¿Son los aislantes y conductores categorías arbitrarias?

Question

He visto gráficos que muestran que la transición de aislante a semiconductor es a $10^{-8}~\frac{\text{S}}{\text{cm}}$ y entre semiconductor y conductor es $10^{3}~\frac{\text{S}}{\text{cm}}. ¿Estos puntos de cambio son convenciones arbitrarias hechas por el hombre o hay diferencias físicas que dividen claramente a aislantes, semiconductores y conductores?

Me he estado diciendo a mi mismo, por ejemplo, que todos los materiales conducen electricidad, es solo que algunos lo hacen radicalmente peor, hasta 18 órdenes de magnitud peor. Me pregunto si tengo razón.

Answer 1

Como has esperado, no hay una división clara entre los grupos. La división es artificial.

Dado que todos los conductores tienen cierta resistencia, (excepto los superconductores - sigue este enlace para obtener más información) y todos los aislantes conducirán algo de corriente si se les fuerza, esto significa que no hay una línea divisoria absoluta entre conductores y aislantes. Dado que algunos metales son muy buenos conductores con solo una resistencia muy pequeña, y algunos no metales son muy buenos aislantes, los términos son convenientes cuando estamos tratando con los voltajes habituales en un laboratorio. (fuente)

En la práctica, las definiciones son útiles porque la diferencia dinámica entre buenos conductores y buenos aislantes es muy grande, y no hay muchas situaciones donde los rangos intermedios entre conductor, semiconductor y aislante resulten útiles.

Cabe destacar que aquellos que trabajan con voltajes altos (cientos de kilovoltios y más) definirán de manera muy diferente el límite entre aislante y no aislante en comparación con un aficionado que juega con 5-10V. A mayores voltajes, encontramos que la resistencia de los aislantes comienza a tener un mayor impacto en nuestro diseño, y nos volvemos más exigentes sobre qué tan alta debe ser esa resistencia antes de llamarla un aislante.

Answer 2

Otra forma de distinguir entre conductores y no conductores o aislantes es con la diferencia de banda - para los buenos conductores, el nivel de Fermi de los electrones está dentro de una banda - los semiconductores tienen una pequeña diferencia de banda y los buenos aislantes tienen diferencias de banda grandes...

Los electrones en los sólidos se encuentran en bandas de energía, mientras que en los átomos y moléculas tienen niveles generalmente definidos.

Si tienes una banda parcialmente llena, los electrones pueden reorganizarse dentro de la banda y permitir fácilmente que pase una corriente si se aplica un voltaje.

Si las bandas están completamente llenas, no es posible ninguna reorganización, pero por encima de la banda más llena habrá una banda vacía - la llena es la banda de valencia y la vacía es la banda de conducción. Si la brecha entre estas es pequeña, entonces los electrones de la valencia pueden pasar a la conducción y luego los electrones pueden reorganizarse un poco en ambos niveles para permitir que fluya la corriente.

Si la diferencia de banda es grande, entonces es difícil mover electrones hacia arriba y lograr que fluya una corriente.

Answer 3

Una respuesta empírica:

Los metales (a menudo cobre) se pueden utilizar como estructuras de soporte aislantes en imanes superconductores. ¡Comparado con una resistividad de ~0 del bobinado, la resistividad de los metales proporciona muy buenas propiedades aislantes!

O, yendo en la otra dirección, una fuente de alimentación tipo VandeGraaff de 50 vatios puede producir 500KV a 100uA. Esta fuente tiene una resistencia interna en serie de 5e9 ohmios. Por lo tanto, un resistor de un millón de ohmios colocado en la salida del generador actuará como un cortocircuito, reduciendo los 500KV a 0,02 por ciento; 100V. O podríamos usar largas cadenas de resistores de 1 megohmio como cables. Servirían como excelentes conductores; teniendo poco efecto sobre el voltaje de salida de 500KV, incluso a la corriente máxima suministrada. Para esta máquina VandeGraaff, los objetos con una resistencia de aproximadamente ~500 meg-ohmios son considerados como "buenos conductores".

Entonces, obviamente, la definición de "conductor" e "aislante" varía dependiendo del sistema con el que estemos tratando. Como regla general, la línea que separa los dos es aproximadamente la misma que la resistencia interna de cualquier fuente de alimentación presente.

Answer 4

Como suele ser el caso, la respuesta a esto realmente depende ligeramente del contexto. Para muchos propósitos cotidianos, la respuesta de Cort Ammon de que todo es cuestión de grado es correcta.

Sin embargo, otro contexto que vale la pena mencionar es cuando los físicos de la materia condensada hablan de si un estado particular de la materia es un estado "conductivo" (o "metálico") o un estado "aislante". En este caso, hay una distinción precisa: un estado conductor es aquel que no tiene brecha, lo que significa que a medida que el tamaño del material tiende hacia el infinito (la llamada "límite termodinámico"), la diferencia de energía entre el estado fundamental y el primer estado excitado del material también tiende hacia cero. Esto se puede usar para clasificar diversos estados de la materia de manera unívoca y estudiar las transiciones entre ellos.

Para muchos materiales típicos, la clasificación según este esquema se alineará con la clasificación "cotidiana", pero en principio podría haber excepciones. Se podría imaginar, por ejemplo, un material que tiene una brecha persistente pero que es mucho más pequeña que la escala de excitaciones térmicas, por lo que a temperatura ambiente es efectivamente conductor.

Ver también este blog post para obtener algunos detalles básicos sobre esta clasificación.

*Un poco más precisamente, el espectro cerca del estado fundamental se vuelve continuo. La distinción se vuelve importante en aislantes de Anderson, que son aislantes pero tienen un espectro de energía discreto puntual.