O bloco de construção fundamental na eletricidade é o elétron. E, para entendermos a eletricidade, precisamos entender um pouco mais sobre os elétrons ou, ao menos, desconstruir alguns mitos. O primeiro deles é a analogia entre o elétron e a gota de água. Há quem pense que a corrente elétrica (fluxo de elétrons no condutor) seja como o transporte de água em uma mangueira! E não tem nada a ver! O que precisamos deixar claro é a distinção entre o clássico e o quântico.
As coisas clássicas estão em nosso cotidiano: a pedra, a gota de água, a fruta, o grão de areia. Já as coisas quânticas estão fora de nosso senso comum. Entender que algo funcione como onda ou como partícula já é algo extremamente complexo. Quando estamos no mar, por exemplo, percebemos a elevação do nível da água e recebemos a energia transportada pela onda quando estamos diante dela, embora não possamos pegá-la com as mãos nem aprisioná-la. Temos, de certa forma, experiências rotineiras desde a infância com ondas mecânicas, embora o contato com partículas sólidas seja o dominante.
Elétrons não são “bolinhas” orbitando o núcleo
O fato é que não sabemos qual é a textura, o cheiro ou a cor de um elétron. O mais próximo disso é a experiência desagradável de sofrer uma descarga elétrica: uma grande quantidade de elétrons livres, empurrados por um potencial elétrico, usa nosso corpo para migrar em direção à terra e, para isso, aproveita a boa condutividade de nossa pele ou mesmo de nosso sangue. É na superfície da Terra que há o maior espaço possível para que os elétrons livres se acomodem.
Os elétrons são partículas subatômicas com carga negativa. Na visão prévia à interpretação quântica, os elétrons eram considerados partículas que orbitavam o núcleo do átomo. Com o entendimento da dualidade onda-partícula, os experimentos demonstraram uma característica quântica dos elétrons: quando em movimento, eles adquirem propriedades ondulatórias, sofrendo difração e interferência.
Quando detectados por um equipamento, transferem energia de forma pontual (localizada) como fazem as partículas. Assim, perde o sentido o modelo das bolinhas orbitando o núcleo, com raio bem definido, posição etc. Com o princípio da incerteza, passa a valer o conceito de orbitais atômicos (ou nuvens eletrônicas). Se o elétron tem caráter ondulatório, não faz sentido tratá-lo apenas como uma partícula. Assim, há uma densidade de probabilidade aplicada para determinar o conjunto de possíveis posições em que o elétron pode se encontrar. Acaba a certeza e entra em campo a probabilidade.
Por que a lâmpada acende quase instantaneamente?
O fato é que os elétrons das camadas eletrônicas mais externas interagem menos com os núcleos e podem ser arrancados mais facilmente devido à fraca atração eletrostática. Os metais são os melhores condutores elétricos por disponibilizarem um “mar” de elétrons livres. Quando uma tensão elétrica é aplicada a uma barra de metal, por exemplo, os elétrons livres passam a circular no metal, gerando o que se chama de corrente elétrica — sem campo, mesmo com elétrons livres, não há corrente apreciável, pois o movimento dos elétrons seria aleatório — como o caminhar de um bêbado na rua: um passo para a frente e outro para trás.
E o movimento dos elétrons na estrutura metálica, sob a ação de um campo elétrico, é bem diferente do que se imagina em um movimento balístico, por exemplo. O que predomina é o conceito de velocidade de deriva: o campo elétrico empurra os elétrons, que são acelerados, mas logo colidem com os íons da rede metálica, dissipando energia na forma de calor. Em seguida, voltam a ser acelerados e ocorre uma nova colisão. Como resultado, a velocidade com que um elétron se desloca numa barra é muito baixa: 0,0001 m/s. Mesmo assim, a lâmpada acende quase instantaneamente ao acionarmos o interruptor. O segredo? Todos os elétrons livres na barra sofrem a mesma força eletromotriz, e este processo coletivo, neste mar de cargas, resulta numa propagação com velocidade muito maior do que a experimentada por cada um deles.
Portanto, se alguém vier a comparar elétrons a bolinhas de gude ou a gotas de água, lembre-se: o mundo quântico não permite certas analogias. E tenho dito!