Condutor elétrico

Condutores, no contexto da física e da engenharia elétrica, são materiais nos quais as cargas elétricas se deslocam de maneira relativamente livre. Quando tais materiais são carregados em alguma região pequena, a carga distribui-se prontamente sobre toda a superfície do material.^[1]

Condutores são utilizados na confecção de linhas de transmissão de energia elétrica.

Nos sólidos que possuem elétrons livres, como os metais, é possível que a carga elétrica seja transportada através deles, por isso dizemos que são condutores de eletricidade.^[2] Nesses materiais, o movimento de cargas elétricas é composto por cargas negativas.^[3] Materiais como cobre, alumínio, ouro e prata são bons condutores.

Sais, quando dissolvidos ou fundidos, subdividem-se em partículas eletricamente carregadas que, agora livres, também permitem o movimento de cargas em seu interior.^[4]

Isolantes não permitem o movimento de cargas elétricas em seu interior. Entretanto, se a tensão elétrica aplicada em suas extremidades for superior à sua rigidez dielétrica, tornar-se-á um condutor.^[5]

Trabalhos realizados sobre uma nova classe de condutores, feitos a partir de polímeros, foi o motivo que concedeu o Nobel de Química de 2000 aos seus premiados.^[6][7]

Propriedades

Em alguns materiais, como nos metais, o elétron mais externo em cada átomo é livre de se movimentar pelo material; existe assim uma “nuvem” muito densa de elétrons (elétrons de condução), com densidade constante se o material for homogêneo. Esse tipo de material é designado de condutor.

Se o condutor for colocado numa região onde existe campo elétrico, como a nuvem eletrônica tem carga negativa, desloca-se em sentido oposto às linhas de campo. Assim, acumulam-se eletrões num extremo, ficando com excesso de carga negativa, e no extremo oposto aparece uma carga do mesmo valor mas com sinal positivo (falta de eletrões).

Essa acumulação de cargas no condutor cria um campo interno oposto ao campo externo; quando os dois campos se anularem, o movimento da nuvem eletrônica cessará.^[8]

Efeito de uma barra com carga sobre uma esfera condutora (esquerda) e uma esfera isoladora (direita).

No lado esquerdo da figura mostra-se o que acontece quando aproximamos uma barra, com carga positiva, a uma esfera condutora isolada. A nuvem eletrônica aproxima-se da barra. Se a barra tivesse carga negativa, a nuvem eletrônica afastava-se dela. Nos dois casos, o resultado é a indução de carga de sinal oposto perto da barra, e carga do mesmo sinal na região mais afastada da barra. A carga total da esfera continua a ser nula. Se a esfera não estivesse sobre um suporte isolador, as cargas do mesmo sinal da barra abandonavam a esfera, passando através do suporte para a terra.^[8]

Nos materiais isoladores, os eletrões estão ligados a cada átomo. Quando uma carga externa é colocada perto do material, os eletrões e protões de cada átomo deslocam-se na direção das linhas de campo mas em sentidos opostos, sem sair do átomo. Assim cada átomo deforma-se criando um pequeno dípolo elétrico; nomeadamente, um sistema com carga total nula, mas com as cargas positivas e negativas separadas por uma pequena distância.

O lado direito da figura mostra a deformação de alguns dos átomos de uma esfera isoladora, quando é aproximada uma barra com carga positiva. Independentemente do sinal da carga da barra, em cada átomo as cargas de sinal oposto às carga da barra estarão mais perto da barra e a as cargas do mesmo sinal estarão mais afastadas; portanto, a força resultante da carga externa sobre cada átomo neutro será sempre atrativa, independentemente do sinal da carga externa. Assim, um material isolador é sempre atraído por um objeto externo com carga, independentemente do sinal dessa carga.^[8]

Resistência

Ver artigo principal: Resistência elétrica

Quando uma tensão elétrica é aplicada entre duas extremidades de um condutor, uma corrente elétrica é estabelecida, fluindo de uma extremidade até outra. A oposição que o condutor faz à passagem dessa corrente, numa determinada tensão, pode ser caracterizada pela relação:

${\displaystyle R={V \over I}}$

Onde ${\displaystyle V}$ é o valor da tensão aplicada, medida em Volts e ${\displaystyle I}$ é o valor da corrente fluindo pelo condutor, medida em Ampères. ${\displaystyle R}$ é a resistência elétrica, medida em Ohms.^[9][10]

A resistência de um determinado condutor depende do material de que é feito e de suas dimensões. Para um determinado material, a resistência é inversamente proporcional à área da secção transversal. Por exemplo, um fio de cobre espesso tem resistência mais baixa do que um fio de cobre fino idêntico. Além disso, para um determinado material, a resistência é proporcional ao comprimento; como exemplo, um fio de cobre longo tem maior resistência do que um fio de cobre curto idêntico. ^[11]

Ôhmicos e não-ôhmicos

Em condutores ôhmicos, a relação tensão por corrente é linear, como a reta vermelha deste gráfico.

Condutores que apresentam sempre uma determinada corrente elétrica fluindo, em determinada tensão, consequentemente tem sempre a mesma resistência. Tais condutores são denominados ôhmicos, por obedecerem a lei de Ohm. Quaisquer outros condutores que não se comportem consistentemente com tal lei são denominados não-ôhmicos.^[10][12]

Resistividade

Ver artigo principal: Resistividade elétrica

A propriedade elétrica que determina se um material apresenta grande ou baixa resistência à passagem da corrente elétrica é a denominada: resistividade elétrica, típica de cada material e representada pela letra grega ρ. Esta é mensurada através da resistência ${\displaystyle R}$, área de secção transversal ${\displaystyle A}$ e a distância entre os pontos de condução ${\displaystyle \ell }$. A sua fórmula é:

${\displaystyle \rho =R{A \over \ell }}$

E sua unidade de medida é o ohm-metro (Ω-m).

Condutividade

Tabela de condutividade elétrica de diversos metais

Ver artigo principal: Condutividade elétrica

Mas para se determinar se um material é bom ou mau condutor usa-se outra grandeza elétrica: a condutividade, representada pela letra grega ${\displaystyle \sigma }$ (lê-se sigma). Que nada mais é que o inverso da resistividade elétrica, ou seja:

${\displaystyle \sigma ={1 \over \rho }}$

Sua unidade de medida é o [(Ω-m)^-1].

Condutores: apresentam condutividade alta, em torno de 10⁷ [(Ω-m)^-1].

A figura ao lado mostra uma tabela com os valores de condutividade elétrica para alguns metais e ligas:

Estrutura de banda de energia (sólidos)

Estruturas de bandas a ${\displaystyle 0K}$.

A condutividade elétrica está ligada fortemente ao número de elétrons disponíveis para a condução e estes buscam preencher os estados de energia mais baixos (estabilidade) a não ser que sejam submetidos à ação de forças externas (campo elétrico, por exemplo).

A banda de energia eletrônica (ou banda de valência) é formada por estados atômicos que se dividem em subestados, ou estados eletrônicos. Quanto mais externas as camadas eletrônicas mais estas contribuem para a formação da banda eletrônica que é formada pelos elétrons da camada de valência do átomo. A banda vazia (ou banda de condução), como seu nome diz, é onde ocorre a condução elétrica propriamente dita, o movimento ordenado de elétrons por meio de uma diferença de potencial (d.d.p.). Quanto mais distantes as bandas, menor a condutividade elétrica.^[13] Existem apenas quatro tipos de estruturas de bandas a ${\displaystyle 0K}$(zero absoluto), e estão mostradas na figura à direita:

• a) Típica de metais que apresentam um elétron na camada s;
• b) Encontrada em outros metais, há superposição de bandas (vazia com preenchida);
• c) Típica de isolantes, apresenta grande espaçamento entre bandas (gap);
• d) Característica dos semicondutores, tem distância pequena (< 2 eV) entre as bandas;

Características

Nos metais há imperfeições na estrutura cristalina que os levam a alterar sua resistividade, e por consequência sua condutividade. Segue abaixo a representação equacional dos responsáveis pela resistividade dos metais:

${\displaystyle \rho }$_total ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \rho }$_t + ${\displaystyle \rho }$_i + ${\displaystyle \rho }$_d (regra de Matthiessen)

em que ${\displaystyle \rho }$_t, ${\displaystyle \rho }$_i e ${\displaystyle \rho }$_d são, respectivamente, as contribuições das resistividades térmicas (vibrações), devido às impurezas, e da deformação (plástica).^[14]

Para os condutores, o aumento da temperatura resulta diretamente num aumento de resistividade, por conta de haver mais choques entre elétrons o que dificulta seu movimento ordenado. Tal aumento é linear e definido pela fórmula:

${\displaystyle \rho }$_t ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \rho }$₀ + ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle T}$

sendo ${\displaystyle \rho }$₀ e ${\displaystyle \alpha }$, constantes para cada material específico.

Ver também

• Isolante elétrico
• Condutância elétrica
• Condutividade elétrica
• Supercondutividade

Referências

1. SERWAY, Raymond A.; JEWETT Jr., John W (2008). Princípios de Física. Eletromagnetismo. 3 1 ed. São Paulo: Cengage Learning. p. 679. ISBN 85-221-0414-X !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
2. LUZ, Antônio Máximo Ribeiro; ÁLVARES, Beatriz Alvarenga (2011). Física. Contexto & Aplicações. 3 1 ed. São Paulo: Scipione. p. 18. ISBN 9788526284647 !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
3. LUZ, Antônio Máximo Ribeiro; ÁLVARES, Beatriz Alvarenga (2011). Física. Contexto & Aplicações. 3 1 ed. São Paulo: Scipione. p. 236. ISBN 9788526284647 !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
4. FELTRE, Ricardo (2004). Química. Química Geral. 1 6 ed. São Paulo: Moderna. p. 190
5. SERWAY, Raymond A.; JEWETT Jr., John W (2008). Princípios de Física. Eletromagnetismo. 3 1 ed. São Paulo: Cengage Learning. p. 748-749. ISBN 85-221-0414-X !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
6. VOLLHARDT, K. Peter C.;SCHORE, Neil E. (2004). Química Orgânica. Estrutura e função 4 ed. Porto Alegre: Bookman. p. 514-515. ISBN 85-363-0413-8 !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
7. «The Nobel Prize in Chemistry 2000» (em inglês). Consultado em 2 de Setembro de 2012. The Nobel Prize in Chemistry 2000 was awarded jointly to Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid and Hideki Shirakawa "for the discovery and development of conductive polymers".
8. [ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0) ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 09 jun. 2013.
9. LUZ, Antônio Máximo Ribeiro; ÁLVARES, Beatriz Alvarenga (2011). Física. Contexto & Aplicações. 3 1 ed. São Paulo: Scipione. p. 121. ISBN 9788526284647 !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
10. SERWAY, Raymond A.; JEWETT Jr., John W (2008). Princípios de Física. Eletromagnetismo. 3 1 ed. São Paulo: Cengage Learning. p. 770,771. ISBN 85-221-0414-X !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
11. «Tamanhos e resistências dos fios» (PDF)
12. LUZ, Antônio Máximo Ribeiro; ÁLVARES, Beatriz Alvarenga (2011). Física. Contexto & Aplicações. 3 1 ed. São Paulo: Scipione. p. 129. ISBN 9788526284647 !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
13. - CALLISTER, W. D. Ciência e engenharia de materiais uma introdução. 7ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 705 p.
14. – VAN VLACK, L. H. Princípios de ciência dos materiais. 1ª Ed. São Paulo: Edgar Blücher, 1970. 427 p.

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