Condutores e isolantes
Nos velhos tempos, se a casa de alguém pegasse fogo, voluntários corriam para o local e formavam uma brigada de baldes para apagar as chamas. Se você pensar bem, pode-se dizer que a brigada de baldes estava ‘conduzindo’ água da fonte ao fogo. Mas, e se os voluntários parassem de passar a água?
Bem, nós sabemos de uma coisa: a casa iria queimar até o chão porque foi efetivamente ‘isolada’ da água! O cenário da brigada de baldes é na verdade muito semelhante ao motivo pelo qual alguns materiais agem como condutores elétricos e outros agem como isoladores elétricos. Mas, para encontrar os atores em nossa ‘brigada elétrica’, temos que começar no nível atômico.
Nem todos os átomos são criados iguais. Alguns átomos não retêm seus elétrons externos com muita força. Eles são conhecidos como elétrons livres porque são literalmente livres para vagar de átomo a átomo. Os elétrons livres são os membros de nossa brigada elétrica que passa energia elétrica de um elétron para outro.
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Um material com muitos elétrons livres permite uma fácil transferência de energia elétrica e, portanto, é chamado de condutor . Se enviarmos um elétron energético a um condutor, ele impactará um elétron livre, derrubando-o na linha até atingir outro elétron livre. Isso configura uma reação em cadeia de impactos que conduz a energia elétrica pelo material.
Uma boa maneira de pensar nisso é como um grupo de bolas espalhado sobre uma mesa de bilhar. Nosso elétron energético é como a bola branca sendo atirada no grupo e atingindo uma bola, que por sua vez bate em outra bola e assim por diante ao longo da linha. Antes que você perceba, a energia da bola branca foi «conduzida» até a outra extremidade da mesa. A única diferença real entre bolas de bilhar e elétrons é que os elétrons conduzem energia elétrica quase à velocidade da luz!
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Na outra extremidade do espectro, existem átomos que seguram seus elétrons com muita força. Um material que contém esses tipos de átomos tem muito poucos elétrons livres, ou nenhum, e não transfere bem a energia elétrica, se é que transfere. Este tipo de material é denominado isolante .
Se enviarmos um elétron energético para um isolante, ele efetivamente ricocheteia nos átomos, incapaz de transferir sua energia para os elétrons fortemente ligados. Ele continuará saltando até que libere outro elétron ou até que simplesmente fique sem energia!
Voltando à nossa analogia com a mesa de bilhar, isso é muito semelhante à bola branca que simplesmente quica nas laterais da mesa. Ou ele atinge outra bola e transfere sua energia ou simplesmente para de rolar por causa do atrito.
Condutividade
A capacidade de um material de conduzir energia elétrica é conhecida como condutividade . Não surpreendentemente, materiais que são bons condutores têm alta condutividade, enquanto materiais que são bons isolantes têm baixa condutividade. A condutividade de um material depende do número de elétrons livres disponíveis, e isso varia muito entre os diferentes tipos de átomos. Em geral, os materiais com as condutividades mais altas, ou os melhores condutores, são metais – mas isso não significa que outros materiais não sejam capazes de conduzir eletricidade. Se isso fosse verdade, ninguém estaria em perigo de ser eletrocutado!
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Na outra extremidade do espectro, os materiais com as condutividades mais baixas, ou melhores isolantes, são vidro, cerâmica, borracha e alguns plásticos. Nem todos os materiais são classificados como isolantes ou condutores porque, no mundo real, eles não fazem um trabalho particularmente bom em nenhum dos dois.
Uma nota final sobre condutividade: bons condutores elétricos também são bons condutores de calor. Eletricidade e calor são apenas duas formas diferentes de energia, mas ambos dependem de elétrons livres para se transferirem através do material. Às vezes, é mais fácil dizer se um material seria um bom condutor usando nosso sentido do tato para ver como ele conduz o calor.
Condutores e isolantes na vida cotidiana
Vejamos alguns exemplos do dia a dia de condutores e isoladores. Você já pensou muito nos cabos elétricos que fornecem energia para quase tudo em sua casa? Um cabo elétrico é feito de condutores e isolantes. O fio no centro é normalmente feito de cobre, e a capa externa é feita de plástico ou borracha.
Um cabo elétrico é um exemplo dramático dos diferentes níveis de condutividade entre os materiais. O cobre é tão mais condutor do que a borracha que os elétrons podem viajar facilmente por trinta metros de cobre, mas não podem passar por uma minúscula fração de centímetro de isolamento de borracha. Na verdade, a condutividade do cobre é cerca de um milhão de trilhões de vezes maior do que a da borracha.
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Agora, que tal vidro ou cerâmica? Você consegue pensar em um lugar onde tenha visto esses materiais usados como isolantes elétricos? Você provavelmente já os viu, mas talvez não tenha percebido o que estava olhando. Muitas linhas de alta tensão são protegidas por esses isolantes de aparência engraçada porque são muito bons em não conduzir eletricidade.
Resumo da lição
Vamos resumir o que aprendemos. Materiais compostos de átomos com elétrons livres são bons condutores. A energia elétrica é conduzida através de um material pela transferência de energia de um elétron para o próximo. Os materiais feitos de átomos com elétrons fortemente ligados são bons isolantes. Esses materiais têm muito poucos, se houver, elétrons livres disponíveis para transferir energia.
A capacidade de um material de conduzir energia elétrica é chamada de condutividade. Todos os metais possuem alta condutividade e são bons condutores, enquanto borracha, plástico, cerâmica e vidro apresentam baixa condutividade, tornando-os os melhores isolantes. Bons condutores elétricos também são bons condutores de calor porque ambas as formas de energia dependem de elétrons livres para serem transferidos através do material.
Resultados de Aprendizagem
Você poderá fazer o seguinte depois de assistir a este vídeo:
- Diferencie condutores e isolantes em nível atômico
- Forneça exemplos de condutores e isoladores
- Definir condutividade
- Explique por que bons condutores elétricos também são bons condutores de calor