MATERIALES CONDUCTORES Y NO CONDUCTORES
ARRIETA PÉREZ SAID JAVIER DE LA VEGA MARTÍNEZ JHONATAN MIRANDA LUGO PEDRO LUIS NOVOA SAEZ MAURICIO ANDRÉS
Departamento de Ingeniería Industrial Universidad de Córdoba, Montería
Al realizar la presente experiencia de laboratorio, se busca establecer que materiales son conductores eléctricos y cuales no lo son, analizando a la vez, algunas características que permitan determinar de manera clara y precisa cada uno de ellos. Asimismo, se busca establecer, en el caso de los materiales conductores, las razones por las cuales presentan dicho comportamiento, mientras que otros no lo hacen.
TEORÍA RELACIONADA La conductividad eléctrica es la capacidad de un medio o espacio físico de permitir el paso de la corriente eléctrica a su través. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él. Varía con la temperatura.
El distinto comportamiento de los cuerpos respecto a los fenómenos eléctricos depende de que el material que lo forma tenga cargas eléctricas en su interior y de que estas cargas puedan desplazarse libremente. Los materiales aislantes de la electricidad, son aquellos que dificultan e incluso impiden el paso de la corriente eléctrica (electrones). Se emplean en electricidad para evitar fugas y accidentes eléctricos. Ejemplo de ello, son el vidrio y el plástico, los cuales se cargan al frotarlos, pues se electrizan con gran facilidad, pero como tienen pocos electrones libres son malos conductores de la electricidad. Los materiales conductores de la electricidad dejan pasar fácilmente la corriente, es aquel que transmite la electricidad a todos sus puntos. Son los componentes de todos los elementos del circuito eléctrico, especialmente los cables. Los materiales conductores más comunes son los metales. La experiencia ha demostrado que no existen conductores ni aislantes absolutos, por lo que es más correcto clasificar las sustancias como buenas o malas conductoras de la electricidad.
En la actualidad se habla de la fabricación de microchips, y otros dispositivos electrónicos que utilizan sustancias denominadas semiconductores. Los semiconductores son unos materiales muy especiales que conducen mejor la electricidad que un aislante pero peor que un conductor. A bajas temperaturas se comportan como aislantes al aumentar su resistividad pero a altas temperaturas su
resistividad baja espectacularmente hasta acercarse a la de los metales. Éstos se utilizan mucho en electrónica para construir microprocesadores de señales lógicas para computadoras y ordenadores. De igual modo, se habla de los materiales superconductores. Estos, son más raros aún, su característica principal es la ausencia total de resistividad eléctrica, por lo tanto son el elemento perfecto para transportar energía eléctrica puesto que no producen pérdidas por calor, el problema es que por el momento sólo se han encontrado materiales superconductores que funcionan a muy bajas temperaturas, y el coste es mucho más elevado que las ganancias que se producen. Los superconductores se quieren utilizar para construir trenes de levitación electromagnética y monorraíles, pero por el momento el elevado coste impide la progresión de esta tecnología de los superconductores. También es necesario hablar de otros conceptos ligados a la presente experiencia ded laboratorio, uno de ellos es la electrólisis.
Consiste en la descomposición mediante una corriente eléctrica de sustancias ionizadas denominadas electrolitos. La palabra electrólisis procede de dos radicales, electro que hace referencia a electricidad y lisis que quiere decir ruptura. El proceso electrolítico consiste en lo siguiente: Se funde o se disuelve el electrolito en un determinado disolvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones (ionización). Luego, se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como ánodo. Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos, o cationes, son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos, o aniones, se desplazan hacia el ánodo. La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica.
En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-). En definitiva lo que ha ocurrido es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica ha sido la encargada de aportar la energía necesaria. Para finalizar, hay que decir, que las sustancias químicas solubles en agua pueden clasificarse según la conductividad eléctrica que proporciona a las disoluciones. El físico y químico británico Michael Faraday, llamó electrolitos a las sustancias que en disolución acuosa conducen la corriente eléctrica. Para conocer experimentalmente si una sustancia es un electrolito, basta disolverla en agua e introducir en ella dos electrodos conectados a una pila y a una bombilla, es decir, realizar el proceso ya mencionado de electrolisis. Por el brillo que adquiere la bombilla, será posible tener una idea cualitativa del carácter conductor de la disolución.
PROCEDIMIENTO Antes de dar inicio a la elaboración de la presente experiencia de laboratorio el docente dio una serie de indicaciones sobre las cuales se podría efectuar dicha práctica con la mayor eficacia posible, y con la menor cantidad de inconvenientes, ayudando esto a la obtención de información más confiable. Una vez concluida las ya mencionadas indicaciones, se procedió a realizar el montaje. Para ello, se ubicó el multímetro, en función de amperímetro, en la posición entre la bombilla y uno de los dos soportes universales, entre los cuales, se pondría el material a estudiar. Ver figura 1 y esquema eléctrico 1.
Figura 1.
Esquema Eléctrico 1.
Una vez hecho lo anterior, se procedió a ubicar entre los soportes universales, uno por uno, cada uno de los materiales a estudiar, con el fin de determinar si eran o no, conductores eléctricos. Para ello, se cerró el circuito, y dependiendo del comportamiento de la bombilla, se podía establecer dicha característica. Asimismo, con la ayuda del amperímetro, se pudo medir la intensidad de corriente, en los casos, en los cuales los materiales eran conductores; en caso contrario, el amperímetro marcaba 0 mA. Para la segunda parte de esta experiencia de laboratorio, fue necesario adicionar al montaje que ya se tenía, una pequeña cubeta llena de agua, con el fin de determinar la conductividad eléctrica de esta. Ver figura 2 y esquema eléctrico 2.
Figura 2.
Esquema Eléctrico 2.
Una vez hecho lo anterior, haciendo uso de pinzas de cocodrilo, y un par de barras de material conductor, en este caso aluminio y hierro; introducimos a la cubeta llena de agua, dichos materiales, y luego, cerramos el circuito, para observar el comportamiento eléctrico del líquido. Seguidamente, se introdujo un poco de sal al interior de la cubeta, y se repitió de este modo, el procedimiento anterior. Cabe anotar que, cada vez más, se fue introduciendo un poco más de sal en la cubeta, para analizar lo que sucedía con el líquido en cuestión. Los resultados obtenidos en ambas partes de la experiencia de laboratorio, se pueden observar más adelante en una tabla de datos.
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS.
Al realizar cada uno de los pasos descritos anteriormente en el procedimiento, fue posible obtener algunos resultados, de acuerdo a cada uno de los materiales utilizados. A continuación, se pueden observar dichos resultados en una tabla de datos.
TABLA 1: CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE ALGUNOS MATERIALES Material Aluminio Hierro Pasta Vidrio Plata Oro Agua Pura Carbono Agua con Sal (poca) Agua con Sal (media) Agua con Sal (alta)
Lámpara off
Lámpara on X X
X X X X X X X X X
Intensidad (mA) 0.20 0.21 0.00 0.00 0.22 0.22 0.00 0.22 0.7 0.12 0.17
De acuerdo a lo observado en la tabla, es posible decir, que todos los materiales que poseen características metálicas, son conductores eléctricos. Asimismo, es de anotar, que el carbono, también es un material conductor, junto con las diferentes disoluciones de agua y sal. Por último, se observa que el agua pura no es conductora, al igual que el vidrio y la pasta. Las explicaciones sobre la conductividad eléctrica, se encuentran explícitas en la parte de la teoría relacionada. CONCLUSIONES En esta sección solo se dará respuesta a las preguntas formuladas en la guía, puesto que el análisis de las diferentes situaciones observadas durante el laboratorio, se encuentra hecho en el apartado anterior, junto con los resultados.
I. ¿Qué materiales sólidos (en sentido genérico) conducen la corriente eléctrica?
Según la teoría de bandas de energía en sólidos cristalinos, son materiales sólidos conductores aquellos en los que las bandas de valencia y conducción se superponen, formándose una nube de electrones libres causante de la corriente al someter al material a un campo eléctrico. En otras palabras, en un material sólido, los orbitales moleculares forman bandas; en ellas, los electrones pueden saltar fácilmente a orbitales vacíos, en donde pueden moverse libremente, conllevando ello a una gran conductividad eléctrica. La teoría de bandas es una explicación alternativa del comportamiento de los materiales semiconductores. Se basa en el hecho de que los electrones de un átomo aislado se distribuyen según ciertos niveles energéticos, denominados orbitales, alrededor del núcleo. Cuando los átomos se unen unos con otros para formar un sólido, se agrupan de manera ordenada formando una red cristalina. En este caso, debido a la proximidad de los átomos entre sí, las órbitas en las que se encuentran los electrones de cada átomo se ven afectadas por la presencia de los átomos vecinos. Dichas órbitas se mezclan entre sí, dando lugar a la aparición de unas zonas o bandas continúas en las que se pueden encontrar los electrones, y que reciben el nombre de bandas de energía.
II. ¿Qué materiales líquidos conducen la corriente eléctrica?
La conductividad en medios líquidos está relacionada con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos. En otras palabras, las sustancias líquidas capaces de conducir corriente eléctrica, son aquellas disoluciones que posean electrolitos, los cuales no son más que sustancias capaces de conducir corriente eléctrica. III. Compara la conductividad de los sólidos ensayados con la de los líquidos.
De acuerdo a los datos obtenidos, durante esta experiencia de laboratorio, es posible decir, que todos los materiales sólidos conductotes ensayados en esta, transportan mayor corriente eléctrica, puesto que la intensidad de corriente, medida para cada uno de ellos, fue mayor a cada una de las intensidades que se obtuvieron para las diferentes disoluciones de agua y sal; como se puede observar en la tabla de datos mostrada anteriormente.
BIBLIOGRAFÍA
1. www.solociencia.com 2. www.monografias.com
3. www.wikipedia.org 4. CONSULTOR DEL ESTUDIANTE, Editora Cultural. Madrid-España 1999
5. www.ciencianet.com 6. www.rincondelvago.com
