Materia 3. Propiedades Eléctricas de la Materia. FÍS.

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Física

Introducción. El comportamiento de la m., tanto en su reacción a campos eléctricos o/y magnéticos, como en la creación de éstos en respuesta a otras acciones exteriores mecánicas, térmicas, etc., encuentra adecuada explicación, dentro del actual conocimiento microscópico de la m. (v. I, 2), en las cargas eléctricas implícitas en las partículas (v.) que entran a formar parte de la misma

La primera evidencia de la asociación de cargas eléctricas a los constituyentes elementales (átomos o iones) de la materia la establecen las leyes de la electrólisis (v.) formuladas por M. Faraday, con bases experimentales en 1883. Se mantuvo, no obstante, oscurecida esta visión discreta de la electricidad debido fundamentalmente al gran éxito alcanzado por la teoría del campo electromagnético desarrollada por Maxwell, que interpretaba los fenómenos eléctricos a base de distribuciones y movimientos continuos de cargas (V. MAXWELL, ECUACIONES DE). En la década de 1896 a 1906 surge una gran controversia en torno a la naturaleza de los "rayos catódicos" (v. ELECTRÓN) que aparecían en los fenómenos de descarga en alto vacío, que es resuelta por J. J. Thomson (v.) al establecer ya de forma definitiva su carácter corpuscular en electrones, que son los mismos para cualquier tipo de cátodo y constituyen el "cuanto" de electricidad que debe de formar parte de los átomos. En 1906 H. A. Lorentz (v.) da a conocer su teoría de los electrones, que constituye la base de la teoría electrónica clásica de la materia. Esta teoría contribuye, a la vez que absorbe con avidez los nuevos conceptos, a la rápida y fascinante evolución experimentada por la Física (v.) durante la primera mitad del s. XX

Cuando un cuerpo material se somete a un campo eléctrico, las fuerzas que se ejercen sobre las cargas presentes en el cuerpo pueden dar lugar a una serie de fenómenos que a su vez sirven para clasificar la materia que lo constituye, y así tenemos los materiales conductores, dieléctricos y semiconductores. Además de los fenómenos netamente eléctricos, como los que se acaban de mencionar, existen otros fenómenos de los que también es responsable la estructura eléctrica de la materia, pero en los que intervienen otras manifestaciones energéticas; entre éstos cabe mencionar los efectos térmicos y los efectos mecánicos. A éstos hay que añadir, finalmente, los efectos fotoeléctricos

Conductores. En la m. que los forman existen partículas cargadas -cargas libres- que no se encuentran ligadas a posiciones fijas respecto del resto de la materia, por lo que, al actuar sobre ellas las fuerzas debidas al campo eléctrico medio que existe en el interior (v. ELECTROSTÁTICA), se desplazan dando lugar a una conducción o corriente eléctrica (v.), de ahí el nombre de conductores. Si el cuerpo está aislado de forma que la carga neta del mismo no pueda modificarse, se alcanzará un estado estático en eJ que las cargas libres quedan distribuidas sobre la superficie de forma que el campo que ellas crean compense exactamente el campo aplicado. Es de advertir que, en los conductores, la densidad de cargas libres es tan grande que éstas son inagotables y, por tanto, siempre se alcanzará la condición de campo nulo en el interior por grande que sea el campo aplicado

Si el conductor no está aislado, sino que puede ceder y/o admitir cargas a través de conductores en contacto -electrodos- que se mantienen exteriormente a potencial constante, se alcanza un estado estacionario de corrientes distribuidas en el cuerpo de forma que en cada punto se verifica que,en donde E es la intensidad de campo eléctrico en el punto, o, una magnitud característica de la sustancia denominada conductividad, e i la densidad de corriente en el punto dada por la expresióni= nhghvh hsiendo nh, qh y Vh la densidad, carga y velocidad media respectivamente de las partículas (portadores de corriente) de tipo h, extendiéndose la suma a todos los tipos de dichos portadores (V. CORRIENTE ELÉCTRICA)

Dieléctricos. En la m. que los forman no existen cargas libres y, por tanto, no puede producirse una corriente o movimiento neto de portadores que contrarresten el campo aplicado (de ahí que los dieléctricos sean aislantes o aisladores), lo que da lugar a que en el interior del dieléctrico exista un campo de intensidad E después del reajuste de cargas. Puede ocurrir que las moléculas constituyentes de la sustancia, que lógicamente son neutras, tengan o no nulo, en su estado normal, el momento dipolar o momento eléctrico de primer orden (V. ELECTROSTÁTICA). En el primer caso se denominan dieléctricos apolares y en el segundo dieléctricos polares. El momento dipolar de una agrupación de cargas qh, situadas en puntos fijados por los vectores rh, respecto del origen de momentos, está definido porP = 1 ghrh(p=fprdv para una distribución continua de cargas de densidad volumétrica p). Para el caso en que la agrupación de cargas es neutra(yqh=0)dicho momento es independiente del origen elegido. Cuando una molécula de un dieléctrico apolar está sometida a un campo eléctrico, sus cargas pueden redistribuirse de forma que resulte un momento dipolar no nulo -momento inducido- que al menos en primera aproximación será proporcional a la intensidad de campo local, El, que actúa sobre la molécula; es decir:p=a-El

La constante de proporcionalidad a, que puede ser en caso de sustancias anisotropas una magnitud tensorial, se denomina polarizabilidad de la molécula. En una visión macroscópica del dieléctrico podemos considerar a éste, para efectos eléctricos, como una distribución continua de dipolos con un momento por unidad de volumen o intensidad de polarizaciónP=n-p,siendo n el número de moléculas por unidad de volumen en el punto. Como, por otra parte, la intensidad de campo local El para cada tipo de dieléctrico es proporcional al campo medio E en el dieléctrico(E,=.k.E)nos queda para la intensidad de polarización: P = X,E,en dondeXe=n-k ase denomina susceptibilidad eléctrica del dieléctrico. Si el dieléctrico está constituido por moléculas polares, en condiciones normales se encuentra generalmente que el valor medio del momento dipolar por unidad de volumen -polarización- es cero por encontrarse los dipolos moleculares totalmente desordenados en su orientación, debido a la agitación térmica. Cuando actúa sobre él un campo eléctrico, éste tiende a orientarlos en su misma dirección, dando lugar a una intensidad de polarización también proporcional al campo existente en el interior del dieléctricoP=Xe - E

La mayor parte de los dieléctricos mantienen esta linealidad entre las intensidades de polarización y de campo (xe=const.) hasta campos muy próximos a los de ruptura y por esta razón se les denomina dieléctricos lineales

La diferencia fundamental macroscópica entre ambos tipos de dieléctricos es su diferente comportamiento de la susceptibilidad con la temperatura, pues, mientras permanece prácticamente inalterada para los dieléctricos apolares, es en primera aproximación inversamente proporcional a la temperatura absoluta en el caso de dieléctricos polares

Sucede en algunas sustancias cristalinas que las fuerzas internas del cristal mantienen los iones de la red en posiciones que hacen que, aun en ausencia de campo, el momento dipolar por unidad de volumen no es cero. A estas sustancias que presentan una polarización espontánea se les denomina ferroeléctricas, por su comportamiento un tanto análogo a los ferromagnéticos en magnetiSmO (V. DIELÉCTRICOS)

Semiconductores. La clasificación anterior en conductores y aisladores o dieléctricos no es tan rígida como para poder clasificar en ella a todos los tipos de materia conocidos en razón de su conductividad. Existe un grupo de sustancias, a las que pertenecen, p. ej., el germanio (v.) y el silicio (v.), que a muy bajas temperaturas se comportan como excelentes dieléctricos y a temperaturas ordinarias conducen la electricidad, aunque su conductividad es mucho menor, del orden de 10-’ veces, que la de los buenos conductores. Este comportamiento es debido a que cuando la temperatura es suficientemente alta, se hace posible que electrones ligados al núcleo adquieran energía térmica suficiente para liberarse del mismo y convertirse en electrones de conducción

La mejor comprensión del comportamiento de este tipo de sustancias denominadas semiconductores se obtiene mediante el modelo de bandas de energía de los electrones (v.) en sólidos (V. ESTADOS DE LA MATERIA II). Según este modelo, los dieléctricos tienen normalmente todos los niveles de la banda de valencia ocupados (v. VALENCIA QUÍMICA), mientras que la banda de conducción, separada de la anterior por una banda de niveles prohibidos, está completamente vacía. En estas condiciones la conducción no es posible a menos que, mediante algún mecanismo energético, pasen electrones de la banda de valencia a la de conducción, este trasiego de electrones es lo que físicamente corresponde a la liberación de electrones de los niveles exteriores de los átomos (v.); además de la aportación a la conducción del electrón libre, el defecto electrónico en ese átomo, o "hueco" en la banda de valencia, puede, por aceptación de un electrón de un átomo próximo, dar lugar al fenómeno de conducción por huecos

En las sustancias aisladoras la anchura de la banda energética prohibida es tan grande que la densidad de portadores (electrones libres y "huecos") que se originan a temperatura ordinaria es muy pequeña, con lo que la conductividad es prácticamente nula. En los semiconductores se presenta esta misma estructura, pero la anchura de dicha banda prohibida es muy pequeña, y la densidad de portadores a temperaturas ordinarias es suficientemente elevada para que la conductividad sea apreciable. No se puede, evidentemente, establecer una separación nítida entre dieléctricos y semiconductores, pero para temperaturas ordinarias en torno a la de 3000K se pueden considerar como aisladores (semiconductores) aquellas sustancias cuya anchura de banda prohibida es superior (inferior) a 2,5 eV. (El electrón-voltio, eV, es la energía cinética ganada por un electrón cuando es acelerado por el campo existente entre dos puntos cuya diferencia de potencial es de un voltio)

En el comportamiento de los semiconductores influyen enormemente la concentración y tipo de impurezas que posean, aunque éstas figuren en cantidades pequeñísimas. Los semiconductores tienen propiedades características muy específicas que, aparte de contribuir grandemente con su estudio a un mejor conocimiento de la materia en estado sólido, han revolucionado la tecnología electrónica, campo en eJ que sus posibilidades son todavía imprevisibles en la moderna técnica de la microelectrónica (V. SEMICONDUCTORES)

Efectos térmicos. El más simple de todos es el de generación de calor por disipación de energía eléctrica en el seno de un conductor recorrido por una corriente (efecto Joule; V. CORRIENTE ELÉCTRICA)

Cuando dos metales están en contacto íntimo de forma que pueda haber intercambio de electrones libres, éstos se redistribuyen dando lugar a la aparición de una diferencia de potencial de contacto que depende de la temperatura a que se encuentra la soldadura. En 1822 T. J. Seebeeck descubrió que en un circuito cerrado constituido por dos o más materiales distintos, con sus soldaduras a diferentes temperaturas, se genera una fuerza electromotriz que da lugar al paso de una corriente (efecto Seebeck). En 1834, J. C. A. Peltier descubrió el fenómeno inverso: si por un circuito heterogéneo se hace circular una corriente, en la unión de dos conductores diferentes se absorbe o se desprende (según el sentido de la corriente) una cantidad de calor superpuesto al de efecto Joule (efecto Peltier). William Thomson en 1854 predijo, y más tarde puso de manifiesto experimentalmente, el fenómeno que se conoce como efecto Thomson que se refiere a la absorción reversible de calor que se produce en un conductor homogéneo en el que existe un gradiente de temperatura cuando es atravesado por una corriente. Los tres efectos están relacionados entre sí termodinámicamente y pueden dar lugar a diversos dispositivos de interés práctico en termometría, generación de energía eléctrica, control, etc. (V. TERMOELECTRICIDAD)

La posibilidad de emisión de electrones de la superficie de los metales cuando éstos se encuentran a temperaturas elevadas, efecto termoelectrónico o termoiónico, ha desempeñado un papel preponderante en el desarrollo de la electrónica (v.), ya que junto con el de emisión secundaria, o emisión de electrones por choque con otros electrones o iones de alta energía, constituyen la principal fuente de electrones libres en las válvulas de vacío (V. TERMOlÓNICA)

Efectos mecánicos. Cuando ciertos cristales anisótropos están sometidos a tensiones mecánicas y sufren, por tanto, deformaciones elásticas, aparece además una polarización eléctrica que en primera aproximación es proporcional a la tensión aplicada. Inversamente, cuando un cristal de este tipo está sometido a un campo eléctrico aparecen tensiones mecánicas y, como consecuencia, deformaciones. El fenómeno se denomina piezoelectricidad y a las sustancias que la presentan piezoeléctricas. Superpuesto a este efecto existe otro, general para todos los cuerpos, denominado electrostricción, consistente en las tensiones y consiguientes deformaciones experimentadas por un cuerpo bajo la acción de un campo eléctrico, pero que en este caso son dependientes (en primera aproximación proporcionales) del cuadrado de la intensidad del campo eléctrico. Las constantes de proporcionalidad (coeficientes piezoeléctricas y de electrostricción) son, en general, magnitudes tensoriales. En sustancias isotrópicas, en las que sólo hay efecto electrostrictivo, se anulan las tensiones no normales

Las propiedades piezoeléctricas de ciertos materiales, de las que el cuarzo (Si02) y la sal de Rochelle (sal de sodio y potasio del ácido tartárico, NaKC406.4H20) son los ejemplos más representativos, se utilizan ampliamente para la producción de ultrasonidos (v.), líneas de retardo ultrasónicas, control de osciladores (v.) electrónicos, etc

Efectos fotoeléctricos. La incidencia de radiación luminosa sobre un material puede dar lugar a la emisión de electrones, efecto fotoemisivo o propiamente fotoeléctrico; a la variación de la conductividad de la sustancia por incremento de la densidad de portadores, efecto fotoconductivo; y, por último, puede dar lugar a una fuerza electromotriz aprovechable exteriormente como energía eléctrica, efecto fotovoltaico

Puede también inversamente producirse, por medio de campos y corrientes en el interior de la sustancia, emisión luminosa: electroluminiscencia

Todos estos fenómenos dan lugar a dispositivos prácticos ampliamente utilizados como elementos de circuito en la moderna electrónica (V. FOTOELECTRICIDAD)

V.t.: ÁTOMO; ELECTRÓN; ELECTRÓNICA; ESTADO SÓLIDO; MATERIA 11, 4; PLASMAS; SUPERCONDUCTIVIDAD

M. RODRÍGUEZ VIDAL

BIBL.: N. CUSACK, The Electrical and Magnetic Properties ol Solids, Londres 1967; E. DURAND, Electrostatique, II, Les milieux matériels, París 1966; C. KITTEL, Introduction to solid State Physics, 4 ed. Nueva York 1971 (existe trad. al español de la 2 ed., Barcelona 1965); F. SEITz, The Modern Theory of Solids, Nueva York 1940; J. C. SLATER, Quantum Theory of Matter, Nueva York 1951; L. SOLYMAR y D. WALSM, Lectures on the Electrical Properties of Materials, Oxford 1970; J. J. THOMSON, The Corpuscular Theory of Matter, Londres 1907