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distribuições lineares, superficiais e volumétricas de carga O potencial definido na Eq.4.13 é nulo para pontos infinitamente 

Exercício  6.2  Considere cargas positivas e negativas movendo‐se 

6.2  Corrente e velocidade de deriva 

Em  um  fio  condutor,  o  movimento  de  elétrons  livres  negativamente carregados é muito complexo. Quando não existe campo  elétrico no fio, os elétrons livres movem‐se em direções aleatórias com  velocidades,  relativamente  grandes,  da  ordem  de  10   / .  Dada  a  orientação aleatória dos vetores velocidade, a velocidade média é nula.  Quando  um  campo  elétrico  é  aplicado,  um  elétron  livre  experimenta  uma aceleração devido à força  , e adquire uma velocidade adicional  na  direção  oposta  ao  campo.  Contudo  a  energia  cinética  adquirida  é 

 

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Figura 6.3 Uma seção de um condutor uniforme de área seccional reta A.  Os  portadores  de  carga  movem‐se  com  uma  velocidade    e  a  distância  que  eles  percorrem  no  tempo  ∆   é  dado  por  ∆ ∆ .  O  número  de  portadores  de  carga  móveis  na  secção  de  comprimento  ∆   é  dado  por  ∆ , onde   é o número de portadores móveis por unidade de volume  rapidamente  dissipada  pelas  colisões  com  os  íons  da  rede  do  fio.  O  elétron  é  então  acelerado  novamente  pelo  campo.  O  resultado  final  destas  repetidas  acelerações  e  dissipação  de  energia  é  que  o  elétron  adquire  uma  velocidade  média  pequena  chamada  de  velocidade  de  deriva oposta ao campo elétrico. 

O  movimento  dos  elétrons  livres  em  um  metal  é  semelhante  aquele  das  moléculas  de  um  gás,  tal  como  o  ar.  Também  no  ar,  as  moléculas de ar movem com velocidades instantâneas grandes (devido a  sua  energia  térmica)  entre  colisões,  mas  a  velocidade  média  é  zero.  Quando  se  estabelece  uma  brisa,  as  moléculas  do  ar  apresentam  uma  velocidade  de  deriva  na  direção  da  brisa  superposta  às  velocidades  instantâneas  muito  maiores.  De  forma  semelhante,  quando  não  existe  campo  elétrico  aplicado,  o  “gás  de  elétrons”  em  um  metal  tem  velocidade média nula, mas quando existe um campo aplicado, o gás de  elétrons adquire uma pequena velocidade de deriva. 

 

Considere  partículas  identicamente  carregadas  movendo‐se  através  de  um  condutor  de  seção  reta  A,  veja  figura  6.3.  O  volume  de  um elemento de comprimento ∆  do condutor é  ∆ . Se   representa o  número  de  cargas  móveis  por  unidade  de  volume,  então  o  número  médio  de  portadores  no  elemento  de  volume  é  ∆  . A carga móvel  ∆  neste elemento é portanto 

 

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Figura  6.4  Uma  representação  esquemática  do  movimento  em  ziguezague  de um portador de carga dentro de um condutor. As mudanças abruptas de  direção  se  devem  as  colisões  com  os  átomos  do  condutor.  Observe  que  a  direção de movimento é contrária ao campo elétrico. 

       ∆ ú          

∆         6.3   onde    é  a  carga  em  cada  portador.  Se  os  portadores  movem‐se  com  velocidade  média  constante,  chamada  velocidade  de  deriva,  ,  a  distância  que  eles  se  movem  no  intervalo  de  tempo  ∆   é ∆ ∆ .  Podemos portanto escrever 

∆ ∆         6.4   Se  dividirmos  ambos  os  lados  desta  equação  por  ∆ ,  veremos  que  a  corrente média no condutor é 

∆ .       6.5    

Para entender o significado da velocidade de deriva, considere um  condutor  no  qual  os  portadores  de  carga  são  elétrons  livres.  Se  o  condutor  está  isolado,  estes  elétrons  sofrem  movimento  aleatório  semelhantes  ao  movimento  de  moléculas  em  um  gás.  A  velocidade  de  deriva  é  normalmente  muito  menor  que  a  velocidade  média  dos  elétrons  livres  entre  as  colisões  com  os  átomos  fixos  do  condutor.  Quando uma diferença de potencial é aplicada entre as extremidades do  condutor (diagmos, com uma bateria), um campoo elétrico é criado no  condutor,  criando  uma  força  elétrica  sobre  os  elétrons  e  daí  uma  corrente. Na verdade, os elétrons não se movem simplesmente em linha  reta ao longo do condutor. Em vez disso, eles sofrem repetidas colisões  com os átomos do metal, e o resultado é um movimento de ziguezague 

 

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Exemplo Resolvido 6.2 

complicado com apenas uma velocidade média de deriva muito pequena  ao longo do fio, conforme ilustrado na Figura 6.4. A energia transferida  dos  elétrons  para  os  átomos  do  metal  durante  uma  colisão  aumenta  a  energia vibracional dos átomos e provoca um correspondente aumento  na  temperatura  do  condutor.  A  despeito  das  colisões,  contudo,  os  elétrons  se  movem  lentamente  ao  longo  do  condutor  em  uma  direção  oposta a   com uma velocidade de deriva v . 

 

Um fio de cobre de calibre 12, usado em construções residenciais típicas,  possui uma seção reta de área com 3,31 10 . Ele transporta uma  corrente  de  10,0  .  Qual  é  a  velocidade  de  deriva  dos  elétrons  no  fio?  Suponha que cada átomo de cobre contribua com um elétron livre para  a corrente. A densidade do cobre é de 8,92  / .  Solução  Como a corrente é constante, a corrente média durante qualquer  intervalo de tempo é a mesma que a corrente constante:  .  Da tabela periódica dos elementos sabemos que a massa molar do  cobre  é  63,5  / .  Assim  um  mol  de  átomos  de  cobre  (1  mol  de  qualquer  substância  contém  6,02 10   átomos).  Assim  o  volume  ocupado por 1 mol de átomos de cobre é 

63,5 

8,92  / 7,12   

Da  suposição  que  cada  átomo  de  cobre  contribui  com  um  elétron  livre  para a corrente, determinamos a densidade eletrônica no cobre:  6,02 10   é 7,12  1,00 10   1    8,46 10 /         Da equação (6.4) determinamos que a velocidade de deriva é   

 

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Usando os valores numéricos dados no problema teremos  10,0  8,46 10 1,60 10 3,31 10     2,23 10 /         

Este  resultado  mostra  que  velocidade  de  deriva  típicas  são  muito  pequenas. Por exemplo, eletrons se deslocando com uma velocidade de  2,23 10 ⁄  tomaria aproximadamente 75 min para percorrer um  metro!  Pode  causar  surpresa  o  fato  de  ligarmos  o  interruptor  e  quase  imediamente  a  luz  acende.  Em  um  condutor,  mudanças  no  campo  elétrico  que  direcionam  os  elétrons  livres,  percorrem  o  condutor  com  velocidade  próxima  à  da  luz.  Assim,  quando  ligamos  o  interruptor  de  uma  lâmpada,  os  elétrons  que  já  estão  no  filamento  da  mesma  experimentam  forças  elétricas  e  começam  a  se  movimentar  após  um  intervalo de tempo da ordem de nanosegundos. 

 

6.3  Densidade  de  corrente,  lei  de  Ohm,  condutividade,  resistência  e