Condutores Elétricos

Generalidades

Condutores, no contexto da física e da engenharia elétrica, são materiais nos quais as cargas elétricas se deslocam de maneira relativamente livre. Quando tais materiais são carregados em alguma região pequena, a carga distribui-se prontamente sobre toda a superfície do material.

Nos sólidos que possuem elétrons livres, como os metais, é possível que a carga elétrica seja transportada através deles, por isso dizemos que são condutores de eletricidade. Nesses materiais, o movimento de cargas elétricas é composto por cargas negativas. Materiais como cobre, alumínio, ouro e prata são bons condutores.

Sais, quando dissolvidos ou fundidos, subdividem-se em partículas eletricamente carregadas que, agora livres, também permitem o movimento de cargas em seu interior.

Isolantes não permitem o movimento de cargas elétricas em seu interior. Entretanto, se a tensão elétrica aplicada em suas extremidades for superior à sua rigidez dielétrica, tornar-se-á um condutor durante o período em que a tensão se mantiver sobre o material isolante.

Propriedades dos materiais

Em alguns materiais, como nos metais, o elétron mais externo em cada átomo é livre para se movimentar pelo material. Sendo assim, existe uma “nuvem” muito densa de elétrons (elétrons de condução), com densidade constante se o material for homogêneo.

Esse tipo de material é designado de condutor. Se o condutor for colocado numa região onde existe campo elétrico, como a nuvem eletrônica tem carga negativa, desloca-se em sentido oposto às linhas de campo. Assim, acumulam-se elétrons num extremo, ficando com excesso de carga negativa, e no extremo oposto aparece uma carga do mesmo valor, mas com sinal positivo (falta de elétrons).

Esse acumulo de cargas no condutor cria um campo interno oposto ao

campo externo. Quando os dois campos se anularem, o movimento da nuvem eletrônica cessará.

No lado esquerdo da figura mostra-se o que acontece quando aproximamos uma barra, com carga positiva, a uma esfera condutora isolada. A nuvem eletrônica aproxima-se da barra. Se a barra tivesse carga negativa, a nuvem eletrônica se afastaria dela. Nos dois casos, o resultado é a indução de carga de sinal oposto perto da barra, e carga do mesmo sinal na região mais afastada da barra. A carga total da esfera continua a ser nula. Se a esfera não estivesse sobre um suporte isolador, as cargas do mesmo sinal da barra abandonavam a esfera, passando através do suporte para a terra.

Nos materiais isoladores, os elétrons estão ligados a cada átomo. Quando uma carga externa é colocada perto do material, os elétrons e prótons de cada átomo deslocam-se na direção das linhas de campo, mas em sentidos opostos, sem sair do átomo. Assim cada átomo deforma-se criando um pequeno bipólo elétrico que momentaneamente, sendo um sistema com carga total nula, ficará com as cargas positivas e negativas separadas por uma pequena distância.

O lado direito da figura mostra a deformação de alguns dos átomos de uma esfera isolante, quando é aproximada uma barra com carga positiva. Independentemente do sinal da carga da barra, em cada átomo, as cargas de sinal oposto às da carga da barra estarão mais perto da barra e a as cargas do mesmo sinal estarão mais afastadas, portanto, a força resultante da carga externa sobre cada átomo neutro será sempre atrativa, independentemente do sinal da carga externa. Assim, um material isolante é sempre atraído por um objeto externo com carga, independentemente do sinal dessa carga.

Resistência

Resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Primeira Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms.

Onde:

V - é o valor da tensão aplicada, medida em Volts.

I - é o valor da corrente fluindo pelo condutor, medida em Amperes.

R - é a resistência elétrica, medida em Ohms.

Condutores que apresentam sempre uma determinada corrente elétrica fluindo, em determinada tensão, consequentemente tem sempre a mesma resistência. Tais condutores são denominados ôhmicos, por obedecerem a lei de Ohm.

Quaisquer outros condutores que não se comportem consistentemente com tal lei são denominados não-ôhmicos.

Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor.

Os fatores que influenciam na resistência de um dado condutor são:

• A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento.

• A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção transversal, isto é, quanto mais fino for o condutor.

• A resistência de um condutor depende da resistividade do material de que ele é feito. A resistividade, por sua vez, depende da temperatura na qual o condutor se encontra.

Esses fatores que influenciam a resistência de um condutor podem ser resumidos pela Segunda Lei de Ohm:

Onde:

ρ - é a resistividade elétrica do condutor;

R - é a resistência elétrica do material;

l{\displaystyle \ell } - é o comprimento do condutor;

A - é a área da seção do condutor.

Um condutor metálico, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, se

aquece. Num ferro de passar roupa, num secador de cabelos ou numa estufa elétrica, o calor é produzido pela corrente que atravessa um fio metálico. Esse fenômeno, chamado efeito Joule, deve-se aos choques dos elétrons contra os átomos do condutor. Em decorrência desses choques dos elétrons contra os átomos do retículo cristalino, a energia cinética média de oscilação de todos os átomos aumenta. Isso se manifesta como um aumento da temperatura do condutor. O efeito Joule é a transformação de energia elétrica em energia térmica.

Associação de Resistências

A característica tensão-corrente de um sistema de várias resistência tem sempre o mesmo aspecto que a caraterística de uma única resistência; nomeadamente, é uma reta que passa pela origem. O declive dessa reta é a resistência equivalente. Podemos usar algumas regras simples para calcular a resistência equivalente, quando as resistências estiverem ligadas em série ou em paralelo.

• Duas resistências estarão ligadas em série: quando uma estiver a seguir à outra, sem nenhum outro elemento de circuito no meio, como se mostra na figura abaixo:

  
  

Num sistema de duas resistências ligadas em série, a corrente é a mesma nas duas resistências. A diferença de potencial no sistema é a soma das diferenças de potencial em cada resistência:

Assim, o sistema é equivalente a uma única resistência (R1 + R2 ) com valor igual à soma das duas resistências.

• Diz-se que duas resistências estão ligadas em paralelo , se os dois terminais de cada uma das resistências estiverem ligados entre os mesmos pontos, como mostra a figura a seguir:

Num sistema de duas resistências ligadas em paralelo, a diferença de potencial é a mesma nas duas resistências. A corrente no sistema é a soma das correntes em cada resistência:

Assim, o sistema é equivalente a uma única resistência Rp:

Em alguns sistemas com várias resistências é possível simplificar o sistema substituindo sucessivamente as resistências que se encontrarem em série ou em paralelo por uma resistência equivalente, até obter uma única resistência equivalente.

No sistema internacional de unidades, a unidade usada para medir a resistência é o Ohm, designado pela letra grega ômega maiúscula, Ω. Uma resistência de 1 ohm é uma resistência em que uma tensão de 1 volt produz uma corrente de 1 ampere.

Usando a lei de Ohm, a potência dissipada por efeito Joule numa resistência P=(I.ΔV) pode ser escrita em função do valor da resistência:

Assim, a especificação da potência de um dispositivo elétrico tem implícito um valor da diferença de potencial (tensão) que deverá ser usado para o seu correto funcionamento. Quanto maior for essa potência nominal, menor será a resistência do dispositivo.

Caso os valores dos resistores sejam iguais, a resistência equivalente é igual ao valor de uma das resistências dividido pelo número de resistores utilizados.

onde n = Número de resistores, em outras palavras,

A Resistência Equivalente com dois resistores de valores diferentes pode ser definida da seguinte forma:

Para mais de dois resistores associados em paralelo deve-se aplicar a seguinte equação:

A potência elétrica que dissipa um elemento de um circuito, por exemplo, uma lâmpada, é igual ao produto da diferença de potencial e a corrente no elemento: P=I.ΔV.

Duas lâmpadas diferentes podem ter diferentes valores da potência, com

o mesmo valor da tensão.

Por exemplo, existem lâmpadas pequenas de 12 V com potências de 1 W e de 2 W; isso indica que para o mesmo valor da diferença de potencial, a corrente na lâmpada de 2 W é o dobro do que a corrente na lâmpada de 1 W.

Cada elemento de circuito tem uma curva caraterística que mostra os valores resultantes da corrente, I , para diferentes valores da diferença de potencial, ΔV. A figura abaixo mostra algumas dessas curvas caraterísticas, para três elementos de circuito diferentes.

Resistividade

Resistividade elétrica (também resistência elétrica específica) é uma medida da oposição de um material ao fluxo de corrente elétrica. Quanto mais baixa for a resistividade, mais facilmente o material permite a passagem de uma carga eléctrica. Sua unidade no Sistema Internacional de unidades é o ohm.metro (Ωm).

A resistência de um condutor deve-se às colisões entre as cargas de condução e os átomos ou íons. As cargas de condução são aceleradas pela força eletrostática, mas devido às colisões, acabam por atingir uma velocidade média constante. A resistência é determinada pela relação que existir entre a velocidade média atingida e a diferença de potencial (por unidade de comprimento) que produz o movimento.

Os fatores que determinam o valor da resistência são a natureza do material, o tamanho do condutor e a temperatura.

Para estudar a influência do tamanho do condutor, consideremos dois cilindros idênticos, de comprimento L e área transversal A, cada um com resistência R, ligados em série ou em paralelo.

No primeiro caso, é como se tivéssemos um único cilindro de comprimento 2L. Dessa forma, se a corrente for I, a diferença de potencial será RI + RI. Nomeadamente, a resistência do sistema é 2R. Assim, como ao duplicar o comprimento duplica-se a resistência, ela é diretamente proporcional ao comprimento do condutor.

No segundo caso, é como se tivéssemos um único condutor de comprimento L e área transversal 2A. Nesse caso, se a diferença de potencial em cada um dos cilindros for ΔV , a corrente em cada cilindro será ΔV/R e a corrente total será 2ΔV/R, que corresponde à corrente num sistema com resistência R=2. Assim, como duplicando a área transversal,

a resistência diminui à metade, tem-se que a resistência é inversamente proporcional à área da seção transversal.

Nos condutores ôhmicos, quando a temperatura não estiver perto do zero absoluto (-273°C), a resistência aumenta com a temperatura de forma quase linear.

A expressão empírica para a resistência de um condutor, em função da temperatura, é:

onde

R20 - é a resistência a 20 °C;

α20 - é o coeficiente de temperatura;

T - é a temperatura em graus Celsius.

O coeficiente de temperatura é o mesmo para todos os condutores feitos do mesmo material; cada material tem um coeficiente de temperatura próprio que é medido experimentalmente.

Exemplos de Resistividade

O melhor condutor elétrico conhecido (a temperatura ambiente) é a prata. Este metal, no entanto, é excessivamente caro para o uso em larga escala. O cobre vem em segundo lugar na lista dos melhores condutores, sendo amplamente usado na confecção de fios e cabos condutores. Logo após o cobre, encontramos o ouro que, embora não seja tão bom condutor como os anteriores, devido à sua alta estabilidade química (metal nobre) praticamente não oxida e resiste a ataques de diversos agentes químicos, sendo assim empregado para banhar contatos elétricos. O alumínio, em quarto lugar, é três vezes mais leve que o cobre, característica vantajosa para a instalação de cabos em linhas de longa distância.

Abaixo apresentam-se alguns materiais e suas respectivas resistividades em Ωm :

Para se calcular a resistência de um determinado material a partir de sua resistividade ou resistência específica utiliza-se a equação:

Resistência (Ω) = resistividade (Ωm) x comprimento (m) / (Área da secção transversal (m²)

Condutividade

Condutividade elétrica (σ) representa o caráter elétrico de um material. Consiste no inverso da resistividade, ou seja, inversamente proporcional e traduz a facilidade que um material tem de estabelecer corrente elétrica. Sua unidade é o inverso de ohm-metro, isto é, [(Ωm)-1].

Materiais sólidos geralmente possuem grandes faixas de condutividade. Uma forma de classificar materiais sólidos é avaliar sua capacidade de conduzir corrente elétrica. Sob esta análise temos grandes grupos: condutores, semicondutores e isolantes. Os metais são geralmente bons condutores com condutividade próxima a 107 (Ωm)-1. Os materiais isolantes, por sua vez, tem baixa condutividade, da ordem de 10-10 e 10-20 (Ωm)-1. Finalmente, os semicondutores tem condutividade intermediária, normalmente situadas entre 10-6 e 104 (Ωm)-1. Sua unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades é o S/m (Siemens por metro).

Não é correto afirmar que o ouro é o melhor condutor elétrico. Sob temperatura ambiente, o material considerado melhor condutor é a prata. Em comparação, a Prata tem condutividade elétrica de 108% enquanto o cobre é 100% e considerado o material de referência, enquanto o ouro é

70% e o alumínio 60%. 

Entretanto, para conexões elétricas, o ouro é o mais nobre dos materiais, visto que sob condições atmosféricas normais, é quase livre de oxidação, o que lhe permite extrema durabilidade do contato elétrico.

Tabela de Condutividades Elétricas

Condutividade de Semicondutores

Os semicondutores são materiais parecidos com os materiais isolantes, mas podem adquirir cargas de condução comportando-se como condutores, sob condições especiais, tais como: elevação da temperatura, exposição à luz, presença de cargas elétricas externas ou mistura de impurezas ao material.

Em geral os semicondutores são elaborados com base em silício ou germânio. Os átomos de silício e de germânio têm 4 elétrons de valência. Os átomos de arsênio têm 5 elétrons de valência. Introduzindo-se alguns átomos de arsênio a um cristal de silício, cada um desses átomos estará ligado aos átomos de silício na rede por meio de 4 dos seus elétrons de valência, quando o quinto elétron de valência ficará livre contribuindo para uma nuvem de elétrons de condução. Obtém-se assim um semicondutor tipo N, capaz de conduzir cargas de um lado para outro, através do mesmo mecanismo que nos condutores (nuvem de elétrons de condução).

Os átomos de gálio têm três elétrons de valência. Em semicondutores tipo P existem alguns átomos de gálio dentro de um cristal de silício (ou germânio); os 3 elétrons de valência de cada átomo de gálio ligam-no à rede, ficando um buraco onde um átomo de silício tem um elétron de valência que não está ligado a outro elétron de um átomo vizinho. Esses buracos também podem ser usados para transportar corrente; os elétrons podem deslocar-se para um átomo de gálio na vizinhança, onde exista um desses buracos.

Na figura abaixo representam-se dois blocos semicondutores dos dois tipos, N e P. Cada bloco é um cristal de silício ou de germânio; os círculos representam os átomos de arsênio e de gálio introduzidos no cristal. Esses átomos encontram-se fixos na rede, em quanto que os elétrons de condução, no semicondutor N, e os buracos no semicondutor P, podem deslocar-se entre os sítios(locais) onde existam outros átomos de arsénio ou de gálio.

Nos condutores líquidos, gasosos ou em pó existem cargas de condução tanto negativas como positivas. Já vimos por exemplo o caso do eletrólito de uma pilha, onde existem íons positivos e negativos. Num gás ionizado também existem íons positivos e negativos que se podem deslocar dentro do gás. Quando existir uma fem (Força Eletromotriz) entre dois pontos desse tipo de condutores, os íons positivos e negativos deslocam-se em sentidos opostos. O efeito resultante, em termos de condução de cargas, produzido pelo movimento dos dois tipos de íons é o mesmo: entram cargas negativas no elétrodo positivo e entram cargas positivas no elétrodo negativo.

Numa lâmpada fluorescente, uma força eletromotriz é usada para ionizar o gás. A ionização do gás produz íons positivos e elétrons livres (ver figura abaixo). Se num determinado instante o elétrodo A estiver a maior potencial que o elétrodo B, os íons positivos deslocar-se-ão de A para B, e os elétrons de B para A. A passagem dessas partículas produz colisões com moléculas do gás que produzem mais íons e luz. Assim, uma vez aquecida, é precisa uma diferença de potencial menor para manter o fluxo de cargas na lâmpada.

Existem outros mecanismos de condução das cargas elétricas, como por exemplo o que é usado nos detectores de incêndio. Dentro do detector existe uma câmara de ionização (cilindro preto) onde a passagem de cargas é devida à produção de partículas alfa emitidas por uma substância radioativa. As partículas Alfa são núcleos de hélio, com carga igual a duas unidades elementares de carga. As partículas são disparadas para fora da substância radioativa, passando pelo ar à volta da substância, antes de serem recolhidas num elétrodo no detector. A presença de fumo introduz partículas sólidas no ar, que travam as partículas alfa, produzindo uma redução do número de partículas recolhidas no elétrodo. A redução do fluxo de cargas faz disparar um sinal de alarme.

Rigidez dielétrica

Rigidez dielétrica de um certo material é um valor limite de campo elétrico aplicado sobre a espessura do material (kV/cm), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante.

O valor da rigidez dielétrica depende de diversos fatores como:

• Temperatura.

• Tempo de aplicação da diferença de potencial

• Taxa de crescimento da tensão.

• Para um gás, a pressão é fator importante.

  
  

A tabela abaixo apresenta uma comparação da ordem de grandeza da rigidez dielétrica de alguns materiais isolantes:

Resistência de Isolamento

Quando um material isolante separa dois condutores sob influência de uma diferença de potencial, aparecem correntes de fuga. A resistência de

isolamento corresponde à resistência que o isolante oferece à passagem dessa corrente de fuga, a qual pode circular através da massa isolante ou pela sua superfície. À primeira corresponde a resistência de isolamento volumétrica e à segunda a resistência de isolamento superficial.

Corrente de fuga é o termo geralmente utilizado para indicar o fluxo de corrente anormal ou indesejada em um circuito elétrico devido a uma fuga (geralmente um curto-circuito ou um caminho anormal de baixa impedância).

Impedância elétrica ou simplesmente impedância (quando, em domínio de circuitos ou sistemas elétricos, e Engenharia Elétrica, não houver possibilidade de confusão com outras possíveis acepções de impedância), é a oposição que um circuito elétrico faz à passagem de corrente quando é submetido a uma tensão. Pode ser definida como a relação entre o valor eficaz da diferença de potencial entre dois pontos de circuito em consideração, e o valor eficaz da corrente elétrica resultante no circuito.

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Bibliografia

Livro de instruções gerais para fornecimento de energia elétrica em tensão secundária de distribuição da Eletropaulo – edição 2014.

ABNT NBR ISO/CIE 8995-1:2013 - Iluminação de ambientes de trabalho - Parte 1: Interior; ABNT/CB-003 Eletricidade de 21/03/2013.

Revista O SETOR ELÉTRICO, 74ª edição – Fascículo Sistemas de iluminação, capítulo III, autor: KAWASAKI, Juliana Iwashita, Edição 74 – Março de 2012

HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.

GUIMARÃES, Orliney Maciel; KUWABARA, Izaura Hiroko. Calorias: a energia contida nos alimentos. UFPR – Universidade Federal do Paraná, 2011. Departamento de Quíca. Disponível em: <http://www.quimica.ufpr.br/ eduquim/pdf/experimento8.pdf>. Acesso em: 16 fev. 2011.

FARIAS, Leonel Marques; SELLITTO, Miguel Afonso. Uso da energia ao longo da história: evolução e perspectivas futuras. Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 12, n. 17, p. 01-106, jan./jun. 2011

TESSMER, Hélio. Uma síntese histórica da evolução do consumo de energia pelo homem. Novo Hamburgo, 2002. Disponível em: <http://www. liberato.com.br/upload/arquivos/0131010716090416. pdf>. Acesso em 16 fev. 2011.

HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.

TERCIOTE, Ricardo. Eficiência energética de um sistema eólico isolado. UNICAMP, Campinas: 2002. Disponível em:<http:// www.feagri.unicamp.br/energia/agre2002/ pdf/0100.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.

DUTRA, Ricardo Marques. Viabilidade técnico-econômica da energia eólica face ao novo marco regulatório do setor elétrico brasileiro. Rio de Janeiro, 2001. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/teses_mestrado/200102_dutra_r_m_ms.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.

AMARAL, Danilo. História da Mecânica - O motor a vapor. UFPB, 2010. Disponível

em:<http://www.demec.ufmg.br/port/d_online/diario/Ema078/historia%20do%20motor%20 a%20vapor.pdf>. Acesso em: 22 fev. 2011. CGEE – Centro de Gestão e Estudos Energéticos.

Website TODA MATERIA :<http:// https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia/>. Acesso em: 01 maio. 2018.

Website Wikipedia :<https://pt.wikipedia.org/wiki/>. Acesso em: 07 setembro. 2018.

Website ANEEL :<https://www.aneel.gov.br>. Acesso em: 07 setembro. 2018.