Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a

través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa

la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él.

Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales.

La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto , y su unidad es el S/m (siemens por

metro).

No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito para conducir corriente

eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la resistencia: .

Representación matemática

Usualmente la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico y la

densidad de corriente de conducción :

Conductividad en medios líquidos

La conductividad en medios líquidos (Disolución) 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.

Las determinaciones de la conductividad reciben el nombre de determinaciones conductométricas y

tienen muchas aplicaciones como, por ejemplo:

En la electrólisis, ya que el consumo de energía eléctrica en este proceso depende en gran medida

de ella.

En los estudios de laboratorio para determinar el contenido de sal de varias soluciones durante la

evaporación del agua (por ejemplo en el agua de calderas o en la producción de leche condensada.

En el estudio de las basicidades de los ácidos, puesto que pueden ser determinadas por mediciones

de la conductividad.

Para determinar las solubilidades de electrólitos escasamente solubles y para hallar

concentraciones de electrólitos en soluciones por titulación.

La base de las determinaciones de la solubilidad es que las soluciones saturadas de electrólitos

escasamente solubles pueden ser consideradas como infinitamente diluidas. Midiendo la conductividad

específica de semejante solución y calculando la conductividad equivalente según ella, se halla la

concentración del electrólito, es decir, su solubilidad.

Un método práctico sumamente importante es el de la titulación conductométrica, o sea la determinación

de la concentración de un electrólito en solución por la medición de su conductividad durante la

titulación. Este método resulta especialmente valioso para las soluciones turbias o fuertemente coloreadas

que con frecuencia no pueden ser tituladas con el empleo de indicadores.

La conductividad eléctrica se utiliza para determinar la salinidad (contenido de sales) de suelos y

substratos de cultivo, ya que se disuelven éstos en agua y se mide la conductividad del medio líquido

resultante. Suele estar referenciada a 25 °C y el valor obtenido debe corregirse en función de la

temperatura. Coexisten muchas unidades de expresión de la conductividad para este fin, aunque las más

utilizadas son dS/m (deciSiemens por metro), mmhos/cm (milimhos por centímetro) y según los

organismos de normalización europeos mS/m (miliSiemens por metro). El contenido de sales de un suelo

o substrato también se puede expresar por la resistividad (se solía expresar así en Francia antes de la

aplicación de las normas INEN).

Conductividad en medios sólidos

Según la teoría de bandas de energía en sólidos cristalinos (véase semiconductor), son materiales

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. Estos

medios conductores se denominan conductores eléctricos.

La Comisión Electrotécnica Internacional definió como patrón de la conductividad eléctrica:

Un hilo de cobre de 1 metro de longitud y un gramo de masa, que da una resistencia de 0,15388

Ω a 20 °C al que asignó una conductividad eléctrica de 100% IACS (International Annealed

Cooper Standard, Estándar Internacional de Cobre no Aleado). A toda aleación de cobre con una

conductividad mayor que 100% IACS se le denomina de alta conductividad (H.C. por sus siglas

inglesas).

Algunas conductividades eléctricas

Conductividad

Eléctrica

(S·m-1

)

Temperatura(°C) Apuntes

Plata 63.01 × 106 20

La conductividad electrica más alta de cualquier

metal

Cobre 59.6 × 106 20

Templado

Cobre 58.0 × 10

6 20

Se refiere a 100 %IACS (Standard Internacional de

Templado de Cobre, de sus siglas en inglés:

International Annealed Copper Standard).

Oro 45.5 × 106 20-25

Aluminio 37.8 × 10

6 20

Agua de mar 5 23 5(S·m

-1) para una salinidad promedio de 35 g/kg

alrededor de 23(°C)

Agua potable 0.0005 a 0.05

Este rango de valores es típico del agua potable de

alta calidad mas no es un indicador de la calidad

del agua.

Agua

desionizada 5.5 × 10

-6

1.2 × 10-4

en agua sin gas; ver J. Phys. Chem. B

2005, 109, 1231-1238

Dieléctricos

Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser

utilizados como aislantes eléctricos.

Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel,

la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. Los

dieléctricos se utilizan en la fabricación de condensadores, para que las cargas reaccionen. Cada material

dieléctrico posee una constante dieléctrica k.

Tenemos k para los siguiente dieléctricos: Vacío tiene k = 1; Aire (seco) tiene k = 1.00059; Teflón tiene k

= 2.1; Nylon tiene k = 3.4; Papel tiene k = 3.7; Agua tiene k = 80.

Los dieléctricos más utilizados son el aire, el papel y la goma.

La introducción de un dieléctrico en un condensador aislado de una bateria, tiene las siguientes

consecuencias:

Disminuye el campo eléctrico entre las placas del condensador.

Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del condensador, en una relacion Vi/k.

Aumenta la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte

una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica).

Aumento por tanto de la capacidad eléctrica del condensador en k veces.

La carga no se ve afectada, ya permanece la misma que ha sido cargada cuando el condensador

estuvo sometido a un voltaje.

Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dieléctrico.

Es decir, si aumentamos mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico convertiremos dicho

material en un conductor.

Tenemos que la capacitancia con un dielectrico llenando todo el interior del condensador esta dado: C =

keA / d

Ferromagnetismo

El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento

magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección

y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar

ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que

hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y

sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.

Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos, separados

por superficies conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios,

todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay

cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la

ganancia en entropía.

Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios

tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos

están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético inductor

aumentan su tamaño. Este aumento de tamaño se explica por las características de las

paredes de Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuya dirección de los

dipolos no coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el

dominio permanece durante cierto tiempo.

Materiales ferromagnéticos

Hay muchos materiales cristalinos que presentan ferromagnetismo. En la tabla

adjunta se muestra una selección representativa de ellos (Kittel, p. 449), junto con

sus temperaturas de Curie, la temperatura por encima de la cual dejan de ser

ferromagnéticos.Como el hierro, el niquel, el cobalto,el acero,etc...

Material

Temp.

Curie

(K)

Fe 1043

Co 1388

Ni 627

Gd 292

Dy 88

MnAs 318

MnBi 630

MnSb 587

CrO2 386

MnOFe2O3 573

FeOFe2O3 858

NiOFe23 858

CuOFe2O3 728

MgOFe23 713

EuO 69

Y3Fe5O12 560

Paramagnetismo

El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse

paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están fuertemente acoplados entre

sí, el fenómeno será ferromagnetismo. Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos

momentos magnéticos están orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a

alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la tendencia que tienen los

momentos a orientarse aleatoriamente debido al movimiento térmico.

Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se

describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad

magnética positiva y muy pequeña.

En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento magnético, y no

hay interacción entre ellos. En los materiales ferromagnéticos, este comportamiento también puede

observarse, pero sólo por encima de su temperatura de Curie.

Se denomina materiales paramagnéticos a los materiales o medios cuya permeabilidad magnética es

similar a la del vacío. Estos materiales o medios no presentan en ninguna medida el fenómeno de

ferromagnetismo. En términos físicos, se dice que su permeabilidad magnética relativa tiene valor

aproximadamente igual a 1.

Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales,

cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar el campo magnético, la entropía

destruye el alineamiento magnético, que ya no está favorecido energéticamente. Algunos materiales

paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio.

Ley de Curie

A campos magnéticos bajos, los materiales paramagnéticos exhiben una magnetización en la misma

reacción del campo externo, y cuya magnitud se describe por la ley de Curie:

En esta ecuación, M es la magnetización resultante, B es la densidad de flujo magnético del campo

aplicado, T es la temperatura absoluta (en Kelvin), y C es una constante específica de cada material (su

constante de Curie). Esta ley indica que los materiales paramagnéticos tienden a volverse cada vez más

magnéticos al aumentar el campo aplicado, y cada vez menos magnéticos al elevarse la temperatura.

La ley de Curie sólo es aplicable a campos bajos o temperaturas elevadas, ya que falla en la descripción

del fenómeno cuando la mayoría de los momentos magnéticos se hallan alineados (cuando nos acercamos

a la saturación magnética). En este punto, la respuesta del campo magnético al campo aplicado deja de ser

lineal. Llegado al punto de saturación, la magnetización es la máxima posible, y no crece más,

independientemente de que se aumente el campo magnético o se reduzca la temperatura.

Diamagnetismo

En física, el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que

consiste en ser repelidos por los imanes. Es lo opuesto a los materiales

ferromagnéticos los cuales son atraídos por los imanes. El fenómeno del

diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera vez en

septiembre de 1845 por Michael Faraday cuando vio un trozo de

bismuto que era repelido por un polo cualquiera de un imán; lo que

indica que el campo externo del imán induce un dipolo magnético en el

bismuto de sentido opuesto.

Definición

Se refiere al cambio en momento dipolar electrónico en presencia de un

campo externo. Los momentos dipolares se oponen al campo aplicado,

reduciendo el valor de éste con respecto al del espacio libre, aunque sólo

en una pequeña fracción. Todos los átomos tienen electrones

"orbitándolos", por lo que podemos afirmar que todos los materiales son

diamagnéticos, pero hay otros efectos que dominan sobre el

diamagnetismo en la mayoría de los materiales. Por ejemplo, es más

fácil orientar un momento dipolar de espín que una órbita, y en átomos

con número impar de electrones, el paramagnetismo domina. Pero en

átomos con número par de electrones las contribuciones del momento

dipolar del espín del electrón en una y otra dirección se cancelan casi

totalmente (del principio de exclusión de Pauli sabemos que el espín de

electrones con los tres primeros números cuánticos iguales debe ser

contrario), y el momento dipolar dominante es el orbital o electrónico.

Levitación diamagnética

Generalmente, el diamagnetismo se justifica por la circulación de los electrones en los orbitales

doblemente ocupados. Como en un cable de un material conductor, la circulación de los electrones se

produce en el sentido en el que el campo magnético que generan se opone al campo aplicado, generando

una repulsión (ley de Lenz). Por este mismo mecanismo, los superconductores presentan un

diamagnetismo extraordinariamente alto.

El diamagnetismo es por tanto dominante en materiales constituidos por átomos o moléculas con número

par de electrones. En ausencia del campo, los momentos dipolares de espín se orientan al azar y

estadísticamente se neutralizan casi totalmente, y el átomo (o molécula) tiene un momento dipolar neto

igual a cero. A nivel macroscópico, las fluctaciones de los dipolos individuales por efectos de temperatura

se promedia estadísticamente para dar un momento dipolar neto nulo.

Al aplicar un campo externo, el cambio en momento dipolar magnético es muy pequeño (del orden de una

parte en cien mil), y aunque el cambio se opone al campo, el efecto no es muy importante.

Materiales Diamagnéticos

Los materiales diamagnéticos más comunes son: bismuto metálico,

hidrógeno, helio y los demás gases nobles, cloruro de sodio, cobre, oro,

silicio, germanio, grafito, bronce y azufre. Nótese de esta lista que no

todos tienen número par de electrones.

El grafito pirolítico, que tiene un diamagnetismo especialmente alto, se

ha usado como demostración visual, ya que una capa fina de este

material levita (por repulsión) sobre un campo magnético lo

suficientemente intenso (a temperatura ambiente).

Experimentalmente, se verifica que los materiales diamagnéticos tienen

una permeabilidad magnética inferior a la unidad, y una susceptibilidad

magnética negativa, prácticamente independiente de la temperatura, y

generalmente del orden (en unidades cegesimales) de

e.m.u./mol,

donde M es la masa molecular. En muchos compuestos de coordinación

se obtiene una estimación más exacta utilizando las tablas de Pascal.

En los materiales diamagneticos, el flujo magnético disminuye y en los

paramagneticos el flujo magnético aumenta

Imán

Antiferromagnetismo

Ordenamiento antiferromagnético

El antiferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una

muestra, en la misma dirección pero en sentido inverso (por pares, por ejemplo, o una subred frente a

otra). Un antiferromagneto es el material que puede presentar antiferromagnetismo. La interacción

antiferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a

disponerse en la misma dirección y en sentido inverso, cancelándolos si tienen el mismo valor absoluto, o

reduciéndolos si son distintos. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el antiferromagnetismo.

Como el ferromagnetismo, la interacción antiferromagnética se destruye a alta temperatura por efecto de

la entropía. La temperatura por encima de la cual no se aprecia el antiferromagnetismo se llama

temperatura de Neel. Por encima de esta, los compuestos son típicamente paramagnéticos.

Generalmente, los antiferromagnetos están divididos en dominios magnéticos. En cada uno de estos

dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta

energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía.

Al someter un material antiferromagnético a un campo magnético intenso, algunos de los momentos

magnéticos se alinean paralelamente con él, aún a costa de alinearse también paralelo a sus vecinos

(superando la interacción antiferromagnética). Generalmente, se requiere un campo magnético muy

intenso para conseguir alinear todos los momentos magnéticos de la muestra.

Las interacciones antiferromagnéticas pueden producir momentos magnéticos grandes, incluso

imanación. El ferromagnetismo ocurre en sistemas en los que una interacción antiferromagnética entre

momentos magnéticos de diferente magnitud implica un momento magnético resultante grande. La

magnetita es un sólido extendido que presenta ferrimagnetismo: es un imán, aunque las interacciones son

antiferromagnéticas. El Mn12 es una molécula que presenta el mismo fenómeno: interacciones

antiferromagnéticas conllevan un momento magnético grande del estado fundamental. Por otro lado, los

sistemas con canteo de espín, con interacciones antiferromagnéticas presentan imanación, por pequeñas

desviaciones angulares del alineamiento de los momentos magnéticos, no totalmente antiparalelos.