Isolantes, Condutores e Semicondutores
ISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES
Como vimos, toda carga modifica o espaço em torno de si, e essa modificação se chama "campo". Uma outra carga (de mesma natureza) colocada dentro do campo, sofrerá a ação de uma força. Esta segunda carga, por sua vez, também possui o próprio campo, o qual vai agir sobre a primeira carga com uma força de mesma intensidade e mesma linha de ação, mas de sentido contrário.

O que aconteceria se fizéssemos um campo elétrico agir não sobre cargas elétricas isoladas, mas sobre aquelas que estão dentro da matéria?

Sabemos que no interior dos átomos existem prótons (positivos) e elétrons (negativos). O que acontece com essas cargas, na presença de um campo externo? Já falamos um pouco sobre isso quando discutimos o fenômeno da polarização (a brincadeira da caneta atraindo os papéizinhos).

Tudo vai depender do tipo de material com que estamos lidando. Sabemos que, em 1729, Stephen Gray classificou as substâncias como "isolantes" e "condutoras". Ele descobriu a corrente elétrica fazendo ensaios com diferentes tipos de fios, mesmo sem saber o que era a eletricidade e sem poder contar com baterias ou geradores (usou uma máquina eletrostática). Percebeu então que a corrente passava através de certos materiais, mas não através de outros. A matéria ou era condutora, ou era isolante. O motivo desse comportamento ele não tinha condições de explicar.

Hoje sabemos que os elétrons situados na última camada da eletrosfera, chamados elétrons de valência, são os mais fracamente ligados. Será possível arrancá-los usando um campo elétrico externo? Sim, se o campo elétrico for suficientemente intenso.

Os gases são isolantes (não conduzem corrente elétrica), mas se os submetermos a campos suficientemente intensos, arrancaremos o elétron de valência de cada um dos átomos da amostra gasosa, e teremos então uma mistura de íons negativos e íons positivos.

Os íons negativos, também chamados de "ânions", são simplesmente os elétrons arrancados, que agora se tornaram elétrons livres. Os íons positivos, ou "cátions", são os átomos privados de sua neutralidade após perderem os seus elétrons de valência.

Essa mistura de íons passa a ser condutora de corrente. Onde podemos observar a condução de corrente através de gases? Em lâmpadas fluorescentes, e também durante a ocorrência de relâmpagos!

Nas lâmpadas fluorescentes, o campo elétrico estabelecido entre os dois terminais faz com que o gás contido no tubo se ionize. Cátions e ânions se movem em sentidos opostos, e a luz é produzida em conseqüência dos choques que acontecem entre eles (a energia elétrica se transforma em energia cinética, que se transforma em energia luminosa).

Com relação aos relâmpagos, o campo elétrico formado entre o solo e a parte mais baixa das nuvens é forte o bastante para ionizar o ar, que se torna condutor e transmite a descarga elétrica: eis o relâmpago!

As substâncias líquidas podem ser isolantes ou condutoras. A água destilada é isolante, bem como os líquidos formados por moléculas orgânicas, como o óleo e a gasolina. Por quê? Porque essas moléculas são neutras, e não existem cargas livres passeando dentro do líquido.

Porém, quando contêm íons, os líquidos são condutores. A água salgada contém uma mistura de íons positivos de sódio (Na + ) e íons negativos de cloro (Cl - ), e por isso é condutora. Água levemente acidulada, como o vinagre e o suco de limão, também é condutora.

Os seres vivos são compostos de substâncias condutoras, porque existem cátions e ânions nas células e nos líquidos que banham os tecidos celulares. Para os animais vertebrados existe um líquido condutor muito importante: o neurotransmissor. As células nervosas transmitem impulsos elétricos entre si por meio de mediadores químicos chamados neurotransmissores, como a "adrenalina", a "acetilcolina", a "dopamina", e outros.

Outro exemplo interessante é o mercúrio, o metal líquido. Este não contém íons: sua capacidade de transmissão de corrente elétrica deve-se ao mesmo tipo de processo que ocorre nos outros metais.

Quanto aos sólidos, não existe uma separação nítida entre condutores e isolantes. Por questões práticas, consideram-se isolantes aqueles que, para conduzirem corrente, exigem um campo elétrico muito forte (embora possam ser polarizados com certa facilidade). Como exemplos podemos citar o âmbar, o vidro, o enxofre, a madeira, o plástico e a borracha. Os sólidos naturalmente condutores são os que precisam de campos elétricos fracos para que se estabeleça uma corrente. Nesta classificação estão os metais: ouro, prata, ferro, cobre, alumínio, etc., e as ligas metálicas: latão, constantan e manganina, entre outras.

A diferença entre os vários tipos de materiais está na força de ligação entre o elétron de valência e o resto do átomo a que ele pertence. Quanto mais forte essa força, mais difícil será liberar o elétron, e portanto mais isolante será o material.

Diferentemente do que acontece nos gases e nos líquidos, dentro dos sólidos apenas os íons negativos - ou seja, os elétrons - podem se mover. Os íons positivos, que são os átomos ionizados, estão firmemente presos à rede cristalina, e emborar possam vibrar em torno de sua posição de equilíbrio, não formam corrente elétrica.

Os metais, os melhores condutores, têm características muito próprias. Os elétrons de valência estão completamente soltos dentro do metal, e se movimentam para lá e para cá, sem se deterem nas vizinhanças de nenhum átomo em particular. São chamados elétrons de condução, já que são os responsáveis pela condução da corrente.

O movimento aleatório (isto é, sem direção e nem sentido definidos) dos elétrons de condução dentro da estrutura cristalina chama-se "movimento térmico", e como o nome já está dizendo, é causado pela energia térmica (calor) natural do meio ambiente.

A grandeza física que expressa a dificuldade de transmissão de corrente pelos materiais é a resistividade. Ela depende não só da força de ligação entre o elétron de valência e o átomo, mas também da temperatura.

Nos metais, o aumento da temperatura faz aumentar a resistividade, porque a intensificação do movimento térmico dos elétrons de condução acaba dificultando a formação de corrente. Quanto aos isolantes, a resistividade não se altera significativamente com a temperatura.

Existe um terceiro tipo de material: os semicondutores, que são cristais de certos elementos como o silício e o germânio. Nestes, exatamente como no caso dos isolantes, não existem elétrons de condução disponíveis. Por isso, normalmente, tais materiais se comportam como isolantes. A diferença é que, nos semicondutores, é fácil fazer um elétron de valência virar elétron de condução. A própria temperatura ambiente é capaz de "promover" alguns poucos (insuficientes porém para o estabelecimento de uma corrente). Sendo assim, a resistividade nos semicondutores diminui com o aumento da temperatura.

A introdução, no retículo cristalino desses materiais, de baixíssimas quantidades de certos elementos químicos, faz com que o número de portadores de carga aumente drasticamente. De a cordo com as propriedades desses elementos ("impurezas"), pode-se obter ou um semicondutor de tipo "n" (em que os portadores de carga são negativos), ou um semicondutor do tipo "p" (em que os portadores são positivos).

Nos casos em que os portadores são negativos, temos elétrons formando corrente, exatamente como nos demais sólidos. Mas nos casos em que os portadores são positivos, o movimento considerado é o de "ausências de elétrons", ou "buracos". Estes se deslocam através da rede cristalina do semicondutor em conseqüência do movimento real dos elétrons, que, ocupando sucessivamente novas posições na rede, deixam vagas suas posições anteriores. O resultado equivale a cargas positivas ("buracos") movendo-se em sentido oposto ao dos elétrons.

A união de dois semcondutores, um do tipo "n" com outro do tipo "p", propicia a construção de dispositivos importantíssimos, usados principalmente para o controle preciso de correntes elétricas em aparelhos, desde uma lavadora até um computador.


Comentários

Já que o plástico é isolante, usa-se bastante esse material para revestir cabos de ferramentas usadas em serviços de eletricidade. Significará isso que, colocando-se uma chave de fenda em contato com algum local onde haja eletricidade, estaremos cem por cento protegidos pelo cabo plástico? Não! Se esse cabo estiver sujo, poderemos levar um belo choque: certos tipos de sujeira são bom condutores!


A afirmação de que "um raio não cai duas vezes no mesmo lugar" é totalmente incorreta! Pelo contrário, em geral caem vários raios num só lugar, porque é aproveitado o mesmo canal formado entre a nuvem e o solo. Esse canal tem diâmetro de uns 10 centímetros, e a temperatura dentro dele chega a 30 mil graus Celsius (cinco vezes a temperatura na superfície do Sol). O tempo gasto na descarga elétrica é cerca de meio segundo, com uma potência equivalente a cem milhões de lâmpadas comuns.

O uso de drogas como álcool, fumo, cocaína, crack, heroína, etc. altera certas propriedades dos
neurotransmissores (os líquidos que permitem a transmissão de impulsos elétricos entre as células do nosso cérebro).
A sensação inicial de bem-estar decorre dessas alterações, que, ao contrário do que muita gente pensa, são alterações
permanentes. O resultado é a deterioração de todo o organismo, começando pelo cérebro.
O retorno à condição inicial, ou seja, aquela existente antes da ingestão da primeira dose da droga, não acontece nunca.
Seguindo um tratamento sério a pessoa consegue deixar de depender da droga. Mas a doença adquirida é incurável, e portanto o tratamento deve prosseguir por toda a vida.

Introdução Cargas Elétricas Magnetismo Forças Elétricas e
Lei de Coulomb
O Conceito de Campo Forças Elétricas e
Campos
Corrente Elétrica

Página Inicial

1