Significado de conductor, aislante y semiconductor Definición, ejemplos, y diferencia
Licenciada en Física
Definición formal
Los materiales se diferencian en la facilidad que tienen para conducir la carga eléctrica. Se sabe que casi todos los metales son buenos conductores de la electricidad, mientras que la madera o el plástico no lo son, identificándose como aislantes. Por su parte, existen los semiconductores, con propiedades a medio camino entre aislantes y conductores, que bajo ciertas condiciones se comportan como uno u otro; la cera por ejemplo es aislante en su estado sólido, pero es conductora en estado líquido.
Las diferencias se deben al tipo de átomo que conforma cada material. Como es sabido, los átomos contienen partículas cargadas (electrones y protones) y neutras (neutrones). La carga eléctrica en sí es una propiedad de algunas partículas e inseparable de ellas, y por lo tanto, de la materia.
Tanto los protones como los neutrones se concentran en una minúscula región del átomo llamada núcleo, mientras que los electrones ocupan determinadas posiciones a su alrededor, sujetos por la atracción electromagnética que se produce entre cargas de signos opuestos y a la repulsión entre los mismos electrones, por ser del mismo signo.
Ocurre que en ciertos átomos, existe al menos un electrón, en la capa más externa, que tiene libertad para movilizarse en el material. A estos electrones, que no están anclados a un átomo en particular se les conoce como “electrones libres” y son los responsables de que la sustancia en cuestión sea buena conductora, tanto de la electricidad como del calor, además de otras propiedades típicas de los metales, como el brillo y la maleabilidad.
En cambio, los electrones de los materiales no conductores están bien sujetos a la atracción eléctrica del núcleo y permanecen en un determinado átomo, ello es la causa de que las cargas no se trasladen dentro del material.
Ejemplos de conductores regidos por la capacidad de conductividad eléctrica
Existe una magnitud para medir que tan buena conductora es una sustancia y se llama conductividad, que es la capacidad de conducir una corriente al aplicar una diferencia de potencial. La condutividad depende de varios factores, como la estructura atómica de la sustancia, la temperatura y la humedad.
Los metales como los ya mencionados tienen una elevada conductividad a temperatura ambiente, mientras que al otro extremo están los aislantes: vidrio, caucho, aceite y madera entre otros, cuya conductividad es muy baja.
Entre los materiales conductores, el cobre es comúnmente utilizado para fabricar el cableado de aparatos e instalaciones eléctricas. Otros metales que también son buenos conductores son la plata, el oro y el aluminio, los dos primeros son costosos, por lo que se emplean en contadas ocasiones para aplicaciones muy específicas. El aluminio en cambio, no es tan buen conductor como el cobre pero sí es más ligero y económico.
La razón de que estos metales sean buenos conductores es, como se dijo antes, que cada átomo en ellos tiene al menos un electrón libre, vinculado débilmente al núcleo y que puede trasladarse fácilmente en el material.
Sin embargo, la sustancia con mayor conductividad que se conoce hasta ahora no es un metal, se llama grafeno y es una forma de carbono, al igual que lo son el grafito de los lápices y el diamante, pero este último no es buen conductor de la electricidad, aunque es el mejor conductor térmico.
Las diferencias entre las distintas formas del carbono procede de la disposición de los átomos. En el grafito y el grafeno, el patrón es hexagonal y regular, dispuesto en láminas que permiten el paso de los electrones entre unas y otras, pero en el diamante, la estructura tetraédrica no facilita la movilidad de los portadores de carga.
La escala de valores de la conductividad es muy amplia, por ejemplo la conductividad del grafeno es 98,7 × 106 Ω-1∙m-1, mientras que en la parafina, una sustancia aislante, es 3,37 × 10−17 Ω-1∙m-1.
Ejemplos e importancia de los aislantes
Los aislantes forman parte de los materiales no conductores, aquellos cuya conductividad es muy baja y casi no permiten el paso de la corriente eléctrica. Resultan de gran valor en instalaciones eléctricas de todo tipo, utilizándose sobre todo como recubrimiento para evitar contactos no deseados entre los distintos alambres y partes conductoras, así como entre estos y los seres vivos. Hay aislantes adecuados para cada aplicación, desde barnices hasta recubrimiento plástico.
Asimismo hay materiales aislantes que forman parte de los elementos de circuito llamado capacitores, ya que al integrarse entre las placas conductoras, elevan en gran medida la capacitancia del dispositivo sin que aumente el tamaño de este. En este caso actúan como dieléctricos, siendo frecuente el uso de mica, papel y aceite.
Aislantes muy conocidos son el vidrio, la porcelana, el plástico, la ebonita, la mica, el aire seco y el mismo vacío. Como se dijo previamente, la conductividad de los materiales abarca un amplísimo rango de valores, por lo que es de esperar que algunos aislantes sean más eficientes que otros.
La temperatura y la humedad son factores que desempeñan un papel importante en la capacidad de aislamiento, ya que algunas sustancias la pierden casi por completo en ambientes muy húmedos. Por otro lado, el aislante debe ser capaz de resistir altas temperaturas, puesto que el paso de corriente a través de los materiales genera una gran cantidad de calor.
Ejemplos de semiconductores
Elementos como el silicio y el germanio son aislantes a bajas temperaturas y en estado puro, pero añadiendo determinadas impurezas y elevando la temperatura, se consigue una buena capacidad de conducción, casi comparable a la de los metales. Son imprescindibles para fabricar componentes electrónicos, y se los puede ubicar en la tabla periódica en la diagonal que separa los metales de los no metales.
Desde mediados del siglo XX comenzaron a utilizarse en diodos, transistores y otros dispositivos electrónicos, y por su eficacia y durabilidad, se logró reducir el tamaño y los costos, sobre todo en equipos de computación y telecomunicaciones, significando así una verdadera revolución en estos campos.
Trabajo publicado en: Abr., 2021.
