Porque os metais conduzem a eletricidade e o calor?

A maioria dos materiais que conduzem calor e eletricidade são metais, pela simples razão de que os metais contêm um excesso de elétrons livres.

O que são elétrons livres?

Embora os elétrons não realmente habitam átomos como os planetas habitam o sistema solar, o modelo atômico baseado no modelo do sistema solar, no qual os elétrons de um átomo giram em torno do núcleo como os planetas giram em torno do sol, fornece uma forma mais simples. explicação leiga para fenômenos quânticos complexos ou esotéricos.

(Crédito da foto: Wikimedia Commons)

É óbvio e universalmente conhecido que é o núcleo positivo que liga os elétrons negativos ao átomo. A força com a qual isso é alcançado é chamada de força de Coulomb. No entanto, a força torna-se mais fraca com a distância: pode-se inferir a partir desse modelo que, à medida que as cascas aumentam, a força que puxa os elétrons que as ocupam se torna cada vez mais fraca e mais fraca, obviamente, ao puxar os elétrons para o exterior. a concha de valência.

Esses elétrons são puxados tão fracamente que conseguem escapar e se libertar do átomo. Eles são, portanto, referidos como elétrons livres. O que é responsável pela propensão de um metal a perder seus elétrons de valência é seu grande tamanho atômico e sua própria escassez de elétrons de valência. Os não-metais, como o cloro, possuem sete elétrons de valência, uma característica que forçou a natureza a tornar seu átomo menor e, portanto, mais fácil para seu núcleo mantê-los. Por outro lado, os metais têm no máximo três elétrons de valência; a natureza não é indulgente o suficiente para tornar um átomo menor para conter apenas três elétrons, pois isso exigiria que ela gaste o excesso de energia.

Tenha em mente que cada átomo de metal produz um ou dois elétrons livres, e uma folha de qualquer metal contém pelo menos um bilhão de bilhões de átomos. A folha é, portanto, absolutamente repleta de elétrons livres, e são esses elétrons livres que propagam o calor e a eletricidade que passam por ela.

Como os elétrons livres propagam eletricidade e calor

Quando conectamos um fio de cobre a uma bateria, o terminal positivo atrai os elétrons livres negativos em direção a ele. A força súbita exercida pelo campo elétrico faz com que eles fiquem descontrolados e colidam vigorosamente uns com os outros a velocidades tremendas. O que se segue é um efeito dominó: o elétron livre no qual o elétron livre por trás dele colide é impelido para frente apenas para colidir com um elétron livre na frente dele, que é então impelido a colidir em outro elétron livre e assim por diante até o último livre elétron na fila é impelido para o circuito. No entanto, em média, os elétrons avançam com uma velocidade relativamente pequena chamada de velocidade de desvio . Panoramicamente, veríamos um denso rio de elétrons livres correndo em direção ao terminal positivo, e o que é atual, mas o fluxo de elétrons?

O calor é mediado por um metal de maneira semelhante. Uma fonte de energia térmica não é senão uma fonte de energia cinética. Quando trazemos uma fonte de calor para um material, ele fornece energia cinética para os átomos do material. Essa energia cinética faz com que os átomos se mexam vigorosamente em seu lugar. Quanto maior o calor, maior a intensidade do movimento.

Os compostos iônicos também conduzem o calor à medida que os íons se agitam em suas posições. No entanto, compostos iônicos são caracterizados por um arranjo geométrico altamente simétrico ou estrutura. Eles balançam, mas seu movimento é dramaticamente restringido por essa estrutura. Os metais puros, por outro lado, são condutores superlativos porque, embora seus átomos sejam restringidos pela estrutura, seus elétrons não são … eles estão livres! Os elétrons são desenfreados e, portanto, começam a se movimentar ao acaso quando a fonte transmite energia cinética para eles. Eles então colidem em elétrons vizinhos, transferindo assim sua energia cinética. As colisões emulam um efeito dominó e o calor é propagado da região quente, a região mais próxima da fonte, para a região fria, a extremidade mais distante do metal.

Eu digo metal puro porque ligas são condutores relativamente pobres de calor e eletricidade. Isso ocorre porque as ligas são formadas pela introdução de átomos estranhos em um metal. Isso leva a um aumento das irregularidades, que então obstruem o movimento de um elétron livre. Como os elétrons livres são incapazes de viajar e colidir um com o outro, o calor e a eletricidade se tornam mais difíceis de se propagar.

O aço inoxidável é uma liga de ferro e cromo. (Crédito da foto: Pixabay)

A introdução de átomos estranhos é sempre um ponto de debate porque, enquanto reduz a condutividade, também melhora as outras propriedades do metal, como a força. O ferro enferruja, enquanto o aço inoxidável, uma liga de ferro e cromo, não. Como são os elétrons livres que são responsáveis ​​por ambos – a capacidade de um metal de conduzir eletricidade e sua capacidade de conduzir calor, não é coincidência que as leis que regem a condução da eletricidade sejam muito semelhantes às leis que governam a condução do calor.

Referências:

1. Phys.Org
2. Califórnia

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