Condutividade: Térmica e Elétrica
A propriedade que descreve a capacidade de um material permitir o fluxo de calor ou eletricidade é a condutividade. É o inverso da resistividade (ρ).
Condutividade Elétrica (σ ou κ)
- Definição: σ = J / E (Densidade de corrente / Campo elétrico) = 1 / ρ. Unidade: Siemens por metro (S/m).
- Mecanismo: Fluxo de portadores de carga (elétrons em metais, íons em eletrolitos, elétrons/buracos em semicondutores).
- Condutores (Alta σ): Prata (63×10⁶ S/m), Cobre (59,6), Ouro (45), Alumínio (37,7). Usados para fios, barramentos, contatos.
- Isolantes (Baixa σ): PTFE (10⁻¹⁶), Vidro (10⁻¹²), Borracha, Cerâmica. Usados para isolamento, dielétricos.
- Semicondutores (σ Ajustável): Si, Ge, GaAs. σ controlado por dopagem (10⁻⁴ – 10⁴ S/m). Base da eletrônica.
- Supercondutores: σ = ∞ (ρ = 0) abaixo de Tc. Perda CC zero.
Condutividade Térmica (k ou λ)
- Definição: Fluxo de calor / Gradiente de temperatura. q = -k ∇T. Unidade: Watts por metro-Kelvin (W/m·K).
- Mecanismo: Vibrações de rede (fônons) + difusão de elétrons (em metais).
- Alto k: Diamante (2000), Prata (429), Cobre (401), Alumínio (237), Grafeno (~5000). Usados para dissipadores, spreaders, substratos.
- Baixo k (Isolantes): Aerogel (0,015), Espuma poliuretano (0,03), Fibra de vidro (0,04), Ar (0,026). Usados para isolamento térmico.
Lei de Wiedemann-Franz
Para metais, condutividades elétrica e térmica estão ligadas por elétrons livres:
k / σ = L × T (L = número de Lorenz ≈ 2,44×10⁻⁸ W·Ω/K²)
Bons condutores elétricos são bons condutores térmicos. Exceção: Diamante (alto k, σ=0).
Implicações Práticas
- Dimensionamento Fios: σ determina ampacidade (perda I²R → calor).
- Material Dissipador: Al (barato, leve) vs Cu (melhor k) vs Diamante (extremo).
- Vias Térmicas PCB: Barris Cu conduzem calor do componente para planos.
- TIM (Material Interface Térmica): Pasta/pad k = 1–10 W/m·K preenche lacunas de ar (k=0,026).
- Seleção Isolante: Alta resistividade elétrica + alta condutividade térmica (AlN, BeO, Al₂O₃ cerâmicas) para módulos potência.
Resumo: Condutividade quantifica quão facilmente energia (carga ou calor) flui. Alto σ/k = condutor (Cu, Al). Baixo σ/k = isolante (plástico, cerâmica). Semicondutores no meio, controláveis por dopagem.
