Física & Química

Condutores e Isolantes, o que são? Cargas elétricas e modelos

Condutores e isolantes são materiais que se diferenciam na passagem de corrente elétrica, os condutores facilitam a condução, os isolantes não.

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Condutores e isolantes são materiais que se diferenciam quanto a passagem de corrente elétrica, os condutores permitem a condução e os isolantes dificultam. Contudo, essa diferença se dá por diversos fatores que estão relacionados com a movimentação dos elétrons em cada tipo de material.

Basicamente, os condutores elétricos são meios materiais que possuem facilidade de passagem de eletricidade. Os condutores podem ser classificados pelos três estados físicos de matérias: sólidos, líquidos e gasosos.

Os condutores com mais potencial de condução são: aço, alumínio, cobre, estanho, ferro, grafite, latão, níquel, ouro, prata etc. Por outro lado, existem materiais que, por dificultarem a passagem elétrica, são conhecidos como isolantes, e são muito utilizados, em preservação de temperatura, isolantes térmicos para ligações elétricas, ou até em agasalhos para o frio.

Estes materiais também são chamados de dielétricos, como os condutores eles também podem ser classificados pelos estados físicos da matéria como sólidos, líquidos e gasosos. Contudo, diferentemente dos condutores, os isolantes possuem pouca carga livre, ou seja, os elétrons não se movimentam livremente no interior do material.

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Semicondutores e variações

Alguns exemplos de matérias isolantes: água pura, ar atmosférico seco, borracha, cera, madeira, mica, óleo, papel, plástico, porcelana, PVC, seda, vidro etc.

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Contudo, vale lembrar que ainda existe uma terceira classe de substâncias, os materiais semicondutores que são de grande aplicabilidade na indústria eletrônica, principalmente na construção de transistores.

Podemos ter alguns exemplos como: germânio, selênio, silício etc. Os semicondutores têm capacidade de variar quanto às propriedades elétricas. Assim, eles agem na função de isolante e de condutor, dependendo da temperatura.

Por ouro lado, um ponto importante a ressaltar sobre os condutores e isolantes é que não podemos estabelecer conceitos rígidos para determinar isolantes e condutores, pois pode acontecer algumas variabilidades e um material mudar de condutor para isolante.

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Neste sentido, podemos exemplificar essa variabilidade no ar atmosférico, que, em condições normais (tempo seco), é um isolante, já em uma tempestade, pode ter um comportamento de um condutor elétrico.

Este fato é comprovado pela ocorrência de raios que acontece em uma tempestade através da concentração de cargas elétricas de sinais contrários. Portanto, as cargas elétricas entre as nuvens e a terra possibilita um movimento por meio do ar atmosférico.

Cargas elétricas

As cargas elétricas são estudadas a muito tempo, na Grécia antiga, o pré-socrático Tales de Mileto percebeu que um pedaço de lã de carneiro em atrito com resina de âmbar ficava eletrizada, mais tarde William Gilbert também percebeu que outras substâncias podiam eletrizar-se e atrair outras partículas.

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Portanto, a partir daí, se descobriu que havia dois tipos de eletricidade, uma repulsiva e outra atrativa. Assim, Benjamin Franklin convencionou de positiva e negativa, dentro do conceito de cargas elétricas que conhecemos até hoje.

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Desta forma, Benjamin Franklin chegou ao principio da eletrostática: cargas elétricas de mesmo sinal tendem a se repelir e cargas elétricas de sinais contrários tendem a se atrair.

Contudo, para entendermos sobre materiais condutores e isolantes é preciso compreender a estrutura de um átomo, alguns conceitos e fatores:

  • Os prótons e nêutrons constituem o núcleo do átomo;
  • Os elétrons constituem a extremidade dos átomos;
  • Convencionou-se que os prótons possuem cargas positivas;
  • Contrariamente os elétrons possuem cargas negativas;
  • Os nêutrons não possuem cargas elétricas;
  • Um átomo em condições normais (da forma como é encontrado na natureza) possui a mesma quantidade de próton e elétrons. Assim ele está eletricamente neutro, sua carga é nula.

Modelo de Bohr, condutores e isolantes

A propósito, vale lembrar que, de acordo com o modelo atômico definido por Niels Bohr, os prótons e nêutrons estão ligados ao núcleo do átomo, e os elétrons giram em torno nas órbitas ou camadas do átomo. Assim, um átomo possui ao todo sete camadas onde estão distribuídos os elétrons.

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Stoodi

Sendo assim, a última camada é chamada de camada de valência e é nessa camada que está a diferença entre os condutores e isolantes.

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Portanto a diferença entre esses materiais está na estrutura atômica das substâncias, especificamente nos elétrons que os materiais apresentam na sua camada de valência, parte do átomo que fica mais longe do núcleo. Neste sentido, eles ficam mais livres e com mais capacidade de ionização.

No entanto, o modelo atômico de Bohr possui quatro postulados:

  1. Os elétrons que circulam em torno do núcleo são distribuídos em órbitas com níveis de energia quantizados
  2. A energia total do elétron apresenta valores múltiplos de um quantum
  3. Existem transmissão ou supressão de energia enquanto os elétrons saltam entre órbitas que acontece por quantum de luz
  4. Os valores quantizados de momento angular orbital L,  fundamentam as órbitas permitidas.

Condutores

A ligação dos elétrons com o núcleo é fraca aumentando a tendência para serem doados. Portanto, nos condutores sólidos o metal tem forte tendência para dobrar os elétrons. Por outro lado, nos condutores líquidos que podemos chamar de eletrolíticos, a movimentação de cargas positivas (cátions) e negativas (ânions) em sentido opostos cria a eletricidade.

condutores e Isolantes, o que são? Cargas elétricas, modelos e semicondutores
Poder 360

A propósito, vale lembrar que essa movimentação oposta é induzida para criar a corrente alternada. Assim, a corrente alternada é um tipo de corrente elétrica na qual os sentidos das cargas elétricas são invertidos.

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Portanto, esse processo é chamado de indução eletromagnética e é feito em geradores AC. Todo esse princípio mecânico é o princípio fundamental das usinas hidrelétricas geradoras de eletricidade.

Por outro lado, a condução dos materiais gasosos se caracteriza pela movimentação de cátions e ânions. Contudo, em contraposição com os materiais líquidos, a energia é produzida por meio de choques entre as cargas.

A propósito, é importante lembrar que um gás pode ser condutor ou isolante, isso vai depender da sua pressão e da diferença de potencial que existem entre os gases, pois é a diferença de potencial entre eles que permitem usá-los eletricamente.

Isolantes

Como já vimos, os materiais isolantes possuem menor quantidade de elétrons livres, e que esses elétrons são fortemente ligados ao núcleo do átomo o que inibe sua movimentação.

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A partir dessa condição, se origina a propriedade de resistência. Esta propriedade mede a oposição de um material à corrente elétrica. Assim, quanto mais baixa for esta resistividade mais capacidade tem o material de transmitir eletricidade. A sua unidade no SI (Sistema Internacional) é o ohm-metro (Ωm).

Neste sentido, a resistência elétrica R de um dispositivo está relacionada com a resistividade p de um material de acordo com a seguinte expressão:

R= p 𝓁/A

Em que:

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P – resistividade elétrica ( em ohm-metros, Ωm)

R – Resistência elétrica de um espécime uniforme do material (Ωm)

𝓁 – Comprimento (metros)

A – Área da seção do espécime ( m²)

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Contudo, vale lembrar que esta relação só vale para materiais uniformes e isotrópicos, com seções transversais também uniformes. Contudo, os fios condutores apresentam essas características.

A resistividade pode ser definida também por:

P= E/J

Onde

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E – magnitude do campo elétrico ( volts ou metro V/m)

J – magnitude da densidade de corrente ( amperes por metro quadrado A/m²)

No entanto, o que define ainda a resistividade é que ela é o inverno da condutividade elétrica.

Modelo de Drude na diferença entre condutores e isolantes

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A condução de elétrons que ocorre em um corpo físico é explicada pelo modelo de Drude. Este modelo foi desenvolvido em 1900 por Paul Drude, para explicar algumas propriedades de movimentos elétricos em materiais, mais especificamente, os metais. A propósito, vale lembrar que esse modelo baseia-se na aplicação da teoria cinética.

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Contudo, existem dois fatores básicos para a compreensão dessa teoria:

  • Caminho livre médio: Se define pela distância que os elétrons se movimentam dentro de um material sem colidirem com os átomos.
  • Tempo livre médio: intervalo de tempo do movimento dos elétrons.

Basicamente, ambos os fatores são maiores nos metais, onde têm grande capacidade condutiva. Porém, de acordo com o modelo de Drude, os elétrons movem-se (vibram e transladam) por conta de aplicações de potencial elétrico e temperatura.

A propósito, vale lembrar que a velocidade de movimentação de um elétron é muito alta, só que as colisões dos átomos fazem cair muito essa velocidade, fazendo com que a condução elétrica aconteça, por vezes, de forma lenta. Por outro lado, nos isolantes, o caminho livre médio para a existência de eletricidade só acontece com um potencial energético aplicado.

Diferenças entre condutores e isolantes

Hoje, para se explicar a diferença de materiais relativa à sua potencialidade de condução ou de isolamento do campo elétrico, é utilizada física quântica. Neste sentido, toda argumentação teórica envolve aspectos quânticos da matéria que é descrita na teoria das bandas.

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condutores e Isolantes, o que são? Cargas elétricas e modelos
Física Contexto e Aplicações

Portanto, de acordo com esta teoria, nos materiais isolantes, os elétrons têm níveis menores de energia, abaixo do mínimo necessário para serem conduzidos.

Por outro lado, nos condutores, os níveis de energia são maiores que o mínimo necessário. Porém, uma quantidade de energia separa os elétrons que podem, daqueles que não podem se movimentar. Essa energia é denominada de gap.

Assim, nos materiais isolantes o gap é muito grande e para a obtenção de algum campo elétrico é preciso aplicação energética. Em contrapartida, nos materiais condutores, o gap é nulo ou muito pequeno, possibilitando assim a movimentação elétrica. Desta maneira, conclui-se que os materiais condutores possuem menos resistência elétrica.

Contudo, vale lembrar que um condutor se encontra em equilíbrio eletrostático quando não ocorre o movimento ordenado de cargas elétricas em relação a um referencial fixo no condutor. Nessa situação, podemos concluir que o objeto está eletrizado, assim, elencamos algumas condições dos objetos eletrizados:

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  • Campo elétrico resultante nos pontos internos é nulo
  • Potencial elétrico em todos os pontos internos e superficiais do condutor é constante
  • Nos pontos de superfície de um condutor em equilíbrio eletrostático, o vetor campo elétrico tem direção perpendicular à superfície.

Gostou da matéria, se gostou, leia também: Corrente contínua o que é? Definição, características e aplicações

Fontes: Toda Matéria, Brasil Escola, Educa mais Brasil, Todo Estudo

Imagens:  Pexels, Vecteezy, Maxi Educa, Stoodi, Poder 360, Pinterest, Física Contexto e Aplicações

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