Conductividad: La Capacidad de los Materiales para Conducir Calor o Electricidad

Conductividad: Térmica y Eléctrica

La propiedad que describe la capacidad de un material para permitir el flujo de calor o electricidad es la conductividad. Es la inversa de la resistividad (ρ).

Conductividad Eléctrica (σ o κ)

• Definición: σ = J / E (Densidad de corriente / Campo eléctrico) = 1 / ρ. Unidad: Siemens por metro (S/m).
• Mecanismo: Flujo de portadores de carga (electrones en metales, iones en electrolitos, electrones/huecos en semiconductores).
• Conductores (σ alta): Plata (63×10⁶ S/m), Cobre (59.6), Oro (45), Aluminio (37.7). Usados para cables, barras colectoras, contactos.
• Insuladores (σ baja): PTFE (10⁻¹⁶), Vidrio (10⁻¹²), Caucho, Cerámica. Usados para aislamiento, dieléctricos.
• Semiconductores (σ ajustable): Si, Ge, GaAs. σ controlado por dopaje (10⁻⁴ – 10⁴ S/m). Base de la electrónica.
• Superconductores: σ = ∞ (ρ = 0) por debajo de T_c. Pérdida DC cero.

Conductividad Térmica (k o λ)

• Definición: Flujo de calor / Gradiente de temperatura. q = -k ∇T. Unidad: Vatios por metro-Kelvin (W/m·K).
• Mecanismo: Vibraciones de la red (fonones) + difusión de electrones (en metales).
• k alta: Diamante (2000), Plata (429), Cobre (401), Aluminio (237), Grafeno (~5000). Usados para disipadores, extendidores, sustratos.
• k baja (Insuladores): Aerogel (0.015), Espuma de poliuretano (0.03), Fibra de vidrio (0.04), Aire (0.026). Usados para aislamiento térmico.

Ley de Wiedemann-Franz

Para metales, la conductividad eléctrica y térmica están vinculadas por electrones libres:

k / σ = L × T (L = número de Lorenz ≈ 2.44×10⁻⁸ W·Ω/K²)

Los buenos conductores eléctricos son buenos conductores térmicos. Excepción: Diamante (k alta, σ=0).

Implicaciones Prácticas

• Dimensionamiento de Cable: σ determina la ampacidad (pérdida I²R → calor).
• Material de Disipador: Al (barato, ligero) vs Cu (mejor k) vs Diamante (extremo).
• Vías Térmicas de PCB: Barriles de Cu conducen calor del componente a los planos.
• TIM (Material de Interfaz Térmica): Pasta/almohadilla k = 1–10 W/m·K llena huecos de aire (k=0.026).
• Selección de Insulador: Alta resistividad eléctrica + alta conductividad térmica (AlN, BeO, Al₂O₃ cerámicas) para módulos de potencia.

Resumen: La conductividad cuantifica cuán fácilmente fluye la energía (carga o calor). Alta σ/k = conductor (Cu, Al). Baja σ/k = insulador (plástico, cerámica). Los semiconductores están entre medio, controlables por dopaje.