Condutores, isoladores e semicondutores
Os materiais são classificados como condutores, isoladores ou semicondutores de acordo com sua condutividade elétrica. As classificações podem ser entendidas em termos atômicos. Os elétrons em um átomo podem ter apenas certas energias bem definidas e, dependendo de suas energias, diz-se que os elétrons ocupam níveis particulares de energia. Em um átomo típico com muitos elétrons, os níveis mais baixos de energia são preenchidos, cada um com o número de elétrons permitido por uma regra da mecânica quântica conhecida como princípio de exclusão de Pauli. Dependendo do elemento, o nível mais alto de energia para ter elétrons pode ou não estar completamente cheio. Se dois átomos de algum elemento são reunidos o suficiente para que eles interajam, o sistema de dois átomos possui dois níveis espaçados para cada nível do átomo. Se 10 átomos interagirem, o sistema de 10 átomos terá um cluster de 10 níveis correspondente a cada nível único de um átomo individual. Em um sólido, o número de átomos e, portanto, o número de níveis é extremamente grande; a maioria dos níveis mais altos de energia se sobrepõe de maneira contínua, exceto por certas energias nas quais não há níveis. As regiões de energia com níveis são chamadas bandas de energia, e as regiões que não têm níveis são chamadas de intervalos de banda.
Questionário
Eletricidade: curtos-circuitos e correntes diretas
Quem descobriu a lei da eletrólise?
A banda de energia mais alta ocupada pelos elétrons é a banda de valência. Em um condutor, a banda de valência é parcialmente preenchida e, como existem inúmeros níveis vazios, os elétrons estão livres para se mover sob a influência de um campo elétrico; assim, em um metal, a banda de valência também é a banda de condução. Em um isolador, os elétrons preenchem completamente a faixa de valência; e a diferença entre ela e a próxima banda, que é a banda de condução, é grande. Os elétrons não podem se mover sob a influência de um campo elétrico, a menos que recebam energia suficiente para atravessar a grande lacuna de energia da banda de condução. Em um semicondutor, a folga na banda de condução é menor do que em um isolador. À temperatura ambiente, a banda de valência é quase completamente preenchida. Faltam poucos elétrons na banda de valência porque adquiriram energia térmica suficiente para atravessar a folga da banda para a banda de condução; Como resultado, eles podem se mover sob a influência de um campo elétrico externo. Os “buracos” deixados para trás na faixa de valência são portadores de carga móvel, mas se comportam como portadores de carga positiva.
Para muitos materiais, incluindo metais, a resistência ao fluxo de carga tende a aumentar com a temperatura. Por exemplo, um aumento de 5 ° C (9 ° F) aumenta a resistividade do cobre em 2%. Por outro lado, a resistividade dos isoladores e, principalmente, dos semicondutores, como silício e germânio, diminui rapidamente com a temperatura; o aumento da energia térmica faz com que alguns elétrons preencham níveis na banda de condução, onde, influenciados por um campo elétrico externo, eles estão livres para se mover. A diferença de energia entre os níveis de valência e a banda de condução tem uma forte influência na condutividade desses materiais, com um intervalo menor resultando em maior condução em temperaturas mais baixas.
Os valores das resistividades elétricas listadas na Tabela 2 mostram uma variação extremamente grande na capacidade de diferentes materiais de conduzir eletricidade. A principal razão para a grande variação é a ampla gama de disponibilidade e mobilidade dos transportadores de carga dentro dos materiais. O fio de cobre na Figura 12, por exemplo, possui muitas operadoras extremamente móveis; cada átomo de cobre possui aproximadamente um elétron livre, que é altamente móvel devido à sua pequena massa. Um eletrólito, como uma solução de água salgada, não é um condutor tão bom quanto o cobre. Os íons sódio e cloro na solução fornecem os transportadores de carga. A grande massa de cada íon sódio e cloro aumenta à medida que outros íons atraídos se agrupam ao seu redor. Como resultado, os íons sódio e cloro são muito mais difíceis de mover do que os elétrons livres no cobre. A água pura também é um condutor, embora seja ruim porque apenas uma fração muito pequena das moléculas de água é dissociada em íons. Os gases oxigênio, nitrogênio e argônio que compõem a atmosfera são de certa forma condutivos, porque alguns portadores de carga se formam quando os gases são ionizados pela radiação de elementos radioativos na Terra, bem como por raios cósmicos extraterrestres (isto é, núcleos atômicos de alta velocidade e elétrons). A eletroforese é uma aplicação interessante baseada na mobilidade de partículas suspensas em uma solução eletrolítica. Partículas diferentes (proteínas, por exemplo) se movem no mesmo campo elétrico em velocidades diferentes; a diferença de velocidade pode ser usada para separar o conteúdo da suspensão.
Uma corrente que flui através de um fio o aquece. Esse fenômeno familiar ocorre nas bobinas de aquecimento de uma faixa elétrica ou no filamento quente de tungstênio de uma lâmpada elétrica. Esse aquecimento ôhmico é a base dos fusíveis usados para proteger os circuitos elétricos e evitar incêndios; se a corrente exceder um determinado valor, um fusível, feito de uma liga com baixo ponto de fusão, derrete e interrompe o fluxo de corrente. A potência P dissipada em uma resistência R através da qual a corrente i flui é dada por
onde P está em watts (um watt é igual a um joule por segundo), i está em amperes e R está em ohms. De acordo com a lei de Ohm, a diferença de potencial V entre as duas extremidades do resistor é dada por V = iR e, portanto, a potência P pode ser expressa equivalentemente como
Em certos materiais, no entanto, a dissipação de energia que se manifesta à medida que o calor desaparece subitamente se o condutor é resfriado a uma temperatura muito baixa. O desaparecimento de toda resistência é um fenômeno conhecido como supercondutividade. Como mencionado anteriormente, os elétrons adquirem alguma velocidade média de deriva v sob a influência de um campo elétrico em um fio. Normalmente, os elétrons, sujeitos a uma força por causa de um campo elétrico, aceleram e adquirem progressivamente maior velocidade. Sua velocidade é, no entanto, limitada em um fio porque eles perdem parte de sua energia adquirida para o fio em colisões com outros elétrons e em colisões com átomos no fio. A energia perdida é transferida para outros elétrons, que depois irradiam, ou o fio fica excitado com pequenas vibrações mecânicas conhecidas como fonons. Ambos os processos aquecem o material. O termo fonon enfatiza a relação dessas vibrações com outra vibração mecânica - a saber, som. Em um supercondutor, um efeito mecânico quântico complexo evita essas pequenas perdas de energia para o meio. O efeito envolve interações entre elétrons e também entre elétrons e o restante do material. Pode ser visualizado considerando o acoplamento dos elétrons em pares com momentos opostos; o movimento dos elétrons emparelhados é tal que nenhuma energia é entregue ao meio em colisões inelásticas ou excitações de fônons. Pode-se imaginar que um elétron prestes a "colidir" com e perder energia para o meio possa acabar colidindo com seu parceiro, de modo que eles troquem impulso sem transmitir nada ao meio.
Um material supercondutor amplamente utilizado na construção de eletroímãs é uma liga de nióbio e titânio. Este material deve ser resfriado a alguns graus acima da temperatura zero absoluta, -263,66 ° C (ou 9,5 K), para exibir a propriedade supercondutora. Esse resfriamento requer o uso de hélio liquefeito, que é bastante caro. No final dos anos 80, foram descobertos materiais que exibiam propriedades supercondutoras em temperaturas muito mais altas. Essas temperaturas são mais altas que os -196 ° C de nitrogênio líquido, possibilitando o uso do último em vez do hélio líquido. Como o nitrogênio líquido é abundante e barato, esses materiais podem oferecer grandes benefícios em uma ampla variedade de aplicações, desde transmissão de energia elétrica até computação de alta velocidade.
Força eletromotriz
Uma bateria de automóvel de 12 volts pode fornecer corrente a um circuito como o de um rádio de carro por um período considerável de tempo, durante o qual a diferença de potencial entre os terminais da bateria permanece próxima a 12 volts. A bateria deve ter um meio de reabastecer continuamente o excesso de cargas positivas e negativas localizadas nos respectivos terminais e que são responsáveis pela diferença de potencial de 12 volts entre os terminais. As cargas devem ser transportadas de um terminal para o outro em uma direção oposta à força elétrica nas cargas entre os terminais. Qualquer dispositivo que realize esse transporte de carga constitui uma fonte de força eletromotriz. Uma bateria de carro, por exemplo, usa reações químicas para gerar força eletromotriz. O gerador Van de Graaff mostrado na Figura 13 é um dispositivo mecânico que produz uma força eletromotriz. Inventado pelo físico americano Robert J. Van de Graaff na década de 1930, esse tipo de acelerador de partículas tem sido amplamente utilizado para estudar partículas subatômicas. Por ser conceitualmente mais simples que uma fonte química de força eletromotriz, o gerador de Van de Graaff será discutido primeiro.
Uma correia transportadora isolante carrega carga positiva da base da máquina Van de Graaff para o interior de uma grande cúpula condutora. A carga é removida da correia pela proximidade de eletrodos de metal afiados chamados pontos de remoção de carga. A carga então se move rapidamente para o exterior da cúpula condutora. A cúpula carregada positivamente cria um campo elétrico, que aponta para fora da cúpula e fornece uma ação repelente sobre cargas positivas adicionais transportadas na correia em direção à cúpula. Assim, o trabalho é feito para manter a correia transportadora girando. Se uma corrente é permitida fluir da cúpula para o solo e se uma corrente igual é fornecida pelo transporte de carga na correia isolante, o equilíbrio é estabelecido e o potencial da cúpula permanece em um valor positivo constante. Neste exemplo, a corrente da cúpula para o solo consiste em uma corrente de íons positivos dentro do tubo de aceleração, movendo-se na direção do campo elétrico. O movimento da carga no cinto está em uma direção oposta à força que o campo elétrico da cúpula exerce sobre a carga. Esse movimento de carga em uma direção oposta ao campo elétrico é um recurso comum a todas as fontes de força eletromotriz.
No caso de uma força eletromotriz gerada quimicamente, as reações químicas liberam energia. Se essas reações ocorrerem com substâncias químicas próximas umas das outras (por exemplo, se elas se misturam), a energia liberada aquece a mistura. Para produzir uma célula voltaica, essas reações devem ocorrer em locais separados. Um fio de cobre e um fio de zinco enfiados em um limão formam uma célula voltaica simples. A diferença de potencial entre os fios de cobre e zinco pode ser medida facilmente e é de 1,1 volts; o fio de cobre atua como o terminal positivo. Essa "bateria de limão" é uma célula voltaica bastante pobre capaz de fornecer apenas pequenas quantidades de energia elétrica. Outro tipo de bateria de 1,1 volts construída com essencialmente os mesmos materiais pode fornecer muito mais eletricidade. Nesse caso, um fio de cobre é colocado em uma solução de sulfato de cobre e um fio de zinco em uma solução de sulfato de zinco; as duas soluções são conectadas eletricamente por uma ponte de sal de cloreto de potássio. (Uma ponte de sal é um condutor com íons como portadores de carga.) Nos dois tipos de baterias, a energia provém da diferença no grau de ligação entre os elétrons no cobre e os no zinco. A energia é obtida quando íons de cobre da solução de sulfato de cobre são depositados no eletrodo de cobre como íons neutros de cobre, removendo assim elétrons livres do fio de cobre. Ao mesmo tempo, os átomos de zinco do fio de zinco entram em solução como íons de zinco com carga positiva, deixando o fio de zinco com excesso de elétrons livres. O resultado é um fio de cobre com carga positiva e um fio de zinco com carga negativa. As duas reações são separadas fisicamente, com a ponte de sal completando o circuito interno.
A Figura 14 ilustra uma bateria de ácido-chumbo de 12 volts, usando símbolos padrão para representar baterias em um circuito. A bateria consiste em seis células voltaicas, cada uma com uma força eletromotriz de aproximadamente dois volts; as células são conectadas em série, de modo que as seis tensões individuais somam cerca de 12 volts (Figura 14A). Como mostrado na Figura 14B, cada célula de dois volts consiste em um número de eletrodos positivos e negativos conectados eletricamente em paralelo. A conexão paralela é feita para fornecer uma grande área de superfície dos eletrodos, na qual as reações químicas podem ocorrer. A taxa mais alta na qual os materiais dos eletrodos são submetidos a transformações químicas permite que a bateria libere uma corrente maior.
Na bateria de chumbo-ácido, cada célula voltaica consiste em um eletrodo negativo de chumbo puro e esponjoso (Pb) e um eletrodo positivo de óxido de chumbo (PbO 2). Tanto o chumbo e o óxido de chumbo são em uma solução de ácido sulfúrico (H 2 SO 4) e ua (H 2 O). No eletrodo positivo, a reação química é PbO 2 + SO - / 4 - + 4H + + 2e - → PbSO 4 + 2H 2 O + (1,68 V). No terminal negativo, a reação é Pb + SO - / 4 - → PbSO 4 + 2e - + (0,36 V). O potencial celular é de 1,68 + 0,36 = 2,04 volts. Os 1,68 e 0,36 volts nas equações acima são, respectivamente, os potenciais de redução e oxidação; eles estão relacionados à ligação dos elétrons nos produtos químicos. Quando a bateria é recarregada, por um gerador de carro ou por uma fonte de energia externa, as duas reações químicas são revertidas.
Circuitos de corrente contínua
O circuito de corrente contínua mais simples (CC) consiste em um resistor conectado através de uma fonte de força eletromotriz. O símbolo para um resistor é mostrado na Figura 15; aqui o valor de R, 60Ω, é dado pelo valor numérico adjacente ao símbolo. O símbolo para uma fonte de força eletromotriz, E, é mostrado com o valor associado da tensão. A Convenção concede ao terminal com a linha longa um potencial mais alto (isto é, mais positivo) do que o terminal com a linha curta. Presume-se que as linhas retas que conectam vários elementos em um circuito tenham uma resistência desprezível, para que não haja mudança de potencial nessas conexões. O circuito mostra uma força eletromotriz de 12 volts conectada a um resistor de 60Ω. As letras a, b, ce no diagrama são pontos de referência.
A função da fonte de força eletromotriz é manter o ponto a em um potencial 12 volts mais positivo que o ponto d. Assim, a diferença de potencial V a - V d é de 12 volts. A diferença de potencial através da resistência é V b - V c. Pela lei de Ohm, a corrente que flui através do resistor é
Como os pontos aeb estão conectados por um condutor de resistência desprezível, eles têm o mesmo potencial. Pela mesma razão, c e d têm o mesmo potencial. Portanto, V b - V c = V a - V d = 12 volts. A corrente no circuito é dada pela equação (24). Assim, i = 12/60 = 0,2 ampere. A potência dissipada no resistor como calor é facilmente calculada usando a equação (22):
De onde vem a energia que é dissipada como calor no resistor? É fornecida por uma fonte de força eletromotriz (por exemplo, uma bateria de chumbo-ácido). Dentro dessa fonte, para cada quantidade de carga dQ movida do potencial mais baixo em d para o potencial mais alto em a, uma quantidade de trabalho é feita igual a dW = dQ (V a - V d). Se esse trabalho for realizado em um intervalo de tempo dt, a energia fornecida pela bateria é obtida dividindo-se dW por dt. Assim, a energia fornecida pela bateria (em watts) é
Usando os valores i = 0,2 ampere e V a - V d = 12 volts produz dW / dt = 2,4 watts. Como esperado, a energia fornecida pela bateria é igual à energia dissipada como calor no resistor.
