Fundamentos da Eletricidade: Átomos, Condutores e Isolantes, Notas de aula de Física

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ELETRICIDADE

Prof.ª: Alessandra F. Candeia de Araujo Eng.ª Eletricista / Técnica em Automação Industrial CREA-ES 0046650/D E- mail: [email protected]

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Fundamentos da Eletricidade

Composição da matéria

• O estudo da matéria e sua composição é fundamental para a compreensão da teoria eletrônica. Por isso, neste capítulo estudaremos o arranjo físico das partículas que compõem o átomo e a maneira como essas partículas se comportam. Isso facilitará muito o estudo dos fenômenos que produzem a eletricidade.
• Para maior compreensão temos que entender como a matéria é composta. Isso porque os fenômenos elétricos acontecem dentro das minúsculas partículas que a compõe.
• Matéria – é tudo aquilo que nos cerca e que ocupa um lugar no espaço.
• XIX os cientistas se interessaram pelo assunto e fizeram suas pesquisas sobre o átomo, que significa indivisível, é a menor partícula em que se pode dividir um elemento e que, ainda assim, conserva as propriedades físicas e químicas desse elemento.
• Provou-se também que toda matéria é composta por átomos.

Embora os átomos que formam as moléculas sejam compostos por partículas menores, para todos os efeitos eles são considerados

unidade fundamental, que apresenta algumas particularidades. São elas:

• O átomo não têm carga, porque o número de prótons é igual ao número de elétrons.

+ +

- Elétrons

Núcleo= prótons + nêutrons ( Uma grande força de atração, os mantém unidos, formando um corpo denso chamado núcleo).

• Todos os átomos de um elemento são iguais, por isso um elemento e seu átomo recebe o mesmo nome.
• Os Elétrons têm carga negativa. Possuem quantidades pequenas e específicas de energia e se localizam- se dentro de um conjunto de níveis de energias eletrônicas. Isso os impede de serem atraídos para o núcleo, mesmo tendo carga diferente da dele.
• A região em torno do núcleo onde o elétron se localiza, chamamos de órbita.
• Os elétrons se movem em alta velocidade em torno do núcleo e sem trajetórias definidas.

TEORIA ELETRÔNICA DA MATÉRIA

Seguindo o modelo atômico de Bohr, os prótons e nêutrons ocupam a região central do átomo chamado núcleo. Na região em torno do núcleo, que chamamos de eletrosfera se descolam os elétrons em órbitas definidas e arranjos de no máximo sete camadas.

Exemplo: Silício (Si) 14(p), 14(n), 14(e) Camadas do Si: (^) K L M 2 8 4

• A distribuição dos elétrons nas diversas camadas obedece a regras definidas. A regra mais importante para a área da eletroeletrônica refere-se ao nível energético mais distante do núcleo, ou seja, camada externa (Q). Nessa região podem ser encontrado no máximo 8 elétrons.
• Os elétrons da camada mais distante, são chamados de elétrons livres , pois tem mais facilidade de se desprender do átomo.

• íons positivos são os cátions – átomo que perdeu elétrons.

A transformação de um átomo em íon ocorre devido a forças externas ao próprio átomo. Uma vez cessada a causa externa que originou o íon, a tendência natural do átomo é atingir o equilíbrio elétrico. Para atingir esse equilíbrio, ele cede elétrons que estão em excesso ou recupera os elétrons em falta.

MATERIAIS CONDUTORES E ISOLANTES

A facilidade ou dificuldade de que os elétrons livres se libertarem ou deslocarem- se entre as camadas de energia determina- se o material é isolante ou condutor. Lembre-se que a camada de valência (última camada) onde os elétrons possuem facilidade em se desprender do átomo, são os que chamamos de elétrons livres ou de valência.

• Átomos de 1 a 3 elétrons de valência tem facilidade em ceder elétrons;
• Átomos com 5,6,7 elétrons de valência têm facilidade em ganhar elétrons;
• Átomos com 4 elétrons de valência, não ganham nem perdem elétrons.

CONDUTORES – O que caracteriza um material como bom condutor de eletricidade, é o fato dos elétrons de valência dos átomos estarem fracamente ligados ao núcleo, podendo assim se deslocar com facilidade. Isso permite a movimentação de cargas no interior do material. Ex.: de condutores elétricos mais comuns: Cobre, ouro, alumínio e etc.

ISOLANTES – São considerados maus condutores de eletricidade, são os materiais que apresentam os elétrons de valência rigidamente ligados ao núcleo de seus átomos, ou seja, não possuem elétrons livres, ou são poucos que podem ser desprezados. Ex.: Substâncias compostas como a borracha, vidro, porcelana são isolantes, ou seja, são maus condutores de eletricidade. Porém se analisarmos bem, todo material isolante pode conduzir eletricidade, afinal todos são compostos de átomos e possuem elétrons. Ex.: alicate universal eletricista 1000V, fita isolante 3M 750V.

ISOLANTE CONDUTOR SEMICONDUTOR

Um elétron para se livrar do átomo tem que dar um salto de energia muito grande. Pouquíssimos elétrons vão ter energia suficiente para sair da banda de valência para a banda de condução. Por isto a movimentação de elétrons será pequena ou nula.

Um elétron pode passar facilmente da banda de valência para a de condução, sem necessitar de muita energia. Em materiais metálicos, a temperatura ambiente é suficiente para o surgimento de elétrons livres.

Intermediário entre os dois materiais anteriores. O elétron precisa de energia para saltar a banda de valência porém é uma quantidade de energia pequena. Ex.: diodo de silício, com 0, V(energia) os elétrons livres saltam para a banda de condução.

Exercícios: a) Quais as partículas que constituem o átomo?

c) Qual a condição necessária para que um átomo esteja em equilíbrio elétrico? d) Como se denomina um átomo que perdeu elétrons na sua camada de valência? e) Como se denomina um átomo que recebeu elétrons na camada de valência? f) O que se pode afirmar a respeito do número de elétrons e prótons de um íon positivo? g)Qual é a carga elétrica dos prótons, nêutrons e elétrons? h) O que é molécula? i) O que é camada de valência? j) Qual é a diferença entre ânions e cátions? k) Cite algo que não seja matéria. l) Diferencie material isolante de material condutor.