En el mundo de la ciencia, existen diversas teorías y conceptos, que explican el comportamiento de ciertos fenómenos presentes en la naturaleza, los cuales nos permiten realizar nuevos inventos o creaciones para mejorar nuestra calidad de vida.
Tales conceptos, son explicados mediante diversos campos de la ciencia y de la ingeniería, siendo uno de ellos el referido a la conductividad eléctrica, el cual forma parte de ámbito de la física.
En tal sentido, explicaremos detalles como: el concepto de la conductividad eléctrica, su historia, la conductividad de ciertos medios o materiales, entre otros factores relevantes.
Definición de la Conductividad Eléctrica
En términos simples, la conductividad eléctrica, es la medida o la capacidad en que una sustancia o material, permite el flujo de la corriente eléctrica a través de él. Su símbolo que la identifica es (σ).
Tal capacidad, se encuentra supeditada tanto a la estructura molecular como atómica del material en cuestión. De igual forma, la conductividad también se ve afectada por la temperatura y otros factores físicos.
Está demostrado que, los materiales metálicos poseen buenas propiedades de conducción, debido a que poseen una estructura con muchos electrones cuyos vínculos son débiles, lo que facilita su movimiento y el flujo de la corriente.
El valor de la conductividad eléctrica viene dada por la fórmula de σ = J/E, donde J es la densidad de corriente de conducción y E se refiere al campo eléctrico, y posee la unidad de S/m (siemens por metro).
Como toda dimensión física, el valor de la conductividad, depende del estado en el cual se encuentre la materia, siendo que en medios líquidos, pueden varias los niveles de sales presentes, que a su vez producen iones cargados bien de forma negativa o positiva.
Siendo los electrolitos quienes conducen la corriente eléctrica, al momento de someter el líquido a las acciones de un campo eléctrico.
Por otra parte, en el caso de los sólidos, quienes cuentan con una estructura atómica cerrada, y por ende con menor movimiento; el valor de la conductividad dependerá de los electrones compartidos por la banda de conducción y de las bandas de valencia.
Así como los metales tienen buenas propiedades de conductividad, existen otros materiales como el plástico, que tiene alta resistencia o propiedades aislantes.
Historia de la Conductividad Eléctrica
Fue en el año 1729, cuando el físico de origen inglés, Stephen Gray, realizó diversos estudios respecto a la conductividad eléctrica, logrando transmitir electricidad a través de un conductor.
En tales experimentos, se percató que para que la electricidad pudiese fluir o circular por un determinado conductor, era preciso que el conductor estuviese asilado de tierra.
Gray, en conjunto con los científicos Wheler y Godfrey, lograron clasificar ciertos materiales entre aislantes y conductores de la electricidad.
Gray, denominó a la corriente eléctrica, como “virtud eléctrica” o efluvios.
Variación de la conductividad eléctrica en base a diferentes medios
Cuando se estudian los fenómenos físicos presentes en la naturaleza, se deben considerar diversas variables, para visualizar sus posibles efectos en escenarios cambiantes, siendo uno de ellos el uso de ciertos materiales o estados de la materia, lo cual no podía ser la excepción para medir la conductividad eléctrica.
Conductividad en medios líquidos
En estado líquido, la conductividad depende en gran medida de la cantidad de iones positivos y negativos, presentes en sales. En tal caso, los iones reciben la denominación de electrolitos o también llamados conductores electrolíticos.
Cuando se trabaja con el estado de la materia en fase líquida, las determinaciones conductométricas tienen las siguientes aplicaciones:
- Para llevar a cabo estudios de laboratorios, que buscan determinar el contenido de sales de diversas soluciones durante los procesos de evaporación. Ejemplo de ello: en procesos de producción de leche condensada o en el agua de las calderas.
- En procesos de electrólisis, siendo que la conductividad incide en el consumo de energía eléctrica durante dicho proceso.
- En la determinación de las solubilidades de electrólitos escasamente solubles, y para encontrar concentraciones de electrólitos en soluciones por titulación.
- Durante el estudio de las basicidades de los ácidos, las cuales se pueden determinar por medio de mediciones de la conductividad.
Conductividad en medios sólidos
Se considera que son materiales conductores, aquellos en los que las bandas de conducción y de la valencia se superponen, ocasionando que se forme una nube de electrones libres. Todo esto en base a la teoría de bandas de energía en sólidos cristalinos.
Una vez que los electrones se encuentren libres, y el material sea sometido a un campo eléctrico, se producirá el flujo de corriente eléctrica.
Dato importante, es el patrón de conductividad eléctrica, ideado por la Comisión Electrotécnica Internacional, siendo que el mismo se expresa de la siguiente manera:
“Un hilo de material de Cobre con 1 metro de longitud y una masa de 1 gramo, que proporciona una resistencia de 0,15388 Ω a un temperatura de 20 °C”, al cual se le asignó una conductividad eléctrica de 100% IACS (Estándar Internacional de Cobre Recocido)
En base el dato anterior, cualquier aleación de cobre que posea una conductividad mayor que el 100% IACS es considerada de alta conductividad.
Conductividad en los suelos
La condición de los suelos, puede incidir en los niveles de conductividad eléctrica, lo que varía de acuerdo a factores como la cantidad de sales e irrigación hídrica presente en determinadas áreas.
Al igual que en el caso del agua, los suelos con mayor grado de salinidad tiene mejores propiedades de conductividad, que aquellos suelos que son menos salinos.
Esta condición, poder ser afectada por la cantidad de agua que recibe el suelo, ya que la misma puede eliminar o lavar las sales del suelo.
Explicación de la conductividad en los metales
En la teoría clásica, para explicar la conductividad en los materiales metálicos, se usaba el modelo Drude-Lorentz, siendo que los electrones poseen una velocidad de desplazamiento media, con valores aproximados constantes, denominada como velocidad límite.
Dicha velocidad, está asociada al efecto de la aceleración del campo eléctrico, así como también al efecto desacelerador de la red cristalina, con la cual chocan los electrones originando el efecto Joule. Todo esto antes de la mecánica cuántica.