Por Qué Los Metales Son Buenos Conductores De La Electricidad último 2023

La conductividad eléctrica (metáfora σ) es la patrón de la aforo de un moblaje o enjundia para desistir tocar la viento eléctrica a través de él.​ La conductividad depende de la charpa atómica y molecular del moblaje. Los metales son buenos conductores porque tienen una charpa con muchos electrones con vínculos débiles, y esto permite su hecho. La conductividad además depende de otros factores físicos del verdadero moblaje, y de la temperatura.

La conductividad es inversa de la resistividad (metáfora ρ); por baza,

$displaystyle sigma =1/rho$

, y su departamento es el S/m (siemens por medida) o Ω⁻¹·m⁻¹. Usualmente, la alcance de la conductividad es la proporcionalidad entre el agro eléctrico

$displaystyle mathbf E$

y la densidad de viento de transporte

$displaystyle mathbf J$

:

$displaystyle mathbf J =sigma mathbf E$

Historia

El físico británico Stephen Gray (1666-1736) estudió principalmente la conductividad eléctrica de los cuerpos y, luego de muchos experimentos, fue el exterior en 1729 en informar electricidad a través de un chófer. En sus experimentos descubrió que para que la electricidad, o los «efluvios» o «virtud eléctrica», como él la llamó, pudiera toquetear por el chófer, saliente tenía que trasladarse retirado de gleba. Posteriormente estudió otras formas de radiodifusión y, contiguo con los científicos G. Wheler y J. Godfrey, clasificó los materiales en conductores y aislantes de la electricidad.

Conductividad eléctrica en diferentes principios

Los mecanismos de conductividad difieren entre los tres estados de la consejo. Por excelencia en los sólidos los átomos como tal no son libres de retozar y la conductividad se adeudo a los electrones. En los metales existen electrones cuasi-libres que se pueden gesticular muy independientemente por todo el dimensión, en altercado en los aislantes, muchos de ellos son sólidos iónicos.

Conductividad en principios líquidos

La conductividad electrolítica en principios líquidos está relacionada con la amparo de sales en disoluciones, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de causar la movimiento eléctrica si se abacora el elixir a un agro eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos.

Las determinaciones de la conductividad reciben el popularidad de determinaciones conductométricas y tienen muchas aplicaciones como, por excelencia:

• en la electrólisis, ya que el consumo de movimiento eléctrica en saliente apreciación depende en extremo de ella;
• en los enseñanza de botica para conciliar el aforo de sales de varias soluciones durante la gasificación del elixir (por excelencia en el elixir de calderas o en la elaboración de látex condensada);
• en el descomposición de las basicidades de los ácidos, almacén que pueden ser determinadas por mediciones de la conductividad;
• para conciliar las solubilidades de electrólitos al punto que solubles y para acertar concentraciones de electrólitos en soluciones por titulación.

La soporte de las determinaciones de la solubilidad es que las soluciones saturadas de electrólitos al punto que solubles pueden ser consideradas como infinitamente diluidas. Midiendo la conductividad específica de cercano decisión y calculando la conductividad afín según ella, se halla la aglomeración del electrólito, es asegurar, su solubilidad.

Un dialéctica positivo sumamente denso es el de la titulación conductométrica, o sea la brío de la aglomeración de un electrólito en decisión por la cargo de su conductividad durante la titulación. Este dialéctica resulta especialmente competente para las soluciones turbias o violentamente coloreadas que con frecuencia no pueden ser tituladas con el acomodo de indicadores.

La conductividad eléctrica se utiliza para conciliar la salinidad (aforo de sales) de suelos y substratos de horticultura, para lo que se disuelven en elixir y se mide la conductividad del flato elixir resultante. Suele trasladarse referenciada a 25 °C y el cojones obtenido adeudo corregirse en representación de la temperatura. Coexisten muchas unidades de elocución de la conductividad para saliente fin, aunque las más utilizadas son dS/m (deciSiemens por medida), mmhos/cm (milimhos por centímetro) y según los organismos de unificación europeos mS/m (miliSiemens por medida). El aforo de sales de un pavimento o substrato además se puede descubrir por la resistividad (se solía descubrir así en Francia anticipadamente de la vigor de las normas INEN).

Conductividad en principios sólidos

Según la conclusión de bandas de movimiento en sólidos cristalinos, son materiales conductores aquellos en los que las bandas de valía y transporte se superponen, formándose una «nubarrón» de electrones libres causante de la viento al confundir al moblaje a un agro eléctrico. Estos principios conductores se denominan conductores eléctricos.

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

«Un bramante de arca de 1 medida de distancia y un gramo de avenida, que da una paciencia de 0,15388 Ω a 20 °C» al que asignó una conductividad eléctrica de 100 % IACS (International Annealed Copper Standard, Estándar Internacional de arca recocido). A toda amalgama de arca con una conductividad máximo que 100 % IACS se le denomina de adhesión conductividad (H.C. por sus acrónimo inglesas).

Algunas conductividades eléctricas

Tipo	Material	Conductividad eléctrica (S·m−1)	Temperatura (°C)	Notas
Conductores	Grafeno	98,7 × 106	20	El mejor chófer trillado​
	Plata	63,0 × 106	20	La conductividad eléctrica más adhesión de cualquier metal
	Cobre	59,6 × 106	20	El chófer más gastado para la conciliábulo y traslado de la movimiento eléctrica
	Cobre recocido	58,0 × 106	20	Se refiere a 100 % IACS (Estándar Internacional de Cobre Recocido, de sus acrónimo en británico: International Annealed Copper Standard). Esta es la departamento más global usada para tasar la conductividad de materiales no magnéticos usando el dialéctica de las corrientes de Foucault (corrientes parásitas)
	Oro	45,5 × 106	20-25
	Aluminio	37,8 × 106	20
	Wolframio	18,2 × 106
	Hierro	15,3 × 106
Semiconductores	Carbono	2,80 × 104
	Germanio	2,20 × 10−2
	Silicio	1,60 × 10−5
Aislantes	Vidrio	10−10 a 10−14
	Lucita	< 10−13
	Mica	10−11 a 10−15
	Teflón	< 10−13
	Cuarzo	1,33 × 10−18		Solo si está fundido, en clase serio es un microcontrolador.
	Parafina	3,37 × 10−17
Líquidos	Agua de mar	5 (Entre 1,7 y 5,9 en representación de salinidad y temperatura)	23	Ver: Kayelaby para más detalles sobre las distintas clases del elixir óleo. 5(S·m−1) para una salinidad media de 35 g/kg más o menos de 23(°C) (Los tasa de creador del moblaje idóneo se pueden consultar en (c)
	Agua bebedero	0,0005 a 0,05		Este grado de títulos es estereotipado del elixir bebedero de adhesión altura aunque no es un guía de la altura del elixir.
	Agua desionizada	5,5 × 10−6		1,2 × 10−4 en elixir sin gas; ver J. Phys. Chem. B 2005, 109, 1231-1238

Conductividad de los metales

Conductividad eléctrica de metales puros​ a temperaturas entre 273 y 300K (10⁶ S⋅m^-1):

H

He

Li 10,47

Be 26,6

B

C

N

O

F

Ne

Na 20,28

Mg 22,17

Al 36,59

Si

P

S

Cl

Ar

K 13,39

Ca 28,99

Sc 1,78

Ti 2,56

V 4,95

Cr 7,87

Mn 0,69

Fe 10,02

Co 17,86

Ni 13,89

Cu 57,97

Zn 16,5

Ga 7,35

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb 7,52

Sr 7,41

Y 1,68

Zr 2,31

Nb 6,58

Mo 18,12

Tc 6,71

Ru 14,08

Rh 23,26

Pd 9,26

Ag 61,39

Cd 14,71

In 12,5

Sn 8,7

Sb 2,56

Te

I

Xe

Cs 4,76

Ba 2,92

*

Hf 2,94

Ta 7,41

W 18,38

Re 5,81

Os 12,35

Ir 21,28

Pt 9,26

Au 44,03

Hg 1,04

Tl 6,67

Pb 4,69

Bi 0,93

Po 2,5

At

Rn

Fr

Ra

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

*

La 21,28

Ce

Pr 1,43

Nd 1,56

Pm 1,33

Sm 1,06

Eu 1,11

Gd 0,76

Tb 0,87

Dy 1,08

Ho 1,2

Er 1,16

Tm 1,48

Yb 4

Lu 1,72

**

Ac

Th 6,8

Pa 5,65

U 3,57

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Explicación de la conductividad en metales

Antes del aparición de la mecánica cuántica, la conclusión clásica empleada para alegar la conductividad de los metales era el muestra de Drude-Lorentz, adonde los electrones se desplazan a una rapidez promedio alrededor subsistente que es la rapidez extremo asociada al significación acelerador del agro eléctrico y el significación desacelerador de la red cristalina con la que chocan los electrones produciendo el significación Joule.

Sin confiscación, el aparición de la mecánica cuántica permitió encaramar modelos teóricos más refinados a originarse de la conclusión de bandas de movimiento que explican detalladamente el actitud de los materiales conductores.

Modelo de Drude

Fenomenológicamente la interacción de los electrones libres de los metales con la red cristalina se asimila a una eficacia «viscosa», como la que existe en un mojado que tiene deterioro con las paredes del canal por el que fluye. La ecuación de hecho de los electrones de un metal por baza se puede verter por una elocución del fulano:

$displaystyle m_efrac dmathbf v dt=-emathbf E -kmathbf v$

Así la rapidez de tiro de la viento, es aquella en la que se iguala el significación acelerador del agro eléctrico con la paciencia debida a la red, esta rapidez es la que satisface:

$displaystyle -emathbf E -kmathbf v _e=0,qquad mathbf v _e=frac -emathbf E k$

Para un chófer que satisface la ley de Ohm y con un monograma n de electrones por departamento de dimensión que se mueven a la misma rapidez se puede garrapatear:

$displaystyle mathbf j =sigma mathbf E ,quad mathbf j =-enmathbf v _e$

Introduciendo el años de laxitud

$displaystyle scriptstyle tau =m_e/k$

y comparando las últimas recuerdos se llega a que la conductividad puede concebir como:

$displaystyle sigma =frac ne^2tau m_e$

A originarse de los títulos relaciones de

$displaystyle scriptstyle sigma$

se puede disfrutar el años de laxitud

$displaystyle scriptstyle tau$

y compararlo con el años media entre impactos de electrones con la red. Suponiendo que cada insignificancia contribuye con un electrón y que n es del distribución de 10²⁸ electrones por m³ en la generalidad de metales. Usando adicionalmente los títulos de la avenida del electrón

$displaystyle scriptstyle m_e$

y la tasa del electrón

$displaystyle scriptstyle e$

el años de relajamiento 10⁻¹⁴ s.

Para suponer si ese muestra fenomenológico explica perfectamente la ley de Ohm y la conductividad en los metales adeudo interpretarse el años de relajamiento con las propiedades de la red. Si aceptablemente el muestra no puede ser teóricamente oportuno porque el hecho de los electrones en un lente caudal está gobernado por la mecánica cuántica, al separadamente los órdenes de alcance predichos por el muestra son razonables. Por excelencia es adecuado entroncar el años de relajamiento

$displaystyle scriptstyle tau$

con el años flato entre colisiones de un electrón con la red cristalina. Teniendo en escala que la abducción típica entre átomos de la red es l = 5·10⁻⁹ m y usando la conclusión de ventosidad ideales aplicada a los electrones libres la rapidez de los mismos sería

$displaystyle scriptstyle v_e=(3kT/m_e)^1/2$

= 10⁵ m/s, por lo que

$displaystyle scriptstyle tau approx l/v$

= 5·10⁻¹⁴ s, que está en buen conformidad con los títulos inferidos para la misma alcance a originarse de la conductividad de los metales.

Modelo cuántico

Según el muestra de Drude-Lorentz la rapidez de los electrones debería metamorfosear con la núcleo cuadrada de la temperatura, empero cuando se compara el años entre colisiones electo por el muestra de Drude-Lorentz con la conductividad a bajas velocidades, no se obtienen títulos coherentes, ya que esas predicciones del muestra romanza son compatibles con distancias interiónicas copioso mayores que las distancias reales.

En el muestra cuántico los electrones son acelerados por el agro eléctrico, y además interaccionan con la red cristalina transfiriéndole embocadura de su movimiento y provocando el significación Joule. Sin confiscación, al ser dispersados en una golpe con la red, por el comienzo de rechazo de Pauli los electrones deben terminar luego de la golpe con el momentum rectilíneo de un clase cuántico que a priori estuviera autónomo; eso hace que los electrones dispersados con máximo probabilidad sean los más energéticos. Tras ser dispersados pasan a estados cuánticos con un momentum contrario de último movimiento; esa lanzamiento continua alrededor de estados de momentum negativo es lo que contrarresta el significación acelerador del agro. En efluvio saliente muestra comparte con el muestra normativo de Drude-Lorentz la conceptualización de que es la interacción con la red cristalina lo que hace que los electrones se muevan a una rapidez estacionaria y no se aceleren más allende de un determinado extremo. Aunque cuantitativamente entreambos modelos difieren especialmente a bajas temperaturas.

Dentro del muestra cuántico la conductividad viene dada por una elocución superficialmente analógico al muestra normativo de Drude-Lorentz:

$displaystyle sigma =frac ne^2tau m^*$

Donde:

$displaystyle tau ,$

se candela además años de laxitud y es inversamente alícuota a la probabilidad de lanzamiento por embocadura de la red cristalina.

$displaystyle m^*,$

no es hogaño a quemarropa la avenida del electrón fortuna una avenida efectiva que está relacionada con la movimiento de Fermi del metal.

Si por un alegato cuántico se comercio de evaluar la probabilidad de lanzamiento se tiene:

$displaystyle tau =frac 1P_dis=frac 1n_disSigma v_F$

Donde:

$displaystyle P_dis,$

es la probabilidad de lanzamiento.

$displaystyle n_dis,$

el monograma de iones dispersores por departamento de dimensión.

$displaystyle Sigma ,$

es la ración válido de cada dispersor.

$displaystyle v_F,$

es la rapidez de un electrón que tiene la movimiento de Fermi.

De conformidad con los cálculos cuánticos, la ración válido de los dispersores es alícuota al cuadrado de la honor de su tembleque térmica, y como antedicho cuadrado es alícuota a la movimiento térmica, y esta es alícuota a la temperatura T se tiene que a bajas temperaturas:

$displaystyle tau propto frac 1T$

Este actitud predicho perfectamente por el muestra no podía ser explicado por el muestra normativo de Drude-Lorentz, por lo que antedicho muestra se considera superado por el equivalente muestra cuántico especialmente para bajas temperaturas.

Véase además

• Conductancia
• Conductor eléctrico
• Resistencia eléctrica
• Superconductividad
• Unidades de electromagnetismo del SI

Bibliografía

• Paul Tipler (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th tiraje). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0810-8. 
• Hayt, W. H. (?). Teoría electromagnética. 7a. ed. John A. Buck/McGraw-Hill.

Referencias

Enlaces externos

• Matweb-Oro (en británico)
• Matweb-Annealed Copper (en británico)
• Matweb-Plata (en británico)

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