Tecnologia De Los Materiales

Definición de material conductor: Se denomina conductor a todo material que permite

el paso continuo de una corriente eléctrica, cuando está sometido a una diferencia de

potencial eléctrico. Para una diferencia de potencial determinada, cuanto mayor es la

densidad de la corriente, tanto más eficiente es el conductor.

Virtualmente, todos los materiales en estado sólido o líquido tienen propiedades

conductoras, pero ciertos materiales son relativamente mejores desde este punto de vista,

mientras que otros están casi totalmente desprovistos de esta propiedad. Por ejemplo, los

metales son los mejores conductores, mientras que otras sustancias como óxidos y sales

metálicas, minerales, materias fibrosas, etc., tienen conductividad relativamente baja que,

no obstante, es afectada favorablemente por la absorción de la humedad. Hay ciertos

materiales poco conductores, como el carbón y determinada aleaciones, que también

tienen interés electrotécnico.

La conducción en metales y resistencias está bien descrito por la Ley de Ohm, que

establece que la corriente es proporcional al campo eléctrico aplicado. Se calcula la

conductividad σ para caracterizar la facilidad con la que aparece en un material una

densidad de corriente (corriente por unidad de área) j, definida como:

j = σ E

o por su recíproco la resistividad ρ:

j = E / ρ

La conducción en dispositivos semiconductores puede darse debido a una combinación

de campo eléctrico (deriva) y de difusión. La densidad de corriente es entonces

j = σ E + D ∇qn

Siendo q la carga eléctrica elemental y n la densidad de electrones. Los portadores se

mueven en la dirección de decrecimiento de la concentración, de manera que para los

electrones una corriente positiva es resultado de una gradiente de densidad positivo. Si

los portadores son "huecos", cámbiese la densidad de electrones n por el negativo de la

densidad de huecos p.

En los materiales linealmente anisótropos, σ, ρ y D son tensores.

Sólidos (incluidos los sólidos aislantes)

En los sólidos cristalinos, los átomos interaccionan con sus vecinos, y los niveles de

energía de los átomos individuales forman bandas. El hecho de que un material conduzca

o no, viene determinado por su estructura de bandas y por la ocupación de dichas bandas

determinada por los niveles de Fermi. Los electrones, al ser fermiones, siguen el principio

de exclusión de Pauli, por lo que dos electrones dentro de un mismo sistema de

interacciones no pueden ocupar el mismo estado, lo cual significa que sus cuatro números

cuánticos han de diferir. Así los electrones en un sólido rellenan bandas de energía hasta

un cierto nivel, llamado la energía de Fermi. Las bandas que están completamente llenas

de electrones no pueden conducir la electricidad, porque no hay estados cercanos de

energía a los que los electrones puedan saltar. Los materiales con todas las bandas

llenas (la energía de Fermi es entre dos bandas) son aislantes. Sin embargo, en algunos

casos, la teoría de bandas falla y materiales que se predecían como conductores por la

teoría de bandas se vuelven aislantes. Los aislantes de Mott y los aislantes de

transferencia de carga son dos clases de ejemplos.

Metales

Los metales son buenos conductores de la electricidad y del calor porque tienen espacios

sin rellenar en la banda de energía de valencia. (El nivel de Fermi marca una ocupación

sólo parcial de la banda). En ausencia de campos eléctricos, la conducción eléctrica se

produce en todas direcciones a velocidades muy elevadas. Incluso a la temperatura más

fría posible - en el cero absoluto - la conducción eléctrica puede aún darse a las velocidad

de Fermi (la velocidad de los electrones con energía de Fermi). Cuando se aplica un

campo eléctrico, un ligero desequilibrio desarrolla un flujo de los electrones móviles. Los

electrones de esta banda pueden verse acelerados por el campo porque hay multitud de

estados cercanos sin rellenar en la banda.

La resistencia en los metales se da por la dispersión de electrones desde defectos en el

entramado o por fonones. El modelo de Drude representa una teoría grosera clásica para

metales sencillos, en el que la dispersión es caracterizada por un tiempo de relajación τ.

La

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