Conductor de cobre

La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material para transportar cargas eléctricas . Esta es una propiedad esencial en los sistemas de cableado eléctrico. El cobre tiene la mayor conductividad eléctrica de todos los metales no preciosos : su resistividad eléctrica es de 16,78 nΩ·m a 20  °C.

La teoría de los metales en estado sólido ^{[ 7 ]} ayuda a explicar la conductividad eléctrica inusualmente alta del cobre. En un átomo de cobre , la zona de energía 4s más externa, o banda de conducción , está solo medio llena, por lo que muchos electrones pueden transportar corriente eléctrica . Cuando se aplica un campo eléctrico a un cable de cobre, la conducción de electrones se acelera hacia el extremo electropositivo , creando así una corriente. Estos electrones encuentran resistencia a su paso al colisionar con átomos de impurezas, vacantes, iones de la red e imperfecciones. La distancia promedio recorrida entre colisiones, definida como el camino libre medio , es inversamente proporcional a la resistividad del metal. Lo que hace único al cobre es su largo camino libre medio (aproximadamente 100 espaciamientos atómicos a temperatura ambiente). Este camino libre medio aumenta rápidamente a medida que el cobre se enfría. ^{[ 8 ]}

Debido a su conductividad superior, el cobre recocido se convirtió en el estándar internacional con el que se comparan todos los demás conductores eléctricos. En 1913, la Comisión Electrotécnica Internacional definió la conductividad del cobre comercialmente puro en su Norma Internacional de Cobre Recocido (IACS) como 100 % IACS = 58,0  MS/m a 20  °C, disminuyendo en 0,393 %/°C. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Debido a que la pureza comercial ha mejorado durante el último siglo, los conductores de cobre utilizados en el cableado de edificios a menudo superan ligeramente el estándar IACS del 100 %. ^{[ 11 ]}

El principal grado de cobre utilizado para aplicaciones eléctricas es el cobre electrolítico resistente (ETP) (CW004A o designación ASTM C11040). Este cobre tiene una pureza de al menos el 99,90 % y una conductividad eléctrica de al menos el 101 % IACS. El cobre ETP contiene un pequeño porcentaje de oxígeno (0,02 a 0,04 %). Si se necesita soldar o unir cobre de alta conductividad o utilizarlo en una atmósfera reductora, se puede utilizar cobre especialmente puro libre de oxígeno (CW008A o designación ASTM C10100); ^{[ 12 ]} es aproximadamente un 1 % más conductor (es decir, alcanza un mínimo del 101 % IACS). ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Varios metales conductores de electricidad son menos densos que el cobre, pero requieren secciones transversales mayores para transportar la misma corriente y pueden no ser utilizables cuando el espacio limitado es un requisito importante. ^{[ 8 ] [ 4 ]} El aluminio tiene el 61% de la conductividad del cobre. ^{[ 13 ]} El área de la sección transversal de un conductor de aluminio debe ser un 56% mayor que la del cobre para la misma capacidad de transporte de corriente. La necesidad de aumentar el grosor del cable de aluminio restringe su uso en muchas aplicaciones, ^{[ 4 ]} como en motores pequeños y automóviles. Sin embargo, en algunas aplicaciones, como los cables aéreos de transmisión de energía eléctrica , el aluminio predomina y el cobre se usa raramente. ^{[ 14 ]}

La plata , un metal precioso , es el único metal con una conductividad eléctrica superior a la del cobre. La conductividad eléctrica de la plata es el 106 % de la del cobre recocido en la escala IACS, y la resistividad eléctrica de la plata es de 15,9 nΩ•m a 20  °C. ^{[ 15 ] [ 16 ]} El alto coste de la plata, junto con su baja resistencia a la tracción, limita su uso a aplicaciones especiales, como el recubrimiento de juntas y superficies de contacto deslizantes, y el recubrimiento de conductores en cables coaxiales de alta calidad utilizados a frecuencias superiores a 30  MHz.

La resistencia a la tracción mide la fuerza necesaria para estirar un objeto, como una cuerda, un alambre o una viga estructural, hasta el punto de rotura. La resistencia a la tracción de un material es la cantidad máxima de tensión que puede soportar antes de romperse.

La mayor resistencia a la tracción del cobre (200–250 N/mm² ^recocido ) en comparación con el aluminio (100 N/mm² ^para aleaciones conductoras típicas ^{[ 17 ]} ) es otra razón por la que el cobre se utiliza ampliamente en la industria de la construcción. La alta resistencia del cobre resiste el estiramiento, el estrechamiento, la fluencia, las muescas y las roturas, y por lo tanto también previene fallas e interrupciones del servicio. ^{[ 18 ]} El cobre es mucho más pesado que el aluminio para conductores de igual capacidad de transporte de corriente, por lo que la alta resistencia a la tracción se ve compensada por su mayor peso.

La ductilidad es la capacidad de un material para deformarse bajo tensión . A menudo se caracteriza por la capacidad del material para estirarse hasta formar un alambre . La ductilidad es especialmente importante en la metalurgia, ya que los materiales que se agrietan o se rompen bajo tensión no pueden ser martillados, laminados ni estirados (el estirado es un proceso que utiliza fuerzas de tracción para estirar el metal).

El cobre tiene mayor ductilidad que otros conductores metálicos, con la excepción del oro y la plata. ^{[ 19 ]} Debido a su alta ductilidad, es fácil estirarlo hasta obtener diámetros con tolerancias muy ajustadas. ^{[ 20 ]}

Por lo general, cuanto más resistente es un metal, menos maleable es. Este no es el caso del cobre. Una combinación única de alta resistencia y alta ductilidad hace que el cobre sea ideal para sistemas de cableado. En cajas de conexiones y terminaciones, por ejemplo, el cobre se puede doblar, retorcer y estirar sin que se deforme ni se rompa. ^{[ 18 ]}

La fluencia es la deformación gradual de un material debido a las constantes expansiones y contracciones bajo diferentes condiciones de carga. Este proceso tiene efectos adversos en los sistemas eléctricos: las terminaciones pueden aflojarse, provocando que las conexiones se calienten o generen arcos eléctricos peligrosos.

El cobre posee excelentes características de fluencia que minimizan el aflojamiento en las conexiones. Para otros conductores metálicos que presentan fluencia, se requiere un mantenimiento adicional para revisar periódicamente los terminales y asegurar que los tornillos permanezcan apretados para evitar arcos eléctricos y sobrecalentamiento. ^{[ 18 ]}

La corrosión es la degradación y el debilitamiento no deseados de un material debido a reacciones químicas. El cobre generalmente resiste la corrosión causada por la humedad, la contaminación industrial y otras influencias atmosféricas. Sin embargo, los óxidos, cloruros y sulfuros de corrosión que se forman en el cobre son, en cierta medida, conductores. ^{[ 13 ] [ 18 ]}

En muchas condiciones de aplicación, el cobre se sitúa más arriba en la serie galvánica que otros metales estructurales comunes, lo que significa que el cable de cobre es menos propenso a corroerse en ambientes húmedos. Sin embargo, cualquier metal más anódico en contacto con el cobre se corroerá, ya que quedará esencialmente anulado por el cobre.

Los metales y otros materiales sólidos se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. Este fenómeno es indeseable en los sistemas eléctricos. El cobre tiene un coeficiente de dilatación térmica bajo para ser un material conductor eléctrico. El aluminio, un conductor común alternativo, se expande casi un tercio más que el cobre al aumentar la temperatura. Esta mayor dilatación, junto con la menor ductilidad del aluminio, puede causar problemas eléctricos cuando las conexiones atornilladas se instalan incorrectamente. Mediante el uso de componentes adecuados, como conexiones de presión con resorte y arandelas cóncavas o partidas en la junta, es posible crear juntas de aluminio con una calidad comparable a la de las juntas de cobre. ^{[ 13 ]}

La conductividad térmica es la capacidad de un material para conducir el calor. En los sistemas eléctricos, una alta conductividad térmica es importante para disipar el calor residual, especialmente en las terminaciones y conexiones. El cobre tiene una conductividad térmica un 60 % mayor que el aluminio, ^{[ 18 ]} por lo que es más eficaz para reducir los puntos calientes en los sistemas de cableado eléctrico. ^{[ 8 ] [ 21 ]}

La soldadura es un proceso mediante el cual se unen dos o más metales a través de un proceso de calentamiento, utilizando un material de relleno con un punto de fusión mucho menor que el del metal que se va a unir. Esta es una propiedad deseable en los sistemas eléctricos. El cobre se suelda fácilmente para realizar conexiones duraderas cuando sea necesario.

La resistencia, dureza y flexibilidad del cobre hacen que sea muy fácil trabajar con él. El cableado de cobre se puede instalar de forma sencilla y fácil sin necesidad de herramientas especiales, arandelas, empalmes ni compuestos de unión. Su flexibilidad facilita las uniones, mientras que su dureza ayuda a mantener las conexiones firmemente en su lugar. Tiene buena resistencia para pasar cables por espacios reducidos, incluidos los conductos. Se puede doblar o retorcer fácilmente sin que se rompa. Se puede pelar y terminar durante la instalación o el mantenimiento con mucho menos riesgo de mellas o roturas. Y se puede conectar sin utilizar terminales ni accesorios especiales. La combinación de todos estos factores facilita a los electricistas la instalación de cables de cobre. ^{[ 18 ] [ 22 ]}

El cable sólido consta de un solo hilo de cobre, desnudo o recubierto de un aislante. Los conductores de cobre de un solo hilo se utilizan habitualmente como hilo magneto en motores y transformadores. Son relativamente rígidos, no se doblan con facilidad y se instalan normalmente en aplicaciones permanentes, de manipulación poco frecuente y con baja flexibilidad.

El cable trenzado consta de un grupo de hilos de cobre trenzados o retorcidos. Es más flexible y fácil de instalar que un cable monofilar grueso de la misma sección transversal. El trenzado mejora la vida útil del cable en aplicaciones con vibraciones. Una sección transversal específica de un conductor trenzado le confiere esencialmente las mismas características de resistencia que un conductor monofilar, pero con mayor flexibilidad. ^{[ 23 ]}

Un cable de cobre consta de dos o más hilos de cobre que discurren paralelos y están unidos, trenzados o entrelazados para formar un único conjunto. Los cables eléctricos pueden hacerse más flexibles mediante el trenzado de los hilos.

Los conductores de cobre en un cable pueden estar desnudos o recubiertos con una fina capa de otro metal, generalmente estaño , aunque a veces oro o plata , para reducir la oxidación . El recubrimiento puede prolongar la vida útil del cable y facilita la soldadura . Los cables de par trenzado y coaxiales están diseñados para inhibir las interferencias electromagnéticas, evitar la radiación de señales y proporcionar líneas de transmisión con características definidas. Los cables apantallados están recubiertos con lámina metálica o malla de alambre.

El cableado eléctrico distribuye energía eléctrica dentro de edificios residenciales, comerciales o industriales, casas móviles, vehículos recreativos, embarcaciones y subestaciones a voltajes de hasta 600 V. El grosor del cable se basa en los requisitos de corriente eléctrica junto con temperaturas de operación seguras. Se utiliza cable sólido para diámetros más pequeños; los diámetros más gruesos son trenzados para proporcionar flexibilidad. Los tipos de conductores incluyen cable no metálico/no metálico resistente a la corrosión (dos o más conductores aislados con una cubierta exterior no metálica), cable blindado o BX (los cables están rodeados por una cubierta metálica flexible), cable con revestimiento metálico, cable de entrada de servicio, cable alimentador subterráneo, cable TC, cable resistente al fuego y cable con aislamiento mineral, incluido el cable con revestimiento de cobre y aislamiento mineral . ^{[ 26 ]} El cobre se usa comúnmente para el cableado de edificios debido a su conductividad, resistencia y confiabilidad. A lo largo de la vida útil de un sistema de cableado de edificios, el cobre también puede ser el conductor más económico.

El cobre utilizado en el cableado de edificios tiene una conductividad del 100 % IACS ^{[ 10 ] [ 27 ]} o superior. El cableado de cobre requiere menos aislamiento y puede instalarse en conductos más pequeños que cuando se utilizan conductores de menor conductividad. Además, en comparación, cabe más cable de cobre en un conducto determinado que conductores con conductividades más bajas. Esta mayor capacidad de llenado del cable es una ventaja especial cuando se recablea o amplía un sistema. ^{[ 18 ]}

El cable de cobre para construcción es compatible con latón y tornillos chapados de calidad. El cable proporciona conexiones que no se corroen ni se deforman. Sin embargo, no es compatible con cables o conectores de aluminio. Si se unen ambos metales, puede producirse una reacción galvánica. La corrosión anódica durante esta reacción puede desintegrar el aluminio. Por este motivo, la mayoría de los fabricantes de electrodomésticos y equipos eléctricos utilizan cables de cobre para las conexiones a los sistemas de cableado de edificios. ^{[ 22 ]}

El cableado de edificios totalmente de cobre se refiere a aquellos edificios en los que el servicio eléctrico interno se realiza exclusivamente mediante cableado de cobre. En las viviendas con cableado totalmente de cobre, los conductores de cobre se utilizan en los paneles de disyuntores , el cableado de los circuitos derivados (para enchufes, interruptores, luminarias, etc.) y en los circuitos dedicados que alimentan electrodomésticos de alta potencia (como cocinas, hornos, secadoras de ropa y aires acondicionados). ^{[ 28 ]}

En la mayoría de los países, los intentos de sustituir el cobre por aluminio en el cableado eléctrico para edificios se vieron truncados al descubrirse que las conexiones de aluminio se aflojaban gradualmente debido a su lenta deformación inherente, sumada a la alta resistividad y la generación de calor derivada de la oxidación del aluminio en las uniones. Los contactos con resorte han mitigado en gran medida este problema con los conductores de aluminio en el cableado eléctrico para edificios, pero algunos códigos de construcción aún prohíben su uso.

Para los tamaños de circuitos derivados, prácticamente todo el cableado básico para luces, enchufes e interruptores está hecho de cobre. ^{[ 18 ]} El mercado de cables de aluminio para la construcción hoy en día se limita principalmente a calibres mayores utilizados en circuitos de suministro. ^{[ 29 ]}

Los códigos de cableado eléctrico especifican la corriente nominal admisible para conductores de tamaño estándar. La corriente nominal de un conductor varía según su tamaño, la temperatura máxima admisible y el entorno de funcionamiento. Los conductores utilizados en áreas donde circula aire frío alrededor del cableado generalmente pueden soportar mayor corriente que los conductores de pequeño tamaño alojados en conductos subterráneos junto a otros conductores similares. Las temperaturas nominales prácticas de los conductores de cobre aislados dependen principalmente de las limitaciones del material aislante o de la temperatura nominal del equipo conectado.

La distribución de energía eléctrica es la etapa final del suministro de electricidad para su uso final. Un sistema de distribución de energía transporta la electricidad desde el sistema de transmisión hasta los consumidores.

Los cables de alimentación se utilizan para la transmisión y distribución de energía eléctrica, tanto en exteriores como en interiores de edificios. Se puede encontrar información detallada sobre los distintos tipos de cables de alimentación. ^{[ 38 ]}

El cobre es el material conductor preferido para líneas de transmisión subterráneas que operan a altos y extra altos voltajes de hasta 400 kV. La predominancia de los sistemas subterráneos de cobre se debe a su mayor conductividad eléctrica y térmica volumétrica en comparación con otros conductores. Estas propiedades beneficiosas de los conductores de cobre permiten ahorrar espacio, minimizar las pérdidas de potencia y mantener temperaturas más bajas en los cables. ^{[ 39 ]}

El cobre sigue predominando en las líneas de baja tensión en minas y aplicaciones submarinas, así como en ferrocarriles eléctricos, polipastos y otros servicios al aire libre. ^{[ 5 ]}

El aluminio, ya sea solo o reforzado con acero, es el conductor preferido para las líneas de transmisión aéreas debido a su menor peso y menor costo. ^{[ 5 ]}

Los conductores para electrodomésticos e instrumentos se fabrican con alambre flexible trenzado, que puede estañarse para soldar o para la identificación de fases. Según las cargas, el aislamiento puede ser de PVC, neopreno, etileno propileno, relleno de polipropileno o algodón. ^{[ 5 ]}

Los conductores automotrices requieren un aislamiento resistente a altas temperaturas, productos derivados del petróleo, humedad, fuego y productos químicos. El PVC, el neopreno y el polietileno son los aislantes más comunes. Los potenciales varían desde 12 V para sistemas eléctricos hasta entre 300 V y 15 000 V para instrumentos, iluminación y sistemas de encendido. ^{[ 38 ]}

El alambre magneto o alambre de bobinado se utiliza en los devanados de motores eléctricos , transformadores , inductores , generadores , auriculares , bobinas de altavoces , posicionadores de cabezales de discos duros, electroimanes y otros dispositivos. ^{[ 5 ] [ 8 ]}

Generalmente, el alambre magnético está compuesto de cobre recocido y refinado electrolíticamente para permitir un bobinado más denso al fabricar bobinas electromagnéticas. El alambre está recubierto con diversos aislamientos poliméricos , incluido barniz , en lugar del plástico más grueso u otros tipos de aislamiento comúnmente utilizados en cables eléctricos. ^{[ 5 ]} Se utilizan grados de cobre de alta pureza y libre de oxígeno para aplicaciones de alta temperatura en atmósferas reductoras o en motores o generadores refrigerados por hidrógeno gaseoso.

Como se indica en el documento de requisitos industriales GR-3151 de Telcordia , existen dos configuraciones principales para las cajas de empalme: las de tope y las de conexión en línea. Las de tope permiten que los cables entren por un solo extremo. Este diseño también se conoce como caja de domo. Estas cajas se pueden utilizar en diversas aplicaciones, como el empalme de derivaciones. Las cajas de conexión en línea permiten la entrada de cables por ambos extremos. Se pueden utilizar en diversas aplicaciones, como el empalme de derivaciones y el acceso de cables. Las cajas de conexión en línea también se pueden utilizar en una configuración de tope, restringiendo el acceso de los cables a un solo extremo.

Un cierre de empalme de cobre se define por sus características de diseño funcional y, en general, es independiente de entornos de implementación o aplicaciones específicas. Actualmente, Telcordia ha identificado dos tipos de cierres de cobre:

1. Cierres herméticos (ESC)
2. Cierres de respiración libre (FBC)

Los cierres de empalme ecológicos (ESC) ofrecen todas las características y funciones propias de un cierre de empalme convencional, impidiendo la entrada de líquidos y vapores en su interior. Esto se logra mediante un sistema de sellado ambiental, como juntas de goma o adhesivos termofusibles. Algunos ESC utilizan aire comprimido para evitar la entrada de humedad.

Las juntas de estanqueidad con flujo libre (FBC) ofrecen todas las características y funciones esperadas de una junta de empalme típica que impide la entrada de lluvia, polvo e insectos arrastrados por el viento. Sin embargo, este tipo de junta permite el libre intercambio de aire con el exterior. Por lo tanto, es posible que se forme condensación en su interior. En consecuencia, es necesario proporcionar un drenaje adecuado para evitar la acumulación de agua.