Defina:
Condutor, isolante e semicondutor de acordo com a condutividade do material
Condutor, isolante e semicondutor de acordo com a condutividade do material
Passo 1
O enunciado pede que se definam, com base na condutividade do material, os termos: condutor, isolante e semicondutor.
Informações relevantes que temos (implícitas na pergunta): a classificação deve usar a grandeza física chamada condutividade elétrica e, quando necessário, exemplos e valores típicos podem ser usados para ilustrar as diferenças.
Informações relevantes que temos (implícitas na pergunta): a classificação deve usar a grandeza física chamada condutividade elétrica e, quando necessário, exemplos e valores típicos podem ser usados para ilustrar as diferenças.
Passo 2
O que é condutividade elétrica?
A condutividade elétrica é uma propriedade que mede a facilidade com que cargas elétricas se movem dentro de um material. Em fórmula, a condutividade é representada por e vale
A condutividade elétrica é uma propriedade que mede a facilidade com que cargas elétricas se movem dentro de um material. Em fórmula, a condutividade é representada por
onde:
-
é a concentração de portadores de carga (número de elétrons livres ou lacunas por unidade de volume), -
é a carga elétrica do portador (para elétrons , onde é a carga elementar), -
é a mobilidade dos portadores (medida de quão facilmente eles se deslocam sob a ação de um campo elétrico).
A unidade deno Sistema Internacional é (siemens por metro).
Passo 3
Por que materiais diferentes têm condutividades muito distintas?
Explanação qualitativa, passo a passo:
Explanação qualitativa, passo a passo:
- Se um material tem muitos portadores
e/ou esses portadores se movem facilmente (alta ), então é grande e o material conduz bem corrente elétrica. - Se
é muito pequeno (quase não há elétrons livres) ou a mobilidade é muito baixa, é pequena e o material não conduz bem. - A estrutura eletrônica do material (bandas de energia) controla
e, via espalhamento, afeta . Simplificando: metais têm elétrons livres em abundância; isolantes têm pouca ou nenhuma disponibilidade de elétrons livres; semicondutores estão no meio, podendo ter baixo em estado puro, mas aumentável por dopagem.
Passo 4
Faixas típicas de condutividade (valores aproximados para orientar a classificação)
Observação: não existe um limite universal e exato — são ordens de grandeza usadas para distinguir classes.
Observação: não existe um limite universal e exato — são ordens de grandeza usadas para distinguir classes.
- Condutores (metais típicos):
. Exemplo: cobre tem . - Semicondutores: valores muito intermediários, tipicamente aproximadamente na faixa
a dependendo de dopagem e temperatura. Exemplos: silício intrínseco tem muito pequena à temperatura baixa, mas dopado pode alcançar a . - Isolantes (dielétricos):
a para bons isolantes em condições normais. Exemplos: vidro, borracha, cerâmica têm condutividades extremamente baixas.
Esses números são guias; valores reais variam com temperatura, impurezas e medição.
Passo 5
Como a temperatura influencia a classificação (importante para a prova):
- Em metais (condutores), ao aumentar a temperatura, os elétrons sofrem mais espalhamento com os átomos vibrando mais, então a mobilidade
cai e a condutividade normalmente diminui. - Em semicondutores, ao aumentar a temperatura aumenta a geração térmica de portadores (aumenta
), então normalmente aumenta com a temperatura. - Em isolantes ideais a variação é pequena porque
continua extremamente baixa, mas em temperaturas muito altas podem ocorrer excitações que aumentam levemente .
Passo 6
Resumo conceitual para saber usar na hora da prova (regra prática):
- Se o material permite passagem fácil de corrente (alta
, muitos elétrons livres), é um condutor. - Se o material praticamente não permite corrente (extremamente baixa
), é um isolante. - Se o material tem condutividade intermediária e a
pode ser controlada (por exemplo por dopagem ou variação de temperatura), é um semicondutor.
Resposta
Condutor: material com condutividade elétrica alta (ordem de grandeza tipicamente
), com muitos portadores livres e que conduz corrente facilmente.
Isolante: material com condutividade elétrica muito baixa (ordens de grandeza típicas
), com praticamente nenhum portador livre em condições normais, impedindo a passagem de corrente.
Semicondutor: material com condutividade elétrica intermediária (valores que costumam ficar entre cerca de
e
, dependendo de dopagem e temperatura), cuja condutividade pode ser modificada por dopagem, temperatura ou iluminação.