Ejército Argentino SECCIÓN ARMAMENTO Escuela de Suboficiales del Ejército SARGENTO CABRAL Ing. Guillermo Corti Electricidad Aplicada EJÉRCITO ARGENTINO ESCUELA DE SUBOFICIALES DEL EJÉRCITO SARGENTO CABRAL SECCIÓN: ARMAMENTO ESPECIALIDAD: Munición y Explosivos MÓDULO: ELECTRICIDAD APLICADA AULA: 1ER AÑO PROFESOR: Ing. Guillermo R. Corti pág. 1 Ejército Argentino SECCIÓN ARMAMENTO Escuela de Suboficiales del Ejército SARGENTO CABRAL Ing. Guillermo Corti Electricidad Aplicada Unidad 1: CONDUCTORES Y AISLADORES Existen efectos naturales que, de tanto verlos desde chicos, nos parecen dados a llamarse así, “naturales”. Pero, hubo gente y la continúa habiendo, que trata de explicar la causa o razón de esos fenómenos, de esas cosas que “pasan” en la vida diaria todo el tiempo en lo que nos rodea, en la naturaleza. Y para eso se valen de u par de herramientas que también todos conocemos: la matemática y el modelado. La matemática ya todos sabemos lo que es: puede ser simple o muy compleja, y ese grado de complejidad se usará de acuerdo al nivel de causa a descubrir. El modelado es un nombre rimbombante que le damos a los dibujitos que hacemos para representar lo que creemos que sucede en la naturaleza. Finalmente, también debemos separar los objetos de estudio, eso que queremos entender. Si lo que queremos explicar o entender es abstracto, es decir, es una suposición pero no la encontramos en la naturaleza, estaremos hablando de las ciencias exactas (lógica y matemática). Pero si lo que queremos explicar existe, es decir, ocupa lugar en la naturaleza, estaremos hablando de ciencias naturales. Y por último, si esta ciencia natural trata de explicar el comportamiento del hombre como tal dentro de un conjunto de iguales (la sociedad), estaremos hablando de ciencias sociales. Si no, de ciencias naturales. Dicho esto, y para la materia que nos ocupa, trataremos de entender el comportamiento y efectos de la electricidad. Pero, ¿qué es la electricidad? Solemos definir a la electricidad como el flujo de electrones. Y ello proviene de entender a los materiales como constituidos por átomos (unidad mínima e indivisible de un material que le confiere las propiedades físicas que se expresan en la naturaleza; menos que ese elemento ya no tiene las propiedades que le vemos). Y modelamos (hacemos “dibujitos”) a los átomos como compuestos por un núcleo que tiene la masa (neutrones) y la carga positiva (protones) toda junta, y alrededor de ellos están girando los electrones (este modelo fue propuesto por un científico llamado Bohr, y de ahí proviene el nombre de átomo de Bohr) La materia se constituye cuando estos átomos se juntan unos a otros, y dependiendo de la cantidad de los elementos que tenga (neutrones, protones y electrones) tendrán diferentes propiedades. Así, por ejemplo, el Hidrógeno es un gas y el Cobre un metal, pág. 2 Ejército Argentino Escuela de Suboficiales del Ejército SARGENTO CABRAL SECCIÓN ARMAMENTO Ing. Guillermo Corti Electricidad Aplicada ambos están constituidos por los mismos elementos (neutrones, protones y electrones), la diferencia de propiedades entonces la da la cantidad que tiene de cada uno de ellos. También, se sabe que el comportamiento (es decir, lo que hacen) de los materiales depende de como estén unidos los átomos. Si la unión es muy débil, encontramos los gases. Si la unión es muy fuerte, encontramos los sólidos, y si es intermedia, los líquidos. Otra cosa que influye en el comportamiento, es la cantidad de electrones que tiene el material en la última órbita: si tiene muchos y cercanos al núcleo, difícilmente se puedan escapar. Pero si tiene pocos y alejados del núcleo, son proclives a “irse” del átomo y quedar libres. Esos materiales que tienen esta última condición mencionada se los llama metales, y tienen enlaces entre sus átomos llamados “metálicos”. Y lo importante aquí es que los electrones de la última órbita están “sueltos” y tienden a irse. Eso le permitirá moverse, es decir, crear ese flujo que hemos definido como electricidad. Las causas de ese movimiento las estudiaremos más adelante. Ahora nos interesa saber que hay materiales que dejan mover a los electrones, a lo que llamamos electricidad, siendo estos materiales los conductores. Los materiales muestran mucha variación en su capacidad de conducir la electricidad. Entonces, habrá que definir las propiedades físicas por medio de las cuales se mide dicha capacidad. Resistividad y conductividad El flujo de una corriente eléctrica involucra el movimiento de portadores de carga, es decir, partículas infinitesimalmente pequeñas que poseen carga eléctrica. En los sólidos, esos portadores de carga son los electrones. En una solución líquida, los portadores de carga son los iones positivos y negativos. El movimiento de los portadores de carga está favorecido por la presencia de voltaje eléctrico, y se le oponen las características propias del material, tales como la estructura atómica y los límites entre los átomos y moléculas. Resistividad La resistencia en una sección uniforme de material (por ejemplo, un conductor) depende de su longitud L, área de la sección transversal A, y la resistividad del material r; siendo la resistencia mayor cuanto más larga es la longitud del conductor, y menor cuanto más grande es la sección del conductor; así la Resistencia que presenta un material al paso de la corriente es: En la segunda fórmula hemos despejado la resistividad, que tiene las unidades de Ωm2/m o Ω-m (Ω-in). La resistividad es la propiedad básica que define la capacidad que un material tiene para oponerse al flujo de la corriente, es decir, cuan bueno de conductor es un material, o cuan bueno de aislante es tal otro material. pág. 3 Ejército Argentino Escuela de Suboficiales del Ejército SARGENTO CABRAL SECCIÓN ARMAMENTO Ing. Guillermo Corti Electricidad Aplicada La tabla siguiente enlista los valores de resistividad para materiales seleccionados. pág. 4 Ejército Argentino Escuela de Suboficiales del Ejército SARGENTO CABRAL SECCIÓN ARMAMENTO Ing. Guillermo Corti Electricidad Aplicada La resistividad no es constante; por el contrario, varía, como tantas otras propiedades, con la temperatura. Para los metales, aumenta con la temperatura. Con frecuencia, es más conveniente considerar a un material como conductor de la energía eléctrica más que como si se opusiera a su flujo. La conductividad de un material es tan sólo el recíproco de la resistividad, donde la conductividad se expresa en las unidades de (Ω-m)–1. Clases de materiales según sus propiedades eléctricas Los metales son los mejores conductores de la electricidad, debido a sus enlaces entre moléculas llamados metálicos. Tienen la resistividad más baja (véase la tabla). La mayoría de las cerámicas y los polímeros, cuyos electrones tienen enlaces estrechos covalentes o iónicos, son malos conductores. Muchos de esos materiales se emplean como aislantes porque poseen resistividades elevadas. En ocasiones, a un aislante se le denomina dieléctrico, porque ese término significa que no es conductor de corriente directa. Es un material que se puede colocar entre dos electrodos sin que conduzca la corriente entre ellos. Sin embargo, si el voltaje es suficientemente alto, la corriente pasará de súbito a través del material, por ejemplo en forma de un arco. La resistencia dieléctrica de un material aislante es, entonces, el potencial eléctrico que se requiere para romper el aislamiento por unidad de espesor. Las unidades apropiadas son volts/m. Además de los conductores y aislantes (o dieléctricos), también hay superconductores y semiconductores. Un superconductor es un material que tiene una resistividad igual a cero. Es un fenómeno que se ha observado en ciertos materiales a temperaturas bajas que se acercan al cero absoluto. Podría esperarse la existencia de este fenómeno debido al efecto tan significativo que tiene la temperatura sobre la resistividad. La existencia de dichos superconductores tiene gran interés científico. Si pudieran desarrollarse materiales con esa propiedad a temperaturas más normales, habría implicaciones prácticas significativas para la transmisión de la energía, las velocidades de conexión electrónica, y aplicaciones del campo magnético. Los semiconductores ya han probado su utilidad práctica, pues sus aplicaciones van desde computadoras grandes a aparatos electrodomésticos y controladores de motores automotrices. Como puede suponerse, un semiconductor es un material cuya resistividad está entre la de los aislantes y la de los conductores. El material semiconductor más utilizado hoy día es el silicio, sobre todo debido a su abundancia en la naturaleza, su relativo bajo costo y facilidad de procesamiento. Como los semiconductores tienen capacidad de alterar el flujo de la corriente, se los utiliza principalmente en puentes rectificadores de corriente alterna a contínua. Aislantes eléctricos Un aislante eléctrico es un material con escasa capacidad de conducción de la electricidad, utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y pág. 5 Ejército Argentino Escuela de Suboficiales del Ejército SARGENTO CABRAL SECCIÓN ARMAMENTO Ing. Guillermo Corti Electricidad Aplicada para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga. Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas. Las piezas empleadas en torres de alta tensión empleadas para sostener o sujetar los cables eléctricos sin que éstos entren en contacto con la estructura metálica de las torres se denominan aisladores. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material. Para más detalles ver semiconductor. Aplicaciones Los aislantes se utilizan obviamente cuando se quiere aislar un material elevado a una determinada tensión o voltaje de otro, o del contacto accidental o voluntario de las personas, protegiendo su vida. Algunos de materiales aislantes comúnmente encontrados son: Madera, plástico, cerámica, goma, corcho, cuarzo, teflón, nylon, vidrio, barniz. Se aplican principalmente en instalaciones eléctricas. Y su tamaño dependerá fundamentalmente del voltaje a aislar (ya que la resistividad depende de la longitud y área) y de la fuerza que deba soportar (esfuerzo mecánico). Se presentan continuación, diferentes tipos de materiales y aplicaciones de los aislantes: pág. 6
