¿Por qué el cobre es tan utilizado en sistemas eléctricos?
La principal razón para utilizar el cobre es su excelente conductividad eléctrica o, en otras palabras, su baja resistencia eléctrica. La resistencia es indeseable, pues produce pérdidas de calor cuando el flujo eléctrico circula a través del material. El cobre tiene la resistencia eléctrica más baja de todos los metales no preciosos.
¿Existen otros materiales que puedan ser utilizados como conductores eléctricos?
Sí, casi todos los materiales conducen la electricidad en un cierto grado. Pero para ser un serio candidato a ser utilizado como conductor eléctrico, un material debe combinar una conductividad muy alta con pocas pero importantes características mecánicas. Por esa razón, prácticamente, los materiales más utilizados como conductores son los metales.
Los llamados superconductores son materiales especiales que tienen, en ciertas circunstancias específicas, una conductividad eléctrica casi perfecta. Algunos de los materiales superconductores son aleaciones de cobre. Los superconductores deben ser operados a muy bajas temperaturas (temperaturas inferiores a - 200º C para algunos materiales) y eso es muy difícil desde el punto de vista práctico en un gran sistema.
Europa, por ejemplo, tiene 7 millones de kilómetros entre líneas y cables de electricidad, imagine tratar de mantenerlos a -200 º C . Esto no sólo es virtualmente imposible, sino que además requeriría de una gran cantidad de energía para mantener el enfriamiento. Los superconductores, sin embargo, son muy útiles en circunstancias específicas, por ejemplo, donde debe ser transportada una gran cantidad de energía eléctrica o dónde los espacios son limitados, como es el caso de grandes áreas urbanas con gran densidad de energía, y en subestaciones de transmisión.
Aparte de los superconductores, cuatro metales sobresalen por su gran conductividad: la plata, el oro, el cobre y el aluminio. Debido a que la plata y el oro son demasiado costosos, el cobre y el aluminio son los principales candidatos. Otros metales tienen mucha mayor resistencia, por lo que son menos pertinentes.
¿Tienen el cobre y el aluminio la misma conductividad?
No exactamente. La resistencia del aluminio es 65% más alta que la de cobre. Como resultado de esto, para conducir la misma corriente eléctrica, un cable de aluminio necesitará una sección transversal un 65% más grande que la de un cable de cobre.
Pero esa no es toda la historia. Además de menos conductivo, el aluminio es tres veces más liviano que el cobre. Como resultado de esto, el cobre y el aluminio tienen cada uno sus propias áreas de aplicación.
¿Cuáles son ejemplos típicos para los campos de aplicación de ambos metales?
Para cables aéreos, el peso de los cables es el factor decisivo, por eso el aluminio es el que más se usa. Esto significa conductores más voluminosos, pero no es significativo a la hora de diseñar una línea aérea.
Para cables bajo tierra que transportan alto voltaje, el cobre es el más pertinente; en este caso el mayor costo de este material se debe a su aislamiento. El aluminio puede significar un conductor de mayor área , por lo que se necesitará una mayor cantidad de material de aislamiento para rodearlo, lo que puede redundar en un cable de mayor costo. Consecuentemente, en este caso, se prefiere a menudo el menor volumen que ofrece el cobre.
Otra ventaja del cobre para aplicaciones bajo tierra es su alta resistencia contra la corrosión. Esta es la razón por la que las líneas aéreas en zonas costeras, son a menudo construidas en cobre en vez de aluminio.
¿Qué conductor usar en cables eléctricos de hogares y oficinas?
En casas y oficinas, el cobre se utiliza por razones prácticas. Los terminales de conexión como para enchufes hechos de aluminio serían mucho más grandes, lo que resultaría muy poco práctico. Los cables también serían más gruesos y se necesitarían ductos o bandejas más grandes. Además, como los cables de cobre son hechos por un número importante de finos hilos de ese material, son altamente flexibles y fáciles de pasar a través de los ductos.
Existe otra razón del porqué se prefiere el cobre en los edificios, y es que éste permite que un alambre y un Terminal de prensa puedan ser conexionados sin deformaciones del conductor, situación que es altamente conveniente (ver figura). Estas conexiones no pueden ser hechas en alambres de aluminio. Bajo la presión del tornillo, el aluminio podría dilatarse, disminuyendo su área activa, lo que deriva en una conexión debilitada, con gran riesgo de sobre temperatura y la probabilidad del fuego asociado.
¿Existen otros criterios importantes aparte de la conductividad y densidad?
Sí existen. El cobre posee excelentes características que lo convierten en el conductor por excelencia en equipos eléctricos. Mecánicamente, es un material más fuerte que el aluminio, y consecuentemente más durable. Esto es especialmente verdadero para aplicaciones en entornos exigentes, tales como guarniciones de alambre para coches, alambre magnético para motores eléctricos o cables de poder en entornos industriales.
Además, posee un bajo coeficiente de dilatación térmica, que implica una baja expansión cuando se calienta; esto implica proveer menos espacio libre para la expansión del material en los equipos. El cobre, además, tiene una mayor capacidad térmica que el aluminio (cuando se hace referencia a unidad por volumen), lo que significa que se puede disipar más calor durante procesos pasajeros.
Los diseños en cobre generalmente derivan en aplicaciones eléctricas más compactas. Esta compactación, además, economiza en los materiales no conductores del aparato. Como resultado, un diseño basado en el uso de cobre puede terminar siendo más liviano que su equivalente en aluminio, a pesar del mayor peso especifico que tiene el cobre.
¿Cuáles son las propiedades físicas más relevantes del cobre y el aluminio en aplicaciones eléctricas?
Las características más importantes están en la siguiente tabla:
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