Na natureza, as cargas elétricas estão presentes em todos os materiais. Basicamente, todos os materiais são compostos de moléculas constituídas de átomos. Estes são compostos por partículas menores, os prótons, os elétrons e os nêutrons. Os nêutrons não possuem carga elétrica. Já os prótons possuem carga elétrica positiva e os elétrons possuem carga elétrica negativa. O valor da carga elementar é constante. São pacotes quantizados, de intensidade igual a 1,6x10-19C para o próton e –1,6x10-19C para o elétron. Portanto, um átomo neutro possui mesmo número de prótons e elétrons.
O núcleo atômico é composto pelos prótons e nêutrons. Já os elétrons estão situados mais nas regiões externas do átomo. As forças responsáveis pela coesão nuclear são a força nuclear forte e a força nuclear fraca. Estas forças têm intensidade suficiente pra vencer as forças de repulsão eletrostática entre os prótons, dado que cargas de mesmo sinal se repelem. Desta forma, o núcleo atômico encontra-se numa configuração na qual os nêutrons e prótons ficam relativamente bastante próximos conforme mostra a figura 01.
Figura 1: átomo de carbono-12
Os elétrons ficam a uma distância relativamente grande do núcleo atômico, sujeito às forças de atração eletrostática, devido ao fato de o núcleo ter carga positiva e os elétrons tem carga negativa. Mas se atuassem somente as forças de atração, os elétrons colapsariam e ocupariam o núcleo atômico. Segundo o Modelo Atômico de Bohr, isto não acontece porque os elétrons executam movimentos circulares em torno do núcleo atômico. Em razão disto, surgem as forças de repulsão. E são estas forças que mantém os elétrons em órbitas estáveis. Os elétrons podem mudar de nível em sua órbita.
Especialmente os elétrons da camada mais externa podem até serem extraídos do átomo. Neste caso, eles podem ocupar um átomo vizinho. Sendo assim, ocorreu uma mudança na carga elétrica dos átomos envolvidos na troca. Se o átomo que cedeu o elétron inicialmente estava neutro, depois do processo adquire carga elétrica positiva. Já o átomo que adquiriu o elétron ficou então com carga negativa. Este é um processo de transferência de elétrons. Este tipo de transferência pode ocorrer de várias formas. Dentre as possibilidades, num processo de atrito, de condução ou de indução.
Em geral, o processo de condução elétrica acontece nos metais. Este tipo de substância possui um bom ordenamento em sua estrutura cristalina, e também elétrons livres que podem se locomover através da rede de átomos. Os elétrons se movimentam em virtude das diferenças de potencial aplicadas nas extremidades deste material. Estas diferenças de potencial surgem devido à falta de elétrons em algumas regiões e à sobra de elétrons em outra região. A diferença de potencial está associada às forças de atração entre as cargas elétricas. Ou seja, a região de carga positiva, onde faltam elétrons, atrai os elétrons, de carga negativa.
Durante o deslocamento destas cargas ocorrem interações entre os elétrons e a cadeia de átomos. Isto causa alguma resistência ao movimento destes elétrons conforme mostra a figura 02.
Figura 02: representação de três elétrons em uma rede cristalina. Ao se mover pela rede de átomos, ocorrem perturbação da cadeia de átomos.
Esta resistência à passagem da corrente elétrica é devido à resistividade, que é uma característica de cada material. Matematicamente, esta resistividade elétrica é dada por:
ρ = R.S/l (1)
Nota-se que a resistividade é proporcional à resistência elétrica R e a área de seção transversal S do material e inversamente ao comprimento do material em questão. Ou seja, quanto maior a resistência medida em um material, para uma dada área de seção transversal reta e um determinado comprimento, maior será sua resistividade.
A condutividade elétrica é simplesmente o inverso da resistividade. Ou seja, quanto maior a resistividade, menor será a condutividade. É o que mostra a equação 2:
σ = 1/ρ
Os materiais são classificados como condutores quando a sua condutividade é maior que 104/Ω.m, semicondutores se sua condutividade estiver no intervalo entre 10-10/Ω.m e 104/Ω.m e isolantes se sua condutividade for menor que 10-10/Ω.m.
Fio de cobre
Os metais geralmente possuem ótima condutividade, na faixa de 107/Ω.m. Estes são os mais utilizados para as linhas de transmissão de energia elétrica, pois propiciam um menor desperdício. Devido a sua alta condutividade, há menos perdas por aquecimento da rede elétrica. A prata é ótimo condutor, mas o cobre é o mais aplicado pela melhor relação custo/benefício.
O fenômeno da supercondutividade é observado em alguns materiais e algumas ligas. Neste caso, a resistividade é nula, e a condutividade é infinita. Mas isto só é possível quando a substância encontra-se a baixíssimas temperaturas.
Referências bibliográficas:
Condutividade elétrica. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_elétrica
EISBERG, Robert RESNICK, Robert. Física Quântica – Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Tradução de Paulo Costa Ribeiro, Ênio Costa da Silveira e Marta Feijó Barroso. Rio de Janeiro:Campus, 1979
HALLIDAY, David, RESNIK Robert, KRANE, Denneth S. Física 3, volume 2, 5 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. 384 p.