Propriedades dos Condutores Elétricos
Um condutor elétrico é um material que permite que as cargas elétricas se movam facilmente através dele quando submetido a uma diferença de potencial. Os condutores elétricos são essenciais para muitas aplicações, como fiação, linhas de transmissão, máquinas elétricas, elementos de aquecimento, blindagem eletrostática e muito mais. Neste artigo, exploraremos as propriedades dos condutores elétricos, seus tipos, exemplos e aplicações.
O que é um Condutor Elétrico?
Um condutor elétrico é definido como um material que possui elétrons ou íons livres que podem transportar corrente elétrica quando um campo elétrico é aplicado. A capacidade de um material conduzir eletricidade é chamada de condutividade. O oposto de um condutor é um isolante, que tem poucos ou nenhum elétron ou íon livre e não permite que a corrente elétrica flua através dele.
A condutividade de um material depende de vários fatores, como sua estrutura atômica, temperatura, impurezas e influências externas. Geralmente, os metais têm alta condutividade porque possuem muitos elétrons livres em sua camada mais externa que podem se mover facilmente de um átomo para outro. Alguns exemplos de bons condutores são prata, cobre, ouro, alumínio, ferro e grafite. Os não metais têm baixa condutividade porque possuem poucos ou nenhum elétron livre em sua camada mais externa e tendem a mantê-los firmemente. Alguns exemplos de isolantes são borracha, vidro, madeira, plástico e ar.
Alguns materiais têm condutividade intermediária entre condutores e isolantes. Estes são chamados de semicondutores e são amplamente utilizados em eletrônica e tecnologia de computação. Alguns exemplos de semicondutores são silício, germânio, arsênio de gálio e nanotubos de carbono.
Propriedades dos Condutores Elétricos
Os condutores elétricos exibem algumas propriedades comuns quando estão em condições de equilíbrio. Essas propriedades são:
Resistência: A resistência é a medida de quão forte um condutor opõe-se ao fluxo da corrente elétrica. Dependendo do material, ela depende da resistividade, comprimento, área da seção transversal e temperatura. A resistividade é a propriedade intrínseca de um material que determina sua resistência por unidade de comprimento e área. É inversamente proporcional à condutividade. Os condutores têm baixa resistividade e baixa resistência, enquanto os isolantes têm alta resistividade e alta resistência. A resistência faz com que parte da energia elétrica seja convertida em energia térmica no condutor. Isso é chamado de aquecimento Joule ou aquecimento ohmico.
Indutância: A indutância é a medida de quão forte um condutor opõe-se à mudança na corrente elétrica que flui através dele. Depende da forma, tamanho, orientação e arranjo do condutor. A indutância causa a geração de um campo magnético ao redor de um condutor quando uma corrente elétrica flui através dele. Este campo magnético pode induzir uma força eletromotriz (FEM) no mesmo ou em condutores próximos, opondo-se à mudança na corrente. Isso é chamado de auto-indutância ou indutância mútua, respectivamente. A indutância afeta a distribuição da corrente e a queda de tensão em um condutor quando é usado para corrente alternada (CA).
O campo elétrico dentro do condutor é zero: O campo elétrico dentro de um condutor perfeito é zero, pois qualquer campo elétrico exerceria uma força sobre os elétrons livres e os aceleraria até que atingissem o equilíbrio. Em condições de equilíbrio, a força líquida sobre os elétrons livres é zero, e eles não se movem. Isso significa que não há diferença de potencial dentro do condutor, e todos os pontos estão no mesmo potencial. Esta propriedade torna os condutores adequados para blindagem eletrostática de equipamentos elétricos.
A densidade de carga dentro do condutor é zero: A densidade de carga dentro de um condutor perfeito é zero, pois qualquer carga criaria um campo elétrico que repeliria a mesma carga para a superfície do condutor. A repulsão eletrostática mútua entre cargas semelhantes (elétrons) empurra-as para a superfície externa do condutor, onde podem estar o mais longe possível. Isso significa que não há carga dentro do condutor, e apenas carga livre existe na superfície.
Carga livre existe apenas na superfície do condutor: Como discutido acima, a carga livre (elétrons) não existe dentro do condutor, mas apenas em sua superfície devido à repulsão eletrostática. A quantidade e distribuição de carga livre na superfície dependem da forma e tamanho do condutor e do campo elétrico externo aplicado a ele.
O campo elétrico na superfície do condutor é normal à superfície: O campo elétrico na superfície de um condutor perfeito é normal (perpendicular) à superfície, pois qualquer componente tangencial faria com que os elétrons livres se movessem ao longo da superfície até cancelarem o componente tangencial. Isso significa que não há componente paralelo de campo elétrico na superfície, e apenas um componente normal existe.
Tipos de Condutores Elétricos
Os condutores elétricos podem ser classificados em diferentes tipos com base em sua estrutura, composição, comportamento e aplicação. Alguns tipos comuns são:
Condutores metálicos: São condutores feitos de metais ou ligas que têm alta condutividade devido aos seus elétrons livres. Eles são amplamente utilizados para fiação, linhas de transmissão, máquinas elétricas, contatos elétricos, etc. Alguns exemplos são prata (Ag), cobre (Cu), ouro (Au), alumínio (Al), ferro (Fe), etc.
Condutores iônicos: São condutores feitos de compostos iônicos que têm alta condutividade devido aos seus íons livres quando dissolvidos em água ou derretidos em estado líquido. Eles são usados para eletrolise, baterias, células de combustível, etc. Alguns exemplos são cloreto de sódio (NaCl), hidróxido de potássio (KOH), ácido sulfúrico (H2SO4), etc.
Condutores moleculares: São condutores feitos de moléculas que têm alta condutividade devido aos seus elétrons deslocalizados ou orbitais moleculares que podem se sobrepor uns aos outros. Eles são usados para eletrônica orgânica, nanotecnologia, etc. Alguns exemplos são grafite (C), nanotubos de carbono (CNTs), poliacetileno (PA), etc.
Supercondutores: São condutores que têm resistência zero e condutividade infinita quando resfriados abaixo de uma certa temperatura crítica. Eles também exibem outros fenômenos, como o efeito Meissner, corrente persistente, levitação quântica, etc. Eles são usados para ímãs supercondutores, computadores quânticos, imagens médicas, etc. Alguns exemplos são mercúrio (Hg), chumbo (Pb), óxido de iodo, bário, cobre (YBCO), etc.
Aplicações de Condutores Elétricos
Os condutores elétricos têm muitas aplicações em diversos campos da ciência, engenharia e tecnologia. Algumas aplicações comuns são:
Fiação: A fiação é uma das aplicações mais comuns dos condutores elétricos. Envolve a conexão de diferentes dispositivos ou componentes elétricos com fios feitos de condutores metálicos, como cobre ou alumínio. A fiação permite que a eletricidade flua de um ponto a outro com perda mínima ou interferência.
Linhas de transmissão: As linhas de transmissão são fios ou cabos especializados que carregam corrente alternada de alta tensão (HVAC) ou
