Capítulo 1: Carga Elétrica

Condutores e Isolantes

Essa é a questão básica que alimenta toda a ciência e a tecnologia da eletricidade. Para discuti-la temos que reconhecer os diferentes tipos de materiais. Mas, são tantos os tipos de materiais na natureza, que para simplificar nossa abordagem didática temos que fazer algumas restrições. Começaremos restringindo o estado da matéria. Entre sólido, líquido e gasoso, vamos ficar com os matérias sólidos. Entre orgânicos e inorgânicos, vamos ficar com os materiais inorgânicos. Com isso serão excluídos os materiais biológicos. Entre os materiais sólidos conhecidos, condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores, vamos ficar com os condutores e isolantes, ou dielétricos. Você vai perceber que essas duas denominações serão usadas aqui. Isolante é a mesma coisa que dielétrico, mas usaremos as duas palavras indistintamente para você se acostumar com elas.

A forma mais elementar de definirmos um material condutor, é dizer que ele tem facilidade de conduzir corrente elétrica. De modo análogo, dielétrico é um material que não conduz corrente elétrica.

Essas duas definições são simples demais, e não nos ajudam a entender os fenômenos mais elementares da eletrostática e da eletrodinâmica. Então, va- mos melhorar as definições.

Nessa estrutura do quartzo (SiO₂), que é um material isolante, os núcleos atô- micos permanecem praticamente imóveis nas posições indicadas para os átomos de silício (Si) e oxigênio (O).

Em condições normais, os elétrons distribuem-se homogeneamente em torno de cada núcleo. Mas, se um campo elétrico for aplicado, a distribuição de elétrons fica distorcida. Como o quartzo é um dielétrico, essa distribuição distorcida fica localizada em alguns pontos na superfície e no interior do material. Como essas cargas estão localizadas, ou quase estáticas, diz-se que estamos em uma situação eletrostática. Se o quartzo fosse um material condutor, os elétrons se espalhariam por toda a superfície.

Portanto, no caso dos dielétricos, diz-se que as moléculas ficam polarizadas quando se aplica um campo elétrico. As cargas positivas ficam em um lado, e as negativas no lado oposto, em relação ao centro da molécula. É essa imagem de moléculas polarizadas que pode ser usada para explicar alguns fenômenos da eletrostática, discutidos ao final deste capítulo, e também no capítulo 3.

A situação é completamente diferente no caso dos materiais condutores. O que sabemos hoje sobre a condutividade elétrica em materiais metálicos, como ferro, níquel, entre outros, resulta de estudos realizados a partir do século 19. Como qualquer material, os condutores são constituídos de átomos, e estes são constituídos de prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e elétrons têm cargas elétricas iguais em valor e de sinais contrários. O próton é positivo, e o elétron é negativo. Em condições normais, o número de prótons é igual ao de elétron em cada átomo. Portanto, em condições normais a matéria é eletricamente neutra.

Ao contrário dos dielétricos, nos condutores os elétrons têm liberdade para se locomoverem para longe dos núcleos aos quais estavam ligados. Bem, nem todos os elétrons têm essa liberdade, mas os que têm já são suficientes para produzirem os fenômenos da eletrodinâmica, sendo o surgimento da corrente elétrica o principal deles.

Esses elétrons que têm liberdade se locomoverem para longe do núcleo são denominados elétrons livres. Há outra expressão referente a eles: mar de elétrons de Fermi. Enrico Fermi, físico italiano foi que desenvolveu esse modelo. Praticamente todos os fenômenos da eletrodinâmica estão relacionados com esse mar de elétrons.