Condutividade Elétrica
A condutividade elétrica é uma propriedade física dos materiais que indica a capacidade de um material em conduzir corrente elétrica. Definida como a quantidade de tensão necessária para fazer fluir uma corrente elétrica, sua unidade no Sistema Internacional é o siemens por metro (S/m). Metais como cobre, alumínio, prata e ouro são conhecidos por sua alta condutividade elétrica, sendo amplamente utilizados em aplicações elétricas e eletrônicas. Isso se deve ao grande número de elétrons livres que não estão ligados a átomos individuais, permitindo movimentação livre através do material.
Condutividade Elétrica e Materiais
A condutividade elétrica de um material é influenciada por vários fatores, como densidade e mobilidade dos portadores de carga (como elétrons ou íons), estrutura do material, temperatura e outros fatores ambientais. Materiais com alta condutividade elétrica, como metais e alguns tipos de sais e soluções, são usados em aplicações elétricas e eletrônicas para transportar corrente elétrica com mínima resistência ou perda de energia. Outros materiais com baixa condutividade, como isolantes e semicondutores, são usados em aplicações onde controlam ou manipulam o fluxo de carga elétrica.
A condutividade elétrica está intimamente relacionada à resistividade, que é mais comumente usada: σ=1/ρ, onde σ é a condutividade (em m/Ohm) e ρ é a resistividade (em Ohm/m). Para determinar a resistência de um fio, use: R=ρAl=1/(σAl), onde A é a área da seção transversal do fio (em m²) e l é seu comprimento (em metros).
Classificação dos Materiais Segundo a Condutividade Elétrica
Os materiais podem ser classificados em diferentes categorias com base em sua condutividade elétrica:
- Condutores: Materiais com alta condutividade elétrica, como metais e alguns tipos de soluções.
- Isolantes: Materiais com baixa condutividade elétrica, como plásticos, borracha e vidro.
- Semicondutores: Materiais com níveis intermediários de condutividade elétrica, como silício e germânio.
- Supercondutores: Materiais que apresentam resistência elétrica zero em temperaturas muito baixas.
- Condutores Iônicos: Materiais que conduzem eletricidade através do movimento de íons, como alguns tipos de sais e eletrólitos.
Materiais com a Maior Condutividade Elétrica
Alguns materiais se destacam por sua elevada condutividade elétrica:
- Prata: O metal com a maior condutividade elétrica.
- Cobre: Segundo metal mais condutivo, amplamente usado em fiações elétricas e componentes eletrônicos.
- Ouro: Bom condutor de eletricidade, usado em conectores e componentes eletrônicos.
- Alumínio: Leve e com boa condutividade, usado em várias aplicações elétricas.
- Tungstênio: Bom condutor de eletricidade e resistente a altas temperaturas.
- Platina: Metal denso e resistente à corrosão com alta condutividade elétrica.
- Latão: Liga de cobre e zinco com boa condutividade elétrica.
Fluxo de Elétrons em um Fio
Quando uma tensão é aplicada em um condutor, cria-se um campo elétrico que faz os elétrons se moverem em uma direção. No entanto, eles não se movem em linha reta, mas sim de forma aleatória devido a colisões com os átomos do condutor. Essa movimentação aleatória cria resistência ao fluxo de elétrons e parte da energia do campo elétrico é convertida em calor. A velocidade média dos elétrons é chamada de velocidade de deriva. A velocidade de deriva dos elétrons em um condutor é tipicamente lenta, da ordem de poucos milímetros por segundo, mesmo que a corrente no condutor seja alta.
Condutividade Elétrica e Térmica
Em uma dada temperatura, as condutividades térmica e elétrica dos metais são proporcionais, mas o aumento da temperatura aumenta a condutividade térmica enquanto diminui a condutividade elétrica. Esse comportamento é quantificado na lei de Wiedemann-Franz. A lei afirma que a razão da contribuição eletrônica da condutividade térmica (k) para a condutividade elétrica (σ) de um metal é proporcional à temperatura (T). Em termos qualitativos, isso se deve ao fato de que tanto o transporte de calor quanto o elétrico envolvem os elétrons livres no metal. A condutividade elétrica diminui com o aumento da velocidade das partículas porque as colisões desviam os elétrons do transporte adiante da carga. No entanto, a condutividade térmica aumenta com a velocidade média das partículas, aumentando o transporte adiante da energia.
