História
Paul Drude - (1863- 1906)
Após a descoberta do elétron, pelo físico Joseph John Thomson, em 1897, utilizando os raios catódicos, a comunidade científica, alguns anos à frente, se deparou com o início do desenvolvimento da teoria quântica. Assim, os físicos estavam buscando estudar o estado sólido da matéria, explicando os fenômenos ocorridos nos materiais.
Durante esses estudos, o físico alemão Paul Drude (1863- 1906), propôs um modelo que explica a condução elétrica dos metais.
O modelo
Para a formulação do modelo, Drude considerou 4 hipóteses, sendo elas:
1- Não existe interação elétron – elétron;
2- As colisões ocorrem de forma inesperada, de forma que não exista movimento dos íons;
3- Existe um tempo médio entre as colisões;
4- O elétron perde a memória sobre a trajetória e velocidade, após cada colisão.
Agora considerando um condutor, em equilíbrio eletrostático, temos algumas observações:
1- O campo elétrico é nulo em seu interior, logo não existe corrente elétrica;
2- Mesmo não existindo corrente elétrica, existe um movimento de elétrons no interior do condutor; Esse movimento se equipara ao movimento das moléculas de um gás ideal. O movimento ocorre de forma aleatória com uma velocidade muita alta, da faixa de 10^6m/s;
3- Os elétrons são atraídos pelos íons, assim não escapam do material;
4- O movimento é caótico, logo não existe um fluxo efetivo em nenhuma direção, não existindo corrente elétrica.
Considerando que existe um campo elétrico, existe um movimento de arraste, provocado pelo campo elétrico. Esse movimento é na direção da força elétrica 𝐹⃗ e tem uma ordem de grandeza de aproximadamente 10^(−4)m/s. Como existe um movimento de arraste, há também uma velocidade de arraste 𝑣⃗, a qual provoca um arraste ordenado das cargas, em um sentido determinado, no condutor. Essa movimentação de cargas é denominada Corrente elétrica.
Assim, a corrente elétrica é definida como o fluxo total das cargas por unidade de tempo. Deste modo, quando uma carga dQ flui em uma área em um intervalo de tempo dt, temos:
Sentido e Direção da Corrente Elétrica
Com a movimentação de cargas em uma determinada direção, é esperado que exista um sentido para a corrente Elétrica.
Mas como determinar o sentido dessa grandeza a partir da sua carga?
Se o movimento for de prótons, como no acelerador de partículas, por exemplo, haverá a movimentação de cargas positivas. Já no caso da corrente elétrica gerada nos condutores usuais, o que ocorre é o arraste de elétrons. Desse modo, o Sentido convencional adotado é dado ao observar o movimento dos portadores de carga, atribuindo-o conforme o sentido teórico ou real de cargas positivas.
Nesse sentido, se a corrente elétrica for gerada por prótons, é adotado o sentido real dessa movimentação. Todavia, se a corrente é produzida por elétrons, o sentido covencional é adotado pelo movimento teórico de cargas positivas. Veja a imagem abaixo:
Outras formas de expressar corrente elétrica
Outra maneira de definir a corrente elétrica é relacionando com uma seção reta de área A, assim:
Com isso, podemos definir densidade de corrente (J) como a corrente que flui por unidade de área da seção reta:
Observe que é considerado que o valor da carga q é dado em valor absoluto pois estamos olhando conforme o sentido covencional, que é sempre positivo.
Condutividade
A condutividade elétrica de um material representa a capacidade que ele tem de transportar cargas elétricas, quando submetido a uma diferença de potencial. Um material de condutividade alta tem uma facilidade de transportar cargas elétricas e, de maneira oposta, um material com condutividade elétrica baixa apresenta uma resistência maior ao transporte de cargas elétricas.
A condutividade (σ) é dada pela razão entre a densidade de corrente e o campo elétrico:
Condutividade de alguns materias
Efeitos da Condutividade
A condutividade por ser uma propriedade que diz sobre a capacidade dos materiais de conduzir eletricidade, ela acaba sendo um importante fator na hora de selecionar um material. Com isso, de forma geral, todos os materiais físicos possuem a habilidade de conduzir eletricidade, apesar de alguns serem mais hábeis que outros (ou seja, tem maior condutividade). Nesse sentido, os materiais são subdivididos nas seguintes categorias:
Fio de cobre. Condutor utilizado para condução de eletricidade em aparelhos e contruções.
Condutores elétricos
São aqueles materiais que possuem alta condutividade. A maior parte dos condutores são metais, por causa da organização eletrônica desses materiais. Apesar disso, também existem condutores não-metálicos e iônicos. Um bom condutor é aquele que apresenta a condutividade maior de 10^4 /Ωm.
Luva de eletricitas. Feita de material isolante para evitar que o eletricista leve choque.
Isolantes
São aqueles que possuem uma quantidade muito pequena de elétrons livres, o que acarreta em uma aplicação de diferença de potencial muito elevada para que a corrente elétrica o percorra. Um bom isolante apresenta uma condutividade de cerca de 10^(-10)/Ωm.
Chip de computador. Chip confeccionado por dopagem de Silício com Fósforo em semicontudor.
Semicondutores
São aqueles que possuem propriedades intermediárias ao comparados com materiais condutores e materias isolantes. Normalmente são utilizados na indústria eletrônica. Os mais comumente empregados são o Silício, o Germânio e o comporto Arseneto de Gálio. Um semicondutor típico apresenta condutividade entre 10^(-10)/Ωm e 10^4/Ωm, dependendo da temperatura.
