuál será el aumento de temperatura que experimenta una lámpara incandescente con filamento de wolframio si al medir su resistencia a temperatura ambiente (20ºC) obtuvimos un resultado de 358Ω, habiéndose calculado una resistencia en caliente de 807Ω? 1.13.- Determinar la corriente que aparecerá en la lámpara incandescente de la actividad anterior al conectarla a 230V y en los siguientes casos: a) nada más conectarla. b) una vez encendida. 1.14.- La resistencia a 20ºC de una bobina de cobre es de 5Ω. Calcular la resistencia de esa bobina a 80ºC. 1.15.- Una resistencia ha aumentado 1,05Ω al incrementar su temperatura de 20ºC a tºC. Determinar la resistencia final y la temperatura que alcanzó, si su coeficiente de temperatura es de 0.004 y la resistencia a 20ºC es de 65Ω.

1.16.- Resuelve los ejercicios planteados en la Tabla: Ejercicio 1º 2º 3º 4º

Rtº(Ω) ? 1000 50 200

R0(Ω) 30 ? 49 199

α Plata Aluminio ? Cobre

Δtº(ºC) 100 50 200 ?

 

Los materiales aislantes o dieléctricos tienen tanta importancia en las aplicaciones prácticas de la electricidad como los conductores. Gracias a los aislantes es posible separar las partes activas de una instalación con las inactivas, con lo que se consiguen instalaciones eléctricas seguras para las personas que las utilizan. Lo mismo que existen materiales que son mejores conductores que otros, también existen materiales con mayor capacidad de aislamiento que otros. De tal forma que, cuanto mayor es la resistividad de un aislante, mayor es su capacidad de aislamiento. Dar la cifra exacta de la resistividad de cada uno de los aislantes es un poco complicado, ya que este valor se suele ver reducido por el grado de humedad y por la elevación de la temperatura. Así, por ejemplo, el agua pura posee una resistividad aproximada de 10MΩ.mm2/m, y la porcelana 1011MΩ.m2/m.

Actividad

 

1.17.- Si la resistividad del agua pura es tan elevada, ¿a qué se debe la peligrosidad de humedad en un circuito eléctrico o en las proximidades de éste? Otra forma de medir la calidad de aislamiento de un material es conociendo su rigidez dieléctrica. La rigidez dieléctrica de un material es la tensión que es capaz de perforarlo. Eso quiere decir que los materiales aislantes no son perfectos, ya que pueden ser atravesados por una corriente si se eleva suficientemente la tensión. Cuando un aislante es perforado por la corriente, la chispa que lo traviesa suele provocar su destrucción, sobre todo si se trata de un material sólido, ya que las temperaturas que se desarrollan suelen ser altísimas.

Conocer la tensión que es capaz de perforar un aislante es muy importante. De esta forma, podremos elegir los materiales más adecuados en el momento de aislar una línea, o cualquier aparato eléctrico; así conseguimos evitar averías, cortocircuitos y accidentes a las personas que manipulan instalaciones sometidas a tensiones peligrosas. La tensión necesaria para provocar la perforación del dieléctrico viene expresada en kV/mm de espesor de aislante, de la temperatura, de la duración de la tensión aplicada y de otras muchas variables. Así, por ejemplo, la rigidez dieléctrica de los siguientes elementos es la que se indica: Agua ............................................. 12.0 kV/mm Papel ............................................ 16.0 kV/mm Aceite mineral.................................. 4.0 kV/mm Cloruro de polivinilo......................... 50.0 kV/mm Aire seco.......................................... 3.1 kV/mm Polietileno ...................................... 16.0 kV/mm Cuando se selecciona un conductor eléctrico, aparte de la sección que resulte ser la más adecuada, es muy importante tener en cuenta la tensión de servicio de la instalación donde va a trabajar. En el REBT se indican las tensiones que deberán soportar los aislantes de los conductores eléctricos con un margen de seguridad. Siguiendo estas recomendaciones se fabrican, por ejemplo, conductores de 500V, 750V,y 1000V para baja tensión. Los materiales aislantes que se utilizan para conseguir estas tensiones de aislamiento en conductores para instalaciones eléctricas de baja tensión pueden ser:   

Policloruro de vinilo (PVC) Polietileno reticulado (XLPE) Etileno propileno (EPR)

 

Actividad

 

1.18.- ¿Cuándo será más alta la intensidad de corriente por una lámpara incandescente?

a) Una vez encendida, ya que es cuando más consume. b) Justo al cerrar el interruptor ya que la resistencia del filamento en frio es pequeña y, por lo tanto, la intensidad de la corriente será más elevada. c) La intensidad de la corriente es la misma en todo momento. 1.19.- ¿Cuál es la sustancia que más se aproximaría al superaislante? a) El vacío, ya que al no existir en él materia no hay electrones que se puedan poner en movimiento. b) El aire. c) Los plásticos sintéticos. 1.20.- ¿Qué característica se utiliza habitualmente para medir el poder de aislamiento de un material? a) El grosor del aislante. b) La rigidez dieléctrica. c) La intensidad máxima que soporta. 1.21.- Según el REBT ITC20: ¿Cuál debe ser el nivel de aislamiento de los cables conductores fijados directamente sobre las paredes?. y ¿cuál para los conductores aislados bajo canales protectoras?