Propiedades Electricas De Los Materiales

Unidad 5 PROPIEDADES ELÉCTRICAS CONDUCCIÓN Los metales tienen “electrones libres”, que pueden moverse con gran facilidad en todo el material. Estos electrones en general se mueven desordenadamente, pero si sobre un trozo de metal se aplica un campo eléctrico, los electrones son acelerados y además se mueven en una dirección preferente, creándose así una corriente de electrones, o más simplementeuna corriente. La corriente se designa por la letra I. La cantidad de corriente que atraviesa la unidad de área perpendicular al sentido de esta, se denomina J y se denomina “densidad de corriente”. La densidad de corriente es proporcional al campo eléctrico (E) y vale:

J=

E =σ ⋅E ρ

(ρ es resistividad eléctrica; σ es conductividad eléctrica)

La densidad de corriente (J) se expresa enculombios / segundo en el sistema internacional de unidades (SI) y el campo eléctrico (E) en voltios / segundo. La ecuación anterior es otra forma de expresar la ley de Ohm, ya que:

J=

I σ ⋅ (V2 − V1 ) = A ∆x

→ (

I ∆V = A ρ ⋅ ∆x

→

I=

∆V = V ;

∆x = l ;

A V ⋅ ∆V = ρ ⋅ ∆x R ρ ⋅l R= ) A

La resistividad (ρ) se mide en ohms / metro y la conductividad en mhos / metro. En losmetales la conductividad es alta, comparados con los aislantes (o dieléctricos) en que la conductividad es muy baja. Existe un grupo de materiales con conductividad intermedia entre los anteriores, que se denominan “semiconductores”. En la tabla 1 se indica el valor de la conductividad en algunos materiales seleccionados. Material Plata (pureza comercial) Cobre electrolítico (LOAC) Cobre + 2% deBerilio Oro Aluminio comercial de alta pureza Aluminio + 1.5% Manganeso Latón amarillo (70% cobre – 30% zinc) Tungsteno comercial Hierro (lingote comercial) Acero AISI 1010 (0.1% C) Níquel, comercial Acero Inoxidable (301) Grafito Sulfuro de plomo (puro) Germanio Silicio Vidrio de ventanas Baquelita Lucita (acrílico) Vidrio de borosilicato (pirex) Mica Polietileno Conductividad eléctricaConductividad relativa (mohs / m) al cobre 107.69 6.3 · 107 100 5.85 · 107 34,19 2.0 · 107 72.64 4.25 · 107 59.82 3.5 · 107 39.49 2.31 · 107 26.67 1.56 · 107 31.11 1.82 · 107 18.3 1.07 · 107 11.96 0.7 · 107 1.03 · 107 17.61 2.39 0.14 · 107 0.17 105 (promedio) 0.0000656 38.4 -2.0 -0.4·10-3 -2→3·10-5 1→2·19-11 10-14→10-17
10-10→10-15 10-10→10-14 10-15→10-17

Como ya se dijo, la conducción de corriente enlos metales se produce por el movimiento de electrones. Otros “portadores de carga” a escala atómica son los “hoyos electrónicos” constituidos por la ausencia de un electrón en un punto en que debería haber uno. Un electrón es una partícula de carga negativa de 1.8 · 10-18 culombios y un hoyo electrónico tiene la misma carga, pero positiva. Otros portadores de carga son los iones positivos o“cationes” y los iones negativos o “aniones”, que se pueden mover y así producir corriente eléctrica en medios electrolíticos (en general líquidos). La conductividad es el producto de la densidad de portadores de carga (n); la carga que transporta cada uno (q) y la movilidad de cada portador (µ).
(La movilidad es la velocidad media ( v ) de los portadores (metros / segundo) dividida por la intensidaddel campo eléctrico (voltios / metro)).

σ = n⋅q⋅µ
(las unidades de n son m-3 ; las unidades de q son culombios y las unidades de µ son m 2 volt ⋅ seg )

Cuando ambos portadores contribuyen a la corriente,

σ = nn qn µn + np qp µp
NIVELES DE ENERGÍA Y BANDAS DE ENERGÍA. La configuración electrónica orbital del sodio (Z = 11) es: 1s2 2s2 2p6 3s1. Cada orbital puede tener a lo más 2electrones, según el principio de exclusión de Pauli. Esto se muestra en la figura 1, para un átomo de sodio.
3s 2p 2s 1s 2s 1s 3s 2p

Figura 1

Figura 2

Suponiendo que hay una molécula hipotética, constituida por cuatro átomos de sodio, los electrones de la última capa no pueden estar al mismo nivel energético, según el principio de exclusión. Esto se muestra en la figura 2. En esta “molécula”,...