Materiales Conductores, Semi Conductores y Materiales Aislantes:

Los materiales pueden ser clasificados en conductores o aislantes, según conduzcan la electricidad con facilidad o no lo hagan.

Esta clasificación depende de cuán firmemente estén unidos los  electrones a sus estructuras, ya que esto es un indicio de la energía necesaria para otorgarles movilidad dentro del material, es decir para conducir la electricidad.

Los materiales conductores de la electricidad dejan pasar fácilmente la corriente. Son los componentes de todos los elementos del circuito eléctrico, especialmente los cables. 

Los materiales conductores más comunes son los metales. Son materiales aislantes de la electricidad aquellos que dificultan e incluso impiden el paso de la corriente eléctrica (electrones). Los materiales aislantes se emplean en electricidad para evitar fugas y accidentes eléctricos .

Conductor eléctrico: Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica.

Conductores sólidos: Metales

Características físicas:

    

• *     Estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido.
• *    Opacidad,   excepto en capas muy finas.
•       Buenos conductores eléctricos y térmicos.
•       Brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido.
•       Dureza o resistencia a ser rayados;
•       Resistencia longitudinal o resistencia a la rotura;
•       Elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir                  deformación;
•      Maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo;                  (puede batirse o extenderse en planchas o laminas)
•       Resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión                        continuadas
•       Ductilidad: permite su deformación forzada, en hilos, sin que se rompa o                astille.

Características químicas:

      

      Valencias positivas: Tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan.

      Tienden a formar óxidos básicos.

      

     Energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo electrones para formar iones positivos o cationes

Características eléctricas:

     

• *     Mucha resistencia al flujo de electricidad.
•       Todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de            valencia con los que unirse a los átomos vecinos.
•       Superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos              adyacentes
•       La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por        el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones, provocado            por la absorción de energía térmica.

Conductores líquidos:

      

     El agua, con sales como cloruros, sulfuros y carbonatos que actúan como agentes reductores (donantes de electrones), conduce la electricidad.

     

     Algunos otros líquidos pueden tener falta o exceso de electrones que se desplacen en el medio. Son iones, que pueden ser cationes, (+) o aniones (-).

Conductores gaseosos:

      

• *   Valencias negativas (se ioniza negativamente)
•    En los gases la condición que implica el paso de una corriente se conoce como el      fenómeno de descarga o "ruptura" eléctrica del gas: paso de un                              comportamiento  no conductor (baja corriente) a conductor.
•   Tienden a adquirir electrones
•   Tienden a formar óxidos ácidos.
•    Ejemplos: Nitrógeno, cloro, Neón (ionizados)

Semiconductores:

Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el telururo de plomo.

Para incrementar el nivel de la conductividad se provocan cambios de temperatura, de la luz o se integran impurezas en su estructura molecular.

Estos cambios originan un aumento del número de electrones liberados (o bien huecos) conductores que transportan la energía eléctrica.

Los cuatro electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están en parejas y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido.

Para producir electrones de conducción, se utiliza energía adicional en forma de luz o de calor (se maneja como temperatura), que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transportar su propia energía.

Cada electrón de valencia que se desprende de su enlace covalente deja detrás de sí un hueco, o dicho en otra forma, deja a su átomo padre con un electrón de menos, lo que significa entonces que en ese átomo existirá un protón de más.

Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la temperatura.

Los cristales semiconductores de dividen en intrínsecos y extrínsecos. Un cristal intrínseco es aquél que se encuentra puro (aunque no existe prácticamente un cristal 100% puro); es decir, no contiene impurezas; mientras que un cristal extrínseco es aquél que ha sido impurificado con átomos de otra sustancia. Al proceso de impurificación se le llama también dopado, y se utiliza para obtener electrones libres que sean capaces de transportar la energía eléctrica a otros puntos del cristal.

Los materiales extrínsecos se dividen en “tipo n” y “tipo p”.

La diferencia del número de electrones entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción negativos o positivos.

Si aumenta el número de electrones de conducción negativos, entonces el material es tipo n; y si aumenta el numero de cargas positivas (lagunas), es un material tipo p.

Ejemplos:

Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia. Se requieren dos para formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo como el del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y proporciona electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o huecos que se comportan como electrones positivos. Los electrones o los huecos pueden conducir la electricidad.

Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y tipo n son adyacentes, forman un diodo de semiconductor, y la región de contacto se llama unión pn. Un diodo es un dispositivo de dos terminales que tiene una gran resistencia al paso de la corriente eléctrica en una dirección y una baja resistencia en la otra.

Las propiedades de conductividad de la unión pn dependen de la dirección del voltaje, que puede a su vez utilizarse para controlar la naturaleza eléctrica del dispositivo

Algunas series de estas uniones se usan para hacer transistores y otros dispositivos semiconductores como células solares, láseres de unión pn y rectificadores.

Los dispositivos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la ingeniería eléctrica. 

Los últimos avances de la ingeniería han producido pequeños chips semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. Estos chips han hecho posible un enorme grado de miniaturización en los dispositivos electrónicos.

Aislantes eléctricos: 

El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 x 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre.

La elección del material aislante suele venir determinada por la aplicación. En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento aislante para los cables. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas.

Aislantes sólidos:

En los sistemas de aislación de transformadores destacan las cintas sintéticas PET (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno) y PPS (sulfido de polifenileno) que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos.

Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado o pressboard, el cual da forma a estructuras de aislación rígidas.

Aislantes líquidos:

Las propiedades físicas de los dieléctricos líquidos como por ejemplo: peso específico, 

conductibilidad térmica, calor específico, constante dieléctrica, viscosidad, dependen de su naturaleza, es decir de la composición química, pero su rigidez dieléctrica, además está ligada a factores externos como por ejemplo: impureza en suspensión, en solución, humedad, etc., que, generalmente, reducen su valor, degradando la característica importante.

Los fluidos o líquidos dieléctricos cumplen la doble función de aislar los bobinados en los transformadores y disipar el calor al interior de estos equipos.

El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral. El problema es que es altamente inflamable.

Fluídos dieléctricos sintéticos, (hidrocarburos) con alto punto de inflamación.

El líquido aislante sintético más utilizado desde principios de la década de 1930 hasta fines de los 70's fue el Ascarel o PCB, que dejo de usarse por ser muy contaminante.

Entre los nuevos líquidos sintéticos destacan las siliconas y los poly-alfa-olefines. Tienen un alto costo, eso dificulta su masificación.

Aislantes gaseosos:

Los gases aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistividad y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas.

El SF6 (hexafluoruro de azufre) es otro gas aislante que se caracteriza por ser incoloro, inodoro, no toxico, química y fisiológicamente inerte, no corrosivo no inflamable y no contaminante. Por sus características dieléctricas es ideal como medio aislante, tiene una rigidez dieléctrica muy elevada, tanto a la frecuencia industrial como a impulso, gracias a su peculiar característica de gas electronegativo. Con la captura de los electrones libres la molécula de SF6 se transforma en iones negativos pesados, y por lo tanto poco móviles. La rigidez dieléctrica del SF6 a la frecuencia industrial es por lo menos dos veces y media la del aire a la presión de 5 kg/cm2, condición que permite lograr un dado nivel de aislamiento con presiones relativamente bajas, lo cual implica sistemas de contención simples y de completa confiabilidad. Este gas tiene menor capacidad de disipación de calor que el aceite mineral, situación que se puede mejorar aumentando la presión del SF6 en el tanque del transformador.