Condutores e isolantes: o que são e por que são importantes? (c / gráfico)

A fim de compreender os circuitos elétricos e como os humanos podem alimentar tudo, desde as luzes em suas casas até os trens elétricos (e, cada vez mais com o tempo, carros elétricos) que os levam a trabalhar, primeiro você deve entender o que é a corrente elétrica e o que permite que ela fluxo.

A corrente elétrica é o resultado de elétrons em movimento, que são partículas subatômicas quase sem massa que carregam uma carga negativa muito, muito pequena. Quando você ouve falar de "suco" (como a eletricidade é frequentemente chamada) "fluindo" através dos fios de energia ou da televisão, isso se refere ao fluxo de elétrons através dos fios em um circuito. Fios de metal são especificamente escolhidos para transportar eletricidade porque têm comparativamente baixosresistência elétrica​.

Os elétrons são capazes de servir como um meio para as correntes porque, algo como os cometas orbitando o sol a grandes distâncias, eles existem fora do núcleo atômico onde prótons e nêutrons "vivem" e são consideravelmente menos massivos do que qualquer partícula nuclear (e prótons e nêutrons são terrivelmente leves em seus próprios direito).

Os átomos de diferentes elementos diferem em massa, número de partículas e outras formas inerentes, e o único configuração de cada átomo determina se é um bom condutor, um mau condutor (ou seja, um isolante) ou algo entre.

Corrente elétrica (representada poreue medido emamperesou A) é o fluxo decarga elétrica(denotado porqe medido emcoulombsou C) na forma de elétrons por meio de um meio condutor, como um fio de cobre. Os elétrons se movem devido à influência de umdiferença de potencial elétrico (tensão)entre os pontos ao longo do fio, experimentandoresistência(representado porRe medido emohmsou Ω).

• Toda essa física é capturada perfeitamente porLei de ohm​:

Por convenção, uma carga positiva colocada perto de um terminal positivo ou carga tem maior potencial elétrico do que em pontos mais distantes, tudo o resto da mesma forma. A voltagem tem unidades de joules por coulomb, ou J / C, que é energia por carga. Isso faz sentido, porque o efeito da tensão nas cargas é semelhante ao efeito da gravidade nas massas.

Embora qualquer ponto possa ser escolhido como uma tensão zero ou ponto de energia potencial gravitacional, uma dada massa sempre perde gravitacional energia potencial à medida que é movida para mais perto do centro da Terra, e uma carga positiva sempre perde energia potencial elétrica (que pode ser escritoqE) à medida que se afasta da carga positiva da fonte.

Dado o que foi apresentado, você já deve ter percebido que os elétrons fluem na direção oposta de cargas positivas e, portanto, perdem potencial elétrico no curso do fluxo como elementos de corrente.

Isso é análogo a um piano caindo do céu e perdendo energia potencial gravitacional ao se aproximar da Terra (energia que é conservada na forma de aumento da energia cinética) e perdas de energia por atrito (calor) devido ao ar resistência.

Ao imaginar a corrente aumentando em um fio, imagine o número de elétrons passando por um determinado ponto também aumentando, com o mesmo se aplicando às diminuições de corrente.

• A carga em um único elétron é -1.60 × 10^-19 C, enquanto que em um próton é +1,60 × 10^-19 C. Isso significa que leva (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintilhões) de prótons apenas para formar 1,0 C de carga.

A facilidade com que os elétrons podem se mover através de um material depende dacondutividade. A condutividade, geralmente denotada por σ (a letra grega sigma), é uma propriedade da matéria que depende de certas características intrínsecas dessa matéria, algumas das quais foram abordadas anteriormente.

O mais importante é o conceito deelétrons livres, ou elétrons pertencentes a um átomo que são capazes de "vagar" livremente longe do núcleo. (Tenha em mente que "longe" em termos atômicos ainda significa uma distância incrivelmente curta pelos padrões normais.) Os elétrons mais externos em qualquer átomo são chamadoselétrons de valência, e quando passa a haver apenas um deles, como acontece com o cobre, a situação ideal para a "liberdade" do elétron é estabelecida.

Bons condutores de eletricidade permitem que a corrente flua virtualmente desimpedida, enquanto na outra extremidade do espectro, bons isoladores resistem a esse fluxo. A maioria dos materiais não metálicos do dia-a-dia são bons isolantes; do contrário, você experimentaria choques elétricos continuamente após tocar em objetos comuns.

A qualidade do comportamento de um determinado material depende de sua composição e estrutura molecular. Em geral, os fios de metal conduzem eletricidade com relativa facilidade porque seus elétrons externos estão menos fortemente ligados aos átomos associados e, portanto, podem se mover com mais liberdade. Você pode identificar quais materiais são metais consultando uma tabela periódica de elementos como a dos Recursos.

• O concreto, embora seja uma substância muito menos condutora do que os metais, é considerado um condutor em equilíbrio. Isso é importante, dada a quantidade de concreto em uma fração das cidades do mundo!

• Considere a declaração "A maioria dos materiais condutores tem resistências diferentes em temperaturas diferentes. "Isso é verdadeiro ou falso? Explique sua resposta.

Existem mais materiais isolantes do que materiais condutores na vida cotidiana, o que faz sentido, dado os requisitos estritos para materiais isolantes para simplesmente remover níveis graves de perigo do dia a dia processos. Borracha, madeira e plástico são isolantes onipresentes e muito úteis; praticamente todo mundo aprende a reconhecer o tubo laranja característico ao redor dos cabos de extensão.

Dados os riscos conhecidos de misturar aparelhos elétricos e água, surpreende a maioria das pessoas ao saber que a água pura é um isolante. Água que na verdade consiste em hidrogênio e oxigênio sem impurezas é rara e só pode ser obtida por destilação em laboratório. A água diária geralmente contém um número suficiente de íons (moléculas carregadas) para permitir que a água "normal" se torne um condutor de fato.

Os isolantes, como você poderia prever, contêm materiais cujos elementos têm elétrons de valência ligados com muito mais força ao núcleo do que no caso dos metais.

​Resistividadeé uma medida da resistência de um material ao fluxo de elétrons. Medido em ohm-m (Ωm), é o oposto conceitual e o inverso matemático da condutividade. Normalmente é denotado por ρ (rho), então ρ = 1 / σ. Observe que a resistividade é diferente da resistência, que é (ou pode ser) determinada pela manipulação física da colocação de resistores em um circuito com valores de resistência conhecidos.

A resistividade e a resistência em um fio estão relacionadas pela equação:

OndeRe ρ são resistência e resistividade eeueUMAsão o comprimento e a área da seção transversal do fio. Os isoladores têm valores de resistividade da ordem de 10¹⁶ Ωm, enquanto os metais chegam na faixa de 10^-8Ωm. Em temperatura ambiente, todos os materiais têm algum grau mensurável de resistência, mas a quantidade de resistência nos condutores é pequena.

• A resistência da maioria dos materiais depende da temperatura; frequentemente, em temperaturas mais baixas, a resistência diminui.

Certos materiais atingem um estado de resistência 0 em temperaturas suficientemente baixas. Estes são chamadossupercondutores. Infelizmente, atingir as temperaturas necessárias para a supercondutividade - o que resultaria em uma economia global de energia quase incalculável se poderia ser propagado em todo o mundo para a tecnologia existente - são proibitivamente baixos atingíveis a partir do início do século 21 em laboratório definições.