Condutores, isoladores e fluxo de elétrons

Os elétrons de diferentes tipos de átomos têm diferentes graus de liberdade para se mover. Com alguns tipos de materiais, como metais, os elétrons mais externos nos átomos são tão fracamente ligados que eles se movem caoticamente no espaço entre os átomos desse material por nada mais do que a influência da energia térmica em temperatura ambiente. Como esses elétrons virtualmente não ligados estão livres para deixar seus respectivos átomos e flutuar no espaço entre os átomos adjacentes, eles são frequentemente chamados de elétrons livres .

Condutores vs isoladores

Em outros tipos de materiais, como vidro, os elétrons dos átomos têm muito pouca liberdade para se mover. Embora forças externas, como fricção física, possam forçar alguns desses elétrons a deixar seus respectivos átomos e se transferir para os átomos de outro material, eles não se movem entre os átomos desse material com muita facilidade.

Esta mobilidade relativa de elétrons dentro de um material é conhecida como condutividade elétrica . A condutividade é determinada pelos tipos de átomos em um material (o número de prótons no núcleo de cada átomo determina sua identidade química) e como os átomos estão ligados uns aos outros. Materiais com alta mobilidade de elétrons (muitos elétrons livres) são chamados de condutores , enquanto os materiais com baixa mobilidade de elétrons (poucos ou nenhum elétron livre) são chamados de isoladores . Aqui estão alguns exemplos comuns de condutores e isoladores:

• Condutores
• prata
• cobre
• ouro
• alumínio
• ferro
• aço
• latão
• bronze
• mercúrio
• grafite
• água suja
• concreto

• Isolantes
• vidro
• borracha
• óleo
• asfalto
• fibra de vidro
• porcelana
• cerâmica
• quartzo
• algodão (seco)
• papel (seco)
• madeira (seca)
• plástico
• ar
• diamante
• água pura

Deve-se entender que nem todos os materiais condutores têm o mesmo nível de condutividade e nem todos os isoladores são igualmente resistentes ao movimento do elétron. A condutividade elétrica é análoga à transparência de certos materiais à luz:os materiais que facilmente "conduzem" a luz são chamados de "transparentes", enquanto aqueles que não o fazem são chamados de "opacos". No entanto, nem todos os materiais transparentes são igualmente condutores à luz. O vidro de janela é melhor do que a maioria dos plásticos e certamente melhor do que a fibra de vidro “transparente”. O mesmo ocorre com os condutores elétricos, alguns sendo melhores do que outros.

Por exemplo, a prata é o melhor condutor na lista de “condutores”, oferecendo uma passagem mais fácil para os elétrons do que qualquer outro material citado. Água suja e concreto também são listados como condutores, mas esses materiais são substancialmente menos condutores do que qualquer metal.

Também deve ser entendido que alguns materiais experimentam mudanças em suas propriedades elétricas sob diferentes condições. O vidro, por exemplo, é um isolante muito bom em temperatura ambiente, mas se torna um condutor quando aquecido a uma temperatura muito alta. Gases como o ar, normalmente materiais isolantes, também se tornam condutores se aquecidos a temperaturas muito altas. A maioria dos metais tornam-se condutores mais fracos quando aquecidos e melhores condutores quando resfriados. Muitos materiais condutores tornam-se perfeitamente condutores (isso é chamado de supercondutividade ) a temperaturas extremamente baixas.

Fluxo de elétrons / corrente elétrica

Embora o movimento normal dos elétrons "livres" em um condutor seja aleatório, sem direção ou velocidade específica, os elétrons podem ser influenciados para se moverem de forma coordenada através de um material condutor. Este movimento uniforme dos elétrons é o que chamamos de eletricidade ou corrente elétrica . Para ser mais preciso, poderia ser chamado de eletricidade dinâmica em contraste com eletricidade estática , que é um acúmulo imóvel de carga elétrica. Assim como a água fluindo pelo vazio de um tubo, os elétrons são capazes de se mover dentro do espaço vazio dentro e entre os átomos de um condutor. O condutor pode parecer sólido aos nossos olhos, mas qualquer material composto de átomos é principalmente um espaço vazio! A analogia do fluxo líquido é tão adequada que o movimento dos elétrons através de um condutor é frequentemente referido como um "fluxo".

Uma observação digna de nota pode ser feita aqui. À medida que cada elétron se move uniformemente através de um condutor, ele empurra o que está à sua frente, de modo que todos os elétrons se movem juntos como um grupo. O início e a parada do fluxo de elétrons ao longo de um caminho condutor são virtualmente instantâneos de uma extremidade de um condutor à outra, embora o movimento de cada elétron possa ser muito lento. Uma analogia aproximada é a de um tubo cheio de bolinhas de gude de ponta a ponta:





O tubo está cheio de bolas de gude, assim como um condutor está cheio de elétrons livres prontos para serem movidos por uma influência externa. Se uma única bola de gude for inserida repentinamente neste tubo cheio do lado esquerdo, outra bola de gude imediatamente tentará sair do tubo à direita. Embora cada bola de gude percorra apenas uma curta distância, a transferência de movimento através do tubo é virtualmente instantânea da extremidade esquerda para a direita, não importa o comprimento do tubo. Com a eletricidade, o efeito geral de uma ponta a outra de um condutor acontece na velocidade da luz:uma velocidade de 186.000 milhas por segundo !!! Cada elétron individual, porém, viaja através do condutor a um muito ritmo mais lento.

Fluxo de elétrons através do fio

Se quisermos que os elétrons fluam em uma determinada direção para um determinado lugar, devemos fornecer o caminho adequado para que eles se movam, assim como um encanador deve instalar um encanamento para fazer a água fluir para onde ele deseja. Para facilitar isso, fios são feitos de metais altamente condutores, como cobre ou alumínio, em uma ampla variedade de tamanhos.

Lembre-se de que os elétrons podem fluir apenas quando têm a oportunidade de se mover no espaço entre os átomos de um material. Isso significa que pode haver corrente elétrica apenas onde existe um caminho contínuo de material condutor fornecendo um conduíte para os elétrons viajarem. Na analogia do mármore, os mármores podem fluir para o lado esquerdo do tubo (e, conseqüentemente, através do tubo) se e somente se o tubo estiver aberto no lado direito para que os mármores saiam. Se o tubo estiver bloqueado no lado direito, as bolas de gude apenas “se acumularão” dentro do tubo, e o “fluxo” de mármore não ocorrerá. O mesmo vale para a corrente elétrica:o fluxo contínuo de elétrons requer que haja um caminho ininterrupto para permitir esse fluxo. Vejamos um diagrama para ilustrar como isso funciona:



Uma linha fina e sólida (como mostrado acima) é o símbolo convencional para um pedaço contínuo de arame. Como o fio é feito de um material condutor, como o cobre, seus átomos constituintes têm muitos elétrons livres que podem se mover facilmente através do fio. No entanto, nunca haverá um fluxo contínuo ou uniforme de elétrons dentro deste fio, a menos que eles tenham um lugar de onde vir e um lugar para onde ir. Vamos adicionar um elétron hipotético "Fonte" e "Destino:"





Agora, com a fonte de elétrons empurrando novos elétrons para dentro do fio do lado esquerdo, o fluxo de elétrons através do fio pode ocorrer (conforme indicado pelas setas apontando da esquerda para a direita). No entanto, o fluxo será interrompido se o caminho condutor formado pelo fio for rompido:

Continuidade elétrica

Como o ar é um material isolante e uma lacuna de ar separa os dois pedaços de fio, o caminho antes contínuo foi quebrado e os elétrons não podem fluir da fonte para o destino. É como cortar um cano de água em dois e tampar as pontas quebradas do cano:a água não pode fluir se não houver saída para o cano. Em termos elétricos, tínhamos uma condição de continuidade elétrica quando o fio estava inteiro, e agora essa continuidade é rompida com o fio cortado e separado.

Se pegássemos outro pedaço de fio que leva ao Destino e simplesmente fizéssemos contato físico com o fio que leva à Fonte, teríamos mais uma vez um caminho contínuo para o fluxo de elétrons. Os dois pontos no diagrama indicam contato físico (metal com metal) entre as peças de arame:



Agora, temos continuidade desde a Fonte até a conexão recém-feita, para baixo, para a direita e para cima até o Destino. Isso é análogo a colocar um encaixe em “T” em um dos canos tampados e direcionar a água através de um novo segmento de cano até seu destino. Observe que o segmento de fio quebrado no lado direito não tem elétrons fluindo por ele porque ele não faz mais parte de um caminho completo da Fonte ao Destino.

É interessante notar que nenhum “desgaste” ocorre dentro dos fios devido a esta corrente elétrica, ao contrário dos canos que transportam água, que eventualmente são corroídos e desgastados por fluxos prolongados. Os elétrons encontram algum grau de fricção conforme se movem, no entanto, e essa fricção pode gerar calor em um condutor. Este é um tópico que exploraremos com muito mais detalhes posteriormente.

REVER:

• Em condutivo materiais, os elétrons externos em cada átomo podem facilmente ir ou vir e são chamados de elétrons livres .
• Em isolante materiais, os elétrons externos não são tão livres para se mover.
• Todos os metais são eletricamente condutores.
• Eletricidade dinâmica , ou corrente elétrica , é o movimento uniforme dos elétrons através de um condutor.
• Eletricidade estática está imóvel (se estiver em um isolador), carga acumulada formada por excesso ou deficiência de elétrons em um objeto. É normalmente formado por separação de carga por contato e separação de materiais diferentes.
• Para que os elétrons fluam continuamente (indefinidamente) através de um condutor, deve haver um caminho completo e ininterrupto para que eles possam entrar e sair desse condutor.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de condutores e isolantes