¿Por qué los metales son buenos conductores de calor y electricidad?

La mayoría de los buenos conductores eléctricos son elementos que tienen un solo electrón en su orbital electrónico más externo. A medida que la corriente fluye de acuerdo con esta analogía, cada electrón más externo es como una bola de billar que golpea la bola de billar adyacente (electrón), que luego golpea el electrón externo del siguiente átomo, y así sucesivamente, hasta que la corriente fluye continuamente a lo largo del conductor. Los mejores conductores eléctricos tienden a tener electrones individuales en su capa más externa, por ejemplo, la plata es el conductor eléctrico más conocido bajo temperatura y presión estándar. Se ha designado que la plata tiene una conductividad de (1.0), al menos en términos de convenciones electrónicas, ya que establece el estándar para los conductores.

La conducción de calor, o movimiento térmico, también es mayor en conductores con las mismas características basadas en el número de electrones en la capa más externa del átomo. Sin embargo, con el caso del calor y su transferencia, una gran separación eléctrica de las cargas no es relevante o está presente y, por lo tanto, no impulsa el movimiento de los electrones por una vía dirigida. La ausencia de la energía potencial, o fuerza electromotriz, que es el modelo de voltaje en la electromagnética y la electrodinámica clásicas, conduce la conducción de corriente eléctrica por un camino particular que difiere de la conducción de calor que se transfiere libremente a través de un conductor por la cinética. El movimiento de los átomos que afectan a los átomos vecinos a medida que la energía térmica se extiende por todo el material conductor y la disipación de calor se pueden describir en términos de potencia en la termodinámica clásica.

En un conductor eléctrico, la expectativa es que el flujo de corriente sea equivalente y se distribuya por todo el diámetro del conductor. En cambio, la mayoría de la corriente se mueve a lo largo de la superficie del conductor, un fenómeno conocido como el “efecto de la piel”. El modelo describe cómo los electrones comienzan en el centro del conductor y luego se mueven hacia afuera, hacia la superficie del conductor. El efecto de la piel me recuerda el descubrimiento de Faraday de que las cargas se acumulan en las superficies de los conductores.

Para un conductor térmico (que podría consistir en el mismo material), el calor se distribuye uniformemente y se extiende en todas las direcciones a través del material a través de la conducción.

Como comparación, los aisladores eléctricos (por ejemplo, espuma de poliestireno) no conducen bien la electricidad, aunque son excelentes generadores de electricidad estática. Los aislantes eléctricos también tienden a ser buenos aislantes térmicos, como en el caso de la espuma de poliestireno. Los aisladores son típicamente neutros en carga, carecen de átomos con electrones externos o portadores de carga, lo que hace que ciertos materiales sean muy adecuados como conductores eléctricos (y térmicos).

Los metales contienen electrones libres. Cuando se aplica la diferencia de potencial en los extremos de una barra de metal, los electrones responden a ella y comienzan a moverse hacia el terminal positivo de la batería. Este flujo de electrones resulta en la conducción de electricidad a través del metal.

Los metales suelen tener una concentración relativamente alta de electrones de conducción libre, y estos pueden transferir calor a medida que se mueven a través de la red. La conducción basada en fonones también ocurre, pero el efecto se ve afectado por el de la conducción electrónica.

Fuente: DoITPoMS – Biblioteca TLP Introducción a la conductividad térmica y eléctrica – Metales de conducción térmica

FREE ELECTRON es la respuesta, pero debe comprender lo siguiente.

Los enlaces metálicos involucran ‘electrones libres’ que se encuentran en la capa externa de cada átomo de metal en la estructura. Esto significa que la estructura tiene un mar de electrones deslocalizados que pueden moverse libremente por toda la estructura.

Deslocalizado = No unido a ningún átomo específico

Esto significa que cuando se aplica calor al metal, los átomos del metal vibran como en cualquier otra estructura no metálica. Pero lo que hace que los metales sean buenos para conducir el calor es que estos electrones deslocalizados también vibran, y chocan con más iones en el metal, con mayor frecuencia y más potencia. Esto significa que más de la energía cinética se conduce a través del metal, lo que significa que se transfiere más calor.

Esto es cierto para los metales, pero no en general. En los metales, los electrones libres sirven como portadores de calor y electricidad, por lo que los dos están correlacionados. En los no metales, la relación es más complicada, por lo que puede tener materiales que son buenos conductores de calor pero malos conductores de electricidad, y viceversa. Sin embargo, en general, debido a la falta de electrones libres, los no metales generalmente nunca son tan conductores, ni térmica ni eléctricamente, como lo son los metales.

Tomemos metales por ejemplo. En este caso, hierro, buen conductor de calor y electricidad.

La forma en que los materiales pueden conducir la electricidad y el calor se debe a los electrones libres presentes en el material. En hierro, la unión metálica está presente. Esto es cuando los iones metálicos positivos están juntos en capas, mientras que los iones positivos están rodeados en un mar de electrones deslocalizados (“Desocalisado” significa que los electrones no están unidos a los iones positivos y son libres de moverse).

Los electrones no solo pueden transportar una corriente a través del metal, sino que también pueden transferir energía térmica de un electrón a otro, lo que lo convierte en un buen conductor de calor y electricidad.

Porque ambos fenómenos son sobre energía cinética. El calor es una energía cinética de electrones que se mueve aleatoriamente, la electricidad es energía cinética direccional de ellos.

Si los electrones pueden pasar fácilmente su movimiento a otros electrones en el material, entonces el material es un buen conductor de calor y electricidad.

Sin embargo, no siempre es tan simple, los átomos pueden ser cosas complicadas a veces.

Vea que estos dos conceptos van de la mano. Porque la electricidad significa el movimiento de electrones de un punto a otro causando una corriente eléctrica. Entonces, cuando este movimiento de electrones aumenta dentro del conductor, este proceso induce algún tipo de calor producido debido a la fricción interna de los electrones o también podemos decir la colección interna de estos electrones acelerados.
Ahora veamos cuáles son algunos de los buenos conductores del calor y la electricidad. Bueno, es simple, la mayoría de los metales son buenos conductores. Podemos tomar plata, cobre, aluminio, hierro, etc.

Hay dos formas de conducción de calor en materiales sólidos: vibraciones reticulares (fonones) y electrones.
En los metales, la conductividad térmica electrónica suele ser mucho más alta que la conductividad fonética y los buenos conductores eléctricos también son buenos conductores térmicos. Existe una ley de Wiedeman-Franz que establece la conductividad térmica electrónica a la conductividad eléctrica. La ley dice
Conductividad térmica = conductividad electrónica * temperatura absoluta * número de Lorentz. El número de Lorentz es una constante independiente del material.
Esto no significa que solo los buenos conductores eléctricos sean buenos conductores térmicos. Tome el diamante por ejemplo. Es un aislante, pero su conductividad térmica a temperatura ambiente excede la del cobre.
Además, los superconductores no conducen el calor.

El flujo de electrones es la razón.

La corriente eléctrica se debe al flujo de electrones, que está alrededor del núcleo del átomo del conductor. Buscando el camino de menor resistencia.

De la misma manera, los electrones ayudan a conducir el calor. El calor eleva el nivel de energía del electrón. Entonces el electrón cae a su nivel estable liberando la energía, que a su vez eleva el nivel de energía del electrón cercano. Y la reacción en cadena buscando la menor resistencia al lado frío.

Entonces, estos electrones libres con ciertos niveles de energía en los conductores son la razón de una buena conducción de la corriente eléctrica y el calor.

En realidad, esto es más complejo de lo que piensas, pero Mahmut Akkuş tiene toda la razón. Existen múltiples formas de conducir la energía térmica, pero uno de ellos es el de los electrones libres. Y en materiales conductores como los metales, los electrones pueden moverse libremente, conduciendo carga y calor. Tenga en cuenta, sin embargo, que no hacen ambas cosas muy bien simultáneamente. Los electrones calientes rebotan por todo el lugar en lugar de progresar muy bien en la dirección del flujo de corriente.

Hay algunas excepciones notables. El diamante es un aislante tan bueno como se puede obtener, pero es un excelente conductor térmico. La energía térmica en el diamante es conducida por la vibración de la red cristalina, en lugar de por electrones.

La unión metálica está presente en los metales. Aquí el núcleo atómico está rodeado por una gran cantidad de electrones libres. Estos electrones les proporcionan buena conductividad eléctrica. La energía térmica causa vibraciones atómicas que conducen la energía térmica de una parte a otra. El grado de conductividad térmica y eléctrica depende del grado de unión metálica presente allí.

En el caso de los sólidos, la conducción de calor se produce a través de dos mecanismos: vibraciones reticulares y movimiento libre de electrones.

La vibración de celosía es la vibración de las moléculas alrededor de las posiciones medias debido a su alta energía.

Los electrones libres tienen un doble propósito. Son la razón por la que la electricidad también puede transferir calor a todo el material.

Los buenos conductores generales de electricidad tienen un alto no. de electrones libres y, por lo tanto, tienen una alta conductividad térmica.

Debido a la disposición periódica de la red, los electrones en el cristal experimentan potenciales periódicos desde los núcleos. Por lo tanto, los electrones en los cristales no pueden tratarse como electrones libres de gas fermi. Los electrones de valencia están dispuestos en bandas de energía, que están separadas por los espacios de energía.

Para los aisladores, una o más bandas de energía están completamente llenas de electrones cuando otras están vacías, si ignora la activación térmica. Para los metales hay bandas parcialmente sin relleno. Los electrones en esas bandas sin llenar pueden moverse fácilmente en respuesta al campo electromagnético externo.

Debido a que los metales tienen electrones “libres” que, en lugar de estar unidos, cada uno a un núcleo en particular, pueden desplazarse de un núcleo al siguiente, como las hojas que han caído de un árbol y pueden desplazarse en el suelo en respuesta a una brisa. Estos electrones habitan una llamada “banda de conducción”.

Los metales consisten en electrones libres por encima de su nivel de fermi. Esta nube libre de electrones toma energía, como el calor, de un punto al siguiente. Por lo tanto, el calor o las corrientes eléctricas se conducen en metales, lo que los convierte en buenos conductores.

Si los electrones no son lo suficientemente libres como para moverse para transportar calor o energía eléctrica, se producen malos conductores.

Los metales son tan buenos conductores de calor y electricidad debido a la forma en que están unidos molecularmente. Los electrones libres pueden moverse con mucha libertad. Dado que la electricidad y el calor necesitan electrones para moverse, la unión promueve la conductividad.

Excelentes preguntas, y hay teorías pero no certezas.

¡Lo que parece ser la “grandeza” de los metales es ese conjunto de electrones libres! Todos están flotando listos para rockear, pueden transmitir todo tipo de energía, ¡como un grupo de cachorros ansiosos que quieren lamerte la cara! Mira, ese electrón que salta es mucho más rápido que un átomo ondulante u otras opciones de transmisión de energía.

Ahora, los superconductores son una historia diferente, más magia involucrada.

Bueno, tanto la electricidad como el calor implican una acción similar en su nivel atómico , la electricidad en nada más que el flujo de electrones. El calor no es más que la rápida vibración de los átomos dentro de las moléculas (la fricción entre las moléculas, como sabemos, la fricción también es un método de calentamiento).

Ambos implican básicamente un desplazamiento rápido de átomos / partículas subatómicas / moléculas.

Los buenos conductores eléctricos tienen una capa externa de electrones (electrones de valencia) que están casi vacíos. Como la capa está casi vacía, el electrón se puede mover a otro átomo muy fácilmente, creando así conductividad. El electrón de valencia puede ser movido por EMF o (frecuentemente) por calor.

Sin embargo, no todos los conductores eléctricos también son buenos conductores térmicos. Una búsqueda en la web mostrará muchos ejemplos.

Sí. Parece que la mayoría de los metales son buenos conductores de electricidad, porque contienen electrones libres. Y es la misma razón para conducir el calor; el electrón podría llevar energía a otros. Por cierto, el mejor conductor de calor en la naturaleza es el diamante. Podrías googlear la razón si te interesa.

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