Introdução à Condutância e Condutores

Agora você deve estar bem ciente da correlação entre a condutividade elétrica e certos tipos de materiais. Esses materiais que permitem a passagem fácil de elétrons livres são chamados de condutores , enquanto os materiais que impedem a passagem de elétrons livres são chamados de isolantes .

Infelizmente, as teorias científicas que explicam por que certos materiais conduzem e outros não são bastante complexas, enraizadas nas explicações da mecânica quântica sobre como os elétrons estão dispostos em torno dos núcleos dos átomos. Ao contrário do conhecido modelo "planetário" de elétrons girando em torno do núcleo de um átomo como pedaços bem definidos de matéria em órbitas circulares ou elípticas, elétrons em "órbita" realmente não agem como pedaços de matéria. Em vez disso, eles exibem as características da partícula e da onda, seu comportamento restringido pela colocação dentro de zonas distintas ao redor do núcleo referidas como "cascas" e "subcamadas". Os elétrons podem ocupar essas zonas apenas em uma faixa limitada de energias, dependendo da zona em particular e de quão ocupada essa zona está com outros elétrons. Se os elétrons realmente agissem como minúsculos planetas mantidos em órbita ao redor do núcleo por atração eletrostática, suas ações descritas pelas mesmas leis que descrevem os movimentos dos planetas reais, não poderia haver distinção real entre condutores e isolantes, e as ligações químicas entre os átomos não existem da maneira que existem agora. É a natureza discreta e “quantificada” da energia e do posicionamento dos elétrons descritos pela física quântica que dá a esses fenômenos sua regularidade.

Atom em estado excitado

Quando um elétron está livre para assumir estados de maior energia em torno do núcleo de um átomo (devido à sua colocação em uma "camada" particular), ele pode estar livre para se separar do átomo e compreender parte de uma corrente elétrica através da substância.

Átomo de estado fundamental

Se as limitações quânticas impostas a um elétron negam-lhe essa liberdade, no entanto, o elétron é considerado "ligado" e não pode se separar (pelo menos não facilmente) para constituir uma corrente. O primeiro cenário é típico de materiais condutores, enquanto o último é típico de materiais isolantes.

Alguns livros irão dizer que a condutividade elétrica de um elemento é determinada exclusivamente pelo número de elétrons que residem na "camada" externa dos átomos (chamada de valência shell), mas isso é uma simplificação exagerada, como qualquer exame de condutividade versus elétrons de valência em uma tabela de elementos irá confirmar. A verdadeira complexidade da situação é ainda mais revelada quando a condutividade das moléculas (coleções de átomos ligados uns aos outros pela atividade do elétron) é considerada.

Um bom exemplo disso é o elemento carbono, que compreende materiais de condutividade muito diferente: grafite e diamante . O grafite é um bom condutor de eletricidade, enquanto o diamante é praticamente um isolante (o mais estranho ainda, é tecnicamente classificado como um semicondutor , que em sua forma pura atua como isolante, mas pode conduzir sob altas temperaturas e / ou sob a influência de impurezas). Tanto o grafite quanto o diamante são compostos exatamente dos mesmos tipos de átomos:carbono, com 6 prótons, 6 nêutrons e 6 elétrons cada. A diferença fundamental entre grafite e diamante é que as moléculas de grafite são agrupamentos planos de átomos de carbono, enquanto as moléculas de diamante são agrupamentos tetraédricos (em forma de pirâmide) de átomos de carbono.

A introdução intencional de impurezas em um semicondutor intrínseco com a finalidade de alterar suas propriedades elétricas, ópticas e estruturais é chamada de doping . Se átomos de carbono se juntam a outros tipos de átomos para formar compostos, a condutividade elétrica torna-se alterada mais uma vez. O carboneto de silício, um composto dos elementos silício e carbono, apresenta comportamento não linear:sua resistência elétrica diminui com o aumento da tensão aplicada! Os compostos de hidrocarbonetos (como as moléculas encontradas nos óleos) tendem a ser isolantes muito bons. Como você pode ver, uma simples contagem de elétrons de valência em um átomo é um indicador pobre da condutividade elétrica de uma substância.

Todos os elementos metálicos são bons condutores de eletricidade, devido à forma como os átomos se ligam. Os elétrons dos átomos que compreendem uma massa de metal são tão desinibidos em seus estados de energia permitidos que flutuam livremente entre os diferentes núcleos da substância, prontamente motivados por qualquer campo elétrico. Os elétrons são tão móveis, na verdade, que às vezes são descritos pelos cientistas como um gás de elétron , ou mesmo um mar de elétrons em que repousam os núcleos atômicos. Essa mobilidade de elétrons é responsável por algumas das outras propriedades comuns dos metais:boa condutividade térmica, maleabilidade e ductilidade (facilmente formadas em diferentes formatos) e um acabamento brilhante quando puro.

Felizmente, a física por trás de tudo isso é irrelevante para nossos propósitos aqui. Basta dizer que alguns materiais são bons condutores, alguns são maus condutores e alguns estão no meio. Por enquanto, é bom o suficiente simplesmente entender que essas distinções são determinadas pela configuração dos elétrons em torno dos átomos constituintes do material.

Um passo importante para fazer com que a eletricidade cumpra o nosso lance é ser capaz de construir caminhos para que a corrente flua com quantidades controladas de resistência. Também é de vital importância que possamos evitar que a corrente flua para onde não queremos, usando materiais isolantes. No entanto, nem todos os condutores são iguais e nem todos os isoladores. Precisamos entender algumas das características dos condutores e isoladores comuns e ser capazes de aplicar essas características a aplicações específicas.

Quase todos os condutores possuem uma certa resistência mensurável (tipos especiais de materiais chamados supercondutores possuem absolutamente nenhuma resistência elétrica, mas estes não são materiais comuns e devem ser mantidos em condições especiais para serem super condutores). Normalmente, assumimos que a resistência dos condutores em um circuito é zero e esperamos que a corrente passe por eles sem produzir qualquer queda de tensão apreciável. Na realidade, porém, quase sempre haverá uma queda de tensão ao longo dos caminhos condutores (normais) de um circuito elétrico, quer queiramos que haja uma queda de tensão lá ou não:



Para calcular quais serão essas quedas de tensão em qualquer circuito em particular, devemos ser capazes de determinar a resistência do fio comum, conhecendo o tamanho e o diâmetro do fio. Algumas das seções a seguir deste capítulo abordarão os detalhes de como fazer isso.

REVER:

• A condutividade elétrica de um material é determinada pela configuração dos elétrons nos átomos e moléculas desse material (grupos de átomos ligados).
• Todos os condutores normais possuem algum grau de resistência.
• A corrente fluindo através de um condutor com (qualquer) resistência produzirá alguma quantidade de queda de tensão em todo o comprimento desse condutor.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de condutores e isolantes
• Planilha de resistência específica de condutores