Electrones Libres y Conductividad Eléctrica
La conductividad eléctrica es una propiedad física de los materiales que representa la capacidad de un material para conducir corriente eléctrica. La unidad SI de conductividad eléctrica es el siemens por metro (S/m). La conductividad eléctrica de un material se determina por varios factores, incluyendo la densidad y movilidad de los portadores de carga (como electrones o iones), la estructura del material, la temperatura y otros factores ambientales.
Los materiales con alta conductividad eléctrica, como los metales y algunos tipos de sales y soluciones, se utilizan comúnmente en aplicaciones eléctricas y electrónicas, donde se emplean para transportar corriente eléctrica con mínima resistencia o pérdida de energía. Por otro lado, materiales con baja conductividad eléctrica, como los aislantes y semiconductores, se utilizan en aplicaciones donde pueden controlar o manipular el flujo de carga eléctrica.
Electrones Libres en la Conductividad Eléctrica
Los electrones libres son electrones que no están ligados a un átomo o molécula y pueden moverse libremente a través de un material. La conductividad eléctrica mide la capacidad de un material para conducir una corriente eléctrica. Esta conductividad depende del número de electrones libres disponibles para transportar la carga eléctrica.
Los materiales con un alto número de electrones libres, como los metales, son buenos conductores de electricidad. En los metales, los electrones de valencia de los átomos están débilmente ligados al núcleo atómico, lo que les permite moverse libremente a través del material. En contraste, los materiales con pocos electrones libres, como los no metales, son malos conductores de electricidad. Estos últimos tienden a tener electrones fuertemente ligados que no se mueven libremente, por lo que no conducen bien la electricidad.
La conductividad eléctrica se puede definir como la cantidad de voltaje necesaria para que fluya una cantidad de corriente eléctrica. Esto se determina en gran medida por el número de electrones en la capa más externa; estos electrones determinan la facilidad con la que se generan electrones móviles. Otro factor es el número de átomos por unidad de volumen, que determina el número de electrones que se moverán fácilmente en respuesta a un campo eléctrico.
Flujo de Electrones en un Cable
Cuando se aplica un voltaje a través de un conductor, se establece un campo eléctrico que hace que los electrones se muevan en una dirección determinada. Sin embargo, los electrones no se mueven en línea recta sino que realizan un movimiento aleatorio debido a colisiones con los átomos del conductor, perdiendo energía y dispersándose en direcciones aleatorias. Esto crea resistencia al flujo de electrones y hace que parte de la energía del campo eléctrico se convierta en calor.
Este movimiento aleatorio hace que los electrones tengan una velocidad promedio, que se denomina velocidad de deriva. La velocidad de deriva de los electrones en un conductor es típicamente bastante lenta, del orden de unos pocos milímetros por segundo, aunque la corriente en el conductor pueda ser bastante alta. Esto se debe a que los electrones están constantemente colisionando con los átomos del conductor, lo que ralentiza su movimiento general.
La velocidad de deriva es proporcional a la corriente. En un material resistivo, también es proporcional a la magnitud de un campo eléctrico externo. Aunque la velocidad de deriva sea relativamente lenta, sigue siendo un concepto importante para entender el comportamiento de las corrientes eléctricas en los conductores. El flujo general de carga eléctrica en un conductor está determinado por la combinación de la velocidad de deriva y el número de portadores de carga que se mueven a través del conductor. Por ejemplo, cuando se aplica un voltaje de corriente continua, la velocidad de deriva de los electrones aumentará en proporción a la fuerza del campo eléctrico.
En un alambre de cobre de 2 mm de diámetro con una corriente de 1 amperio, la velocidad de deriva es aproximadamente 8 cm por hora. Los voltajes de corriente alterna no causan movimiento neto; los electrones oscilan hacia adelante y hacia atrás en respuesta al campo eléctrico alterno (sobre una distancia de unos pocos micrómetros).
