Exercícios sobre condutores e isolantes elétricos (com respostas explicadas)
Condutores e isolantes são características dos materiais relativas à passagem ou não de correntes elétricas.
Os condutores elétricos são materiais de baixa resistividade que não oferecem resistência à movimentação ordenada de cargas em seu interior, ou seja, à passagem de correntes elétricas. Isso ocorre porque, nesses materiais, as cargas elétricas se movimentam com mais liberdade em função dos elétrons livres presentes na sua camada de valência.
Os isolantes elétricos são materiais de alta resistividade, de modo que os portadores de carga (elétrons e íons) têm dificuldades de se movimentarem através dos mesmos. Nesses materiais, verifica-se a ausência ou pouca presença de elétrons livres, o que faz com que os elétrons dos isolantes estejam fortemente ligados ao núcleo, inibindo a sua movimentação.
Resolva as questões abaixo para testar seus conhecimentos sobre condutores e isolantes elétricos.
Questão 1
Durante a preparação de um estande para a Feira de Ciências, um grupo de alunos precisa montar um circuito simples conectado a uma fonte de baixa tensão.
Eles têm à disposição: um pedaço de fio de cobre, um palito de madeira, uma barra de grafite retirada do interior de um lápis, uma colher de alumínio e um pedaço de borracha.
O objetivo é identificar quais desses materiais podem ser usados como condutores para fechar o circuito e permitir a passagem de corrente elétrica.
Com base nas propriedades elétricas dos materiais, qual conjunto representa corretamente os condutores disponíveis?
a) Fio de cobre, palito de madeira e borracha.
b) Fio de cobre, grafite e colher de alumínio.
c) Grafite, palito de madeira e borracha.
d) Colher de alumínio, palito de madeira e borracha.
Resposta correta: alternativa b) Fio de cobre, grafite e colher de alumínio.
Materiais condutores são aqueles que possuem elétrons livres, permitindo a movimentação de cargas elétricas.
Foram citados no enunciado os seguintes materiais:
- Fio de cobre → excelente condutor metálico.
- Grafite → bom condutor, pois seus elétrons deslocalizados facilitam a condução.
- Colher de alumínio → metal, portanto condutor.
- Madeira → isolante elétrico, especialmente seca.
- Borracha → forte isolante elétrico.
Os materiais condutores são: fio de cobre, grafite e colher de alumínio.
Questão 2
Em um laboratório de eletrodinâmica, um grupo de estudantes precisa verificar o funcionamento de um sensor de temperatura artesanal, cujo princípio depende da variação da resistência elétrica dos materiais.
O sensor funciona corretamente apenas se o material utilizado apresentar um aumento perceptível de resistência quando aquecido.
Os alunos possuem quatro possíveis materiais para usar como elemento sensorial:
- Cobre (metal)
- Alumínio (metal)
- Grafite (forma de carbono)
- Plástico (polímero)
Eles medem a resistência de cada material à temperatura ambiente e depois a 80°C.
Observam o seguinte comportamento:
- Os metais apresentam aumento significativo de resistência.
- O grafite apresenta redução da resistência quando aquecido.
- O plástico não conduz corrente de forma mensurável em nenhuma das temperaturas.
Com base nesse experimento e nas propriedades de condutores e isolantes, qual material (ou conjunto de materiais) poderia ser usado no sensor para garantir seu funcionamento adequado?
a) Cobre e grafite, pois ambos são condutores e variam sua resistência com a temperatura.
b) Apenas o plástico, pois materiais isolantes são mais sensíveis à variação térmica.
c) Cobre e alumínio, pois são condutores metálicos que aumentam sua resistência ao serem aquecidos.
d) Apenas o grafite, pois a redução da resistência é mais fácil de medir.
Resposta correta: alternativa c) Cobre e alumínio, pois são condutores metálicos que aumentam sua resistência ao serem aquecidos.
Metais como cobre e alumínio são condutores com estrutura cristalina que sofre aumento da agitação térmica quando aquecidos.
Isso gera mais colisões entre elétrons e átomos, aumentando a resistência elétrica.
Esse comportamento é ideal para sensores que dependem de aumento de resistência com a temperatura, como termistores do tipo PTC.
O grafite, ao contrário, possui estrutura em que o aumento de temperatura facilita o movimento dos elétrons, diminuindo sua resistência, o que é típico de semicondutores, não sendo adequado para esse sensor específico.
O plástico é isolante, portanto não serve como condutor no circuito e não apresenta variações úteis de resistência.
Logo, os únicos materiais adequados para o sensor são cobre e alumínio.
Questão 3
Em uma aula prática sobre propriedades elétricas dos materiais, a professora apresenta quatro barras sólidas idênticas em forma e tamanho, feitas de materiais diferentes: aço, vidro, silício e cobre.
Cada barra é conectada a uma fonte de baixa tensão, e os alunos medem a corrente elétrica que atravessa cada material.
Eles observam o seguinte:
- A barra de aço permite passagem moderada de corrente.
- A barra de cobre permite passagem intensa de corrente.
- A barra de vidro não conduz corrente elétrica em nenhuma condição.
- A barra de silício conduz pouca corrente, mas essa corrente aumenta quando a temperatura é elevada.
Com base nesses resultados e nas características elétricas dos materiais, qual classificação correta pode ser atribuída aos quatro materiais?
a) Cobre e aço são condutores; silício é semicondutor; vidro é isolante.
b) Cobre é condutor, vidro é isolante, aço é semicondutor e silício é condutor.
c) Aço e cobre são isolantes; silício e vidro são semicondutores.
d) Todos os materiais são condutores, mas alguns apenas em altas temperaturas.
Resposta correta: alternativa a) Cobre e aço são condutores; silício é semicondutor; vidro é isolante.
O enunciado trouxe:
- Cobre: excelente condutor elétrico (muitos elétrons livres).
- Aço: metal, portanto condutor, embora menos eficiente que o cobre.
- Vidro: material fortemente isolante; não possui elétrons livres disponíveis.
- Silício: semicondutor clássico; conduz pouco em temperatura ambiente, aumentando a condução com a temperatura.
Portanto, a classificação correta é:
- Cobre e aço: condutores
- Silício: semicondutor
- Vidro: isolante
Questão 4
Uma equipe de estudantes está desenvolvendo um protótipo de chave de segurança que detecta falhas em uma linha elétrica utilizando a variação da resistividade dos materiais.
Para isso, eles analisam quatro fios diferentes, todos com o mesmo comprimento e a mesma espessura, mas feitos de materiais distintos: cobre, alumínio, grafite e cerâmica.
Os alunos medem a resistividade desses materiais em temperatura ambiente e a 120 °C e observam os seguintes comportamentos:
- O fio de cobre apresenta aumento significativo da resistividade quando aquecido.
- O fio de alumínio também apresenta aumento de resistividade, porém menor que o do cobre.
- O fio de grafite apresenta queda considerável da resistividade com o aumento da temperatura.
- O fio de cerâmica não permite passagem de corrente em nenhuma das temperaturas.
A chave de segurança precisa utilizar materiais cuja resistividade aumenta com a temperatura, pois isso facilita a detecção de sobrecarga elétrica.
Com base nesses resultados e nas propriedades elétricas dos materiais, qual opção apresenta corretamente os materiais que podem ser usados na chave de segurança?
a) Apenas o grafite, pois a redução da resistividade facilita a detecção de sobrecargas.
b) Cobre e alumínio, pois são condutores metálicos cuja resistividade cresce com a temperatura.
c) Grafite e cerâmica, pois são os materiais que mais variam sua resistividade.
d) Todos os materiais podem ser usados, pois todos possuem alguma forma de variação térmica.
Resposta correta: alternativa b) Cobre e alumínio, pois são condutores metálicos cuja resistividade cresce com a temperatura.
Do enunciado podemos considerar que:
- Cobre e alumínio: metais → resistividade aumenta com a temperatura devido ao maior espalhamento de elétrons.
- Grafite: semicondutor → resistividade diminui com a temperatura (efeito típico de semicondutores).
- Cerâmica: isolante → não conduz corrente em nenhuma das temperaturas, inutilizando-a para o circuito.
A chave necessita especificamente de materiais com resistividade ascendente com a temperatura → metais.
Portanto, os materiais adequados são cobre e alumínio.
Questão 5
Uma empresa de tecnologia está desenvolvendo um novo cabo para transmissão de dados em ambientes extremos.
O engenheiro responsável precisa escolher o material adequado para o núcleo condutor e o revestimento isolante do cabo.
Ele analisa a resistividade elétrica de diferentes materiais em duas temperaturas:
| Material | 20oC | 100oC |
|---|---|---|
| Prata | 1,6 . 10⁻⁸ | 2,2 . 10⁻⁸ |
| Tungstênio | 5,3 . 10⁻⁸ | 7,8 . 10⁻⁸ |
| Germânio | 4,6 . 10⁻¹ | 2,0 . 10⁻² |
| Mica | 1,0 . 10¹⁵ | 8,0 . 10¹⁴ |
| PVC | 1,0 . 10¹⁶ | 5,0 . 10¹⁵ |
Considerando que o cabo operará entre 20°C e 100°C, e que é essencial manter alta condutividade no núcleo e excelente isolamento no revestimento com mínima variação térmica, qual combinação seria mais adequada?
a) Núcleo de germânio e revestimento de mica, pois ambos apresentam menor variação de resistividade.
b) Núcleo de prata e revestimento de mica, pois o germânio é semicondutor e inadequado para transmissão estável.
c) Núcleo de tungstênio e revestimento de PVC, pois o tungstênio tem maior variação térmica, garantindo segurança.
d) Núcleo de prata e revestimento de PVC, pois apresentam, respectivamente, menor resistividade e maior resistividade.
Resposta correta: alternativa d) Núcleo de prata e revestimento de PVC, pois apresentam, respectivamente, menor resistividade e maior resistividade.
Vamos analisar os materiais para cada uma das funções.
Para o núcleo condutor:
- Prata: menor resistividade (1,6 . 10⁻⁸ Ω·m), excelente condutor. Variação: 37,5%
- Tungstênio: resistividade moderada, condutor metálico. Variação: 47,2%
- Germânio: semicondutor (resistividade 10⁻¹), condução muito inferior aos metais e comportamento instável com temperatura.
Para o revestimento isolante:
- Mica: excelente isolante (10¹⁵ Ω·m). Variação: -20%
- PVC: isolante superior (10¹⁶ Ω·m). Variação: -50%
O germânio, sendo semicondutor, apresenta condução muito inferior aos metais e variação não linear com a temperatura, sendo inadequado para transmissão estável de dados.
A prata é o melhor condutor disponível (menor resistividade), garantindo máxima eficiência na transmissão.
Para isolamento, tanto mica quanto PVC são excelentes, mas o PVC tem resistividade uma ordem de grandeza maior.
A melhor combinação é, entãao, núcleo de prata (melhor condução) e revestimento de PVC (melhor isolamento).
Questão 6
Em um laboratório universitário, estudantes analisam o comportamento elétrico de três materiais desconhecidos (A, B e C).
Eles medem a corrente elétrica que atravessa cada material quando submetido a uma mesma diferença de potencial, variando a temperatura entre 20°C e 200°C.
Os resultados foram:
- Material A: a corrente diminui continuamente com o aumento da temperatura.
- Material B: a corrente se mantém praticamente constante em todas as temperaturas.
- Material C: a corrente aumenta significativamente com a elevação da temperatura.
Com base nesses resultados, os estudantes tentam identificar quais materiais seriam adequados para:
- Formar o núcleo condutor de um cabo comum.
- Ser usado como elemento sensível em um termistor NTC.
- Ser usado como isolamento externo.
Qual conjunto abaixo corresponde corretamente às classificações e utilizações dos materiais A, B e C?
a) A é semicondutor; B é condutor metálico; C é isolante.
b) A é isolante; B é semicondutor; C é condutor metálico.
c) A é condutor metálico; B é isolante; C é semicondutor.
d) A é isolante; B é condutor metálico; C é semicondutor, sendo C adequado como termistor NTC.
Resposta correta: alterrnativa d) A é isolante; B é condutor metálico; C é semicondutor, sendo C adequado como termistor NTC.
Vamos organizar os materiais para interpretar corretamente:
Material A → corrente diminui com temperatura
Característica típica dos metais: a resistividade aumenta com a temperatura.
Portanto: condutor metálico.
Material B → corrente praticamente constante
Resistividade praticamente invariável → comum em materiais isolantes, que não conduzem corrente, independentemente da variação térmica mensurável.
Portanto: isolante.
Material C → corrente aumenta com temperatura
Típico de semicondutores, cuja resistividade diminui quando aquecidos, como no comportamento de um termistor NTC.
Portanto: semicondutor.
Logo, as aplicações ficam:
- Núcleo de cabo → Material A (metal, bom condutor).
- Termistor NTC → Material C (semicondutor que aumenta corrente com temperatura).
- Isolamento externo → Material B (isolante).
Questão 7
Durante a montagem de um sistema de iluminação emergencial em uma escola, os alunos precisam selecionar corretamente os materiais que farão parte do circuito elétrico e os que serão usados como revestimento de segurança.
Para isso, analisam as seguintes afirmativas:
I. Materiais metálicos, como cobre e alumínio, são condutores eficientes porque possuem grande quantidade de elétrons livres capazes de se mover sob a ação de um campo elétrico.
II. Materiais isolantes, como borracha e PVC, possuem alta resistividade e, por isso, impedem o fluxo de corrente elétrica, sendo adequados para revestimento de cabos.
III. O grafite, apesar de não ser metal, é considerado isolante, pois não permite a passagem de corrente elétrica em nenhuma situação.
Com base nesses conhecimentos, qual é a classificação correta das afirmativas acima?
a) V – V – V
b) V – F – V
c) F – V – V
d) V – V – F
Resposta correta: alternativa d) V – V – F.
Vamos analisar cada afirmativa separadamente.
Afirmativa I: Verdadeira
Metais possuem elétrons livres (elétrons de condução), o que permite alta condutividade elétrica.
Afirmativa II: Verdadeira
Isolantes como borracha e PVC possuem alta resistividade e são usados justamente para evitar choques e curtos-circuitos.
Afirmativa III: Falsa
O grafite é um bom condutor, apesar de não ser metálico, devido à presença de elétrons deslocalizados em suas camadas de carbono.
A classificação correta é V – V – F.
Questão 8
Uma equipe de estudantes está desenvolvendo um protótipo de sensor de toque para ser usado em um painel interativo durante a Feira de Ciências.
O sensor deve detectar pequenas variações na condutividade elétrica quando diferentes materiais são encostados à superfície sensível do circuito.
Para isso, eles investigam algumas propriedades elétricas dos materiais utilizados no teste.
Considere as afirmativas analisadas pelos estudantes:
I. O corpo humano pode funcionar como condutor moderado, pois contém íons dissolvidos em fluidos corporais que permitem a passagem de corrente elétrica.
II. Cerâmicas e vidros são tipicamente isolantes devido à forte ligação entre seus átomos, que impede a movimentação de elétrons livres.
III. Um material semicondutor, como o silício, apresenta condutividade igual à de um metal em temperatura ambiente e, portanto, não é adequado para sensores que dependem de variação de resistência com a temperatura.
Classifique as afirmativas como verdadeiras (V) ou falsas (F).
a) V – V – F
b) V – F – F
c) F – V – V
d) V – V – V
Resposta correta: a) V – V – F.
Vamos analisar cada uma das afirmativas separadamente.
Afirmativa I: Verdadeira
O corpo humano contém eletrólitos (íons em solução), o que permite condução moderada de corrente elétrica. Por isso, o toque humano pode alterar a leitura de sensores capacitivos e resistivos.
Afirmativa II: Verdadeira
Vidros e cerâmicas têm estrutura cristalina rígida e forte ligação iônica/covalente, que não disponibiliza elétrons livres. São excelentes isolantes.
Afirmativa III: Falsa
Semicondutores não apresentam condutividade igual à dos metais. Eles têm condutividade intermediária e altamente dependente da temperatura, exatamente o que os torna úteis em sensores, como termistores e detectores de toque.
Sua resistência varia muito mais que a dos metais.
A classificação correta é V – V – F.
Veja também: Exercícios de Física para 3º ano do Ensino Médio (com respostas)
SOUTO, Ana. Exercícios sobre condutores e isolantes elétricos (com respostas explicadas). Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/exercicios-sobre-condutores-e-isolantes-eletricos-com-respostas-explicadas/. Acesso em:
