CARACTERISTICAS DE LOS CONDUCTORES

Las Principales propiedades y características de los materiales conductores son:

1. Conductividad Eléctrica (Resistividad Eléctrica)

La conductividad eléctrica es una propiedad vinculada a la corriente eléctrica que puede fluir por un material cuando este está sometido a un campo eléctrico.–

Generalmente la densidad de corriente J es proporcional al campo eléctric

La constante de proporcionalidad es la conductividad eléctrica; y su recíproca es la resistividad eléctrica.–

La resistencia eléctrica es un función de la geometría del elemento, pero la resistividad es una constante del material.–
La resistencia se mide en ohmios. La resistividad se mide en:

2. Coeficiente Térmico de Resistividad α

El coeficiente térmico de resistividad es una magnitud (o caracteristica) que caracteriza la variación de la resistencia en función de la temperatura.–
El valor de la resistencia de un elemento a una temperatura t2 puede expresarse como:

R_t2 = R_t1[1+α(t₂-t₁)] = R_t1(1+α∆_t)

siendo:

R_t1 : valor de la resistencia a temperatura

∆_t : salto térmico

α : coeficiente térmico de resistividad

despejando α

El coeficiente térmico de resistividad es el aumento de resistencia por unidad de resistencia y por grado de variación de temperatura.–
En los metales, el coeficiente térmico de resistividad es positivo.–

Propiedades térmicas aproximadas de algunos materiales

La conductividad térmica es el calor que circula, en la unidad de tiempo,entre dos caras opuestas de un volumen (de dimensiones unitarias) por unidad de diferencia de temperatura entre las caras.–

3. Conductividad Térmica σ_θ

El elemento tiempo se halla incluido en la unidad de medida de potencia [watt], que es la energía por unidad de tiempo.–
La conductividad térmica σ_θ y el gradiente de temperatura ∂T/∂x son los factores que determinan el régimen de transmisión de calor a través de un sólido.–

El signo menos indica que el calor fluye de las temperaturas altas a las bajas.–
Puede observarse que la ecuación de conducción del calor es similar a la de la conducción eléctrica.–
En los metales, a temperatura ambiente, la buena conductividad térmica va siempre acompañada de una buena conductividad eléctrica debido a que la transmisión de calor en los mismos, se debe principalmente a los electrones libres.–

La resistividad térmica es la recíproca de la conductividad, y se expresa en [ºC· cm³/watt].–
La capacidad calórica específica de un material es la energía calórica acumulada en la unidad de volumen por unidad de elevación de temperatura y puede expresarse en [Joules·/ºC].–

4. Fuerza Termoelectromotriz

Se denomina fuerza termoelectromotriz a una fuerza electromotriz que se genera en circuitos formados por dos conductores de distintos materiales a y b cuando los correspondientes puntos de unión 1 y 2 (Figura 1–3) se encuentran a diferentes temperaturas.–

Figura 1-3. Par Termoeléctrico del tipo K

Esta fuerza electromotriz inducida térmicamente se denomina también potencial de Seebeck.-

Serie de tensiones termoeléctricas referidas al platino (tensiones medias para el dominio de temperatura comprendida entre 0ºC y 100ºC; en la soldadura caliente la corriente se dirige del bismuto al platino; es decir, el lado del platino es el mas positivo.

La tensión que aparece entre dos materiales se obtiene como diferencia entre los valores correspondientes que figuran en la tabla; por ejemplo: en el caso constantán (aleacion de Cu y Ni cuya resistencia eléctrica es prácticamente independiente de la temperatura) – cobre se tiene:

-3,5 – (+0,75) = -4,25

Cuando se miden tensiones e intensidades pequeñas, si en el circuito de medición hay puntos de unión de metales diferentes, pueden surgir fuerzas termoelectromotrices que pueden alterar los resultados de la lectura.–
La fuerza termoelectromotriz se usa a menudo para medir temperaturas. En este caso, el conjunto de los conductores se denomina termopar.–

Termopares normalizados.

Para temperaturas altas se usan termopares de: 90%platino–10%rodio (9,5mV a 1000ºC); molibdeno–wolframio (con 1% de hierro) (16mV a 2000ºC); carbón–silita (54mV a 1800ºC); etc.–

5. Resistencia Mecánica

Al seleccionar un conductor, además de considerar sus propiedades eléctricas, muchas veces es necesario tener en cuenta la resistencia mecánica del mismo.–
Por efecto de una fuerza convenientemente aplicada, un material se alarga. 

Tipos de Materiales Conductores

Los materiales conductores pueden clasificarse en dos grupos: Materiales de alta conductividad (baja resistividad), y Materiales de alta resistividad (baja conductividad).

Al primer tipo corresponden materiales que se emplean, fundamentalmente, para transportar corriente eléctrica con baja perdida, por ej cobre, plata, aluminio y ciertas aleaciones como el bronce.
El segundo grupo está compuesto por materiales que se emplean, cuando se necesita producir una caída de potencial, por ej. se los emplea para la construcción de resistores, lámparas incandescentes, etc.

Materiales Conductores de Alta Conductividad

Los materiales de alta conductividad mas típicos son: la plata (ρ=0,016), cobre (ρ=0,0172 a 0,0175) y el aluminio (ρ=0,026 a 0,028).

·         Plata (ρ=0,016 ; α=0.036)

La plata es, de los materiales conocidos, el más conductor (un 10% más que el cobre que ocupa el segundo lugar), pero su uso como material eléctrico es muy limitado debido a su elevado costo. Se encuentra en la naturaleza bajo la forma de: sulfuros, cloruros o plata nativa; para obtener plata químicamente pura, una vez elaborada, se la refina por vía generalmente electrolítica.

La plata es un material muy maleable y dúctil, que puede soldarse a sí misma por martilleo (batido), a una temperatura inferior a la de fusión (temperatura de fusión: 960ºC); su dureza no es muy elevada, y se haya comprendida entre la del oro y el cobre.
Como material conductor se emplea: en fusibles (para cortocircuitos eléctricos), fundamentalmente por su alta conductividad, su inoxibilidad y su precisión para la fusión; en contactos de interruptores o relevadores para bajas intensidades, por su alta conductividad eléctrica y térmica; en instrumentos médico eléctricos (termocauterio); etc.

·         Cobre (ρ=0,072–0,0175 ; α=0,0036)

El cobre es el material de uso más generalizado como conductor eléctrico, debido a su conductividad elevada y a su costo moderado. Es un elemento muy difundido en la naturaleza, corrientemente se encuentra bajo la forma de: sulfuros, óxidos o carbonatos, excepcionalmente como cobre nativo (USA). El cobre puro (cobre electrolítico), se obtiene por refinado electrolítico. El cobre es un metal altamente maleable y dúctil, que puede ser fundido, forjado, laminado, estirado y trabajado. El trabajo mecánico lo endurece, pero el recocido lo devuelve a su estado dulce. Tiene una elevada resistencia a la tracción, una gran estabilidad a la corrosión, y es fácil de estañar y de soldar.

Con el objeto de mejorar las cualidades mecánicas del cobre, se le adicionan otros elementos formando aleaciones, como el bronce y el latón.

El bronce es una aleación de cobre y estaño (generalmente con un 80% a un 95% de Cu), que se caracteriza por su tenacidad y dureza).
Suele usarse como conductor eléctrico, pese a que su conductividad eléctrica es inferior a la del cobre. Los bronces modernos, son frecuentemente aleaciones ternarias o cuaternarias (otros elementos componentes de la aleación suelen ser: el fósforo, el silicio, el magnesio, el berilio, el cadmio, etc.); algunos bronces llevan el nombre del elemento que se les adiciona (ejemplo: bronce fosforoso, bronce al silicio, etc.).

El latón es una aleación de cobre (50% a 70%) y zinc (30% a 50%), a los que se les agrega, a veces, otros materiales (estaño, plomo, hierro), pero en pequeñas cantidades. Se caracteriza por la facilidad con que puede ser estirado y estampado y se usa como material conductor, pese a que su conductividad eléctrica es inferior a la del cobre.
Cuando se requieren conductores de elevada resistencia mecánica, se suelen utilizar el hierro o el acero, recubiertos de una película protectora y muy conductora de cobre; poseen como ventaja la gran resistencia propia del hierro o el acero, combinada con la elevada conductividad del cobre. Ejemplo:
“Copper–Weld”.

·         Aluminio (ρ=0,026–0,028 ; α=0,00403–0,00429)

El aluminio ocupa el tercer lugar por sus conductividades, después de la plata y el cobre. La conductividad del aluminio es sólo un 63% de la conductividad del cobre, pero a igualdad de longitud y peso tiene el doble de conductancia.
Se lo obtiene de la bauxita, mineral abundante y muy distribuido en el globo. El aluminio es un material más blando que el cobre. Su resistencia a la tracción es mucho menor, y su soldadura presenta dificultades, pero es un material dúctil que puede ser trabajado fácilmente por laminado, estirado, hilado, extrusión y forjado. Está siempre cubierto por una capa delgada e invisible de óxido, que es impermeable y protectora. El aluminio expuesto a la atmósfera ordinaria, tiene estabilidad y larga vida.

Para aumentar su resistencia mecánica se le agrega silicio, magnesio, hierro, etc., obteniéndose diversas variaciones de uso eléctrico. Ejemplo: almenec, aldrey, etc.

Materiales Conductores de Alta Resistividad

Este grupo está compuesto de aleaciones de alta resistividad. Estas aleaciones tienen composiciones muy variadas y se encuentran en el mercado bajo distintas denominaciones. Los principales elementos empleados en estas aleaciones son: cobre, cromo, hierro, níquel, manganeso, aluminio, zinc, silicio, etc.

Las principales aleaciones de alta resistividad son:

·         Aleaciones de cobre y níquel

Son aleaciones que poseen coeficientes de resistividad relativamente bajos respecto a otras aleaciones (alrededor de 0,5 W·mm²/m).
Una aleación de este tipo es el constantán (60%cobre – 40%níquel). Esta aleación tiene una elevada f.e.m. respecto al cobre, por lo que no es adecuada para instrumentos de medida de precisión, pese a tener un bajo coeficiente de temperatura.
Añadiendo zinc a la aleación cobre–níquel, se obtiene el argentan que tiene 0,37W·mm²/m, y un elevado coeficiente de temperatura.
Con la adición de manganeso, se obtiene la niquelina (67%Cu–31%Ni–2%Mn aproximadamente), que tiene 0,40W·mm²/m y coeficiente de temperatura y
f.e.m. respecto al Cu, prácticamente despreciables, por lo que se emplean en los instrumentos de precisión.

·         Aleaciones de níquel y cromo

Son aleaciones que poseen coeficientes de resistividad más elevados (alrededor de 1W·mm²/m), coeficientes de temperatura bajos y pequeñas f.e.m. con respecto al Cu. Son aleaciones adecuadas para trabajar a temperaturas elevadas (1.000ºC o algo mas), pues el conductor se recubre de una capa de óxido que lo protege del ulterior ataque del oxígeno.
Las aleaciones níquel—cromo se encuentran en el mercado con distintas denominaciones comerciales. Con la adición de hierro, se obtiene un aumento de la resistividad y menor costo, pero los conductores no son aptos para trabajar a temperaturas superiores a los 800ºC, y a veces presentan fenómenos de oxidación.
Para temperaturas de hasta 1.350ºC se fabrican aleaciones de hierro, aluminio, cromo y cobalto (kanthal).

Del análisis de las aleaciones estudiadas se observa que el cobre interviene en la mayor parte de las aleaciones empleadas a temperatura ordinaria; que el níquel les confiere mayor resistividad y que el cromo les asegura resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas y protección contra los ataques de los agentes químicos.

Característica y clasificación de las aleaciones de alta resistividad

En general, las características mas importantes a tener en cuenta en las aleaciones de alta resistividad son:

· Alta resistividad.
· Bajo coeficiente térmico de resistividad.
· Resistencia a la corrosión.
· Constancia en el tiempo.
· Pequeña fuerza termoelectromotriz con respecto al cobre.
· Alto punto de fusión.
· Ductibilidad, maleabilidad y soldabilidad.

La importancia de cada una de estas características varía según el uso al
que está destinada la aleación.
Las aleaciones de alta resistividad suelen agruparse en tres clases:

Clase A: Aleaciones para resistores de precisión (cajas de resistencia, resistores patrones, etc.).
Clase B :  Aleaciones para resistores comunes (resistores y reóstatos).
Clase C :  Aleaciones para elementos electrotérmicos (hornos, etc.).

Este último grupo suele subdividirse, según la temperatura máxima de uso, en subclases:

¸  Subclases C1: temperatura máxima  350ºC
¸  Subclases C2: temperatura máxima  500ºC
¸  Subclases C3: temperatura máxima  700ºC
¸  Subclases C4: temperatura máxima  900ºC
¸  Subclases C5: temperatura máxima 1100ºC
¸  Subclases C6: temperatura máxima 1300ºC

A las aleaciones de clase A, Ej.: Manganita(84%Cu 12%Mg 4%Ni), se les exige:
· Alta resistividad.
· Pequeña fuerza termoelectromotriz, con otros metales (sobre todo cobre).
· Coeficiente térmico de resistividad próximo a cero.
· Constancia en el tiempo.
· Alta estabilidad contra la corrosión.

A las aleaciones de clase B, Ej.: Constantán (Cu–Ni)y Niquelina (Cu–Ni–Mg) y en general aleaciones a base de cobre, se les exige fundamentalmente:
· Alta resistividad.
· Poco costo.
· Pequeño coeficiente térmico de resistividad.

A las aleaciones de clase C, Ej.: Nicromo (Ni–Cr), ferronicromo, aleación ferro–cromo–aluminio, cromal (Cr–Al), kanthal (Fe–Cr–Al–Co), se les exige fundamentalmente:
· Alta resistividad
· Poco costo
· Resistencia mecánica
· Elevado punto de fusión
· Resistencia a la oxidación y corrosión.

Cabe recordar que en atmósferas sulfurosas no se deben emplear las aleaciones con Ni para evitar la corrosión.