De conductores y aislantes… o la relación entre la ciencia de los materiales y los cerdos

Posted by vigoexiste on enero 29, 2014 · 5 comentarios 

Las cosas que nos rodean deben sus propiedades físicas y químicas al comportamiento de los electrones de sus átomos. Si una mesa de madera es dura, opaca y cálida al tacto es porque los electrones de sus átomos se disponen de una forma muy concreta. A mayor escala, el que la mesa cojee o no es cuestión de cómo de bien se haya diseñado y construido, pero ése es otro tema. El caso es que si pudiéramos cambiar la disposición de los electrones como quien tira de la palanca de una máquina tragaperras, podrían salirnos cosas como una mesa de cristal (frágil, transparente y tirando a fría), una mesa de superficie brillante que puede dar calambre, o una mesa líquida que perdería su forma al instante.

En esta entrada vamos a ver diferentes formas que tienen los materiales de comportarse frente a las ondas electromagnéticas, por ser éstas el vehículo fundamental para transportar información en sistemas de telecomunicaciones. El punto de partida es que podemos manipular las ondas de múltiples formas interponiendo en su camino unos materiales u otros. Piensa, sin ir más lejos, en lo que le pasa a la luz visible al incidir sobre un trozo de vidrio (lo atraviesa sin apenas alterarse), sobre un espejo (se refleja de modo que en su superficie se dibuja lo que tiene enfrente), sobre un metal (también se refleja, pero de manera más difusa) o sobre la superficie de un tomate maduro (se reflejan sólo las componentes dentro de la zona roja del espectro electromagnético). Todos estos efectos encuentran explicación en la disposición de los electrones de los materiales. Veamos un poco de qué va la cosa, que será importante para mucho de lo que contaremos en fechas próximas.

El enlace metálico y los conductores

Todos sabemos intuitivamente lo que es un metal. Formalmente, un metal se caracteriza porque sus átomos se apretujan hasta el punto de que algunos de sus electrones se deslocalizan: dejan de pertenecer a un único átomo y, en lugar de eso, se encuentran sueltos y con libertad de viajar por todo el cuerpo metálico. Es lo que se denomina enlace metálico. Por ejemplo, en el dibujo siguiente se representa la estructura atómica de un trozo de aluminio, con sus núcleos atómicos de 13 protones (cargas positivas), 10 electrones orbitando cada uno de esos núcleos (2 en una primera capa y 8 en una segunda) y una nube de electrones sueltos. Donde cada átomo de aluminio por separado tendría 3 electrones en una tercera capa (resultando 13 cargas negativas en total), al compactarse la estructura esos 3 electrones se ven tan cerca de otros núcleos que saltan a átomos vecinos, y de ahí a otros, y así sucesivamente.

Representación del empaquetado metálico de átomos de aluminio.

Esa nube de electrones sueltos explica las propiedades que más nos interesan de los metales. Para empezar, esos electrones se pueden mover libremente en presencia de un campo electromagnético, dando lugar a la aparición de corrientes eléctricas. Esto define a los metales como materiales conductores de la electricidad. También es fácil ver de dónde les viene la maleabilidad, esto es, la posibilidad de darles forma sin que se rompan. Imagina que le atizas con un martillo a la mitad derecha del dibujo. Eso provocará que los átomos de esa zona se desplacen un poco para abajo, pero la nube de electrones seguirá ahí, actuando como pegamento.

Por otra parte, recordarás que en una entrada anterior habíamos dicho que podemos generar ondas electromagnéticas acelerando electrones. Pues lo contrario también es cierto: si una onda electromagnética se topa con un electrón suelto, le transfiere energía y éste se acelera. Si en vez de un electrón suelto lo que aparece es la nube de electrones de un metal, entonces toda la energía de la onda se invierte en poner dichos electrones en movimiento. En consecuencia, la onda incidente desaparece. Pero la cosa no acaba ahí, porque ese movimiento de los electrones indica que hay cargas eléctricas sometidas a aceleración, y eso lleva aparejada la aparición de una nueva onda electromagnética. Ahora, si tenemos en cuenta, por una parte, que el movimiento de los electrones sueltos sigue las oscilaciones de la onda original, y por otra, que en una de las fórmulas de Maxwell (vale, de Heaviside) aparece un hermoso signo «menos», lo que resulta es una onda igual a la original, pero reflejada. Así pues, un metal es eminentemente un espejo de ondas electromagnéticas, y el hecho de que te puedas ver perfectamente reflejado en él o no dependerá de hasta qué punto esté pulida su superficie.

¿Qué interés tiene esto a efectos de telecomunicaciones? Pues tanto como decir que este fenómeno de reflexión es la principal forma que tenemos de conducir ondas electromagnéticas de un lugar a otro, igual que puedes dirigir un rayo de luz hacia donde quieras con ayuda de un espejo. Toma buena nota, porque mucho de lo que explicaremos más adelante sobre antenas y cables se basará en estas características de los materiales conductores.

Hay que decir que, en condiciones normales, ningún metal se comporta como un espejo perfecto, por lo que una onda reflejada será, como mucho, muy parecida a la onda incidente. Esto es así porque una parte de la energía de ésta se pierde cuando los electrones sueltos, al moverse, chocan entre sí y con los átomos del material. También los electrones «no sueltos» se agitan, aunque quizás no lo suficiente como para sacarlos de donde están. Todo ese movimiento provoca un aumento de la temperatura del material y, nuevamente por las leyes de Maxwell, da lugar a la emisión de una onda electromagnética. Sin embargo, esta nueva onda –denominada radiación térmica– no reproduce en absoluto la forma de la onda incidente, por lo que no contiene nada de su información (como mucho, nos puede informar de la composición química del metal). Este fenómeno se denomina absorción, y se nota más cuanto peor sea el conductor en cuestión.

A todo esto, hay que decir que la absorción no afecta por igual a todas las frecuencias, por lo que las ondas que inciden en un metal normalmente pierden más energía de unas componentes que de otras. Eso explica, por ejemplo, que el Anillo Único refleje la luz visible con mayor presencia de amarillo que de otros colores: las componentes con longitudes de onda del verde para abajo las absorbe, mientras que las del verde para arriba las refleja.

Los electrones explican perfectamente las propiedades de este anillo (salvo su maldad intrínseca, claro 😉

 

Conductores un tanto especiales: los imanes

En general, los movimientos de los electrones sueltos de un metal son aleatorios, es decir, desorganizados, sin un orden aparente. Así pues, en un metal no sólo se cumple que la carga eléctrica total es nula (por haber tantos electrones (-) como protones (+)), sino que además la corriente eléctrica también es nula (porque no hay más electrones que se muevan en un sentido que en otro). En consecuencia, por lo que explicábamos cuando hablamos por primera vez de las leyes de Maxwell, un trozo de metal sin más no genera a su alrededor ni un campo eléctrico ni un campo magnético.

Sin embargo, existen materiales (generalmente con presencia de hierro, cobalto o níquel) cuyos átomos, debido a la disposición que adquieren sus electrones, se comportan como imanes elementales que se pueden alinear en presencia de un campo magnético igual que se orienta la aguja de una brújula. De manera natural, como muestra el siguiente vídeo, unos átomos tiran de otros hasta llegar a disposiciones en las que un trozo de material queda dividido en pequeños compartimentos llamados dominios magnéticos, con millones de átomos alineados que permiten el movimiento ordenado de electrones a lo largo de minúsculos caminos cerrados («microcircuitos«, podríamos llamarles). Esas «microcorrientes» generan campos magnéticos a su alrededor, de modo que cada dominio se comporta como un minúsculo imán.

En el vídeo se observa que los dominios magnéticos se disponen de manera aleatoria, con formas, tamaños y orientaciones cualesquiera, con tal de que el conjunto esté en equilibrio. En una situación así, como la que aparece más a la izquierda en el dibujo siguiente, los pequeños campos magnéticos individuales se anulan unos a otros, y desde fuera no se percibe campo magnético alguno. Pero si el material se expone a un campo magnético suficientemente intenso, entonces pueden orientarse todos los dominios en una misma dirección (véase de nuevo el dibujo) y la caótica red de «microcircuitos» se convierte en una señora red de «microautopistas«: los movimientos de los electrones se ordenan en el espacio, los pequeños campos magnéticos dejan de anularse y resulta… pues eso, un imán, un trozo de material que genera un campo magnético a su alrededor.

Alineamiento de los dominios magnéticos de un trozo de material en presencia de un campo magnético externo.

Todo esto que decimos viene a cuento de que los imanes son en sí mismos una herramienta para generar ondas electromagnéticas. Dado que internamente tienen electrones moviéndose de forma ordenada, si agitas un imán estarás imprimiendo una aceleración al conjunto de cargas eléctricas que forman todos ellos, y ya sabemos lo que pasa entonces: parte de la energía que inviertes en agitar el imán se irradia en forma de onda electromagnética, que para mayor gloria de Faraday llevará impresa en sus oscilaciones la información de si lo has estado moviendo más rápido o más despacio. Eso es medible a distancia. Con eso se puede hacer telecomunicación. Con una cuchara de metal normal y corriente… como que no.

Los aislantes eléctricos

Para completar esta primera aproximación a la ciencia de los materiales, nos queda hablar de los aislantes eléctricos, que se caracterizan por tener sus electrones fuertemente ligados a sus átomos o moléculas. Donde decíamos que los materiales conductores tienen cargas eléctricas sueltas, con libertad para moverse, los aislantes las tienen bien agarradas, por ejemplo, en enlaces iónicos o covalentes (si alguna vez has estudiado algo de química, seguro que te sonarán los nombres). En el siguiente dibujo se representa una molécula de metano, con un átomo de carbono (con sus 6 protones en el núcleo y 6 electrones alrededor, pintados de rojo) y cuatro átomos de hidrógeno (cada uno con 1 protón y 1 electrón, pintado de azul). Esos 5 átomos se colocan por sí solos de modo que cada núcleo «ve» 2 electrones orbitándolo en una primera capa y 8 en una segunda, si la hay. Esa configuración de 2 y 8 electrones (que, como recordarás, ya presentaban los átomos de aluminio del metal de más arriba) resulta ser un equilibrio muy estable, por lo que esos electrones no se van a mover de ahí –salvo que se les presente un estímulo poderoso, como la llama de un mechero. Esto también explica que el metano sea un gas a temperatura ambiente y no un metal, ya que la disposición de los electrones hace que cada molécula sea independiente de las demás: no aparecen fuerzas que lleven a dos o más moléculas a estar juntas.

La molécula de metano, con sus electrones muy cómodos y estables en sus orbitales.

Al igual que hay mejores y peores conductores (dependiendo de la cantidad de cargas eléctricas sueltas y de lo fácil que les resulte moverse por entre los átomos), los aislantes serán mejores o peores en función de cómo de fuerte tenga que ser el estímulo (léase, el campo eléctrico) que perturbe lo suficiente el equilibrio de sus electrones como para hacer que se muevan. En realidad, se pueden ordenar todos los materiales en un ránking de conductividad eléctrica, empezando por buenos conductores como la plata (el mejor de todos), el cobre, el oro, el aluminio, el hierro o la hojalata, y terminando con buenos aislantes como el cristal, el diamante, la goma dura, el aire o el teflón que recubre muchas sartenes. Lo último, el aislante perfecto, sería un no-material: el vacío, donde obviamente no hay cargas eléctricas de ningún tipo que puedan moverse, ni siquiera mínimamente.

En ausencia de cargas eléctricas sueltas, los materiales aislantes no pueden hacer rebotar una onda electromagnética como hacen los conductores. El efecto de reflexión será mínimo, en función de su valor de conductividad. Quedan, pues dos opciones como comportamiento predominante: absorber la onda o dejarla pasar. Ni que decir tiene que hay aislantes de todo tipo, desde los que absorben prácticamente todo hasta los que son casi totalmente transparentes. La absorción se explica porque, por muy cómodos que estén los electrones en sus órbitas, el paso de la onda hace que se agiten, aunque sea mínimamente, y parte de la energía de esas ondas se invierta en calentar el material y en la emisión de radiación térmica. Lo que no se refleja ni se absorbe conforma la denominada onda transmitida, que atravesará el material conservando (más o menos) la forma de la onda original.

El interés de todo esto en materia de telecomunicaciones es obvio: si las ondas electromagnéticas han de llegar a algún sitio, será a través de medios aislantes, y es necesario conocer bien qué condiciones ofrecen para la propagación. El caso es que esas condiciones normalmente varían con la frecuencia, como pasa sin ir más lejos con agua, transparente para la luz visible pero bastante absorbente para frecuencias más bajas y más altas. Esa dependencia de la frecuencia, junto con otras sorpresas derivadas de las disposiciones atómicas (dicroísmo, birrefringencia, no linealidad, …) puede hacer que entra en un cable por un extremo salga por el otro con un cambio de forma importante, que habrá que saber corregir si no se quiere perder la información que transportaba (de ahí el «más o menos» de la última frase del párrafo anterior).

En perspectiva

En esta entrada hemos explicado algunos de los fenómenos que nos permiten hacer uso de los distintos materiales que la naturaleza pone a nuestra disposición para generar, manipular y conducir ondas electromagnéticas, que básicamente es de lo que va esto de las telecomunicaciones. Nos hemos dejado muchas cosas en el tintero, por ejemplo, sobre materiales superconductores, líquidos conductores (como el agua salada, sin ir más lejos) y materiales semiconductores (importantísimos en la tecnología que hemos venido utilizando durante los últimos 70 años). El caso es que la realidad es endiabladamente compleja, pero paso a paso, a base de buen hacer científico, hemos conseguido hincarle el diente. Y cuantos más materiales nuevos vayamos conociendo y caracterizando, mejor, que seguro que les encontraremos utilidad. En el fondo, la ciencia de los materiales es a las telecomunicaciones lo que el cerdo a la gastronomía: se le aprovecha todo.

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