Conductores y Aislantes Eléctricos
Introducción a las Cargas Eléctricas
La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas de signos opuestos llamadas positivas y negativas. Usualmente, los cuerpos son eléctricamente neutros y mediante algunos procesos físicos se les puede hacer perder o ganar cargas eléctricas, quedando de esta forma cargados eléctricamente. Estos procesos son: carga por frotamiento, carga por inducción y carga por contacto.
Carga por Frotamiento
En la vida diaria es frecuente observar fenómenos eléctricos que se producen por frotamiento. Se puede comprobar que cuerpos con cargas iguales se repelen y cargas de distinto tipo se atraen. Cuando dos cuerpos se frotan, parte de los electrones de uno de ellos pasa al otro, quedando cargado positivamente, mientras que el que los recibe queda cargado negativamente. Los protones no participan porque están en el núcleo.
Conductores y Aislantes
Los metales permiten que se mueva la carga eléctrica, son los conductores, y los que no dejan pasar las cargas eléctricas son los aislantes. En un lugar intermedio están los semiconductores, como el silicio y el germanio, con los que se construyen diodos, transistores, chips, etc.
Carga por Inducción
Si frotamos un bolígrafo y luego lo acercamos a un papel, vemos que lo atrae. Al acercar el bolígrafo al papel, las cargas del bolígrafo repelen a las del mismo signo del papel y atraen a las de signo opuesto.
¿Por qué algunos cuerpos son buenos conductores de electricidad, como el cobre?
En la naturaleza hay sustancias que tienen más electrones en la banda de conducción que otras; es más, si en un mismo material las condiciones externas cambian, éste se comporta de diferentes maneras. La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres, en la banda de conducción, se llama conductividad. Estos materiales serán capaces, bajo la acción de fuerzas exteriores, de conducir la electricidad.
En el caso de los metales, como el cobre, poseen los electrones en la capa más alejada del núcleo, lo que lo hace un excelente conductor, pero no el mejor, ya que uno de los mejores conductores es el oro, pero no se utiliza por su alto costo.
¿Y por qué otros son malos conductores de la electricidad, como el vidrio?
Los materiales malos conductores son aquellos en los cuales los electrones están fuertemente ligados a sus núcleos, siendo éstos incapaces de desplazarse por el interior del material y, en consecuencia, conducir. Son normalmente utilizados como aislantes. Buenos aislantes son: el aire, la porcelana, el vidrio, etc.
¿Qué hace la diferencia?
La diferencia entre un conductor y un aislante es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aislantes, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa. 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.
Niveles de Energía
En un átomo, los electrones están girando alrededor del núcleo formando capas. En cada una de ellas, la energía que posee el electrón es distinta. En efecto, en las capas muy próximas al núcleo, la fuerza de atracción entre éste y los electrones es muy fuerte, por lo que estarán fuertemente ligados.
Ocurre lo contrario en las capas alejadas, en las que los electrones se encuentran débilmente ligados, por lo que resultará más fácil realizar intercambios electrónicos en las últimas capas.
El hecho, pues, de que los electrones de un átomo tengan diferentes niveles de energía, nos lleva a clasificarlos por el nivel energético (o banda energética) en el que se encuentra cada uno de ellos. Las bandas que nos interesan a nosotros para entender mejor el comportamiento del átomo son: la Banda de Valencia y la Banda de Conducción.
La Banda de Valencia
Es un nivel de energía en el que se realizan las combinaciones químicas. Los electrones situados en ella pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos, formando moléculas.
El átomo de Sodio (Na) tiene 11 electrones: 2 en la primera capa, 8 en la segunda y 1 en la tercera; y el Cloro (Cl) tiene 17 electrones: 2 en la primera, 8 en la segunda y 7 en la tercera. Debido a que todos los átomos tienden a tener 8 electrones en la última capa (regla del octeto), el Sodio cederá 1 electrón al Cloro, con lo que el primero se quedará con 8 electrones en su ahora última capa; en cambio, el Cloro aceptará ese electrón, pasando su última capa de tener 7 electrones a 8.