¿Por qué el cobre conduce mejor la electricidad que el agua? ¡Después de leer este tutorial seguramente ya no te harás esta pregunta! A continuación explicamos la conductividad eléctrica y estudiaremos, entre otras cosas, sus fórmulas y unidad de medida.
La conductividad, o conductividad eléctrica, es en resumidas palabras una cantidad de la física que describe lo bien que un material determinado es capaz de conducir la electricidad.
Fórmula
Hay tres símbolos diferentes para representar la conductividad eléctrica: σ (griego: sigma), K (kappa) y γ (gamma). En este tutorial, usamos el símbolo Sigma. La fórmula de la conductividad eléctrica, también llamada conductancia específica, es la siguiente:
\Large\bold{\sigma = \frac{1}{\rho}}Donde ρ (rho) es la resistencia específica.
Conductancia eléctrica
Puedes calcular la resistencia R de un conductor con sus parámetros con:
R = \rho \cdot \frac{l}{A}Donde la resistencia R es, por lo tanto, igual a la resistencia específica multiplicada ρ veces la longitud del conductor l a través del área de la sección transversal A.
Si ahora quieres expresar esta fórmula usando la conductancia específica (σ), es útil saber que la conductancia G de un conductor está dada por:
G = \frac{1}{R}Si se agrega la conductancia específica σ y la conductancia G en la fórmula anterior, entonces se obtiene lo siguiente:
\frac{1}{G} = \frac{1}{\sigma} \cdot \frac{l}{A}Con una reorganización más profunda de la fórmula anterior se obtiene la expresión:
\Large\bold{G = \sigma \cdot \frac{A}{l}}Densidad de corriente eléctrica
Con la ayuda de la conductividad eléctrica también se puede entender la importante relación entre la densidad de corriente y la fuerza del campo eléctrico con la expresión:
\Large\bold{\overrightarrow{J} = \sigma \cdot \overrightarrow{E}}Unidad SI
La unidad en el Sistema Internacional de conductividad eléctrica σ es:
\large\bold{[\sigma] = \mathrm{1\frac{S}{m}} \space(Siemens\space por\space metro)}¿Cómo se obtuvo esta unidad de medida?
Esta unidad se deriva de la fórmula siguiente:
G = \sigma \cdot \frac{A}{l}Si despejas sigma de la fórmula anterior, obtendrás
\sigma = G \cdot \frac{l}{A}A partir de la conductancia G la unidad de medida es:
\bold{[G] = \mathrm{\frac{1}{\Omega} = 1S} \space(Siemens)}Si ahora sustituyes todas las unidades en la fórmula obtendrás
\bold{[\sigma] = \mathrm{1S \cdot 1\frac{m}{m^2}}}\Large\bold{[\sigma] = \mathrm{1\frac{S}{m}}}Conductividad eléctrica de los metales
Dependiendo de cuántos electrones de movimiento libre estén disponibles, un material conduce mejor que otro. En principio, cualquier material es conductor, pero por ejemplo, la corriente que fluye a través de los aislantes es insignificante, por lo que se denominan no conductores.
Con los enlaces metálicos, los electrones de valencia, es decir, los más externos del átomo, se mueven libremente. Estos se encuentran en la llamada banda de conducción.
Si ahora se aplica un voltaje a un metal, los electrones de valencia se mueven lentamente hacia el polo positivo, porque son atraídos por él.
La conductividad eléctrica ahora también puede ser medida en metal con:
\sigma = \frac{n\cdot e^2\cdot \tau}{m}En esta fórmula, n es el número de electrones, e es la carga del electrón, m es la masa del electrón, y τ es el tiempo promedio de recorrido de un electrón entre dos impulsos.
Tabla de conductividad eléctrica
Las conductividades eléctricas ya están determinadas para la mayoría de los materiales. Algunas de ellas se pueden encontrar en la tabla de abajo.
Todos los valores de esta tabla son para la temperatura ambiente, es decir, 25°C.
| Grupo | Material | Conductividad eléctrica σ en S/m |
|---|---|---|
| Conductor | Plata | 62 · 106 |
| Conductor | Cobre | 58 · 106 |
| Conductor | Oro | 45.2 · 106 |
| Conductor | Aluminio | 37.7 · 106 |
| Conductor | Tungsteno | 19 · 106 |
| Conductor | Latón | 15.5 · 106 |
| Conductor | Hierro | 9.93 · 106 |
| Conductor | Acero inoxidable (WNr. 1.4301) | 1.36 · 106 |
| Semiconductor | Germanio (dopaje <10-9) | 2 |
| Semiconductor | Silicio (dopaje <10-12) | 0.5 · 10-3 |
| Solución electrolítica | Agua de mar | aprox. 5 |
| Solución electrolítica | Agua potable | aprox. 0.05 |
| Solución electrolítica | Agua destilada | 5 · 10-6 |
| Aislante | Aislante típico | <10-8 |
La conductancia específica depende fuertemente de la temperatura, por lo que los valores sólo se aplican a 25°C.
Con el aumento de la temperatura, la vibración de la red en el material se hace más alta. Esto perturba los electrones mientras fluyen y por lo tanto la conductividad eléctrica disminuye con el aumento de la temperatura.
Hemos dividido la tabla en los grupos conductor, semiconductor, solución electrolítica y aislante.
Se puede ver que el cobre tiene la segunda mayor conductividad eléctrica, es por esto que los cables de cobre se utilizan muy a menudo en la electrónica. La plata tiene una conductividad aún mayor, pero es mucho más cara que el cobre.
La comparación entre el agua de mar y el agua destilada también es interesante. Aquí la conductividad eléctrica se debe a los iones disueltos en el agua. El agua de mar tiene un porcentaje muy alto de sal, que se disuelve en el agua. Estos iones transfieren la corriente. No hay iones disueltos en el agua destilada, por lo que casi no puede fluir la corriente. Por lo tanto, la conductividad eléctrica del agua de mar es mucho más alta que la del agua destilada.
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