Propriedades elétricas

Teoria Completa

E aí, tudo bem?

Neste capítulo vamos aprender sobre as propriedades elétrica dos materiais. Os materiais possuem diferentes propriedades elétricas e podem ter comportamentos distintos quando são aplicadas correntes elétricas. Alguns materiais conduzem bem a eletricidade e outros não.

Partiu entender o porque?

Resistência elétrica

A resistência elétrica nada mais é que a capacidade que um material tem de resistir à passagem da corrente elétrica. E a unidade de medida?? Ohm (Ω) :D

Mas e como funciona essa resistência? Imagine você no carnaval em Salvador, ruas lotadas de gente dançando felizes, imaginem a dificuldade de atravessar de um lado para outro. O mesmo acontece com a corrente elétrica!

Os metais apresentam elétrons livres e quando estes começam a se movimentar, algumas coisas dificultam a passagem da corrente. Quanto maior o movimento, maior o número de colisões, logo, maior será a resistência à passagem de corrente elétrica do material. Essa resistência é influenciada também pela área do material, e podemos calcular pela seguinte fórmula.

Onde: R é resistência elétrica do material, ρ é resistividade e possui valores diferentes para cada material, l é o comprimento do material condutor de corrente e A é área de seção transversal do condutor.

E o que influencia na resistência?

  • Quanto maior for a área do material, menor será a resistência do condutor. Vai ter mais espaço e ira facilitar a passagem das cargas elétricas, lembre-se da nossa analogia ao carnaval.
  • Quanto maior for o comprimento L do condutor, maior será a resistência pois maior será o espaço que as cargas elétricas percorrerão, aumentando as colisões internas e a perda de energia;

Condutividade elétrica

Se a resistividade é a capacidade de resistir a condução elétrica (σ), então podemos dizer que a condutividade é o inverso da resistividade, beleza?

Unidade: σ (Ohms-metro)-1 (Ω.m) -1= A / V.m

Mas nem todo material podem conduzir eletricidade? Já repararam que a elétrica de uma casa em geral é feita fios de cobre e afins? Pois conduzemmmm muito bem a eletricidade, mas repararam que eles são revestidos por um material plástico? Em geral nas cores (preta, branca e vermelha)? Porque estes materiais são isolantes, se não já imaginou o tamanho do choque que levaríamos?

Condutividade σ em (Ω.m)-1 de uma variedade de materiais à temperatura ambiente.

Lei de Ohm

Densidade de corrente elétrica (J) é à quantidade de carga elétrica que passa em uma área por um determinado tempo. Podemos calcular a partir desta equação:

Onde: E (campo elétrico), σ (condutividade), J (densidade)

Bandas de energia nos sólidos

Quando o elétron está na camada de valência, ele tá ali e movimentando em função do átomo que “prende” ele. Se você dá energia a esse elétron, ele começa a se movimentar com mais facilidade e pode transitar por ai carregando corrente elétrica. Deu pra captar a ideia?

Uma galera da antiga formulou então a teoria das bandas como uma forma de quantificar e representar esses estados de energia do elétron.

Como a gente já falou, nem todo material conduz eletricidade. Vamos compreender como é que funciona essa parada de materiais condutores, semicondutores e isolantes?

Vamos imaginar uma seguinte situação, uma pessoa pulando apenas um degrau, tranquilo ne? Você vai cansar muito pouco, não vai precisar de muita energia pra isso. Esse é o caso dos metais, com pouca energia o elétron sai da banda de valência pra banda de condução.

Pros semicondutores existe um “GAP’’ de energia, mas ele não é muito grande. Então, se você der uma quantidade suficiente de energia, o salto quântico de uma banda pra outra é relativamente fácil de acontecer.

Agora vamos analisar a coluna dos isolantes, aquela banda proibida seria, seguindo nossa analogia, como se fosse 10 degraus para você pular de um patamar para o outro. É uma energia praticamente impossível de ser alcançada, então reduz drasticamente a condução de eletricidade em comparação aos outros materiais. Isso dá a característica isolante ao material.

  • Materiais condutores: Fazem predominantemente ligação metálica. Exemplo: Ouro; Prata; Bronze; Alumínio; Níquel – Cromo.
  • Material isolante: ligação iônica ou fortemente covalente. Exemplo: Borracha; Madeira; Plástico; Cerâmica; Vidro
  • Material semicondutor: ligação predominantemente covalente e relativamente fraca. Os materiais semicondutores pode ser do tipo intrínseco: comportamento elétrico depende da estrutura eletrônica do material puro, sua condutividade é pequena e varia com a temperatura.

Eles também podem ser semicondutores extrínsecos: comportamento elétrico depende da concentração dos elétrons livres. Para aumentar a condutividade pode-se adicionar uma impureza, que nesse caso seria um metal com mais elétrons disponíveis, por exemplo, a fim de melhorar as propriedades elétricas do material. A adição de impurezas é denominada de dopagem.

Dopagem de Semicondutores Extrínsicos

Ao adicionar impurezas em um material, existem dois tipos de dopagem que podem se feitas: a do tipo n e do tipo p.

Introduzindo elementos com mais elétrons do material semicondutor, essas impurezas são doadoras. O material obtido é chamado de Semicondutor tipo N.

De maneira parecida, também se pode introduzir um excesso de cargas positivas no material, nesse caso, produz-se uma falta de elétrons ou um excesso de “buracos”.

Lembra do exemplo do carnaval? Excesso de cargas negativas também geram um “trânsito” nas cargas elétricas que dificultam a passagem de corrente elétrica. Assim, esses buracos também favorecem a condução de corrente elétrica.

Introduzindo impurezas com menos elétrons de valência que o material semicondutor, essas são impurezas receptoras. O material obtido é chamado de Semicondutor tipo P

Exemplo: Silicio dopado com boro (que apresenta 3 eletrons apenas, faltando 1, onde surge o buraco).

Expandir

Exercício Resolvido #1

https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/descoberta-dos-polimeros.htm

Determina a resistência de um condutor de cobre de 3m de comprimento e 2 mm de diâmetro a 25 °C, considerando a resistividade do cobre 1,78 x 10-8 Ω m ?

.

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Passo 1

Primeiramente devemos determinar a fórmula para o cálculo da resistência.

R =   ρ l A

Passo 2

Agora vamos substituir os valores?

R =   ρ l A

R= 1,78   x   10 - 8   Ω m ×   3 m π ( 1 × 1 0 - 3 ) 2 ( m 2 )

R= 0,017 Ω

Resposta

R= 0,017 Ω

Exercício Resolvido #2

https://www.docsity.com/pt/trabalho-de-fisica-ii/4751575/

Sobre a condutividade elétrica dos materiais, escolha a opção certa:

  1. Somente os metais conduzem eletricidade
  2. Os metais são bons condutores elétricos pois apresentam muitos de prótons em sua estrutura atômica.
  3. Para o material ser considerado melhor condutor que outro este deve apresentar a condutividade elétrica maior.
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Passo 1

A primeira alternativa está incorreta, pois tem outros materiais como alguns materiais cerâmicos que apresentam esta característica.

Passo 2

Os metais são bons condutores elétricos pois apresentam elétrons livres

Passo 3

Quanto maior o valor da condutividade elétrica do material, melhor condutor elétrico ele será.

Resposta

Alternativa C

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Sabendo que a resistividade é o inverso da condutividade elétrica. Determine a partir dos valores de resistividade elétrica abaixo, a alternativa incorreta:

  1. O cobre é melhor condutor elétrico que o alumínio.
  2. Dos materiais acima, o vidro é o que apresenta maior resistência à passagem de corrente elétrica.
  3. A condutividade do ouro é maior que a do alumínio.
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Passo 1

A primeira alternativa está correta, pois o valor de resistência do cobre é menor que a do alumínio.

Passo 2

A segunda alternativa está incorreta, pois o valor da resistividade do borracha é maior do que a do vidro.

Passo 3

A terceira alternativa está correta, pois o valor de resistividade do ouro é menor do que do alumínio.

Resposta

Alternativa 2

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

De acordo com a figura abaixo marque a alternativa correta.

  1. O ouro é o melhor condutor dentre os materiais
  2. O alumínio é o material que apresenta a menor resistividade a altas temperaturas
  3. A temperatura é uma variável que influencia negativamente na resistividade dos materiais, quanto maior é o aumento da temperatura menos condutor ele se torna.
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Passo 1

A primeira alternativa está incorreta, pois o ouro é o segundo pior condutor dos materiais apresentados.

Passo 2

A segunda alternativa está incorreta, pois o alumínio é o material que apresenta a maior resistividade

Passo 3

A terceira alternativa está correta, pois a temperatura reduz a propriedade do material de conduzir eletricidade

Resposta

Alternativa 3

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

Na Figura A tem-se um fio de cobre e na Figura B um fio de alumínio. Você como futuro engenheiro deverá escolher quais dos materiais abaixo você aconselharia para o uso em componentes eletrônicos.

Dados:

Comprimento do cobre: 3 m

Comprimento do alumínio: 2 m

Diâmetro do fio de cobre: 0,1m

Diâmetro do fio de alumínio: 0,2m

Resistividade do cobre: 1,7 x 10 -8

Resistividade do alumínio: 2,8 x 10 -8

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Passo 1

Primeiramente deve-se calcular as resistências dos materiais, primeiramente vamos calcular a do cobre?

R =   ρ l A

R = 1,7 × 10 - 8 × 3 π × ( 0,05 ) ² = 6,49 × 10 - 6 Ω

Passo 2

Agora vamos calcular para o alumínio?

R =   ρ l A

R = 2,8 × 10 - 8 × 2 π × ( 0,1 ) ² = 1,78 × 10 - 6 Ω

Passo 3

Vamos analisar as respostas? A resistência do alumínio é menor que a do cobre, isso significa que nesse caso o alumínio “resiste” menos permitindo a movimentação dos elétrons, e sabe o porquê? O cabo de alumínio apresenta uma maior área e um menor comprimento favorecendo para a melhora da condução elétrica.

Resposta

Fio de alumínio.

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

Em indústrias, obras e entre outros, é obrigatório o uso de EPI (Equipamentos de proteção individual). Ao se mexer com eletricidade é necessário o uso de luvas de borrachas para isolar as mãos da corrente elétrica. Escolha a categoria que se enquadra as luvas e outros exemplos.

  1. Isolante, exemplo: tungstênio
  2. Semicondutores, exemplo: ouro
  3. Isolante, exemplo: madeira
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Passo 1

Primeira alternativa está incorreta, pois o tungstênio é um material condutor

Passo 2

Segunda alternativa está incorreta pois o ouro é um material condutor

Passo 3

Segunda alternativa está correta a madeira é um exemplo de isolante , assim como o vidro e entre outros.

Resposta

Alternativa 3

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

Quanto aos semicondutores extrínsecos assinale a alternativa correta:

  1. Ocorre a movimentação de elétrons
  2. As impurezas adicionadas devem ser colocada em elevados teores
  3. Comportamento elétrico determinado por impurezas
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Passo 1

Primeira alternativa está incorreta, pois o que gera as vacâncias é a presença de impurezas

Passo 2

Segunda alternativa está incorreta pois o mínimo teor de impureza adicionada é suficiente para introduzir buracos.

Passo 3

Terceira alternativa está correta

Resposta

Alternativa 3

Exercício Resolvido #8

Elaboração própria

Sobre os tipos de semicondutores extrínsecos assinale a alternativa incorreta:

  1. São classificados em “N” e “P”
  2. Semicondutor do tipo “N” apresenta elétrons livres
  3. Produz um excesso de cargas negativas no material, facilitando a formação de “buracos”
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Passo 1

Primeira alternativa está correta

Passo 2

Segunda alternativa está correta

Passo 3

Terceira alternativa está incorreta, pois produz um excesso de cargas positivas no material.

Resposta

Alternativa III

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