¿Alguna vez has oído hablar del concepto de mar de electrones? Parece un término salido directamente de la poesía pero, en verdad, es científicamente preciso. Se trata de un concepto que hace referencia a las profundidades microscópicas de la materia, en donde el estudio del movimiento de los electrones puede ayudar a comprender el mundo macroscópico que nos rodea, por ejemplo, ¿qué es la conductividad eléctrica realmente?. De hecho, entender la existencia de ese mar electrónico es crucial para descubrir por qué elementos como los metales, presentan valores de conductividad eléctrica superiores a otros como la madera.
LA ESTRUCTURA ELECTRÓNICA
Para entender el concepto del mar de electrones es completamente esencial sumergirse en la estructura de los átomos. Estos cuentan con un núcleo, relleno con protones y neutrones, y de una corteza exterior en la que orbitan los electrones de forma desordenada. Ahora bien, observándolo desde un punto de vista cuántico, esta definición cambia un poco, pues se observa que, en realidad, los electrones orbitan moviéndose en diferentes capas y saltando entre niveles de energía que se encuentran a diferentes distancias del núcleo. Cada una de las capas se representan con los llamados números principales de forma que, a medida que aumenta ese número principal, también lo hará la energía del electrón que se mueve en ella, así como su distancia al núcleo.
De esta forma, se conoce bajo el nombre de configuración electrónica a la distribución que siguen los electrones en un átomo entre los diferentes niveles de energía. Cada elemento presentará una distribución diferente, la cual será responsable de todas sus propiedades, entre ellas, la conductividad que poseen, la excitación térmica o la capacidad de absorción de energía.
LA FORMACIÓN DEL MAR DE ELECTRONES
Sin embargo, esa distribución aparentemente común para todos los elementos es muy diferente cuando nos enfocamos en los metales. Y es que, a diferencia del resto de átomos aislados, en los cuales los electrones llenan niveles y capas específicas, los metales poseen una forma muy diferente de interacción y distribución: presentan una estructura cristalina. Así, mientras que los átomos no metálicos se unen para formar materia intercambiando sus electrones y creando un enlace, los metales se sitúan siguiendo una disposición mucho más ordenada y repetitiva, la cual permite que los electrones de las capas externas de cada átomo interactúen con los átomos vecinos.
En concreto, son los electrones de la capa más externa los verdaderos protagonistas. Se conocen como electrones de valencia, están menos ligados al núcleo y poseen una gran libertad para moverse. Así, la presencia de varios electrones de valencia en cada átomo y su facilidad para moverse es la que contribuye a la formación de ese característico “mar de electrones”. De hecho, a medida que los metales se van uniendo para formar el sólido, los electrones de valencia cada vez se van deslocalizando más, lo cual significa que no pertenecen a un átomo en específico y se mueven a través de toda la estructura cristalina. Es justamente ese mar dinámico en el que los electrones fluyen el que aporta la característica conductividad eléctrica al metal, además de otras propiedades únicas como la maleabilidad o la conductividad térmica.
LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
Para que haya una buena conductividad eléctrica, los electrones deben tener la capacidad de desplazarse. En los enlaces convencionales, en intercambio entre electrones de dos átomos limita mucho esa posibilidad, pues se mantienen anclados a los átomos que pertenecen, por eso la movilidad que aporta el mar de electrones es tan significativa en los metales. Cuando se aplica un campo eléctrico externo, estos pueden responder rápidamente, desplazándose y orientándose, creando una corriente eléctrica que fluye a través de todo el material.
Por otro lado, la temperatura también juega un papel crucial en la propiedad conductiva. Y es que, a temperaturas más altas esta suele bajar, mientras que a bajas aumenta. Parece contraproducente, ¿verdad? ¿No se deberían de mover más rápido a mayores temperaturas debido a la excitación térmica? Pues bien, es cierto que a temperaturas altas estos aumentan su velocidad y su vibración pero, al estar fluyendo por un mar con otros electrones, esa situación facilita las colisiones entre ellos, lo cual disminuye enormemente la conductividad. De hecho, a temperaturas extremadamente bajas, algunos metales pueden llegar a experimentar la superconductividad, donde la resistividad y las colisiones se reducen a cero y la corriente eléctrica puede fluir sin experimentar ningún tipo de pérdidas.
