4. Materiais Condutores e Isolantes Elétricos

Materiais Condutores Elétricas

Alguns materiais, entre eles os metais,  apresentam uma grande quantidade de elétrons fracamente ligados aos núcleos atômicos. Essa fraca ligação faz com que os elétrons possam ser movidos facilmente através deles. Esses materiais são chamados de condutores elétricos.

Como exemplo, podemos citar:

- os metais (elétrons)
- o grafite (elétrons)

As soluções eletrolíticas também são condutoras elétricas, embora não sejam os elétrons as partículas portadoras de carga elétrica, mas os íons.

Quando um corpo condutor está eletrizado, as partículas portadores de carga elétrica se distribuem na superfície desse corpo. Essa é a forma para que aquelas partículas possam ficar afastadas ao máximo, já que partículas com carga elétrica de mesmo sinal se repelem.

Imagine uma esfera maciça de metal com excesso de elétrons (partículas portadoras de carga elétrica negativa). Esses elétrons irão se distribuir sobre a superfície da esfera.

O mesmo aconteceria com os "buracos" positivos (que se comportariam como partículas portadoras de carga elétrica positiva), eles iriam também se distribuir sobre a superfície do condutor.


Materiais Isolantes Elétricos

Outros materiais (também conhecidos como dielétricos) têm seus elétrons fortemente ligados aos núcleos atômicos. Essa forte ligação faz com que os elétrons não possam ser movidos através deles. Esses materiais são chamados de isolantes elétricos.

Como exemplo, podemos citar:

- a borracha
- a cerâmica
- o vidro
- a madeira (seca)
- o ar (sem umidade)


Resistividade Elétrica

É uma propriedade que representa o quanto um material se opõe à passagem da corrente elétrica (movimento ordenado das partículas portadores) através dele. 

Os materiais condutores elétricos têm resistividade elétrica muito pequena. Os materiais isolantes elétricos têm resistividade elétrica muito grande. A tabela abaixo mostra a resistividade elétrica de alguns materiais. 



O símbolo,
É a unidade de resistência elétrica do Sistema Internacional de Unidades (SI). Lê-se, ohm ("ôm"). 

A resistência elétrica representa o quanto um corpo se opõe à passagem da corrente elétrica corpo.

A unidade de resistividade elétrica,



mostra a resistência elétrica à passagem da corrente elétrica para cada metro a ser atravessado através do material.

Vamos comparar o cobre (condutor) e o vidro (isolante):



Para não esquecer!

Resistividade elétrica - propriedade de um material (substância) de se opor à passagem de corrente elétrica.

Resistência elétrica - capacidade de um corpo de se opor à passagem de corrente elétrica.

Nas redes de transmissão de energia elétrica, os cabos energizados são isolados dos postes e torres através de peças cerâmicas ou de vidro.






Rigidez Dielétrica

Uma outra propriedade dos materiais (substâncias) é a sua rigidez dielétrica. Ela representa o limite superior da tensão elétrica (voltagem) que um dielétrico é capaz de suportar, antes de se tornar um condutor.

 A tabela abaixo mostra a rigidez dielétrica de alguns materiais. 





Obs.: 106 V/m significa milhões de volts por metro.

A rigidez dielétrica dos materiais depende muito da sua temperatura. A tabela acima considera que aqueles materiais estejam a 20oC .

A rigidez dielétrica do ar, além da temperatura, também depende da pressão, da umidade relativa do ar, e até da taxa de crescimento da tensão.

Apesar de ser considerado um isolante, o ar, quando submetido a uma tensão elétrica muito grande, passa a ser condutor. Nesse caso, um raio luminoso é visto durante a descarga elétrica. 

A tabela acima mostra que, se houver uma tensão elétrica de 3 milhões de volts entre dois pontos separados pelo ar e distantes 1m, o ar passará a conduzir e você verá um raio ligando os dois pontos. Caso os pontos estevessem separados por 2m, seria necessário uma tensão de de 6 milhões de volts. E, assim por diante.


A bobina de Tesla é um equipamento que produz uma tensão elétrica de milhões de volts entre ele e o seu redor. Quando ligado, rompe a rigidez do ar, que passa a conduzir.



A tensão elétrica entre uma nuvem  de tempestade e a terra, por exemplo, pode chegar a centenas de milhões de volts. Isso faz com que o ar muitas vezes passe a conduzir e, aconteçam descargas elétricas entre as nuvens, e entre as nuvens e a terra (os raios ou relâmpagos). 

A animação abaixo mostra um relâmpago em câmera lenta.


Cuidado! Durante uma tempestade elétrica, nunca se abrigue debaixo das árvores! Mas por quê?! Porque as descargas elétricas quase sempre atingirão os pontos, no solo, mais próximos às nuvens; nesse caso, o topo das árvores.


As pessoas (e animais) nunca devem ficar em regiões descampadas (abertas) durante uma tempestade elétrica (campos de futebol, praias). Uma pessoa em pé nessas regiões será o ponto mais próximo à nuvem e, caso ocorra uma descarga elétrica, muito provavelmente acontecerá sobre ela.

Os para-raios

Para nos proteger dos raios durante as tempestades elétricas, são instaladas pontas metálicas ligadas ao solo por um fio, exatamente para que a descarga elétrica passe por ele, e não através das construções.


Os pára-raios criam um "cone de proteção" para quem está embaixo dele. Por exemplo, para um para-raios instalado a 60m de altura no topo de um prédio, o ângulo de proteção será de 24°, e o cone de proteção terá um raio no solo de aproximadamente 26 metros.


Gaiola de Faraday
Dizem que, se um raio atingir um automóvel as pessoas estariam protegidas devido à borracha dos pneus. Não é verdade. A proteção é devido à fuselagem metálica do automóvel. A descarga elétrica passa através do metal da fuselagem, e não pelo interior do automóvel. Diante de uma tensão elétrica de milhões de volts, até mesmo a rigidez dielétrica da borracha é quebrada, e ela passa a conduzir.

O interior de uma estrutura metálica oca é conhecida como Gaiola de Faraday. Quem estiver dentro dela fica protegido de descargas elétricas. 

Alguns corajosos usam roupas metálicas e se expõem a uma bobina de Tesla sem que se machuquem. Essas roupas funcionam como uma gaiola de Faraday.



Semicondutores


Existem ainda materiais que têm propriedades intermediárias entre os condutores e isolantes: os semicondutores. Em geral, são materiais com estruturas cristalinas. 



Os cristais de silício e o germânio (semicondutores puros) alternam seus comportamentos entre isolante e condutor quando sofrem pequenas variações das condições físicas (tensão elétrica, temperatura) a que são submetidas.

Ao se acrescentar pequeníssimas quantidades de impurezas à estrutura desses cristais, um semicondutor puro é transformado em um semicondutor dopado.

Escolhendo-se adequadamente uma certa impureza, obtém-se um semicondutor onde essa impureza doa elétrons à rede cristalina (semicondutor tipo N), usando-se outro tipo de impureza, ela produz buracos positivos, falta de elétrons (semicondutor tipo P).

Os semicondutores dopados (N e P) passam a ser condutores em qualquer temperatura, mas algo muito interessante acontece quando é criada uma junção entre os dois.

Em uma junção PN, onde se junta um semicondutor P a um semicondutor N, o fluxo de elétrons (corrente elétrica) só acontece apenas em um sentido, e não no sentido oposto. Essa estrutura recebeu o nome de diodo semicondutor.


Os diodos são usados como  pequenos interruptores (portas lógicas) nos circuitos eletrônicos digitais. Também são usados nos circuitos que convertem corrente alternada (CA) em contínua (CC). 

A bateria do seu celular é carregada com corrente contínua (CC), mas as tomadas das nossas casas são de corrente alternada (CA). No circuito do seu carregador, certamente encontraremos os diodos, além de outros dispositivos elétricos que veremos em outras aulas.

Um outro tipo de junção tripla desses semicondutores é chamado de transistor. São junções do tipo PNP, ou NPN. 



Além também de funcionar como pequenos interruptores (portas lógicas), são usados em circuitos amplificadores de sinais elétricos. Ou seja, um pequeno  sinal elétrico aplicado no terminal de entrada gera um sinal muito maior no terminal de saída. Por exemplo, quando falamos ao microfone, um pequeno sinal elétrico de áudio é capturado, no circuito amplificador é  transformado num sinal elétrico muito maior,  que vai ser reproduzido nas caixas de som em alto volume.



O uso dos diodos e transistores permitiu miniaturizar cada vez mais os circuitos eletrônicos. No passado, eram usadas válvulas eletrônicas (algumas enormes) nos circuitos retificadores e amplificadores. Os circuitos eram robustos e produziam muito calor, já que aquelas válvulas se pareciam com lâmpadas incandescentes, e queimavam com muita frequência (como uma lâmpada também), os aparelhos eram grandes e pesados, além de que gastavam desnecessariamente muito mais energia elétrica.




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