A condutividade elétrica é um dos fenômenos macroscópicos de maior relevância na física. De fato, esse fenômeno emerge como uma manifestação macroscópica de partículas quânticas: os elétrons. Ademais, quando falamos de condutividade associamos essa grandeza física a qualquer tipo de material, inclusive, isso permite a sua classificação quanto condutores e isolantes.
Entretanto, muitas vezes as noções de condutividade elétrica ficam postas apenas num contexto de engenharia eletricista. Decerto, as aplicações da condutividade como forma de propagação de energia elétrica é uma de suas grandes utilidades. Seguindo esse viés, nesse artigo vamos explorar as questões associadas a noção de condutividade elétrica. Desse modo, nosso regime de descrição será guiado pelas leis de Newton que governam a dinâmica desses sistemas. Além disso, vamos explorar algumas relações do eletromagnetismo, meios dielétricos e afins.
Fenômenos eletromagnéticos
Antes de tudo, é importante que saibamos que as noções de condutividade elétrica perpassam o arcabouço teórico da teoria eletromagnética. Com efeito, o eletromagnetismo é a área da física que despende-se ao estudo da interação entre cargas elétricas e campos magnéticos que podem ou não variar com o tempo. Nesse sentido, podemos separar o eletromagnetismo em algumas partes que são:
- Eletrostática – a interação entre cargas elétricas estacionárias. Cargas opostas se atraem enquanto cargas iguais se repelem.
- Eletrodinâmica – a interação entre cargas elétricas em movimento e campos magnéticos. Essa interação é descrita pelas leis de Faraday e de Ampère e é utilizada em diversas aplicações, como motores elétricos e geradores elétricos.
- Ondas eletromagnéticas – as ondas que se propagam através do espaço a uma velocidade constante de 299.792.458 metros por segundo, conhecida como velocidade da luz. Essas ondas incluem a luz visível, as ondas de rádio, as micro-ondas, os raios-x e os raios gama.
Os fenômenos eletromagnéticos são fundamentais para a compreensão da natureza e para o desenvolvimento de tecnologias modernas. Com efeito, dentro dessas 3 áreas emergem diversos fenômenos físicos interessantes como a indução eletromagnética, condutividade elétrica, condutividade Hall e afins. Decerto, a teoria eletromagnética é um dos campos mais fascinantes da Física.
A origem da condutividade elétrica
Apresentado um pouco do contexto do eletromagnetismo vamos agora entender o que é a condutividade elétrica. Com efeito, essa grandeza física é associada a facilidade que um material possui em permitir a passagem da corrente elétrica. Assim, é de imediato que urge-se a noção de que há materiais que possuem boa condutividade elétrica e outros que possuem má condutividade elétrica. Decerto, veremos na seção seguinte que essa noção permite a classificação de materiais nos grupos: metais, semicondutores e isolantes.
A lei de Ohm, resistividade e condutividade elétrica
No contexto de condutividade elétrica, é imediato que a noção de Lei de Ohm tome espaço. De fato, essa lei física é uma das leis fundamentais da eletricidade que associa a fluidez da corrente elétrica I em um material quando uma determinada tensão V. Em suma, a relação estabelecida por essa lei é a seguinte:
A Lei de Ohm é uma lei fundamental da eletricidade que relaciona a corrente elétrica que flui através de um material com a tensão elétrica aplicada a ele. A lei de Ohm estabelece que a corrente elétrica (I) é diretamente proporcional à tensão elétrica (V) aplicada e inversamente proporcional à resistência elétrica (R) do material:
Onde I é a corrente elétrica em ampères (A), V é a tensão elétrica em volts (V) e R é a resistência elétrica em ohms (Ω).
A partir disso, podemos desprender as noções de condutividade elétrica em relação ao valor R apresentado nessa lei. Decerto, o valor R é chamado de resistência elétrica e esse valor corresponde a uma grandeza que captura a dificuldade da corrente elétrica passar por um determinado material. Ademais, a partir dela define-se a chamada resistividade elétrica dada por:
onde A e L denotam, em respectiva ordem a secção transversal de área e o comprimento do material. Com isso, podemos então definir a condutividade elétrica, a qual é
Aplicações da condutividade elétrica
Agora, vamos nos adentrar nas aplicações da condutividade elétrica. Decerto, aqui mostraremos que a condutividade não é apenas um fator ligado a transmissão de energia elétrica. Em verdade, veremos suas aplicações, primeiro na física do estado sólido e depois em outras áreas da ciência.
As bandas de energia
A condutividade elétrica de um material está diretamente relacionada à estrutura da banda de energia do material. Assim, a condutividade elétrica permite uma classificação de materiais. As bandas de energia são importantes para a caracterização de materiais em condutores, semicondutores e isolantes, pois elas determinam como os elétrons se movem dentro do material. Em geral, os materiais são classificados com base em suas propriedades elétricas, que dependem das bandas de energia.
Com efeito, a classificação de materiais quanto a sua condutividade é dada em: isolantes, condutores e semicondutores. De fato, a condutividade é associada as bandas de energia e seus tamanhos. Em suma, essas estruturas físicas representam populações de elétrons nos materiais, onde, tem-se uma banda inferior chamada de banda de valência e outra banda superior chamada banda de condução.
Nesse sentido, há ainda um espaçamento entre essas bandas que urge de princípios da mecânica quântica quanto a exclusão de Pauli e afins. Então, é a partir do tamanho dessa região entre bandas que chamamos de bandas proibidas que conseguimos classificar os materiais quanto a sua condutividade elétrica.
Tipos de Bandas de energia
Por exemplo, na Figura 1 temos a banda de energia de um nanotubo de nitreto de boro cujo espaçamento entre bandas é suficientemente grande.
Os isolantes têm bandas de energia muito largas e uma lacuna de energia muito grande entre a banda de valência e a banda de condução, o que significa que eles não conduzem eletricidade facilmente. Por outro lado, temos os materiais condutores, os quais têm bandas de energia largas e muitos elétrons na banda de condução veja a Figura 2 e perceba a distinção entre a banda mostrada na Figura 1.
Por fim, há ainda os semicondutores, os quais, têm bandas de energia estreitas e têm apenas alguns elétrons na banda de condução. Decerto, veja a Figura 3 que evidencia uma banda de energia intermediária.
Aplicações em sensores
A condutividade elétrica é uma propriedade importante na elaboração de sensores, uma vez que pode ser utilizada para detectar mudanças em diferentes variáveis, como temperatura, pressão, umidade, presença de gases, entre outras. Na elaboração dos sensores, é possível utilizar diferentes materiais, geometrias e configurações de acordo com as propriedades elétricas e a aplicação específica.
Os sensores funcionam detectando uma mudança na condutividade elétrica do material sensor quando exposto a uma variável externa. Por exemplo, um sensor de temperatura pode ser feito com um material condutor que varia sua condutividade elétrica conforme a temperatura. Quando a temperatura aumenta, a condutividade elétrica do material também aumenta, e essa variação pode ser medida e interpretada como um sinal de aumento de temperatura.
Os materiais utilizados na elaboração dos sensores podem ser metais, semicondutores, polímeros condutores, entre outros. Além disso, é possível elaborar sensores utilizando diferentes geometrias e configurações, como fios, filmes finos, nanofios, entre outras.
Referências
- HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
- NICOLAU, Antonio. Física Básica. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2011.
- NUSSENZVEIG, Moyses. Física Geral. 4. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2016.
- GIANCOLI, Douglas C. Física para cientistas e engenheiros. 3. ed. São Paulo: Pearson, 2009.
- SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Physics for Scientists and Engineers. 9. ed. Belmont: Thomson, 2013.
- ZHANG, L.; WU, X.; CUI, F. Electrical Conductivity of Polymer Composites: A Review. Journal of Materials Science & Technology, v. 33, n. 4, p. 377–386, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.01.012. ↗ DAS, S.; MOHANTY, A. K.; DASH, R. K. Electrical Conductivity of Nanocomposites: A Review. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, v. 19, n. 1, p. 1–17, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2012.06.020. ↗ XAVIER, M. A.; SILVA, C. R.; NUNES, L. A. O. Electrical Conductivity of Carbon Nanotubes: A Review on the Structural Influences and Methods of Measurement. Carbon, v. 49, n. 8, p. 2581–2602, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.02.015. ↗
