Condutividade elétrica e térmica

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Condutividade elétrica e térmica

  1. 1. Condutividade elétrica (σ) é usada para especificar o caráter elétrico de um material. Ela é simplesmente orecíproco da resistividade, ou seja, inversamente proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual um materialé capaz de conduzir uma corrente elétrica.Materiais sólidos exibem uma espantosa faixa de condutividades. De fato, uma maneira de classificar materiaissólidos é de acordo com a facilidade com que conduzem uma corrente elétrica; dentro deste esquema declassificação existem 3 grupamentos: condutores, semicondutores e isolantes. Metais são bons condutores,tipicamente.No outro extremo estão os materiais com muito baixas condutividades, estes são os isolantes elétricos. Materiaiscom condutividades intermediárias, são denominados semicondutores. No Sistema Internacional de Unidades, émedida em siemens por metro.Constitui engano achar que o ouro é o melhor condutor elétrico. Na temperatura ambiente, no planeta Terra, omaterial melhor condutor elétrico ainda é a prata. Relativamente, a prata tem condutividade elétrica de 108 %; ocobre 100 %; o ouro 70 %; o alumínio 60 % e o titânio apenas 1 %. O ouro, em qualquer comparação, seja nomesmo volume, ou na mesma massa, sempre perde em condutividade elétrica ou térmica para o cobre.Entretanto, para conexões elétricas, em que a corrente elétrica deve passar de uma superfície para outra, o ouroleva muita vantagem sobre os demais materiais, pois sua oxidação ao ar livre é extremamente baixa, resultandonuma elevada durabilidade na manutenção do bom contato elétrico. Entre os citados, o alumínio seria o piormaterial para as conexões elétricas, devido à facilidade de oxidação e à baixa condutividade elétrica da superfícieoxidada. Assim, um cabo condutor de cobre com os plugues de contatos dourados levam vantagens sobre outrosmetais. Uma conexão entre superfícies de cobre, soldada com prata constitui a melhor combinação para acondução da eletricidade ou do calor entre condutores distintos.A condutividade térmica (κ) quantifica a habilidade dos materiais de conduzir calor. Materiais comalta condutividade térmica conduzem calor de forma mais rápida que os materiais com baixa condutividadetérmica. Desta maneira, materiais de com alta condutividade térmica são utilizados como dissipadores de calor emateriais de baixa condutividade térmica são utilizados como isolamentos térmicos.A condutividade térmica é uma característica específica de cada material, e depende fortemente da temperatura eda pureza do material (especialmente sob baixas temperaturas). Em geral, os materiais tornam-semais condutores de calor com o aumento da temperatura. O inverso da condutividade térmica é a resistividadetérmica.Quando um material sofre uma mudança de fase de sólido para líquido ou de líquido para gás, a condutividadetérmica pode mudar. Um exemplo é a mudança na condutividade térmica que ocorre quando a água em suaforma sólida, com condutividade térmica de 2,18 W/(m-K) a 0°C, derrete e passa a ter condutividade térmica de0,58 W/(m-K) a 0°C. Isso se deve ao fato de que a transferência de calor se dá de maneira diferente para cadaestado da matéria:Gases: A transferência de calor por condução se dá através da colisão entre os átomos ou moléculas do gás e,por serem meios mais dispersos, a condutividade é pequena em comparação com a maioria dos sólidos.
  2. 2. Sólidos não Metálicos: Nestes a transferência de calor se dá através das vibrações da rede. Essa transferência édescrita através de fônons, osquanta das vibrações da rede.Sólidos Metálicos: Estes são os melhores condutores de calor. Isso se dá porque, os responsáveis pela conduçãode calor são os mesmos os elétrons de condução que participam da condução elétrica.Condutividade elétricaNos metais, a condutividade térmica esta relacionada com a condutividade elétrica de acordo com a leiWiedemann-Franz, uma vez que os elétrons de condução além de transferirem correnteelétrica transferem energia térmica. No entanto, a correlação entre a condutância elétrica e a térmica só vale parametais.ConvecçãoO ar e outros gases, na ausência de convecção, geralmente são bons isolantes. Por isso, muitos dos materiaissão isolantes por apresentarem poros que permitem o armazenamento de gases e que impedem a convecção emgrande escala. Exemplos destes materiais incluem polímeros porosos como o isopor, e o aerogel de sílica. Outrosisolantes naturais são os biológicos, tais como pelos e penas que através da convecção da água e do arprotegem as peles dos animais.As cerâmicas são utilizadas nos sistemas de escape para evitar que o calor atinja componentes sensíveis aocalor. Gases leves, como hidrogênio (H2) e hélio (He), normalmente têm alta condutividade térmica. Já gasesdensos como xenônio (Xe) e diclorodifluorometano (CCl2F2) apresentam baixa condutividade térmica. Umaexceção, é o hexafluoreto de enxofre (SF6), um gás denso com alta condutividade térmica, devido à suacapacidade térmica elevada. Argônio (Ar), é um gás mais denso que o ar, e frequentemente é utilizado emisolamento de vidros (janelas com vidros duplos) para melhorar suas características de isolamento.É um engano achar que o ouro é o melhor condutor térmico. Na temperatura ambiente o melhor condutor de calorainda é a prata. Relativamente, a prata tem condutividade térmica de 108 %; o cobre 100 %; o ouro 70 %;o alumínio 60 % e o titânio apenas 1 %. Entretanto, quando temos conexões entre partes metálicas de diferenteselementos, onde o calor deve passar de uma superfície à outra, o ouro leva muita vantagem sobre os demaismateriais, pois sua oxidação ao ar livre é extremamente baixa, resultando numa elevada durabilidade e a um bomcontato térmico. Entre os citados, o alumínio seria o pior material para as conexões térmicas ou elétricas, devidoà facilidade de oxidação e à baixa condutividade térmica da superfície oxidada. Assim, uma conexão entre peçasde cobre douradas levam vantagens sobre outros metais. Uma conexão entre superfícies de cobre, soldada comprata constitui a melhor combinação para a condução do calor ou da eletricidade entre condutores distintos.

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