Tipos de comportamiento conductor

Experientia docet Materia sólida Artículo 4 de 12

Foto: Israel Palacio / Unsplash

La investigación sobre la electricidad y el comportamiento de las corrientes eléctricas [1] permitió el enorme crecimiento y la extensión de la era eléctrica en la que vivimos hoy. La energía eléctrica es la forma dominante de consumo de energía en los países industrializados y es un elemento esencial en el funcionamiento de muchos de los dispositivos que usamos todos los días. Durante décadas, una de las propiedades menos entendidas pero más prácticas de un trozo de materia sólida fue su capacidad o no de conducir la electricidad.

¿Por qué algunos materiales conducen electricidad, otros actúan como aislantes y otros (como los semiconductores) actúan como uno u otro según las condiciones? ¿Podría una mejor comprensión del fenómeno aumentar sus aplicaciones prácticas? [2]

Georg Ohm descubrió una ley empírica, conocida como la ley de Ohm, que relaciona la corriente en un material y el voltaje aplicado al material: V = IR. Aquí V es la diferencia de potencial, I es la corriente (o intensidad) y R es la resistencia del material. La resistencia es normalmente constante para cada material, pero hay un valor de la resistencia distinto para cada material. A medida que aumenta la resistencia de un material, su conductividad disminuye, por lo que la cantidad de corriente que conduce también debe disminuir, de acuerdo con la ley de Ohm: I = V/R.

Por tanto, si la resistencia de un material es tan grande que se aproxima a infinito, entonces V/R se hace prácticamente cero, y nos encontramos con que I = 0. Esto significa que no fluye corriente a través del material. Esto es lo que observamos en esos materiales que llamamos aislantes. Un aislante, a efectos prácticos [3], no permite el paso de corriente eléctrica.

Por otro lado, si R se pudiese hacer cero, la corriente sería infinita [4], incluso para el voltaje más pequeño. Esto es lo que sucede en un superconductor. Incluso sin una fuente de voltaje, una corriente en un bucle hecho de material superconductor, una vez iniciada continuará sin alteraciones indefinidamente [5][6].

En un conductor normal la corriente desaparece en una pequeña fracción de segundo sin la ayuda de un voltaje externo. Incluso con un voltaje externo aplicado, sabemos que un cable de resistencia normal, de cobre, por ejemplo, por el que circula una corriente comienza a calentarse, lo que indica que la energía eléctrica se está convirtiendo en energía térmica [7].

Este comportamiento es similar a la conversión de energía cinética en energía térmica debido a la fricción, como cuando frotas las manos para calentarlas. Esto sería indicio de que tal vez la corriente en un cable no superconductor encuentra un tipo de fricción a medida circula por el cable, lo que explicaría por qué el cable se calienta. Esto sugiere que en un aislante habría tanta fricción interna que no permite que fluya ninguna corriente, mientras que los superconductores no tendrían fricción, lo que permite que las corrientes fluyan indefinidamente sin ninguna pérdida notable de energía.

Nuestros modelos de sólidos cuánticos, si son válidos, deberían poder explicar la ley de Ohm y los distintos tipos de comportamiento conductor que acabamos de describir.

Notas:

[1] Véase nuestra serie Electromagnetismo

[2] Esta última es una pregunta casi retórica. El mero hecho de que puedas leer esto es una respuesta afirmativa. Pero ya llegaremos a eso.

[3] Eso no significa que no pueda pasar corriente por un aislante. Por muy grande que sea la resistencia si la diferencia de potencial es lo suficientemente grande pasará una corriente medible. Estamos pues en el mismo caso que con los venenos, una sustancia lo será o no dependiendo de la dosis. Un material será aislante o no dependiendo de la relación entre su resistencia, finita por muy grande que sea, y la diferencia de potencial aplicada de forma efectiva.

[4] Matemáticamente hablando, indefinida.

[5] Como la corriente I es carga por unidad de tiempo el hecho de que sea “infinita” realmente lo que implica es que es “eterna”, porque las cargas presentes son finitas, son las que son. Piénsalo un poco, porque el razonamiento no es tan simple.

[7] Los cables pueden calentarse tanto que pueden llegar a emitir luz. Dependiendo del material y sus resistencia las temperaturas alcanzadas son tales que pueden emitir luz, por ejemplo, en prácticamente todo el espectro visible, y esto se usa(ba) en las bombillas de filamento incandescente, o básicamente en el rojo e infrarrojo, y esto se usa en las calefacciones eléctricas.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

1 comentario

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *