Cap. 1.0. Eletricidade - Condutores e Isolantes

Cap. 1.0. Eletricidade - Condutores e Isolantes

18/10/2017

  Hoje você vai ver como um material pode conduzir energia e outro não. Boa leitura!

 

  Um corpo é feito de átomos, assim como qualquer outra coisa do universo. Átomos tem em seu núcleo prótons e nêutrons. Ao redor do núcleo há vários elétrons distribuídos em orbitais.

  Para manter os elétrons orbitando ao redor do núcleo é necessário haver forças internas que os seguram e não os deixam escapar. Quanto maior for a distância entre uma camada e o núcleo do átomo, mais fraca pode ficar esta força.

  A última dessas camadas é chamada de camada de valência e possui elétrons livres, que levam esse nome por causa da distância que estão do núcleo do átomo, podem se desprender facilmente.

  Um material condutor possui menos força de atração entre o núcleo e a última camada de elétrons, o que faz uma condução melhor da corrente elétrica. Materiais isolantes tem uma forte ligação com todos os elétrons em órbita, fazendo com que a circulação deles seja prejudicada.

   A carga elétrica é uma propriedade da matéria. Um próton tem uma carga elétrica de +1,6 x 10 elevado a -19 Coulomb e a carga de um elétron é de -1,6 x 10^-19 Coulomb. Como você pode ver, a diferença entre a carga de um próton e de um elétron é apenas os sinais opostos.

  Lembrando que cargas elétricas do mesmo tipo se repelem e cargas elétricas de polos diferentes se atraem.

  O átomo tende a ficar neutro, com a quantidade de elétrons igual a de prótons, fazendo com que sua carga seja igual a zero, portanto, se um átomo perder um ou mais elétrons, o número de prótons supera o de elétrons, tornando o átomo um Íon positivo. Se acontecer o contrário, ou seja, o átomo ganhar elétrons, o número de elétrons supera o número de prótons, tornando o átomo  um Íon negativo. Esse processo de ganhar ou receber elétrons é chamado de Ionização. CLICANDO AQUI, você vê muito mais detalhes sobre cargas, Eletrostática em geral.

  Veja o exemplo abaixo:

   Observe a imagem acima. São átomos de cobre. Perceba que o átomo de cobre possui só 1 elétron na camada de valência. Quando aplicada uma corrente elétrica pelo condutor (que é feito de átomos), ele joga um elétron para o outro. O primeiro átomo recebe o elétron e se torna um íon negativo (ele se sobrecarrega) e força um elétron da camada de valência a ir para o outro átomo. Esse segundo átomo recebe o elétron do primeiro, se torna um íon negativo e manda novamente um elétron da camada de valência para outro átomo, e assim sucessivamente.

  Como foi dito acima, um corpo qualquer é feito de uma infinidade de átomos, que pode variar de acordo com sua densidade e dimensões. O que mantém esses átomos juntos é a nuvem de elétrons que circula pelo material.

  Exemplo de bons condutores são o Cobre e o Ouro. Exemplos de materiais que não conduzem bem a corrente são a borracha e o plástico, pois possuem uma rigidez dielétrica infinita se comparada com valores baixos de tensão.

 

RIGIDEZ DIELÉTRICA

  Só que, todo material isolante pode conduzir se aplicado sobre ele um campo elétrico muito forte e maior do que o campo que mantém os elétrons presos na órbita dos átomos, fazendo com que os elétrons passem a circular sobre a cadeia de átomos e assim haver um fluxo de cargas. A luz, uma descarga elétrica muito alta, e principalmente a temperatura, podem influir na rigidez dielétrica em alguns materiais: quanto maior a temperatura, mais elétrons se soltam da cadeia de átomos.

  Capacitores, varistores, termistores, e outros componentes, que são mostrados nos Capítulos seguintes, funcionam levando em conta esta propriedade dos materiais: a Rigidez Dielétrica.

  Veja abaixo, uma tabela com a constante dielétrica (K) de alguns materiais:

   É válido lembrar que estes valores podem mudar um pouco, pois materiais industrializados podem sofrer misturas e outras alterações em sua formulação.

  Dê prioridade ao fator kV/mm (KiloVolt / milímetro). Se este valor estiver disponível, ele será mais confiável, pois é o que define a rigidez dielétrica do material. É um valor que indica a maior diferença de potencial (tensão) que o material suporta sem perder suas características de isolante.

  Mas nada é tão simples assim!

  Além da Rigidez Dielétrica, temos outras características importantes a serem estudadas nos materiais. E é o que veremos na sequência.

 

SUSCEPTIBILIDADE ELÉTRICA

  Quão fácil é para um material ser polarizado quando aplicado sobre ele um campo elétrico?

  É isso que estudamos na Susceptibilidade Elétrica: a facilidade que uma material tem de se polarizar quando um campo elétrico é aplicado sobre ele.

  A Susceptibilidade Elétrica influencia na Capacidade Eletrostática de um capacitor e é uma característica que determina a Permissividade Elétrica, que veremos na sequência.

  Definimos esta característica como a constante de proporcionalidade relacionando um Campo Elétrico "E" à densidade de polarização de um determinado material "P". Podemos descrever isso na equação abaixo:

  Onde:

 

 > P : Densidade de polarização;

 > ε0 : Permissividade Elétrica do Vácuo, medida em Farad por metro (F/m);

 > Xe : Susceptibilidade Elétrica;

 > E : Campo elétrico.

 

  A Suscetibilidade de um material está relacionada a sua permissividade relativa εr, que é dada pela seguinte equação:

  Onde:

 

 > Xe : Susceptibilidade Elétrica;

 > εr : Permissividade Relativa, medida em Farad por metro (F/m).

 

  Para o Vácuo a Suscetibilidade Elétrica é 0 (Zero).

 

PERMISSIVIDADE ELÉTRICA

  Também chamada de Permitividade Elétrica, é uma característica Física que descreve como um campo elétrico afeta ou é afetado por um meio, um material.

  É a Permissividade que determina a habilidade de um determinado material de se polarizar quando um campo elétrico aplicado. É a alta Permissividade do dielétrico é que faz um capacitor condensar mais cargas com um campo elétrico menor, aumentando assim a capacidade eletrostática, isto é, a capacitância do mesmo.

  A Permissividade não é uma constante, pois depende da posição do material, da frequência do campo elétrico aplicado, a umidade, a temperatura e etc.

  A unidade de medida definida pelo Sistema Internacional de Unidades é o Farad por metro (F/m).

  Existem a Permissividade Absoluta e a Relativa. A Relativa é dada com relação ao vácuo, que tem 8,8541878176 × 10^-12 F/m, já a Absoluta é dada multiplicando-se a Permissividade Relativa pela do Vácuo. Podemos ver isso na equação abaixo:

  Onde:

 > ε : Permissividade Absoluta, medida em Farad por metro (F/m);

 > εr : Permissividade Relativa, medida também em F/m;

 > ε0 : Permissividade do vácuo (8,8541878176 × 10^-12 F/m).

 

  Podemos chegar na Permissividade Absoluta tendo os valores de susceptibilidade elétrica, como é possível ver na equação abaixo:

  Onde:

 > ε : Permissividade Absoluta, medida em Farad por metro (F/m);

 > Xe : Susceptibilidade Elétrica;

 > ε0 : Permissividade do vácuo (8,8541878176 × 10^-12 F/m).

 

  A Permissividade de um meio depende se ele for anisotrópico ou isotrópico.

 

POLARIZAÇÃO DIELÉTRICA

  É o fenômeno de deslocamento de nuvens eletrônicas nos átomos ou moléculas que compõem um material isolante quando exposto à um campo elétrico que puxa a cargas negativas (elétrons) e empurra as cargas positivas (prótons) através de forças elétricas.

  No REGIME DE CAMPO ELÉTRICO EXTERNO FORTE, ou seja, extremamente grande se comparado com a energia que mantém os elétrons presos no átomo ou molécula, ocorre a Ionização do material isolante, o tornando uma espécie de "ponte de ligação" entre os polos onde se concentram cargas de sinais opostos.

  A deformação das nuvens eletrônicas formadas pelo campo elétrico aplicado, isto é, o campo elétrico externo, faz com que os átomos ou moléculas que compõem o material isolante se tornarem DIPOLOS ELÉTRICOS. Neste momento, um campo elétrico interno, isto é, do material isolante, atua em oposição ao campo elétrico externo.

 

  Observação: No texto citamos "átomos e moléculas", isto pois, uma molécula é um corpo eletricamente neutro formado por pelo menos dois átomos, e na eletrônica nem sempre temos materiais puros, isto é, feitos de uma cadeia de átomos de apenas um elemento químico, mas sim de dopagens, misturas...

 

  Voltando ao contexto, um DIPOLO ELÉTRICO pode ser definido como um par de cargas de mesmo módulo, porém de sinais opostos. Veja a imagem abaixo para entender melhor:

  Quando exposto à um campo elétrico, ocorre a disposição de um binário, isto é, a ocorrência de duas forças iguais, de mesmo módulo, porém com sentidos contrários. Observe a imagem abaixo:

   O binário faz o dipolo rotacionar até atingir seu ponto de equilíbrio. Veja a imagem abaixo:

  O vetor "E" (em vermelho) é o campo elétrico uniforme ao qual o átomo está exposto.

  Os elétrons presentes em um átomo podem realizar trajetórias elípticas com grande agilidade e rapidez. A força elétrica capaz de gerar esses dipolos é o fruto da interação das cargas elétricas com o campo elétrico.

  Após atingir o ponto de equilíbrio, um momento de dipolo "P" no átomo polarizado é alcançado, tal momento é a multiplicação do campo elétrico externo "E" pela polarizabilidade atômica "α", sendo esta uma constante de proporcionalidade.

  Em moléculas poliatômicas (que possuem mais de 2 átomos em sua formação), o momento de dipolo é dado por uma equação tensorial, onde o "α" é um tensor de polarizabilidade.

  O campo elétrico interno, que se opõe ao campo elétrico externo aplicado ao dielétrico, é gerado a partir do movimento elíptico. Este campo, produzido pelos elétrons, é variável e de alta frequência. O valor médio deste campo corresponde ao produzido pelo elétron em repouso no centro da trajetória, chamado de centro de carga do elétron. Este campo é paralelo ao campo externo aplicado no dielétrico. Observe a imagem abaixo:

 

  Agora, entenderemos melhor a forma com que um dielétrico é polarizado.

   Um dielétrico sólido é representado na imagem acima. Observe que os dipolos já existem (os dipolos já existem em materiais feitos de moléculas polares - já quando não há dipolos, o campo elétrico externo age de forma a separar os centros de carga positivos e negativos), porém estão desordenados na estrutura do dielétrico.

   Quando um campo elétrico externo é aplicado, o binário aparece.

   Os dipolos se rotacionam, se organizam, ocorrendo a polarização do dielétrico.

  A intensidade de polarização de um material dielétrico não é igual a intensidade de indução eletrostática (eletrização por indução) de um condutor, e isso se deve ao fato de que a carga negativa que ocorre na face A é referente à carga que já estava nesta região, e a carga positiva que ocorre na face B é também referente à carga que já estava na região. O que ocorreu foi apenas a arrumação dos dipolos. Veja a imagem abaixo:

   No caso de um condutor, a face esquerda é correspondente à elétrons que se deslocaram por todo o condutor, e não apenas os que se encontravam na região. Por este motivo que condutores concentram mais as cargas. Os dielétricos apenas conduzem energia quando a rigidez dielétrica é quebrada no momento em que ocorre a polarização dos átomos ou moléculas.

 

  Tendo a Susceptibilidade e a Permissividade Elétrica, conseguimos calcular o momento de dipolo por unidade de volume em um dielétrico:

  Onde:

 > P : Momento dipolar por unidade de volume;

 > ε0 : Permissividade Elétrica do vácuo (8,8541878176 × 10^-12 F/m);

 > Xe : Suscetibilidade Elétrica do material dielétrico;

 > E : Campo elétrico externo aplicado sobre o dielétrico.

 

  Os materiais que obedecem a equação mostrada acima são considerados dielétricos lineares.

 

  Pra complementar, "momento de dipolo" ou "momento dipolar" se refere a intensidade do dipolo elétrico que as ligações polares apresentam. Uma molécula será apolar se seu momento de dipolo for igual a 0 (Zero).

 

  Enfim, o fenômeno de polarização pode acontecer com átomos e moléculas, e dependendo do campo elétrico aplicado, pode acontecer até uma Ionização.

 

DENSIDADE DE POLARIZAÇÃO

  É um campo vetorial que expressa a densidade de momentos dipolares elétricos num material isolante, sejam estes momentos de dipolo permanentes ou induzidos.

  A densidade de polarização descreve também como uma material isolante se comporta quando exposto à um campo elétrico, descreve como um material pode afetar o campo elétrico ao qual esta exposto, bem como calcular as forças elétricas que resultam dessa interação campo / dielétrico.

  A densidade de polarização tem como unidade de medida padrão do SI o Coulomb por metro quadrado (C/m²)

  A densidade de polarização pode ser análoga à magnetização, que mede a resposta de uma material quando exposto a um campo magnético.

 

  As relações entre temperatura e resistência você verá abaixo:

  Um detalhe importante é, que por mais que o material seja um bom condutor como o cobre, o comprimento, o diâmetro, a temperatura, a resistividade, influenciam muito e provocam resistência elétrica. Para saber a resistência de um material devemos utilizar a fórmula abaixo:

  Onde:

  > R é a Resistência(em Ohms);

  > p é a resistividade elétrica do material, em Ohms por metro(cada material possui um valor diferente);

  > L é o comprimento do fio condutor (em mm²);

  > A é a secção transversal dada em mm². Para saber a secção transversal, você deve saber o diâmetro do fio condutor e multiplicar esse valor pelo raio ao quadrado (r²).

  Veja abaixo a tabela de resistividade de vários materiais a uma temperatura de 20 graus Célcius:

   Componentes eletrônicos como o resistor já são desenvolvidos para provocar um oposição a passagem de corrente elétrica, utilizando materiais como o carvão, o nicromo e a cerâmica, que em determinadas quantidades e temperaturas geram uma barreira dificultando a circulação dos elétrons, porém também geram calor.

 

  A temperatura influência na resistência da maioria dos materiais. Aí temos o efeito Joule: todos os corpos são constituídos de átomos. Não notamos, mas um corpo qualquer possui uma agitação nos átomos que compõem sua estrutura, uma agitação que vai ficando mais acentuada a medida que o corpo vai ficando mais quente.

  A corrente elétrica aplicada num filamento o sobrecarrega, isto é, os elétrons tem dificuldade em passar pelo condutor e acabam colidindo com os átomos que estão se agitando. Parte da energia cinética (energia do movimento) dos elétrons circulantes é transferida para o átomo, que aumenta seu estado de agitação, consequentemente deixando o filamento cada vez mais quente. A colisão entre os átomos se agitando faz com que o corpo fique cada vez mais quente.

  O Oxigênio colabora para a combustão do corpo, que já está muito quente.

  Veja este exemplo de sobrecarga em um resistor:

  Um resistor que esteja trabalhando acima do seu limite de tensão e circulação de elétrons (corrente elétrica), também acabará queimando devido ao excesso de calor gerado. A agitação dos átomos deixa o corpo cada vez mais quente, mas o resistor não consegue perder toda a energia térmica para o ambiente. Outra parte da energia dos elétrons circulantes pelo resistor também é transferida para os elétrons que compõem o átomo, fazendo com que ocorra o salto quântico. Ao retornarem para seus lugares originais no átomo, os elétrons liberam a energia que os fizeram saltar, ou seja, liberam fótons de luz. O resistor passa a emitir uma luz enquanto a agitação excessiva de seus átomos faz toda a sua estrutura entrar em colapso. 

  Este texto sobre o efeito Joule está disponível também no Capítulo 1.1. Introdução à Eletrodinâmica

 

  Essa agitação maior e o choque físico entre eles faz com que, em alguns materiais, a circulação de elétrons pelos átomos seja prejudicada, ocasionando uma resistência maior conforme o aumento de temperatura. Em quase todos os materiais essa agitação também gera a transformação de parte da corrente elétrica em energia térmica, e essa energia é dissipada no ambiente, fazendo com que uma parte da energia elétrica que passa pelo condutor seja perdida.

 

  Mas como explicar que o Carbono, o Germânio e o Silício, por exemplo, diminuem sua resistência conforme o aumento da temperatura?

  Em alguns materiais, o aumento de temperatura também provoca uma força maior que a rigidez dielétrica, e que faz os elétrons se manterem na órbita dos átomos, fazendo com que a elevação de temperatura faça aumentar a circulação de elétrons, e a agitação dos átomos não impacte tanto na resistência. Você verá mais detalhes se ler o Capítulo 1.4, que é sobre varistores. Clique aqui para acessar!

  Já o constantan (liga de Níquel e Cobre), não há muita diferença de resistência em relação a temperatura, e isso acontece porque o aumento de elétrons livres e da agitação dos átomos se compensam, fazendo com que o aumento de temperatura não impacte na resistividade. Vários dos materiais apresentados na tabela acima apresentam um aumento de resistência quando submetidos a temperaturas altas.

  Outros materiais, quando submetidos a temperaturas próximas de zero Kelvin, possuem resistividade de praticamente 0 Ohms, o que é denominado supercondutividade. À temperaturas extremamente baixas não há agitação dos átomos, nem quebra da rigidez dielétrica, mas sim a circulação perfeita dos elétrons, com resistência extremamente baixa e, consequentemente, sem geração de calor, o que torna o material um supercondutor.

  Resumindo: dependendo do material, pode ocorrer um destes três fatores apresentados abaixo:

   O fator 01 ocorre com Cobre, com o Nicromo, entre outros. Já o fator 02 ocorre no Carbono, no Silício, e etc. O fator 03 ocorre no Mercúrio, por exemplo. Há também um quarto fator, que é a resistência quase invariável independente da temperatura, e que ocorre no constantan, entre outros materiais.

  Como foi dito no Capítulo 1.1 desta série, um fluxo ordenado de elétrons é chamado de corrente elétrica, e há dois tipos de corrente: contínua e alternada.

  Para calcularmos a intensidade de corrente elétrica que está passando por um condutor em um determinado período de tempo, temos que usar a carga elementar do elétron (e) que é de -1,6 x 10 elevado a -19 C e saber quantos(Q) elétrons passaram pelo condutor nesse intervalo de tempo (T), portanto:

   Agora, para saber a intensidade da corrente:

   Como podemos ver, a corrente elétrica depende do material que é construído, da temperatura, do diâmetro do condutor, que deve ser feito com elementos químicos bons condutores de energia. Se restou alguma dúvida, é só mandar um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com ou mande uma mensagem pelo Facebook. Se você gostou, é só curtir e compartilhar.

FONTES e CRÉDITOS:

 

Texto e imagens: Leonardo Ritter

Referências: Livro "Eletrônica para Autodidatas, Estudantes e Técnicos"; meu caderno de física da escola; Mundo Educação; Alfa Connection; Brasil Escola; Instituto Newton C. Braga; Edufer; Engenheiro Tem que Estudar (EtE).

 

Última atualização: 23 de Julho de 2019.

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