Quais os portadores de carga nos condutores metálicos?

O tipo de portadores de carga depende da natureza do meio condutor. Por exemplo, nos metais, são os eletrões de condução os responsáveis pelo transporte de carga elétrica; já nas soluções eletrolíticas, são os iões,resultantes da dissociação iónica do eletrólito, que transportam a carga, enquanto que nos plasmas, são os eletrões e iões os responsáveis pelo transporte.

Em todos os condutores, as cargas elétricas encontram-se em movimento. Contudo, uma vez que este movimento é desordenado, não há transporte efectivo de carga elétrica.

Para haver corrente, é necessário aplicar um campo elétrico para orientar o movimento das cargas. Assim sendo, existe uma relação entre a densidade de corrente, \(\overrightarrow{J}\), e o campo elétrico, \(\overrightarrow{E}\). Na maioria dos condutores metálicos, esta relação é de proporcionalidade direta:

\[\overrightarrow{J} = σ\overrightarrow{E}\]

sendo σ a conductividade elétrica do metal.

Para descrever os fenómenos físicos que determinam a condução elétrica, usa-se um modelo clássico, cujos pressupostos são:

1. A rede metálica é constituida por iões que ocupam posições fixas no espaço, e um gás de eletrões de condução que se move entre os iões. Os iões são considerados como objetos impenetráveis, de massa muito superior à dos eletrões.
2. Os eletrões de condução colidem apenas com os iões que constituem a rede metálica; entre colisões, os eletrões de condução não interatuam entre si nem com os iões da rede metálica.
3. As colisões dos eletrões de condução e os iões da rede consideram-se instantâneas, mudando abruptamente a velocidade dos eletrões. A direção da velocidade dos eletrões após uma colisão é completamente aleatória, não tendo relação com a velocidade antes da colisão.
4. Em média, o intervalo de tempo entre duas colisões sucessivas é constante - tempo de percurso médio τ - e a probabilidade por unidade de tempo de ocorrer uma colisão é o inverso de τ.

Suponhamos que o metal é formado por um único elemento, de massa atómica Α. Cada átomo do elemento contribui com z eletrões para a condução. Se a densidade do metal for ρ, o número de eletrões de condução por unidade de volume, também designado por densidade de eletrões de condução, é dado por:

Admitamos que os eletrões de condução têm velocidade média <\(\overrightarrow{v}\)>. A quantidade de carga elétrica que atravessa a secção reta do condutor por unidade de tempo e de área é a densidade de corrente elétrica, que é escrita da seguinte forma:

sendo e a carga elementar.

A velocidade máxima que o eletrão atinge em média entre duas colisões sucessivas pode calcular-se a partir da dinâmica clássica, em que se admite que o eletrão está sujeito apenas à força elétrica. Se \(\overrightarrow{v0}\) é a velocidade do eletrão imediatamente após uma colisão, a velocidade que ele adquire num instante t, entre as duas colisões sucessivas é:

Uma vez que a primeira parcela do segundo membro da equação anterior é perfeitamente aleatória, o seu valor médio é zero. Deste modo, a velocidade média com que os eletrões se deslocam é:

em que m é a massa do eletrão. Considerando esta expressão para a velocidade média dos eletrões, a relação entre da densidade de corrente e o campo elétrico, admitindo linearidade, é:

donde se conclui que a condutividade elétrica do metal é:

Com base na última equação, podemos interpretar o facto da condutividade elétrica de um metal diminuir com o aumento da sua temperatura. De facto, o aumento de temperatura é consequência do aumento da energia interna do metal, que se traduz por uma agitação térmica com maior amplitude. Assim sendo, a probabilidade por unidade de tempo do eletrão colidir com um ião da rede aumenta, pelo que τ diminui.

Apesar da sua simplicidade, este modelo não explica certos aspetos do transporte de carga em metais, por exemplo a magnetoresistência e o efeito termoelétrico.

Você sabe qual é o material no qual sem ele não é possível fazer uma instalação elétrica? Se respondeu condutor elétrico você acertou! Mas você sabe mesmo o que são condutores elétricos? E isolante elétrico? Sabe como funcionam ou quais são os seus tipos? Se não, este artigo é para você! Se sim, este artigo também é para você porque vamos explicar o que são condutores elétricos e isolantes, como funciona um condutor e vamos falar quais são os tipos de condutores elétricos, vamos lá pessoal!

Condutores Elétricos: O que são?

Um condutor elétrico é um material que oferece uma baixa resistência elétrica e possibilita com facilidade a passagem da corrente elétrica ao longo de si.

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Em sua estrutura os elétrons livres possuem uma ligação bem fraca com o núcleo atômico, o que facilita muito para os elétrons se espalharem e se moverem desordenadamente, Ao aplicar uma diferença de potencial (tensão elétrica) o movimento dos elétrons é impulsionado e ordenado, o que acaba gerando uma corrente elétrica que vai se mover ao longo do condutor.

Veja o que tudo sobre Condutores Elétricos!

Tipos de Condutores

Apesar do que muitos pensam, os condutores não são somente sólidos! Os materiais condutores elétricos possuem três tipos, os condutores sólidos, os condutores líquidos e os condutores gasosos.

Condutores Sólidos

Também conhecidos como condutores metálicos, os condutores sólidos possuem em suas estruturas os elétrons livres, e por esses elétrons não terem uma conexão forte com o núcleo, o resultado é uma condução de energia veloz porque os metais doam elétrons facilmente.

Condutores Gasosos

Também conhecidos como condutores de terceira classe ou de terceira categoria, os condutores gasosos têm como portadores de cargas os íons positivos que são tecnicamente conhecidos como cátion, e os íons negativos que são tecnicamente conhecidos como ânions. A produção de energia ocorre quando os cátions e os ânions se colidem.

Condutores Líquidos

Também conhecidos como condutores eletrolíticos, os condutores líquidos geram corrente elétrica quando os íons positivos que são tecnicamente conhecidos como cátions e os íons negativos que são tecnicamente conhecidos como ânions percorrem sentidos discordantes, ou seja, criam nesse movimento uma dissolução iônica.

Exemplos de Condutores Elétricos

Podem ser descritos como condutores os seguintes elementos e materiais abaixo:

• Em estado gasoso: Quaisquer gases ionizados.
• Em estado sólido: Cobre, alumínio, ouro, prata, magnésio, mercúrio (apesar de na maioria das vezes estar em estado líquido, é um metal), chumbo, lítio e outros.
• Em estado líquido: Sódio, potássio, cálcio e outros. (Geralmente são dissolvidos em água).

O que é isolante térmico e isolante elétrico?

Veja o que são Materiais Isolantes!

Os isolantes elétricos são materiais que oferecem uma alta resistência e dificultam bastante a passagem da corrente elétrica. Devido à sua estrutura com os elétrons fortemente ligados ao núcleo atômico, o número de elétrons livres do material isolante é baixíssimo e o espaço para a movimentação de elétrons é bem reduzido.

Os isolantes elétricos são muito usados para impedir a passagem de corrente ou para evitar a fuga da corrente elétrica em um cabo condutor.

Os isolantes térmicos são materiais que oferecem uma alta resistência à passagem de temperatura. Como em sua estrutura os elétrons são fortemente ligados ao núcleo atômico, eles não têm como se movimentar e colidir com os demais para transmitir uma temperatura.

Os isolantes térmicos são muito usados para produzir garrafas ou objetos térmicos, mas também são usados em cabos condutores, pois aumentam a resistência ao calor gerado pela passagem de corrente.

Veja como é Cabo Condutor!

Exemplos de materiais isolantes

São exemplos de isolantes térmicos e elétricos os elementos e materiais abaixo:

• Isolante elétrico: Cerâmica, vidro, borracha, plástico, óleo, gases não ionizados, isopor, madeira, acrílico e outros.
• Isolante térmico: Madeira, ar, neoprene, isopor, lã de vidro, cerâmica, terra e outros.

Você acha que água conduz eletricidade? Caso queira descobrir e ver o teste real, confira o vídeo abaixo do canal Mundo da Elétrica e fique por dentro dessa curiosidade!

Condutores é um vasto assunto a se tratar não é mesmo? Esperamos que este artigo tenha ficado fácil de entender e solucionar possíveis dúvidas sobre o assunto, mas caso haja alguma dúvida deixe nos comentários que vamos te responder! Continue acessando o site do Mundo da Elétrica para acessar mais artigos como este.

Sobre o autor

Eletricista desde 2006, Henrique Mattede também é autor, professor, técnico em eletrotécnica e engenheiro eletricista em formação. É educador renomado na área de eletricidade e um dos precursores do ensino de eletricidade na internet brasileira. Já produziu mais de 1000 videoaulas no canal Mundo da Elétrica no Youtube, cursos profissionalizantes e centenas de artigos técnicos. O conteúdo produzido por Henrique é referência em escolas, faculdades e universidades e já recebeu mais de 120 milhões de acessos na internet.

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