¿Qué son los Materiales Conductores Electrónicos?
Los materiales conductores elctrónicos son materiales que pueden conducir la electricidad con electrones libres.
Los materiales conductores electrónicos más comunes son los metales, los semiconductores y los polímeros conductores. Los metales tienen propiedades altamente conductoras debido a la presencia de electrones libres.
Los semiconductores, por su parte, son poco conductores, pero su conductividad puede controlarse mediante dopaje y otras técnicas. Los materiales polimericos conductores son flexibles, ligeros y tienen un rendimiento conductor ajustable debido a la presencia de partes cargadas en la molécula.
Los materiales conductores electrónicos se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos, circuitos, sensores, iluminación, vehículos eléctricos y células solares.
Usos de los Materiales Conductores Electrónicos
Las principales aplicaciones de los materiales conductores electrónicos son:
1. Dispositivos Electrónicos
Los transistores, los diodos y los circuitos integrados (CI) son algunos ejemplos. Los transistores son un tipo de dispositivo electrónico utilizado para amplificar y conmutar señales eléctricas. Los transistores se fabrican con materiales semiconductores (principalmente silicio). Los diodos son un tipo de dispositivo electrónico fabricado con materiales semiconductores (principalmente silicio) que permiten que la corriente fluya en una dirección.
2. Circuitos Eléctricos y Electrónicos
Por ejemplo, el cableado y los circuitos impresos. Una placa de circuito impreso (PCB) es una placa en la que se montan circuitos electrónicos y en la que se forman trazas para que los componentes puedan conectarse y formar un circuito. Una traza es un conductor hecho de “lámina de cobre o tinta conductora” que conecta los componentes de una placa de circuito impreso.
3. Sensores
Los sensores de aceleración, los sensores de presión y los sensores de temperatura son algunos ejemplos.
4. Iluminación
LED, lámparas fluorescentes, etc. Los LED (en inglés: Light Emitting Diode) son un tipo de dispositivo semiconductor que emite luz cuando la electricidad fluye a través de él.
5. Dispositivos Electrónicos
Ordenadores, teléfonos inteligentes, tabletas y electrodomésticos.
6. Equipos de Transporte
Trenes, vehículos eléctricos, ascensores, puertas automáticas, etc.
Tipos de Materiales de los Conductores Electrónicos
Se utilizan los siguientes tipos de materiales conductores electrónicos.
1. Metales
Los metales como el cobre, el aluminio, el hierro, la plata y el oro son conocidos como materiales conductores electrónicos. Los metales tienen una conductividad eléctrica muy alta, ya que los electrones pueden moverse libremente.
2. Semiconductores
Los materiales conductores electrónicos son los semiconductores, como el silicio, el arseniuro de galio y el nitruro de galio. Los semiconductores son materiales con baja conductividad eléctrica en estado puro, pero su conductividad eléctrica puede controlarse añadiendo impurezas.
3. Electrolitos
Los compuestos iónicos y los líquidos (compuestos iónicos que se han disuelto en estado líquido) se utilizan como materiales conductores electrónicos. Los electrolitos son conductores de la electricidad debido al movimiento de los iones. Los electrolitos se utilizan en dispositivos de conversión de energía como baterías, pilas de combustible y sensores electroquímicos.
Los compuestos iónicos son compuestos formados por cationes y aniones. Los compuestos iónicos pueden conducir la electricidad cuando se disuelven en agua, ya que se ionizan y se descomponen en cationes y aniones.
4. Polímeros Conductores
Polímeros como el poliacetileno, el polipirrol y la polianilina se utilizan como materiales conductores electrónicos. Los polímeros conductores se utilizan como materiales electrónicos orgánicos, por ejemplo, en pantallas EL orgánicas.
5. Otros
El desarrollo de nuevos materiales, como los nanotubos de carbono, el grafeno y los óxidos metálicos, ha dado lugar a diversos tipos de materiales conductores electrónicos.
Los nanotubos de carbono son materiales tubulares a nanoescala formados por átomos de carbono unidos en una red hexagonal. El grafeno es un material bidimensional formado por una sola capa de átomos de carbono que se caracteriza por su gran resistencia, conductividad y transparencia. El grafeno es una sola capa de grafito exfoliado, en la que los átomos de carbono están dispuestos en una red hexagonal.
Propiedades de los Materiales Conductores Electrónicos
1. Conducen la Electricidad
La razón por la que los materiales conductores electrónicos pueden conducir la electricidad se debe a la presencia de electrones libres en su interior. Los electrones libres pueden moverse libremente dentro del material, independientemente de los enlaces atómicos o moleculares. Los materiales conductores electrónicos son capaces de conducir la carga debido al movimiento de electrones libres provocado por un campo eléctrico aplicado externamente.
2. Baja Resistencia Eléctrica
En el interior de un material conductor electrónico, los electrones libres se mueven y conducen la corriente debido a un campo eléctrico aplicado externamente. La resistencia se genera cuando los electrones libres chocan con los átomos y moléculas del interior del material.
La razón de la baja resistencia eléctrica de los materiales conductores electrónicos es la estructura cristalina ordenada dentro del material. Una estructura cristalina ordenada reduce el número de átomos y moléculas que chocan con los electrones libres cuando se mueven por el interior del material, lo que se traduce en una baja resistencia. Cuantas menos impurezas y defectos haya en el interior del material conductor electrónico, menor será la resistencia.
3. Alta Conductividad Térmica
En el interior de un material conductor electrónico, los electrones libres absorben la energía del calor aplicado externamente y conducen la energía térmica. El calor se transfiere cuando los electrones libres chocan con átomos y moléculas del interior del material.
La razón de la alta conductividad térmica de los materiales conductores electrónicos es la estructura cristalina ordenada dentro del material. Una estructura cristalina ordenada reduce el número de átomos y moléculas que chocan con los electrones libres cuando se mueven por el interior del material, lo que facilita una transferencia de calor uniforme. Además, cuantas menos impurezas y defectos haya en el interior del material conductor electrónico, mayor será su conductividad térmica.
4. La Electricidad Genera un Campo Magnético
Un campo magnético es un fenómeno que se produce alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica. En el interior de un material conductor electrónico, un campo eléctrico aplicado externamente hace que los electrones libres se muevan y fluya una corriente eléctrica, lo que genera un momento magnético en el interior del material conductor electrónico y genera un campo magnético.
Para que un material conductor electrónico sea magnético, debe haber suficientes electrones libres en su interior. La presencia de electrones libres facilita el flujo de corriente eléctrica y la transferencia de carga necesaria para la generación de un campo magnético. Las propiedades magnéticas de los materiales conductores electrónicos también tienden a generar un campo magnético en dirección perpendicular a la dirección del flujo de corriente.
Más Información sobre los Materiales Conductores Electrónicos
1. Adición de Impurezas a los Materiales Semiconductores
La conductividad y determinadas propiedades físicas pueden controlarse añadiendo deliberadamente impurezas a los materiales conductores electrónicos. Por ejemplo, la adición de óxidos al cobre aumenta su resistencia eléctrica. Asimismo, añadiendo impurezas como boro al silicio, se pueden crear semiconductores de tipo p y de tipo n.
Los semiconductores de tipo p y n son semiconductores cuyas propiedades eléctricas se controlan añadiendo impurezas específicas al material semiconductor. Los semiconductores de tipo p y n pueden combinarse para formar uniones p-n, que pueden formar elementos y circuitos con propiedades eléctricas únicas.
2. Materiales Conductores Flexibles
Algunos materiales conductores electrónicos son flexibles. Los materiales poliméricos conductores y los nanotubos de carbono son muy flexibles y ligeros, pero mantienen sus prestaciones conductoras. Estos materiales se utilizan en dispositivos electrónicos y sensores con formas que pueden doblarse y estirarse.
3. Materiales Conductores Resistentes a Altas Temperaturas
Algunos materiales conductores electrónicos tienen la capacidad de soportar altas temperaturas. Los nanotubos de carbono, por ejemplo, son conocidos por su elevada conductividad eléctrica en entornos de altas temperaturas. Esto se debe a que los nanotubos de carbono son muy resistentes y su estructura no cambia a altas temperaturas.
4. Resistencia a la Corrosión de Materiales Conductores Electrónicos Metálicos
Los materiales conductores electrónicos suelen tener una alta resistencia a la corrosión. El cobre, por ejemplo, se oxida en el aire, lo que provoca la decoloración de su superficie, pero los óxidos de cobre cubren la superficie y evitan que se siga oxidando.