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Condutores e isolantes

Física

Os condutores e isolantes são materiais que apresentam, respectivamente, baixa e alta resistência à passagem de corrente elétrica.
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Quer entender as diferenças entre os materiais condutores e isolantes? Então, este texto é para você. Confira!

Condutores são materiais que possibilitam a movimentação de cargas elétricas em seu interior com grande facilidade. Esses materiais possuem uma grande quantidade de elétrons livres, que podem ser conduzidos quando neles aplicamos uma diferença de potencial. Metais como cobre, platina e ouro são bons condutores.

Os materiais isolantes são aqueles que oferecem grande oposição à passagem de cargas elétricas. Nesses materiais, os elétrons encontram-se, de modo geral, fortemente ligados aos núcleos atômicos e, por isso, não são facilmente conduzidos. Materiais como borracha, silicone, vidro e cerâmica são bons exemplos de isolantes.

Condutividade x Resistividade

A propriedade física que indica se um material é um condutor ou um isolante é a sua resistividade, também conhecida como resistência específica. A resistividade, cujo simbolo é o ρ, é medida em Ω.m, de acordo com Sistema Internacional de Unidades. Além da resistividade, existe a grandeza condutividade, denotada pelo símbolo σ, a condutividade de um material é o inverso de sua resistividade, ou seja:

Condutividade e resistividade são grandezas inversamente proporcionais.
Condutividade e resistividade são grandezas inversamente proporcionais.

Condutividade e resistividade são grandezas inversamente proporcionais, ou seja, se um material apresenta uma alta resistividade, sua condutividade é baixa e vice-versa. Do mesmo modo que, dadas as mesmas condições, um material condutor não apresenta características de materiais isolantes. A unidade de medida da condutividade é Ω-1.m-1.

De acordo com a Física clássica, a resistividade de um material pode ser calculada por meio de grandezas microscópicas e mais fundamentais, como a carga e a massa dos elétrons, além de duas grandezas de grande importância para o estudo das propriedades elétricas dos materiais: o caminho livre médio e o tempo livre médio. Tais explicações são oriundas de um modelo físico para a condução conhecido como modelo de Drude.

O caminho livre médio dos elétrons diz respeito à distância que eles podem ser conduzidos dentro de um material sem colidirem com os átomos que compõem a estrutura cristalina do material, enquanto o tempo livre médio é o intervalo de tempo que os elétrons conseguem percorrer o caminho livre médio. Nos materiais condutores, ambos, caminho livre médio e tempo livre médio, são significativamente maiores do que nos materiais isolantes, nos quais os elétrons não conseguem se mover com facilidade.

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Veja também: Cargas elétricas em movimento

Segundo o modelo de Drude, os elétrons movem-se (vibram e transladam), no interior dos materiais condutores, em razão de sua temperatura, mas também, pela aplicação de um potencial elétrico. A velocidade com que os elétrons movem-se, entretanto, é extremamente alta, diferentemente da sua velocidade de condução, que é da ordem de poucos centímetros por hora. Isso acontece porque, apesar de moverem-se em altas velocidades, os elétrons sofrem constantes colisões com os átomos que compõem o material, perdendo, assim, parte de sua velocidade.

O movimento resultante dessas colisões não é nulo, uma vez que os elétrons arrastam-se na direção da corrente elétrica, porém é muito lento. Nos materiais isolantes, por sua vez, o livre caminho médio dos elétrons é tão pequeno que, a menos que uma diferença de potencial muito grande seja aplicada, nenhuma corrente elétrica é formada.

Por que alguns materiais são isolantes e outros são condutores?

Atualmente, a explicação para a capacidade de condução de corrente elétrica dos materiais é feita com base em argumentos teóricos complexos e que envolvem aspectos quânticos da matéria. A teoria por trás dessa explicação é chamada de teoria de bandas.

De acordo a teoria de bandas, nos materiais isolantes, os elétrons têm níveis de energia abaixo do mínimo necessário para serem conduzidos. Já nos materiais condutores, os elétrons apresentam níveis de energia maiores que a energia mínima para que ocorra sua condução.

Uma quantidade de energia separa os elétrons que podem ser conduzidos daqueles que não podem. Essa energia é chamada de gap. Nos materiais isolantes, o gap é muito grande e, por isso, é necessário que se aplique neles uma grande quantidade de energia, de modo que os seus elétrons movam-se de um ponto a outro. Já nos materiais condutores, o gap de energia é nulo ou muito pequeno, de forma que os elétrons podem se deslocar facilmente em seu interior.

Em materiais como a borracha, a energia de gap é muito alta
Em materiais como a borracha, a energia de gap é muito alta

Materiais condutores

Os materiais condutores compartilham uma característica comum: a corrente elétrica é conduzida facilmente através deles. Suas principais características são a abundância de elétrons livres, além de baixas resistências elétricas.

Quando os materiais elétricos estão eletricamente carregados, sem transportar cargas, dizemos que eles se encontram em equilíbrio eletrostático. Nessa condição, os elétrons ocupam as camadas mais externas do material, posicionando-se exclusivamente em sua superfície, em razão da repulsão entre suas cargas e de sua grande mobilidade.

Veja também: Lei de Coulomb

→ Exemplo de condutores elétricos

Em geral, os metais são bons condutores elétricos e, por isso, são muito utilizados na transmissão de corrente elétrica, em circuitos elétricos e em dispositivos eletrônicos. Além dos metais, alguns sais, quando dissolvidos em meios líquidos, também permitem a formação de correntes elétricas. Confira alguns exemplos de materiais condutores:

  • Cobre

  • Alumínio

  • Ouro

  • Prata

O alumínio é um exemplo de material condutor de eletricidade.
O alumínio é um exemplo de material condutor de eletricidade.

Materiais isolantes

Os materiais isolantes oferecem resistência à passagem da corrente elétrica e, por isso, são largamente utilizados para barrar a sua passagem. Quando eletricamente carregados, esses materiais “aprisionam” as cargas em seu interior. Alguns materiais isolantes podem ser polarizados, isto é, quando expostos a um forte campo elétrico externo, formam em seu interior um campo elétrico contrário, dificultando ainda mais a formação de correntes elétricas. Os materiais isolantes capazes de apresentar tal comportamento são chamados de dielétricos e são muito utilizados em capacitores, por exemplo.

Veja também: Campo elétrico

→ Exemplos de isolantes

Os isolantes opõem-se fortemente à movimentação de cargas e por isso são usados para isolar superfícies de contato, evitando acidentes com choques elétricos ou diminuindo perdas de energia em fios condutores. Confira alguns exemplos de materiais isolantes:

  • Borracha

  • Plástico

  • Vidro

  • Cerâmica

Os fios de cobre, usados em motores e circuitos, recebem uma camada de verniz isolante.
Os fios de cobre, usados em motores e circuitos, recebem uma camada de verniz isolante.

Um isolante pode tornar-se condutor?

Sob condições especiais, como altas temperaturas, tensão mecânica ou enormes diferenças de potencial, os materiais isolantes tornam-se condutores. Quando isso acontece, a corrente elétrica que os atravessa geralmente causa um grande aquecimento em razão do efeito Joule, ou seja, devido às colisões entre os elétrons e os átomos que constituem o material em questão.

O exemplo mais simples de ruptura da rigidez dielétrica é a da formação dos raios: o campo elétrico que se forma entre as nuvens carregadas e o solo é tão grande que o ar torna-se ionizado, permitindo que os elétrons saltem de átomo para átomo. Entretanto, mesmo sendo capaz de conduzir a corrente elétrica, o ar volta a tornar-se um meio isolante após a descarga atmosférica.

Veja também: O que é blindagem eletrostática?

Resumo sobre condutores e isolantes

  • Materiais condutores, como prata e cobre, oferecem pouca resistência à passagem de corrente elétrica;

  • Os materiais condutores têm um grande número de elétrons “livres”, fracamente ligados aos núcleos atômicos, chamados de elétrons de condução;

  • Materiais isolantes, como vidro, borracha ou cerâmica, oferecem uma grande resistência à passagem de corrente elétrica;

  • Os materiais isolantes têm um número reduzido de elétrons e a maioria deles encontra-se fortemente ligados aos seus núcleos.

Por Me. Rafael Helerbrock

Os fios de cobre são revestidos com plástico para nos proteger de choques elétricos.
Os fios de cobre são revestidos com plástico para nos proteger de choques elétricos.

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "Condutores e isolantes"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/condutores-isolantes.htm. Acesso em 16 de outubro de 2019.

Lista de Exercícios
Questão 1

A respeito da condutividade elétrica e térmica dos materiais, marque a alternativa correta:

a) Somente os metais podem conduzir eletricidade e calor.

b) Em hipótese alguma, um dielétrico pode conduzir corrente elétrica ou calor.

c) Os metais destacam-se como bons condutores elétricos porque possuem excesso de prótons em sua estrutura atômica.

d) Os materiais que são isolantes elétricos possuem alta condutividade elétrica.

e) Um material é melhor condutor que outro quando possuir valor de condutividade elétrica maior.

Questão 2

A resistividade é a grandeza oposta à condutividade elétrica. Sendo assim, a partir dos valores de resistividade elétrica fornecidos abaixo, marque a alternativa correta:

a) O ferro é melhor condutor elétrico que o cobre.

b) De todos os materiais listados, o vidro é o que apresenta maior resistência à passagem de corrente elétrica.

  1. Por ser excelente condutor, o quartzo é muito utilizado na fabricação de relógios.

d) O cobre é o melhor condutor apresentado.

e) A condutividade do alumínio é maior que a do cobre.

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