Elétrons Livres e Condutividade Elétrica
A condutividade elétrica é uma propriedade física dos materiais que representa a habilidade de um material em conduzir corrente elétrica. A unidade do Sistema Internacional (SI) para a condutividade elétrica é o siemens por metro (S/m). A condutividade elétrica de um material é determinada por vários fatores, incluindo a densidade e mobilidade de portadores de carga (como elétrons ou íons), a estrutura do material, temperatura e outros fatores ambientais.
Materiais com alta condutividade elétrica, como metais e alguns tipos de sais e soluções, são comumente utilizados em aplicações elétricas e eletrônicas, onde são usados para transportar corrente elétrica com mínima resistência ou perda de energia. Outros materiais com baixa condutividade elétrica, como isolantes e semicondutores, são usados em aplicações onde podem ser utilizados para controlar ou manipular o fluxo de carga elétrica.
Elétrons Livres e sua Influência na Condutividade
Elétrons livres são elétrons que não estão ligados a um átomo ou molécula e são livres para se moverem através de um material. A condutividade elétrica é uma medida da capacidade de um material em conduzir corrente elétrica. A condutividade de um material depende do número de elétrons livres disponíveis para transportar a carga elétrica.
Materiais que possuem um grande número de elétrons livres, como os metais, são bons condutores de eletricidade. Nos metais, os elétrons de valência dos átomos estão fracamente ligados ao núcleo atômico, permitindo que se movam livremente pelo material. Isso torna os metais bons condutores de eletricidade. Em contraste, materiais que possuem poucos elétrons livres, como os não metais, são maus condutores de eletricidade.
Os não metais tendem a ter elétrons fortemente ligados que não estão livres para se moverem pelo material, por isso não conduzem bem a eletricidade. Em geral, a presença de elétrons livres é um fator crítico na determinação da condutividade elétrica de um material.
Fluxo de Elétrons em um Fio
Quando uma tensão é aplicada através de um condutor, um campo elétrico é estabelecido, o que faz com que os elétrons se movam em uma certa direção. No entanto, os elétrons não se movem em linha reta, mas sim realizam um movimento aleatório devido a colisões com os átomos do condutor, perdendo energia e dispersando-se em direções aleatórias. Isso cria resistência ao fluxo de elétrons e faz com que parte da energia do campo elétrico seja convertida em calor.
Este movimento aleatório faz com que os elétrons tenham uma velocidade média, que é chamada de velocidade de deriva. A velocidade de deriva dos elétrons em um condutor é tipicamente bastante lenta, na ordem de poucos milímetros por segundo, mesmo que a corrente no condutor seja bastante alta. Isso ocorre porque os elétrons estão constantemente colidindo com os átomos do condutor, o que retarda seu movimento geral.
A velocidade de deriva é proporcional à corrente. Em um material resistivo, ela também é proporcional à magnitude de um campo elétrico externo. Embora a velocidade de deriva seja relativamente lenta, ela ainda é um conceito importante para entender o comportamento das correntes elétricas em condutores.
O fluxo geral de carga elétrica em um condutor é determinado pela combinação da velocidade de deriva e do número de portadores de carga que se movem através do condutor. Por exemplo, quando uma tensão contínua (DC) é aplicada, a velocidade de deriva do elétron aumentará proporcionalmente à força do campo elétrico. A velocidade de deriva em um fio de cobre de 2 mm de diâmetro em uma corrente de 1 ampere é aproximadamente 8 cm por hora. Tensões alternadas (AC) não causam movimento líquido; os elétrons oscilam para frente e para trás em resposta ao campo elétrico alternado (em uma distância de alguns micrômetros).
