Usos, propiedades y aplicaciones del cobre

En esta ocasión hablaremos acerca del cobre, sus usos y aplicaciones. Dadas sus características mecánicas y antimicrobianas, es posible utilizarlo en sistemas de telecomunicaciones, electrónica, arte y diseño, etc.
Su baja resistencia permite al cobre una conductividad de casi el doble que la del aluminio. Esta alta conductividad, combinada con ductilidad, fácilmente se puede soldar en uniones económicas y duraderas. Es compatible con todos los materiales aislantes modernos, pero su buena resistencia a la oxidación permite también usarlo sin protección de la superficie.

El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones que generalmente presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones.
Por otra parte, el cobre es un metal duradero porque se puede reciclar un número ilimitado de veces sin que pierda sus propiedades mecánicas.

Su desarrollo histórico

El uso del cobre se remonta a la prehistoria. En conjunto con el estaño, se obtiene el bronce que marcó toda una época, llegaron a tener tanta importancia que los historiadores llamaron Edad del Cobre y Edad del Bronce a dos periodos de la antigüedad. Aunque su uso perdió importancia relativa con el desarrollo de la siderurgia, el cobre y sus aleaciones siguieron siendo empleados para hacer objetos tan diversos como monedas, campanas y cañones.
A partir del siglo XIX, concretamente de la invención del generador eléctrico en 1831 por Faraday, el cobre se convirtió de nuevo en un metal estratégico, al ser la materia prima principal de cables e instalaciones eléctricas. El cobre posee un importante papel biológico en el proceso de fotosíntesis de las plantas. Y en animales, contribuye a la formación de glóbulos rojos y al mantenimiento de los vasos sanguíneos, nervios, sistema inmunitario y huesos y -por tanto- es un oligoelemento esencial para la vida humana. Además es el tercer metal más utilizado en el mundo, por detrás del hierro y el aluminio.

Ver también: Características del cable para uso en vivienda

El cobre posee propiedades físicas, químicas, mecánicas y biológicas que propician su uso industrial en múltiples aplicaciones. Ya sea considerando la cantidad o el valor del metal empleado, el uso industrial del cobre es muy elevado. Es un material importante en multitud de actividades económicas y ha sido considerado un recurso estratégico en situaciones de conflicto.

Diversas aplicaciones

1. Área eléctrica, energética y telecomunicaciones.
El cobre es el metal no precioso con mejor conductividad eléctrica. Esto, unido a su ductilidad y resistencia mecánica, tanto a la tracción como a la corrosión, lo han convertido en el material más empleado para fabricar cables eléctricos, tanto de uso industrial como residencial. Asimismo se emplean conductores de cobre en numerosos equipos eléctricos de rendimiento energético, como generadores, motores y transformadores. También son de cobre la mayoría de los cables telefónicos, los cuales además posibilitan el acceso a internet. Por otro lado, todos los equipos informáticos y de telecomunicaciones contienen cobre en mayor o menor medida en sus circuitos integrados, transformadores y cableado interno.

Por otro lado, las fuentes de energía renovable serán cruciales para abastecer la creciente demanda de energía que acompañará a la continua industrialización del mundo. Una simple aeroturbina contiene más de una tonelada de cobre. Todos estos sistemas dependen en gran medida del cobre para transmitir la energía que generan con la máxima eficacia y el mínimo impacto medioambiental.

2. Transportes.
El cobre se emplea también en varios componentes de coches y camiones, principalmente los radiadores, frenos y cojinetes, además naturalmente de los cables y motores eléctricos. Un transporte pequeño contiene en total en torno a 25 kg de cobre, subiendo esta cifra a 45 kg para los de mayor tamaño. También los trenes requieren grandes cantidades de cobre en su construcción: 1-2 toneladas en los trenes tradicionales y hasta 4 toneladas en los de alta velocidad. Además las catenarias contienen unas 10 toneladas de cobre por kilómetro en las líneas de alta velocidad.

3. Otros usos.
Una gran parte de las redes de transporte de agua en algún momento fueron hechas de cobre o latón, debido a su resistencia a la corrosión y sus propiedades anti-microbianas. El cobre se emplea también a menudo para los pomos de las puertas de locales públicos, y para utensilios sanitarios en hospitales ya que sus propiedades anti-bacterianas evitan el contagio de infecciones y la propagación de epidemias.
Por si fuera poco, desde el inicio de la acuñación de monedas en la Edad Antigua el cobre se emplea como materia prima de las mismas, a veces puro y, más a menudo, en aleaciones. Como vez el cobre es y ha sido muy importante en muchos aspectos.

Conductores eléctricos

La energía eléctrica prácticamente mueve al mundo en donde vivimos y nos desarrollamos los seres humanos. Por lo tanto, los conductores eléctricos son imprescindibles, ya que transportan la energía eléctrica tan valiosa e importante en la vida moderna.

Los cables, como comúnmente se conoce a los conductores, portan la energía eléctrica al lugar en donde se requiere para que esté disponible en el momento que se necesita.

Para que la energía eléctrica pueda ser transmitida de un lugar a otro, se requiere que exista una diferencia de tensión (Voltaje, unidad “Volt”) y de un conductor eléctrico que esté conectado a dos puntos.

Para tener un buen conductor eléctrico (cable) y dar un uso adecuado a esta energía, se requiere de 2 elementos básicos; uno es el elemento metálico que permita con la menor resistencia posible el desplazamiento del flujo de electrones (Corriente eléctrica, unidad “Amper”) a través de él y otro es un material aislante o dieléctrico (Material que opone gran resistencia al paso de la corriente eléctrica, unidad “Ohm”) que no conduce o aísla la electricidad, para que logre aislar a la energía que fluye a través del metal (conductor). En otras palabras: el aislamiento es el material que contiene y mantiene a la electricidad dentro del conductor metálico eléctrico mientras la electricidad está presente; es lo que evita que la electricidad se disperse y se pierda a tierra o provoque un cortocircuito.

Baja Tensión

En cualquier instalación eléctrica de Baja Tensión (BT, máximo 600 volts) notaremos que lo más usual es que se realicen con conductores eléctricos hechos con alambres de cobre (Cu) cableados en forma concéntrica clase B y C (Ref. NEC); el cobre -como es bien sabido- es un excelente conductor de electricidad, ya que ofrece muy poca resistencia al paso de corriente eléctrica, además que el porcentaje de presencia de este mineral en la naturaleza es abundante, cosa que lo hace muy disponible para su utilización en la fabricación de cables eléctricos.

También existen cables hechos con alambres o hilos de aluminio cableados (Al), material que ofrece mayor resistencia al paso de corriente eléctrica si lo comparamos contra el Cu. El aluminio, al igual que el cobre, es abundante en la naturaleza en ciertas regiones del planeta, por lo que es muy competitivo en cuestión de costo y presenta algunas opciones de aplicaciones eléctricas muy notables por su densidad, peso y flexibilidad.

A los conductores de cobre (Cu) y aluminio (Al) comúnmente se les forra (aísla) con un aislamiento termoplástico o termofijo según sea su aplicación; también son usados sin ningún tipo de aislamiento (cables desnudos) en la transmisión y distribución de energía eléctrica aérea (Al) o en sistemas de protección puesta a tierra (Cu).

Un compuesto termoplástico tiene la característica de fundirse cuando se le aplica calor y un termofijo es un compuesto que no altera su estructura molecular ni se reblandece cuando se le aplica calor. Si se le aplicara demasiada temperatura a un compuesto termoplástico, este podría llegar al punto de fusión y una vez que alcance la temperatura ambiente (promedio de 30°C) recuperar su estructura original con la forma del molde que lo contenga, cosa que no sucede en los compuestos termofijos, estos al ser sometidos a altas temperaturas llegan al momento en que pueden carbonizarse pero no derretirse, esto se debe a que su cadena molecular dejó de ser lineal para convertirse en cadena cruzada o reticulada (Proceso de Vulcanización).

Su vida útil

Se estima que la vida útil de un conductor eléctrico, en condiciones normales de operación y con un buen mantenimiento, puede ser de hasta 30 a 40 años; esto depende directamente del medio ambiente en que se haya instalado, de las condiciones de carga y de la calidad de mano de obra en la instalación.

La temperatura de operación normal en un conductor eléctrico aislado puede ser de 60°C, 90°C y 105°C, con estas temperaturas el compuesto que lo aísla no sufre ningún daño y opera permanentemente durante toda su vida. Estos cables eléctricos pueden trabajar a temperaturas de 105°C en periodos cortos en sobrecarga. Finalmente pueden resistir temperaturas de hasta 150°C en cortocircuito por tiempos muy breves, (microsegundos) tiempo en los que se abre el circuito por dispositivos de seguridad (fusibles, tapón fusible o interruptores automáticos). En los casos de operación en sobrecarga o cortocircuito, los cables no pierden funcionalidad; pero la vida útil de estos se verá reducida por los efectos térmicos sufridos en el aislamiento que se envejece.

Ver también: La calidad de los conductores eléctricos

Las dimensiones de estos cables, o sea el calibre en sus unidades de medida AWG (American Wire Gauge), kCM (Mil Circular Mil) o mm2 (Área cuadrada en un corte transversal del cable en milímetros cuadrados), la sección del conductor es directamente proporcional a la corriente que se determinó circulara en un circuito, con base en las cargas que alimentará el conductor eléctrico (equipos, aparatos, motores, luminarias, etc), distancias y medio ambiente donde se instalará el cable; apegados a las Normas de Instalaciones Eléctricas Mexicanas denominadas NOM-001-SEDE vigente.

El más utilizado en inmuebles

En instalaciones fijas de BT (Baja Tensión) existe un conductor sumamente usado en la instalación eléctrica de inmuebles, como son casa-habitación, oficina, escuelas, hospitales, auditorios, centros de trabajo, hoteles, museos, teatros, cines, estadios, centros comerciales, o donde se sabe que habrá concentraciones públicas (de al menos 5 personas); es el conocido como cable THHW-LS (aislamiento de PVC con baja emisión de humos). Este conductor es exigido por las Normas de Instalaciones Eléctricas Mexicanas, NOM-001-SEDE vigente, dadas sus características dieléctricas, químicas, mecánicas, térmicas y ecológicas del compuesto aislante. Su diseño ha sido el resultado de un proceso y serie de mejoras a base de experiencias pasadas, buscando salvaguardar la vida de los seres humanos y proteger el medio ambiente.

De inicio los cables para BT eran aislados con Policloruro de Vinilo (PVC 60°C) simple en cable THW, con temperatura máxima de operación 60°C, y sin la propiedad LS (Low Smoke), que tiene características agresivas y nocivas para el ser humano; cuando este compuesto es inflamado, emite humos oscuros y densos que en cuestión de segundos inundan cualquier habitación cerrada, bloqueando la visibilidad de las personas para encontrar puertas o ventanas que les permitan escapar a la hora de que se queman los cables por un cortocircuito.

En la mayoría de los inmuebles, 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.

A su vez, el PVC simple emite gases ácidos y tóxicos (Ácido clorhídrico) que envenenan cualquier ser vivo en cuestión de minutos si no se sale de inmediato de esa habitación; esos cables que además del PVC simple, en una opción denominada THHN (Nylon) llevan una capa final de nylon que permite la propagación del incendio y la emisión de gases tóxicos, el fuego de los cables pasaba a los muebles o a cualquier material inflamable combustible, que se encontraba en las habitaciones. Todo esto resultaba una fórmula muy letal. En situaciones como esta las personas no morían por el fuego, en realidad morían por asfixia al quedar atrapados y no encontrar salidas, por lo que venía el desmayo y el fallecimiento por envenenamiento al inhalar los gases tóxicos, para finalmente terminar consumidos por las llamas.

Actualmente el compuesto aislante que se aplica a los conductores para los usos que se mencionaron es THHW-LS, un compuesto que es sometido a métodos de prueba muy exigentes en laboratorios acreditados y avalados por Entidades de Acreditación y de Normalización como son la EMA (Entidad Mexicana de Acreditación) y la ANCE (Asociación de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico A.C.) para garantizar la seguridad de las personas e instalaciones en donde es usado este conductor. Este compuesto a la hora de ser inflamado por llama directa o por un cortocircuito, cuenta con un agregado en su fórmula que le da la propiedad LS (Low Smoke), emite humos menos densos y no oscuros, lo que permite a las personas encontrar salidas rápidamente.

La calidad de los conductores eléctricos

Proceso de fabricación y pruebas de aseguramiento de la calidad

Cuando una persona no conoce de conductores eléctricos no sabe apreciar las diferencias entre una marca y otra. Sucede que se puede tener dos productos enfrente: uno de buena calidad y otro de mala calidad, pero al verlos del mismo tamaño, color, brillo, etc., no se aprecian a simple vista las diferencias para elegir el bueno.

Los productos de calidad siempre cumplen con los requisitos mínimos que establece la Norma Oficial Mexicana de Conductores Eléctricos (NOM-063-SCFI) y las Normas Mexicanas (NMX-J). Para conocer los valores de las normas puedes acudir al fabricante para obtener la orientación que te permita distinguir un producto de calidad de uno de mala calidad.

Problemas ocasionados por conductores de mala calidad

Es común que se intente por todos los medios reducir los costos de las instalaciones eléctricas residenciales y generalmente se termina por comprar materiales de mala calidad sólo porque son más baratos.

Ver también: 3 características de los conductores eléctricos

Sin embargo, para que una instalación sea confiable y duradera, cuidando a su vez la economía, adquirir conductores eléctricos de bajo costo no es lo que resulta más barato, porque aunque su costo inicial sea menor, su utilización provoca que la instalación sea riesgosa, molesta (por las averías que se produzcan en ella), efímera (porque durará pocos años trabajando) y costosa (por las pérdidas de energía debido a los calentamientos excesivos).

Por eso, emplear conductores de mala calidad no significa su ahorro real, ya que aunque se paga menos por adquirirlos, se pagará más por utilizarlos, puesto que los problemas que ocasionan representan pérdidas de dinero (por reparación o reinstalación), de prestigio (porque el trabajo deberá repetirse en pocos años) y de clientes (por hacer trabajos de mala calidad).

Un conductor de mala calidad y sus principales problemas

3 características de los conductores eléctricos

Para tener un mejor desempeño en nuestras instalaciones eléctricas residenciales es importante que conozcamos sus características, y sepamos distinguir sus variedades y calidades. A continuación te presentamos 3 características de los conductores eléctricos:

1. Flexibilidad
   
   Acorde con los requerimientos de una instalación en particular, las normas de productos clasifican la flexibilidad de los conductores en clases de cableado, combinando diferentes diámetros de alambres y el número de éstos.
   
   
   1. Alambres. Conductores sólidos formados por un sólo hilo
      
      
   2. Cables (AA, A, B ó C). Conductores cableados concéntricos (con o sin compactación), de entre 7 y 19 hilos
      
      
   3. Cordones (I, J, K). Conductores flexibles (aumenta la flexibilidad con el número de hilos), a partir de 20 hilos
      
      

   

   Tipos de conductores eléctricos

   
   
2. Forma
   
   La forma geométrica de los conductores eléctricos es generalmente redonda, y dependiendo de su aplicación puede ser:
   
   

   

   Formas de conductores eléctricos

   
   
3. Dimensiones
   
   El tamaño o sección transversal o calibre de los conductores eléctricos debe indicarse en mm2 y opcionalmente entre paréntesis el número de la escala de calibres americanos (AWG-kcmil), de acuerdo con la Norma Oficial Mexicana de Conductores Eléctricos NOM-063-SCFI.
   
   Es importante recordar que a nivel mundial se usan dos escalas de calibres para cuantificar el tamaño de los conductores eléctricos:
   
   
   • Escala americana AWG-kcmil (AWG= American Wire Gauge; kcmil= kilo circular mil, anteriormente conocida como MCM)
   
   
   • Escala Internacional (IEC), mm2.
   
   
   Ver también: Conductores eléctricos ¿cobre o aluminio?
   
   Un valor útil para convertir calibres en ambas escalas es el siguiente:
   
   
   
   
   El tamaño de un conductor eléctrico debe seleccionarse adecuadamente cumpliendo con los requerimientos técnicos y normativos de nuestro país.
   
   En las siguientes tablas encontraremos las secciones o calibres, diámetros de conductores y las resistencias eléctricas en corriente alterna y directa.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Conductores eléctricos ¿cobre o aluminio?

El conjunto de elementos que intervienen desde el punto de alimentación o acometida de la compañía suministradora hasta el último punto de una casa habitación, comercio, bodega o industria donde se requiere el servicio eléctrico, constituye lo que se conoce como componentes de la instalación eléctrica.

Para la realización física de una instalación eléctrica se emplea una gran cantidad de equipo y material eléctrico. Cualquier persona que se detenga a examinar una instalación eléctrica podrá notar que existen varios elementos, algunos visibles o accesibles y otros no.

Un circuito eléctrico está constituido en su forma más elemental por una fuente de voltaje o de alimentación, los conductores que alimentan la carga y los dispositivos de control o apagadores. De estos elementos se puede desglosar el resto de los componentes de una instalación eléctrica práctica, ya que, por ejemplo, los conductores eléctricos normalmente van dentro de los tubos metálicos o de PVC, que se conocen genéricamente como tubos conduit; los apagadores se encuentran montados sobre cajas, las lámparas se alimentan de cajas metálicas similares a las usadas en los apagadores y también en los contactos; y asociados a estos elementos se tienen otros componentes menores, así como toda una técnica de selección y montaje.

Los elementos que estudiaremos brevemente son:

• conductores eléctricos
• interruptores
• fusibles
• centros de carga
• contactos y apagadores
• lámparas
• canalizaciones y accesorios

Todos los elementos usados en las instalaciones eléctricas deben cumplir con ciertos requisitos, no sólo técnicos, también de uso y presentación, para lo cual deben acatar las disposiciones que establece la Norma Oficial de Instalaciones Eléctricas NOM-001-SEDE.

En el caso de cables multiconductores, éstos cuentan con una cubierta externa a base de policloruro de vinilo o polietileno clorado (CP).

Los alambres y cables que se emplean en casas habitación, comercios, bodegas, etc., se conocen en el argot de los conductores eléctricos como cables para la industria de la construcción.

Estos cables para la industria de la construcción en baja tensión están formados por los siguientes elementos:

1. El conductor eléctrico, que es el elemento por el que circula la corriente eléctrica: es de cobre y suave puede tener diferentes flexibilidades:
   
   
   
   • rígida: conductor formado por un alambre;
   • semiflexible: conductor formado por un cable (cableado clase B o C);
   • flexible: conductor eléctrico formado por un cordón (clase I en adelante).
   
   
   
2. El aislamiento, cuya función principal es la de soportar la tensión aplicada y separar al conductor eléctrico energizado de partes puestas a tierra; es de un material generalmente plástico a base de policloruro de vinilo (PVC). Este aislamiento puede ser de tipo termofijo a base de etileno-propileno (EP) o de polietileno de cadena cruzada (XLP).
   
   
3. Una cubierta externa, cuya función es la de proteger al cable de factores externos (golpes, abrasión, etc.) y ambientales (lluvia, polvo, rayos solares, etc.). Normalmente esta cubierta externa es de PVC y se aplica en cables multiconductores.
   
   

Ver también: Usos, propiedades y aplicaciones del cobre

Como hemos visto, los cables para la industria de la construcción están formados por un conductor de cobre suave de alta pureza, un aislamiento a base de policloruro de vinilo (PVC), etileno-propileno (EP), polietileno de cadena cruzada (XLP) o elastomérico (CP).

Hablemos de las propiedades y características que deben tener los elementos de estos cables.

Son cuatro los factores que deben ser considerados en la selección de los conductores: material,
flexibilidad, forma y dimensiones.

Los materiales más usados como conductores eléctricos son el cobre y el aluminio, aunque el primero es superior en características eléctricas y mecánicas (la conductividad del aluminio es aproximadamente 60% de la del cobre y su esfuerzo de tensión a la ruptura, 40%).

Las características de bajo peso del aluminio han dado lugar a un amplio uso de este metal en la fabricación de los cables aislados y desnudos.

En la siguiente tabla se muestran en forma general las propiedades de los conductores de cobre suave y de aluminio 3/4 de duro.

¿Por qué el cobre es el metal que se prefiere en la elaboración de conductores eléctricos?

Hay muchas razones técnicas que respaldan el uso del cobre como material para los conductores eléctricos, pero la principal es la confiabilidad probada que posee.

El éxito que ha tenido el cobre se basa en su conductividad eléctrica y sus propiedades mecánicas, puesto que su capacidad de conducción de corriente lo convierte en el más eficiente conductor eléctrico, en términos económicos.

Podemos asegurar que el cobre debido a su mayor capacidad de corriente para un calibre dado, a igual espesor de aislamiento que los cables de aluminio puede instalarse en tubos conduit, duetos, charolas o canaletas de menor tamaño. Es decir, los conductores de cobre minimizan los requerimientos de espacio.

Esto resulta útil si se toma en cuenta que un aumento en el diámetro de los tubos conduit, duetos o canaletas, en conjunto con el espacio requerido por el alambrado, incrementa los costos de instalación al igual que todos los componentes que la integran (por ejemplo las cajas de conexión, chalupas, etc.).

El aluminio ha tenido éxito como conductor eléctrico en líneas de transmisión y distribución aéreas, pero no como conductor eléctrico para cables de baja tensión en aplicaciones de la industria de la construcción.

El aluminio presenta problemas en las conexiones debido a sus propiedades físicas y químicas, ya que bajo condiciones de calor y presión este material se dilata y. por tanto, se afloja en las conexiones.

Las terminales de equipos, aparatos, dispositivos, etc., son fabricadas con cobre, cobre estañado o aleaciones de cobre, los cuales en la tabla de electronegatividad tienen valores similares, en tanto que el aluminio —al estar más alejado de ellos en esta tabla de electronegatividad— presenta problemas de corrosión galvánica.

Como conclusión podemos decir que el cobre, además de ser mejor conductor que el aluminio, es mecánica y químicamente más resistente. Lo anterior significa que soporta alargamientos (proceso de instalación de los cables dentro de la canalización), reducción de sección por presión (en los puntos de conexión cuando el tornillo opresor sujeta a los conductores), mellas y roturas (en el proceso mecánico de conexión).

El óxido que se forma en las conexiones donde el conductor de aluminio no tiene aislamiento es de tipo no conductor, lo que ocasiona puntos calientes en ellas y un riesgo en la instalación eléctrica.

¿Cuándo es seguro utilizar un cable de aluminio?

A finales de la década de los sesentas y al principio de los setentas, se usaba el alambre de aluminio de bajo costo para reemplazar el cobre en muchos sistemas de instalaciones eléctricas. El alambre de aluminio se identifica por su color plateado y por la marca AL en su cubierta. Una variación, el alambre de aluminio con revestimiento de cobre, tiene una capa ligera de cobre pegada al centro sólido de aluminio.

A principios de los años 70, se descubrió que el cable de aluminio era peligroso si se conectaba a un interruptor o contacto con terminales de tornillos de bronce o cobre. Debido a que el aluminio se expande o contrae a un grado diferente que el cobre o el bronce, las conexiones podían soltarse. En algunos casos incluso causaban incendios.

Las instalaciones con cables de aluminio existentes se consideran seguras si se han seguido los métodos de preparación y si los cables están conectados a interruptores y contactos diseñados para usarse con cable de aluminio. El cable de aluminio con revestimiento de cobre no se considera peligroso.

Ver también: 6 consejos para trabajar con cables en instalaciones eléctricas

Durante un corto tiempo, los interruptores y contactos compatibles con cables clasificados como AL-CU por Underwriters Laboratories (UL) eran usados con cables de aluminio y cobre. Luego se comprobó que eran peligrosos cuando se conectaban con cables de aluminio. Los dispositivos AL-CU no deben ser usados con cable de aluminio.

En el año 1971 se introdujeron al mercado interruptores y contactos para ser utilizados con cable de aluminio. Los interruptores fueron marcados como CO/ALR. Esta marca es ahora la única clasificación aprobada para cables de aluminio. Si una vivienda tiene cables de aluminio conectados a interruptores o contacto sin esa marca, estos dispositivos deben ser reemplazados por otros que cuenten con ella.

Un interruptor y contacto que no tiene una marca de compatibilidad impresa en el dispositivo, no debe ser usado con cables de aluminio. Estos dispositivos están diseñados sólo para ser utilizados con cable de cobre.