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Introdução Por que estudar as propriedades elétricas dos materiais As propriedades elétricas são definidas como a resposta do material à aplicação de um um campo elétrico Um material pode reagir de diferente maneira função desse campo elétrico Conduzir a energia Não conduzir a energia Material Condutor Isolante O conhecimento das propriedades elétricas de um material é essencial para fazer uma boa escolha para uma dada aplicação Definições e fundamentos de grandezas elétricas O que é uma corrente elétrica Uma corrente elétrica é o deslocamento de portadores de cargas elétricas elétrons dentro de um sistema em que é aplicado uma diferença de potencial elétrico Em 1827 o físico alemão Georg Simon Ohm formulou a lei que relaciona a diferença de potencial U a resistência elétrica R e a corrente elétrica i A diferença de potencial é medida em Volts V a corrente é medida em Ampères A e a resistência elétrica é medida em Ohms Ω Lei de Ohm U R i O que é uma corrente elétrica O valor de R depende do material e da geometria do material e é para muitos materiais independente da corrente elétrica Ela é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada R ρ L A Em que A é a área da seção reta perpendicular à direção da corrente m2 ρ é a resistividade elétrica Ωm e L é a distância entre dois pontos em que a tensão é medida m maior o comprimento maior a resistência elétrica maior a área menor a resistência elétrica Condutividade elétrica A condutividade elétrica σ indica a facilidade com que um material conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade σ 1 ρ Em que σ é a condutividade elétrica Ωm1 Utilizando o conceito de condutividade σ a Lei de Ohm determina que a densidade de corrente J em um dado material é diretamente proporcional ao campo elétrico E aplicado sobre o mesmo J σ E Em que J é a densidade de corrente Am2 E é o campo elétrico aplicado em Vm Condutividade elétrica A condutividade elétrica σ indica a facilidade com que um material conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade σ 1 ρ Em que σ é a condutividade elétrica Ωm1 maior a condutividade melhor a passagem da corrente elétrica maior a resistividade pior a passagem da corrente elétrica Por que os metais são os melhores condutores Porque eles têm mais elétrons livres Condutividade elétrica A condutividade elétrica é ligada à quantidade de portadores de carga livres Tipo de ligação no material Condutividade elétrica Quantidade de portadores de cargas livres Metálica Elevada Elevada Iônica Baixa Pouca Covalente MédiaBaixa MédiaPouca Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos metais e ligas A alta condutividade elétrica dos materiais metálicos é devida ao grande número de condutores de carga elétrons livres No entanto a condutividade elétrica pode ser influenciada pelo espalhamento dos elétrons na rede cristalina devido às vibrações pelos átomos de impurezas e pelos defeitos cristalinos No caso dos materiais metálicos a resistividade elétrica pode ser definida como sendo a soma de varias parcelas ρ ρt ρi ρd Em que ρt é a contribuição proveniente das vibrações térmicas ρi é devida às impurezas e ρd é a contribuição devida aos defeitos cristalinos Regra de Matthiessen A contribuição das impurezas tais como os átomos de soluto em solução sólida mistura de sólidos é descrita pela regra de Nordheim Em que A é uma constante e ci é a fração atômica de soluto ρi A ci1 ci Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos metais e ligas Para ligas bifásicas a relação seguinte é obedecida A contribuição da temperatura acima da temperatura de Debye é dada pela relação onde ρα é a resistividade elétrica da fase α Vα é a fração volumétrica da fase α ρβ é a resistividade elétrica da fase β e Vβ é a fração volumétrica da fase β Em que b e a são constantes dependentes do material ρi ραVα ρβVβ ρt b aT Todos os metais têm um valor de resistividade mínima a 0K A resistividade do metais aumenta com a temperatura Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos metais e ligas ρ ρt ρi ρd Regra de Matthiessen ρt é a contribuição proveniente das vibrações térmicas ρi é devida às impurezas ρd é a contribuição devida aos defeitos cristalinos A condutividade elétrica dos metais condutores diminui à medida que a sua temperatura aumenta Lembre que σ 1 ρ Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos materiais iônicos A condução elétrica nos sólidos iônicos é a soma da contribuição eletrônica e a contribuição iônica A importância de cada contribuição depende do material de sua pureza e principalmente da temperatura A difusão dos íons transportadores de carga depende da existência de defeitos puntiformes tais como lacunas catiônicas e aniônicas na rede cristalina Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos materiais iônicos A condução elétrica nos sólidos iônicos é a soma da contribuição eletrônica e a contribuição iônica A importância de cada contribuição depende do material de sua pureza e principalmente da temperatura A difusão dos íons transportadores de carga depende da existência de defeitos puntiformes tais como lacunas catiônicas e aniônicas na rede cristalina A condutividade iônica σi é dada por Em que N é o número de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volume e é a carga do elétron D é a difusividade k é a constante de Boltzmann T é a temperatura K e Q é a energia de ativação para a difusão σi Ne2 D kt Ne2 kt D0e Q kT Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos materiais covalentes σ polímeros entre 1010 e 1017 Ω1m1 baixa Para aumentar a condutividade elétrica introduzir impurezas restos de monômeros catalizadores aumentar a temperatura A presença de aditivos condutores pode aumentar a condutividade elétrica entre 1 e 50 Ω1m1 Exemplo Borracha de Silicone σ sólidos iônicos e covalentes ì com T Exercício Calcule a resistência elétrica de um fio de alumínio com 5mm de diâmetro e 5m de comprimento Dados σAl 38 107 Ωm1 R ρ L A σ 1 ρ R 1 σ L A A πD2 4 R 1 σ L πD2 4 R 1 39x107 5 π5x1032 4 67x103Ω Exercício Calcule a resistividade elétrica de uma liga cobreestanho Fração mássica cobre 7297 Fração mássica estanho 2703 massa especifica Cu 894 gcm3 massa especifica Sn 825 gcm3 Resistividade Cu 18 108 Ωm Resistividade Sn 535 108 Ωm Resumo U R i R ρ L A σ 1 ρ J σ E ρ ρt ρi ρd ρi A ci1 ci ρi ραVα ρβVβ ρt b aT σi Ne2 D kt Ne2 kt D0e Q kT Como explicar a diferença de comportamento entre os materiais A teoria de bandas Para entender a teoria das bandas é necessário relembrar da estrutura atômica Os átomos são compostos por três partículas Prótons Elétrons Nêutrons 0 Segundo o modelo dos orbitais atômicos os elétrons podem ser considerado como uma nuvem eletrônica difusa e a maior probabilidade de se encontrar um elétrons que é o orbital atômico pode ser representado por uma função de onda Equação de Schrödinger EΨ h2 8π2m 2Ψ V Ψ Em que operador Laplaciano δ2δx2 δ2δy2 δ2δz2 m massa do elétron h Constante de Plank V energia potencial do elétron função de posição E energia total do elétron função de posição Ψ função de onda incógnita da equação Resolvendo a Equação de Schrödinger para um elétron com energia E definida vamos obter uma função de onda associada a um conjunto de três números chamados NÚMEROS QUÂNTICOS Número quântico principal determina qual camada nível pertence o elétron Número quântico secundário determina qual subcamada subnível pertence o elétron Subníveis s p d f 0 1 2 3 Numero quântico secundário l Camada K L M N O P Q 1 2 3 4 5 6 7 Numero quântico principal n Número quântico magnético determina qual orbital pertence o elétron Subníveis s 1 orbitais p 3 orbitais d 5 orbitais f 7 orbitais 0 101 21012 3210123 Numero quântico magnético m Estrutura do átomo Formato dos orbitais À medida que n aumenta os orbitais s ficam maiores À medida que n aumenta aumenta o número de nós Um nó é uma região no espaço onde a probabilidade de se encontrar um elétron é zero Em um nóΨ2 0 Para um orbital s o número de nós é n1 Formato dos orbitais Existem três orbitais p px py e pz Os três orbitais p estão localizados ao longo dos eixos x y e z de um sistema cartesiano As letras correspondem aos valores permitidos de número quântico m 1 0 e 1 Os orbitais têm a forma de halteres À medida que n aumenta os orbitais p ficam maiores Todos os orbitais p têm um nó no núcleo Estrutura do átomo Estrutura do átomo Formato dos orbitais Existem cinco orbitais d e sete orbitais f Três dos orbitais d estão localizados em um plano bissecante aos eixos x y e z Dois dos orbitais d se encontram em um plano alinhado ao longo dos eixos x y e z Quatro dos orbitais d têm quatro lóbulos cada Um orbital d tem dois lóbulos e um anel Estrutura do átomo Os orbitais podem ser classificados em termos de energia para produzir um diagrama chamado diagrama de Pauling À medida que n aumenta o espaçamento entre os níveis de energia fica menor Para resumir a energia dos orbitais é quantizada apenas alguns valores de energia são permitidos para os elétrons Estrutura do átomo Podemos definir uma classe de elétrons que são os elétrons de valência Estrutura do átomo Para mudar de nível de energia o elétron deve receber uma quantidade de energia igual à diferença entre os dois níveis Esse modelo é para um átomo Mas o que acontece quando tem mais de um átomo Os níveis de energia ficam assim Teoria de bandas Vamos considerar dois átomos que se aproximam A medida que os átomos se aproximam os elétrons são perturbados pelos elétrons e núcleos dos átomos vizinhos Teoria de bandas As perturbações vão provocar a divisão de cada estado atômico em uma série de estados eletrônicos que é conhecido como banda de energia eletrônica Teoria de bandas No estado de equilíbrio Pode não ocorrer a formação de bandas para subcamadas próximas ao núcleo Pode existir espaçamento gap entre as bandas adjacentes em que o elétrons não tem acesso bandas proibidas Teoria de bandas Como determinar o número de estado em uma banda O número de estados em cada banda é igual à soma de todos os estados presentes em cada átomo Se tiver N átomos em um sólido o nível de energia s vai se dividir em N estados e como o nível de energia s pode conter até 2 elétrons o número total de elétrons na banda de energia vai ser igual a 2N elétrons o nível de energia p vai se dividir em 3N estados Por que Porque existe 3 orbitais p Como cada nível de energia p pode conter até 2 elétrons o número total de elétrons na banda de energia p vai ser igual a 6N elétrons A ocupação dos estados ocorre conforme o princípio de Pauli e as bandas irão conter os elétrons dos níveis correspondentes nos átomos isolados Por exemplo uma banda de energia 2s no sólido vai conter os elétrons 2s dos átomos isolados Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K As bandas de energia são constituídas de bandas de valência proibida e de condução Em uma determinada banda de energia semipreenchida e a 0 K o nível de Fermi EF é a energia do estado de mais alta energia Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Do tipo condutor metálico com a banda de valência parcialmente ocupada Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Do tipo condutor metálico com superposição da banda de valência totalmente preenchida com a banda de condução vazia Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Do tipo isolante Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Do tipo semicondutor Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Os metais apresentam alta condutividade elétrica porque suas bandas de energia são parcialmente preenchidas ou existe estados de energia vazios adjacentes aos estados ocupados Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Os metais apresentam alta condutividade elétrica porque suas bandas de energia são parcialmente preenchidas ou existe estados de energia vazios adjacentes aos estados ocupados A passagem de elétrons da banda de valência para a banda de condução é relativamente fácil Sem dificuldade Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Os materiais semicondutores ligação iônica apresentam banda de valência preenchida e banda de condução vazia Como a largura da banda proibida é relativamente pequena ela pode ser suplantada com alguma facilidade calor e os elétrons podem ser promovidos para a banda de condução 2 eV Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Nos materiais isolantes como os polímeros e a maioria dos materiais cerâmicos a banda proibida é muito larga e difícil de ser suplantada 2eV Por esta razão a condutividade elétrica destes materiais é muito baixa Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Como explicar as diferenças de condutividade entre os materiais As bandas de energia para cada tipo de materiais Um semicondutor é um material em que sua condutividade aumenta com a temperatura Eles são o coração de todos os aparelhos eletrônicos cartões de credito etc O mais conhecido semicondutor é o Silício Si Condutividade elétrica dos semicondutores Ao receber energia suficiente o elétron vai saltar da BV para a BC O espaço vazio deixado pelo elétrons é chamado de lacuna ou buraco Se um campo elétrico for aplicado ao material a lacuna e o elétrons irão se movimentar através da rede cristalina A velocidade com a qual as carga se movem velocidade de deriva ou arraste é dada por vn µNE vp µPE Em que E é a intensidade do campo elétrico µN e µP as mobilidades eletrônicas de elétrons e lacunas O movimento de elétrons de um lado e de lacunas do outro devido ao aumento de T é chamado de corrente intrínseca dentro do material Os semicondutores que têm a capacidade de gerar essa corrente intrínseca são chamados semicondutores intrínsecos Condutividade elétrica dos semicondutores O movimento de elétrons de um lado e de lacunas do outro devido ao aumento de T é chamado de corrente intrínseca dentro do material Os semicondutores que têm a capacidade de gerar essa corrente intrínseca são chamados semicondutores intrínsecos Condutividade elétrica dos semicondutores Em um semicondutor intrínseco a concentração de elétrons livres n é igual à concentração de buracos p as quais variam exponencialmente com a temperatura ni pi A condutividade elétrica dos semicondutores intrínsecos é dada por σ nIeIµe peµl Onde µl é a mobilidade da lacunas que é sempre inferior a mobilidade dos elétrons µe nos semicondutores e IeI é a carga absoluta do elétron 16x1019 C Como n p σ nIeIµe µl Condutividade elétrica dos semicondutores Existe um outro tipo de semicondutores os semicondutores extrínsecos Nesse caso é adicionado uma quantidade controlada de impurezas a um semicondutor intrínseco com o objetivo de causar um desequilíbrio na concentração de elétrons e lacunas Esse método é chamado dopagem Para que um átomo de impureza possa alterar a concentração de cargas livres um de seus níveis de energia deve se situar dentro da banda proibida do semicondutor Existem duas possibilidades para isso Condutividade elétrica dos semicondutores Existe um outro tipo de semicondutores os semicondutores extrínsecos Nesse caso é adicionado uma quantidade controlada de impurezas a um semicondutor intrínseco com o objetivo de causar um desequilíbrio na concentração de elétrons e lacunas Esse método é chamado dopagem Para que um átomo de impureza possa alterar a concentração de cargas livres um de seus níveis de energia deve se situar dentro da banda proibida do semicondutor Existem duas possibilidades para isso Semicondutores Tipo n negativo Semicondutor puro 4e de valência Si Átomo doador de e ou impureza doadora 5e de valência P Semicondutor tipo N em que n p Para semicondutores do tipo n os elétrons livres são os principais portadores de corrente então n p σ nIeIµe Condutividade elétrica dos semicondutores Existe um outro tipo de semicondutores os semicondutores extrínsecos Nesse caso é adicionado uma quantidade controlada de impurezas a um semicondutor intrínseco com o objetivo de causar um desequilíbrio na concentração de elétrons e lacunas Esse método é chamado dopagem Para que um átomo de impureza possa alterar a concentração de cargas livres um de seus níveis de energia deve se situar dentro da banda proibida do semicondutor Existem duas possibilidades para isso Semicondutores Tipo p positivo Semicondutor puro 4e de valência Si Átomo aceitador de e ou impureza aceitadora 3e de valência B Semicondutor tipo P em que p n Para semicondutores do tipo n os buracos são os principais portadores de corrente então p n σ pIeIµl Do ponto de vista energético Condutividade elétrica dos semicondutores Tipo N Introdução de um novo nível de energia ED nível doador perto do nível EC nível da banda de condução Se o nível ED fica perto do nível EC é necessário pouca energia para que um elétron passe do nível ED para o nível EC Tipo P Introdução de um novo nível de energia EA nível aceitador perto do nível EV nível da banda de valência Junção PN O que acontece quando um semicondutor tipo P é juntado a um semicondutor tipo N Vale ressaltar que os dois tipos de semicondutores extrínsecos conduzem a eletricidade mas sozinhos eles não têm grandes aplicações na eletrônica A base da estrutura dos componentes eletrônica é a junção dos dois tipos de semicondutores extrínsecos também chamada de junção PN ou diodo Junção PN O que acontece quando um semicondutor tipo P é juntado a um semicondutor tipo N Devido à diferença de concentração dos portadores de carga em ambos os lados da junção vai aparecer uma corrente de difusão de elétrons e buracos através da junção Essa difusão acaba criando um desequilíbrio de cargas elétricas na região em torno da junção levando ao surgimento de um campo elétrico E0 proporcional à quantidade de carga acumulada na junção Vale ressaltar que os dois tipos de semicondutores extrínsecos conduzem a eletricidade mas sozinhos eles não têm grandes aplicações na eletrônica A base da estrutura dos componentes eletrônica é a junção dos dois tipos de semicondutores extrínsecos também chamada de junção PN ou diodo Junção PN O que acontece quando um semicondutor tipo P é juntado a um semicondutor tipo N Com o acúmulo de cargas elétricas na região em torno da junção o campo elétrico E0 vai atingir uma intensidade elevada o suficiente para bloquear completamente o fluxo de difusão levando a junção PN a uma situação de equilíbrio A região em torno da junção apresenta um acúmulo de cargas elétricas mas é extremamente pobre em portadores livres elétrons e buracos Por essa razão essa região e denominada região de depleção Vale ressaltar que os dois tipos de semicondutores extrínsecos conduzem a eletricidade mas sozinhos eles não têm grandes aplicações na eletrônica A base da estrutura dos componentes eletrônica é a junção dos dois tipos de semicondutores extrínsecos também chamada de junção PN ou diodo Junção PN Polarização direta Os buracos no lado p e os elétrons no lado n são atraídos para a junção Na medida em que os elétrons e os buracos se encontram com os outros na região próxima à junção eles se recombinam continuamente aniquilandose uns aos outros de acordo com a reação elétron buraco energia Esse movimento provoca a diminuição da região de depleção até o desaparecimento A tensão elétrica capaz de superar a barreira no diodo de silício é de 07V Enquanto que nos diodos de germânio esta tensão é da ordem de 02V Junção PN Polarização inversa Uma polarização inversa afasta tanto os buracos como os elétrons da junção Essa separação entre as cargas positivas e negativas deixa a região de junção relativamente isenta de transportadores de cargas móveis de modo que a junção tornase altamente isolante A corrente elétrica não vai fluir O que é a supercondutividade A supercondutividade é um fenômeno que ocorre em alguns materiais Eles apresentam uma resistividade elétrica nula ao atingir uma certa temperatura chamada temperatura crítica TC Isso significa que um supercondutor é um condutor perfeito Utilidade em transporte de energia sem perda na forma de calor Computadores quânticos mais simples e acessíveis Trens que levitam sobre os trilhos sem nenhum atrito Histórico Supercondutor descoberto em 1911 por Heik Kammerlingh Onnes Ele trabalhou sobre a resistividade elétrica do mercúrio sólido em baixas temperaturas 2020 supercondutividade de materiais a temperatura ambiente 20 C mas com elevadas pressões Supercondutores com temperatura crítica abaixo de 77 K são chamados de supercondutores de baixa temperatura LTS Superoncutores com temperaturas críticas acimade 77 K são chamados de supercondutores de alta temperatura HTS Como explicar a supercondutividade Foi em 1957 que três físicos desenvolveram uma teoria para explicar a supercondutividade Bardeen Cooper e Schrieffer elaboraram a teoria BCS que diz Em baixo da temperatura crítica os elétrons se juntam em pares chamados pares de Cooper Nessa configuração de par os elétrons apresentam menor energia sempre a busca de mais estabilidade Essa atração que deve superar a repulsão natural entre partículas de mesma carga elétrica é mediada pelas vibrações da rede cristalina fônons Esse movimento ordenado dos elétrons coordenado com as vibrações do material em contraste ao movimento desordenado que ocorre em condutores comuns é o responsável pelo transporte de corrente elétrica sem resistividade elétrica do material As distorções da rede são provocadas pela passagem de um elétron que acarreta na atração de outro Quais são as propriedades de um supercondutor Uma propriedade de um supercondutor é que quando ocorre a transição do estado normal para o estado supercondutor os campos magnéticos externos não podem penetrálo Esse efeito é chamado de efeito MeissnerOchsenfeld Quais são as propriedades de um supercondutor Uma propriedade de um supercondutor é que quando ocorre a transição do estado normal para o estado supercondutor os campos magnéticos externos não podem penetrálo Esse efeito é chamado de efeito MeissnerOchsenfeld a Em temperaturas superiores a Tc um campo magnético aplicado externamente permeia um material supercondutor b Em temperaturas inferiores a Tc a indução magnética é expulsa do interior da amostra supercondutora Quais são as propriedades de um supercondutor Uma propriedade de um supercondutor é que quando ocorre a transição do estado normal para o estado supercondutor os campos magnéticos externos não podem penetrálo Esse efeito é chamado de efeito MeissnerOchsenfeld a Em temperaturas superiores a Tc um campo magnético aplicado externamente permeia um material supercondutor b Em temperaturas inferiores a Tc a indução magnética é expulsa do interior da amostra supercondutora O efeito Meissner é responsável pela levitação de um pequeno imã sobre um semicondutor A expulsão do campo do interior do supercondutor é acompanhada pela geração de supercorrentes superficiais ao material que produzem uma magnetização cujo sentido é oposto ao do campo magnético externo Quais são as propriedades de um supercondutor Os supercondutores são divididos em dois tipos de acordo com suas propriedades específicas Tipo 1 Nos supercondutores do tipo I o efeito Meissner é completo ou seja o fluxo magnético é totalmente expulso do interior da amostra Essa situação permanece até que o valor do campo aplicado atinja o valor crítico Bc Indução magnética no interior do material Bi em função do campo externo B Quais são as propriedades de um supercondutor Os supercondutores são divididos em dois tipos de acordo com suas propriedades específicas Tipo 1 Tipo 2 Nos supercondutores do tipo I o efeito Meissner é completo ou seja o fluxo magnético é totalmente expulso do interior da amostra Essa situação permanece até que o valor do campo aplicado atinja o valor crítico Bc Indução magnética no interior do material Bi em função do campo externo B Nos supercondutores do tipo II o campo magnético é totalmente expulso somente até o campo crítico inferior Bc1 No campo crítico superior Bc2 a supercondutividade é destruída No estado entre Bc1 e Bc2 o campo magnético penetra na amostra na forma de vórtices quantizado Quais são as propriedades de um supercondutor Esse desenho mostra uma superfície tridimensional dentro da qual o material é supercondutor e fora dela é normal Caso a intensidade do campo magnético seja aumentada acima de um determinado valor o fenômeno da supercondutividade pode ser destruído Também existe uma determinada densidade de corrente Jc acima da qual o material volta ao estado normal Quais são as aplicações para um supercondutor A levitação magnética que pode ser utilizada em veículos de transporte como trens eliminando a fricção com os trilhos Os altos campos magnéticos obtidos dos supercondutores permitem a fabricação e utilização de aparelhos de ressonância magnética nuclear RMN Esses equipamentos são baseados na resonância do hidrogênio na presença de um campo magnético forte O comportamento dielétrico é a propriedade de um material isolante em exibir uma estrutura de dipolo Um material dielétrico é um material isolante que apresenta em nível atômico ou molecular regiões carregadas positivamente separadas de regiões carregadas negativamente Exemplos de materais dielétricos borracha porcelana vidro plástico madeira etc O comportamento dielétrico é a propriedade de um material isolante em exibir uma estrutura de dipolo Um material dielétrico é um material isolante que apresenta em nível atômico ou molecular regiões carregadas positivamente separadas de regiões carregadas negativamente Exemplos de materais dielétricos borracha porcelana vidro plástico madeira etc Propriedades dielétricas são muito importantes no desempenho de um isolante A rigidez dielétrica é uma propriedade elétrica muito importante Ela indica em que grau o material é isolante Ela é uma medida da tensão máxima que o material pode suportar antes de perder suas características de isolante Os materiais dielétricos são muito utilizado em capacitores O que é um capacitor Os capacitores são elementos elétricos capazes de armazenar cargas elétricas Eles podem ser constituídos por 2 placas condutoras chamadas armaduras entre as quais tem o material dielétrico Eles também podem ser esférico ou cilíndrico por exemplo Todo capacitor tem um parâmetro denominado capacitância C que determina quanta carga ele é capaz de armazenar C Q V Em que V é a voltagem aplicada através do capacitor V e Q é a quantidade de carga armazenada A unidade de C é o coulomb por volt ou farad F Como funciona um capacitor Quando uma voltagem é aplicada em um capacitor constituído por duas placas por exemplo uma placa vai se carrega positivamente e a outra negativamente Quando um material dielétrico é inserido a capacitância é dada por C ε0 A l Em que A é a área das placas l é a distância entre elas e ε0 é a permissividade do vácuo A capacitância é dada por C ε A l Em que ε é a permissividade do material dielétrico que é maior que ε0 εr ε ε0 εr é a constante dielétrica de um material Como funciona um capacitor A constante dielétrica é sempre maior do que 1 Isso significa que a adição de um material dielétrico em um capacitor vai sempre aumentar a capacitância ou seja a capacidade de armazenamento de cargas Como funciona um capacitor A constante dielétrica é sempre maior do que 1 Isso significa que a adição de um material dielétrico em um capacitor vai sempre aumentar a capacitância ou seja a capacidade de armazenamento de cargas Como explicar isso Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas partículas elementares quando sujeitas à ação de um campo elétrico Campo elétrico E Como funciona um capacitor A constante dielétrica é sempre maior do que 1 Isso significa que a adição de um material dielétrico em um capacitor vai sempre aumentar a capacitância ou seja a capacidade de armazenamento de cargas Como explicar isso Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas partículas elementares quando sujeitas à ação de um campo elétrico Esse fenômeno faz que os materiais dielétricos são capazes de armazenar energia elétrica também A densidade de carga ou deslocamento dielétrico na superfície do capacitor é dada por D ε0 E P em que E é o campo elétrico P é a polarização ou aumento de densidade devido ao material dielétrico P ε0 εr 1 E Como funciona um capacitor O aumento da capacidade de armazenamento depende da constante dielétrica εr quantidade de energia armazenada Tipos de polarização Os materiais isolantes ou dielétricos dependendo do tipo de material e das condições de aplicação do campo externo basicamente podem apresentar 3 tipos de polarização eletrônica iônica e de orientação Polarização eletrônica Resulta de um deslocamento do centro da nuvem eletrônica carregada negativamente em relação ao núcleo positivo de um átomo por um campo elétrico Com a retirada do campo elétrico os elétrons voltam às suas posições originais Eletrônica Iônica Orientação dipolos permanentes Sem campo elétrico Com campo elétrico Polarização iônica A aplicação de um campo elétrico provoca o deslocamento dos cátions e ânions em direções opostas Com a retirada do campo elétrico os íons voltam ao estado inicial Polarização de orientação Polarização em moléculas em que existem dipolos permanentes A polarização resulta de uma rotação dos momentos permanentes na direção do campo elétrico O que é a piezoeletricidade A piezoeletricidade é capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica O termo piezoleletricidade provém do grego piezein que significa Apertarpressionar Em 1880 os francêses Pierre e Jacques Curie demonstraram que era possivel gerar um potencial elétrico ao se comprimir cristais Em 1881 eles mostraram a existência do infeito inverso os cristais podem ser deformados quando submetidos a um campo elétrico Como funciona Exemplo do Quartzo Quando você comprime o quartzo acontece o contrário Aparece um campo elétrico que sai da parte inferior para a parte superior Materiais piroelétricos e ferroelétricos Materiais ferroelétricos Os materiais ferroelétricos são materiais dielétricos que podem apresentar polarização na ausência de campo elétrico A polarização espontânea é consequência do posicionamento dos íons dentro da célula unitária Como explicar isso Exemplo do Titanato de bário Para temperaturas superior a 120 C o titanato de bário tem uma estrutura cúbica Nessa situação todos os íons ocupam posições simétricas dentro da célula unitária Quando resfriado a baixo de 120 C os íons titânio e bário se deslocam em relação ao oxigênio formando uma estrutura tetragonal Essa mudança estrutural provoca o aparecimento de uma polarização espontânea A temperatura em que ocorre essa transição é conhecida como temperatura Curie TC Materiais piroelétricos Os materiais piroelétricos são materiais dielétricos que apresentam polarização elétrica com a variação da temperatura Esses materiais têm aplicação em equipamento de segurança como detector de movimento ou sensor de calor Pequenas variações de temperatura que ocorrem com a incidência de radiação infravermelha alteram sensivelmente a polarização do material Lente Fresnel para ampliar a área de detecção do sinal e concentrar os raios Infravermelhos Sensor piroelétrico
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Introdução Por que estudar as propriedades elétricas dos materiais As propriedades elétricas são definidas como a resposta do material à aplicação de um um campo elétrico Um material pode reagir de diferente maneira função desse campo elétrico Conduzir a energia Não conduzir a energia Material Condutor Isolante O conhecimento das propriedades elétricas de um material é essencial para fazer uma boa escolha para uma dada aplicação Definições e fundamentos de grandezas elétricas O que é uma corrente elétrica Uma corrente elétrica é o deslocamento de portadores de cargas elétricas elétrons dentro de um sistema em que é aplicado uma diferença de potencial elétrico Em 1827 o físico alemão Georg Simon Ohm formulou a lei que relaciona a diferença de potencial U a resistência elétrica R e a corrente elétrica i A diferença de potencial é medida em Volts V a corrente é medida em Ampères A e a resistência elétrica é medida em Ohms Ω Lei de Ohm U R i O que é uma corrente elétrica O valor de R depende do material e da geometria do material e é para muitos materiais independente da corrente elétrica Ela é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada R ρ L A Em que A é a área da seção reta perpendicular à direção da corrente m2 ρ é a resistividade elétrica Ωm e L é a distância entre dois pontos em que a tensão é medida m maior o comprimento maior a resistência elétrica maior a área menor a resistência elétrica Condutividade elétrica A condutividade elétrica σ indica a facilidade com que um material conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade σ 1 ρ Em que σ é a condutividade elétrica Ωm1 Utilizando o conceito de condutividade σ a Lei de Ohm determina que a densidade de corrente J em um dado material é diretamente proporcional ao campo elétrico E aplicado sobre o mesmo J σ E Em que J é a densidade de corrente Am2 E é o campo elétrico aplicado em Vm Condutividade elétrica A condutividade elétrica σ indica a facilidade com que um material conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade σ 1 ρ Em que σ é a condutividade elétrica Ωm1 maior a condutividade melhor a passagem da corrente elétrica maior a resistividade pior a passagem da corrente elétrica Por que os metais são os melhores condutores Porque eles têm mais elétrons livres Condutividade elétrica A condutividade elétrica é ligada à quantidade de portadores de carga livres Tipo de ligação no material Condutividade elétrica Quantidade de portadores de cargas livres Metálica Elevada Elevada Iônica Baixa Pouca Covalente MédiaBaixa MédiaPouca Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos metais e ligas A alta condutividade elétrica dos materiais metálicos é devida ao grande número de condutores de carga elétrons livres No entanto a condutividade elétrica pode ser influenciada pelo espalhamento dos elétrons na rede cristalina devido às vibrações pelos átomos de impurezas e pelos defeitos cristalinos No caso dos materiais metálicos a resistividade elétrica pode ser definida como sendo a soma de varias parcelas ρ ρt ρi ρd Em que ρt é a contribuição proveniente das vibrações térmicas ρi é devida às impurezas e ρd é a contribuição devida aos defeitos cristalinos Regra de Matthiessen A contribuição das impurezas tais como os átomos de soluto em solução sólida mistura de sólidos é descrita pela regra de Nordheim Em que A é uma constante e ci é a fração atômica de soluto ρi A ci1 ci Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos metais e ligas Para ligas bifásicas a relação seguinte é obedecida A contribuição da temperatura acima da temperatura de Debye é dada pela relação onde ρα é a resistividade elétrica da fase α Vα é a fração volumétrica da fase α ρβ é a resistividade elétrica da fase β e Vβ é a fração volumétrica da fase β Em que b e a são constantes dependentes do material ρi ραVα ρβVβ ρt b aT Todos os metais têm um valor de resistividade mínima a 0K A resistividade do metais aumenta com a temperatura Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos metais e ligas ρ ρt ρi ρd Regra de Matthiessen ρt é a contribuição proveniente das vibrações térmicas ρi é devida às impurezas ρd é a contribuição devida aos defeitos cristalinos A condutividade elétrica dos metais condutores diminui à medida que a sua temperatura aumenta Lembre que σ 1 ρ Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos materiais iônicos A condução elétrica nos sólidos iônicos é a soma da contribuição eletrônica e a contribuição iônica A importância de cada contribuição depende do material de sua pureza e principalmente da temperatura A difusão dos íons transportadores de carga depende da existência de defeitos puntiformes tais como lacunas catiônicas e aniônicas na rede cristalina Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos materiais iônicos A condução elétrica nos sólidos iônicos é a soma da contribuição eletrônica e a contribuição iônica A importância de cada contribuição depende do material de sua pureza e principalmente da temperatura A difusão dos íons transportadores de carga depende da existência de defeitos puntiformes tais como lacunas catiônicas e aniônicas na rede cristalina A condutividade iônica σi é dada por Em que N é o número de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volume e é a carga do elétron D é a difusividade k é a constante de Boltzmann T é a temperatura K e Q é a energia de ativação para a difusão σi Ne2 D kt Ne2 kt D0e Q kT Condutividade elétrica Condutividade elétrica dos materiais covalentes σ polímeros entre 1010 e 1017 Ω1m1 baixa Para aumentar a condutividade elétrica introduzir impurezas restos de monômeros catalizadores aumentar a temperatura A presença de aditivos condutores pode aumentar a condutividade elétrica entre 1 e 50 Ω1m1 Exemplo Borracha de Silicone σ sólidos iônicos e covalentes ì com T Exercício Calcule a resistência elétrica de um fio de alumínio com 5mm de diâmetro e 5m de comprimento Dados σAl 38 107 Ωm1 R ρ L A σ 1 ρ R 1 σ L A A πD2 4 R 1 σ L πD2 4 R 1 39x107 5 π5x1032 4 67x103Ω Exercício Calcule a resistividade elétrica de uma liga cobreestanho Fração mássica cobre 7297 Fração mássica estanho 2703 massa especifica Cu 894 gcm3 massa especifica Sn 825 gcm3 Resistividade Cu 18 108 Ωm Resistividade Sn 535 108 Ωm Resumo U R i R ρ L A σ 1 ρ J σ E ρ ρt ρi ρd ρi A ci1 ci ρi ραVα ρβVβ ρt b aT σi Ne2 D kt Ne2 kt D0e Q kT Como explicar a diferença de comportamento entre os materiais A teoria de bandas Para entender a teoria das bandas é necessário relembrar da estrutura atômica Os átomos são compostos por três partículas Prótons Elétrons Nêutrons 0 Segundo o modelo dos orbitais atômicos os elétrons podem ser considerado como uma nuvem eletrônica difusa e a maior probabilidade de se encontrar um elétrons que é o orbital atômico pode ser representado por uma função de onda Equação de Schrödinger EΨ h2 8π2m 2Ψ V Ψ Em que operador Laplaciano δ2δx2 δ2δy2 δ2δz2 m massa do elétron h Constante de Plank V energia potencial do elétron função de posição E energia total do elétron função de posição Ψ função de onda incógnita da equação Resolvendo a Equação de Schrödinger para um elétron com energia E definida vamos obter uma função de onda associada a um conjunto de três números chamados NÚMEROS QUÂNTICOS Número quântico principal determina qual camada nível pertence o elétron Número quântico secundário determina qual subcamada subnível pertence o elétron Subníveis s p d f 0 1 2 3 Numero quântico secundário l Camada K L M N O P Q 1 2 3 4 5 6 7 Numero quântico principal n Número quântico magnético determina qual orbital pertence o elétron Subníveis s 1 orbitais p 3 orbitais d 5 orbitais f 7 orbitais 0 101 21012 3210123 Numero quântico magnético m Estrutura do átomo Formato dos orbitais À medida que n aumenta os orbitais s ficam maiores À medida que n aumenta aumenta o número de nós Um nó é uma região no espaço onde a probabilidade de se encontrar um elétron é zero Em um nóΨ2 0 Para um orbital s o número de nós é n1 Formato dos orbitais Existem três orbitais p px py e pz Os três orbitais p estão localizados ao longo dos eixos x y e z de um sistema cartesiano As letras correspondem aos valores permitidos de número quântico m 1 0 e 1 Os orbitais têm a forma de halteres À medida que n aumenta os orbitais p ficam maiores Todos os orbitais p têm um nó no núcleo Estrutura do átomo Estrutura do átomo Formato dos orbitais Existem cinco orbitais d e sete orbitais f Três dos orbitais d estão localizados em um plano bissecante aos eixos x y e z Dois dos orbitais d se encontram em um plano alinhado ao longo dos eixos x y e z Quatro dos orbitais d têm quatro lóbulos cada Um orbital d tem dois lóbulos e um anel Estrutura do átomo Os orbitais podem ser classificados em termos de energia para produzir um diagrama chamado diagrama de Pauling À medida que n aumenta o espaçamento entre os níveis de energia fica menor Para resumir a energia dos orbitais é quantizada apenas alguns valores de energia são permitidos para os elétrons Estrutura do átomo Podemos definir uma classe de elétrons que são os elétrons de valência Estrutura do átomo Para mudar de nível de energia o elétron deve receber uma quantidade de energia igual à diferença entre os dois níveis Esse modelo é para um átomo Mas o que acontece quando tem mais de um átomo Os níveis de energia ficam assim Teoria de bandas Vamos considerar dois átomos que se aproximam A medida que os átomos se aproximam os elétrons são perturbados pelos elétrons e núcleos dos átomos vizinhos Teoria de bandas As perturbações vão provocar a divisão de cada estado atômico em uma série de estados eletrônicos que é conhecido como banda de energia eletrônica Teoria de bandas No estado de equilíbrio Pode não ocorrer a formação de bandas para subcamadas próximas ao núcleo Pode existir espaçamento gap entre as bandas adjacentes em que o elétrons não tem acesso bandas proibidas Teoria de bandas Como determinar o número de estado em uma banda O número de estados em cada banda é igual à soma de todos os estados presentes em cada átomo Se tiver N átomos em um sólido o nível de energia s vai se dividir em N estados e como o nível de energia s pode conter até 2 elétrons o número total de elétrons na banda de energia vai ser igual a 2N elétrons o nível de energia p vai se dividir em 3N estados Por que Porque existe 3 orbitais p Como cada nível de energia p pode conter até 2 elétrons o número total de elétrons na banda de energia p vai ser igual a 6N elétrons A ocupação dos estados ocorre conforme o princípio de Pauli e as bandas irão conter os elétrons dos níveis correspondentes nos átomos isolados Por exemplo uma banda de energia 2s no sólido vai conter os elétrons 2s dos átomos isolados Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K As bandas de energia são constituídas de bandas de valência proibida e de condução Em uma determinada banda de energia semipreenchida e a 0 K o nível de Fermi EF é a energia do estado de mais alta energia Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Do tipo condutor metálico com a banda de valência parcialmente ocupada Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Do tipo condutor metálico com superposição da banda de valência totalmente preenchida com a banda de condução vazia Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Do tipo isolante Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Do tipo semicondutor Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Os metais apresentam alta condutividade elétrica porque suas bandas de energia são parcialmente preenchidas ou existe estados de energia vazios adjacentes aos estados ocupados Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Os metais apresentam alta condutividade elétrica porque suas bandas de energia são parcialmente preenchidas ou existe estados de energia vazios adjacentes aos estados ocupados A passagem de elétrons da banda de valência para a banda de condução é relativamente fácil Sem dificuldade Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Os materiais semicondutores ligação iônica apresentam banda de valência preenchida e banda de condução vazia Como a largura da banda proibida é relativamente pequena ela pode ser suplantada com alguma facilidade calor e os elétrons podem ser promovidos para a banda de condução 2 eV Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Nos materiais isolantes como os polímeros e a maioria dos materiais cerâmicos a banda proibida é muito larga e difícil de ser suplantada 2eV Por esta razão a condutividade elétrica destes materiais é muito baixa Teoria de bandas Existe 3 tipos de bandas e 4 tipos de estruturas de banda possíveis a uma temperatura de 0 K Como explicar as diferenças de condutividade entre os materiais As bandas de energia para cada tipo de materiais Um semicondutor é um material em que sua condutividade aumenta com a temperatura Eles são o coração de todos os aparelhos eletrônicos cartões de credito etc O mais conhecido semicondutor é o Silício Si Condutividade elétrica dos semicondutores Ao receber energia suficiente o elétron vai saltar da BV para a BC O espaço vazio deixado pelo elétrons é chamado de lacuna ou buraco Se um campo elétrico for aplicado ao material a lacuna e o elétrons irão se movimentar através da rede cristalina A velocidade com a qual as carga se movem velocidade de deriva ou arraste é dada por vn µNE vp µPE Em que E é a intensidade do campo elétrico µN e µP as mobilidades eletrônicas de elétrons e lacunas O movimento de elétrons de um lado e de lacunas do outro devido ao aumento de T é chamado de corrente intrínseca dentro do material Os semicondutores que têm a capacidade de gerar essa corrente intrínseca são chamados semicondutores intrínsecos Condutividade elétrica dos semicondutores O movimento de elétrons de um lado e de lacunas do outro devido ao aumento de T é chamado de corrente intrínseca dentro do material Os semicondutores que têm a capacidade de gerar essa corrente intrínseca são chamados semicondutores intrínsecos Condutividade elétrica dos semicondutores Em um semicondutor intrínseco a concentração de elétrons livres n é igual à concentração de buracos p as quais variam exponencialmente com a temperatura ni pi A condutividade elétrica dos semicondutores intrínsecos é dada por σ nIeIµe peµl Onde µl é a mobilidade da lacunas que é sempre inferior a mobilidade dos elétrons µe nos semicondutores e IeI é a carga absoluta do elétron 16x1019 C Como n p σ nIeIµe µl Condutividade elétrica dos semicondutores Existe um outro tipo de semicondutores os semicondutores extrínsecos Nesse caso é adicionado uma quantidade controlada de impurezas a um semicondutor intrínseco com o objetivo de causar um desequilíbrio na concentração de elétrons e lacunas Esse método é chamado dopagem Para que um átomo de impureza possa alterar a concentração de cargas livres um de seus níveis de energia deve se situar dentro da banda proibida do semicondutor Existem duas possibilidades para isso Condutividade elétrica dos semicondutores Existe um outro tipo de semicondutores os semicondutores extrínsecos Nesse caso é adicionado uma quantidade controlada de impurezas a um semicondutor intrínseco com o objetivo de causar um desequilíbrio na concentração de elétrons e lacunas Esse método é chamado dopagem Para que um átomo de impureza possa alterar a concentração de cargas livres um de seus níveis de energia deve se situar dentro da banda proibida do semicondutor Existem duas possibilidades para isso Semicondutores Tipo n negativo Semicondutor puro 4e de valência Si Átomo doador de e ou impureza doadora 5e de valência P Semicondutor tipo N em que n p Para semicondutores do tipo n os elétrons livres são os principais portadores de corrente então n p σ nIeIµe Condutividade elétrica dos semicondutores Existe um outro tipo de semicondutores os semicondutores extrínsecos Nesse caso é adicionado uma quantidade controlada de impurezas a um semicondutor intrínseco com o objetivo de causar um desequilíbrio na concentração de elétrons e lacunas Esse método é chamado dopagem Para que um átomo de impureza possa alterar a concentração de cargas livres um de seus níveis de energia deve se situar dentro da banda proibida do semicondutor Existem duas possibilidades para isso Semicondutores Tipo p positivo Semicondutor puro 4e de valência Si Átomo aceitador de e ou impureza aceitadora 3e de valência B Semicondutor tipo P em que p n Para semicondutores do tipo n os buracos são os principais portadores de corrente então p n σ pIeIµl Do ponto de vista energético Condutividade elétrica dos semicondutores Tipo N Introdução de um novo nível de energia ED nível doador perto do nível EC nível da banda de condução Se o nível ED fica perto do nível EC é necessário pouca energia para que um elétron passe do nível ED para o nível EC Tipo P Introdução de um novo nível de energia EA nível aceitador perto do nível EV nível da banda de valência Junção PN O que acontece quando um semicondutor tipo P é juntado a um semicondutor tipo N Vale ressaltar que os dois tipos de semicondutores extrínsecos conduzem a eletricidade mas sozinhos eles não têm grandes aplicações na eletrônica A base da estrutura dos componentes eletrônica é a junção dos dois tipos de semicondutores extrínsecos também chamada de junção PN ou diodo Junção PN O que acontece quando um semicondutor tipo P é juntado a um semicondutor tipo N Devido à diferença de concentração dos portadores de carga em ambos os lados da junção vai aparecer uma corrente de difusão de elétrons e buracos através da junção Essa difusão acaba criando um desequilíbrio de cargas elétricas na região em torno da junção levando ao surgimento de um campo elétrico E0 proporcional à quantidade de carga acumulada na junção Vale ressaltar que os dois tipos de semicondutores extrínsecos conduzem a eletricidade mas sozinhos eles não têm grandes aplicações na eletrônica A base da estrutura dos componentes eletrônica é a junção dos dois tipos de semicondutores extrínsecos também chamada de junção PN ou diodo Junção PN O que acontece quando um semicondutor tipo P é juntado a um semicondutor tipo N Com o acúmulo de cargas elétricas na região em torno da junção o campo elétrico E0 vai atingir uma intensidade elevada o suficiente para bloquear completamente o fluxo de difusão levando a junção PN a uma situação de equilíbrio A região em torno da junção apresenta um acúmulo de cargas elétricas mas é extremamente pobre em portadores livres elétrons e buracos Por essa razão essa região e denominada região de depleção Vale ressaltar que os dois tipos de semicondutores extrínsecos conduzem a eletricidade mas sozinhos eles não têm grandes aplicações na eletrônica A base da estrutura dos componentes eletrônica é a junção dos dois tipos de semicondutores extrínsecos também chamada de junção PN ou diodo Junção PN Polarização direta Os buracos no lado p e os elétrons no lado n são atraídos para a junção Na medida em que os elétrons e os buracos se encontram com os outros na região próxima à junção eles se recombinam continuamente aniquilandose uns aos outros de acordo com a reação elétron buraco energia Esse movimento provoca a diminuição da região de depleção até o desaparecimento A tensão elétrica capaz de superar a barreira no diodo de silício é de 07V Enquanto que nos diodos de germânio esta tensão é da ordem de 02V Junção PN Polarização inversa Uma polarização inversa afasta tanto os buracos como os elétrons da junção Essa separação entre as cargas positivas e negativas deixa a região de junção relativamente isenta de transportadores de cargas móveis de modo que a junção tornase altamente isolante A corrente elétrica não vai fluir O que é a supercondutividade A supercondutividade é um fenômeno que ocorre em alguns materiais Eles apresentam uma resistividade elétrica nula ao atingir uma certa temperatura chamada temperatura crítica TC Isso significa que um supercondutor é um condutor perfeito Utilidade em transporte de energia sem perda na forma de calor Computadores quânticos mais simples e acessíveis Trens que levitam sobre os trilhos sem nenhum atrito Histórico Supercondutor descoberto em 1911 por Heik Kammerlingh Onnes Ele trabalhou sobre a resistividade elétrica do mercúrio sólido em baixas temperaturas 2020 supercondutividade de materiais a temperatura ambiente 20 C mas com elevadas pressões Supercondutores com temperatura crítica abaixo de 77 K são chamados de supercondutores de baixa temperatura LTS Superoncutores com temperaturas críticas acimade 77 K são chamados de supercondutores de alta temperatura HTS Como explicar a supercondutividade Foi em 1957 que três físicos desenvolveram uma teoria para explicar a supercondutividade Bardeen Cooper e Schrieffer elaboraram a teoria BCS que diz Em baixo da temperatura crítica os elétrons se juntam em pares chamados pares de Cooper Nessa configuração de par os elétrons apresentam menor energia sempre a busca de mais estabilidade Essa atração que deve superar a repulsão natural entre partículas de mesma carga elétrica é mediada pelas vibrações da rede cristalina fônons Esse movimento ordenado dos elétrons coordenado com as vibrações do material em contraste ao movimento desordenado que ocorre em condutores comuns é o responsável pelo transporte de corrente elétrica sem resistividade elétrica do material As distorções da rede são provocadas pela passagem de um elétron que acarreta na atração de outro Quais são as propriedades de um supercondutor Uma propriedade de um supercondutor é que quando ocorre a transição do estado normal para o estado supercondutor os campos magnéticos externos não podem penetrálo Esse efeito é chamado de efeito MeissnerOchsenfeld Quais são as propriedades de um supercondutor Uma propriedade de um supercondutor é que quando ocorre a transição do estado normal para o estado supercondutor os campos magnéticos externos não podem penetrálo Esse efeito é chamado de efeito MeissnerOchsenfeld a Em temperaturas superiores a Tc um campo magnético aplicado externamente permeia um material supercondutor b Em temperaturas inferiores a Tc a indução magnética é expulsa do interior da amostra supercondutora Quais são as propriedades de um supercondutor Uma propriedade de um supercondutor é que quando ocorre a transição do estado normal para o estado supercondutor os campos magnéticos externos não podem penetrálo Esse efeito é chamado de efeito MeissnerOchsenfeld a Em temperaturas superiores a Tc um campo magnético aplicado externamente permeia um material supercondutor b Em temperaturas inferiores a Tc a indução magnética é expulsa do interior da amostra supercondutora O efeito Meissner é responsável pela levitação de um pequeno imã sobre um semicondutor A expulsão do campo do interior do supercondutor é acompanhada pela geração de supercorrentes superficiais ao material que produzem uma magnetização cujo sentido é oposto ao do campo magnético externo Quais são as propriedades de um supercondutor Os supercondutores são divididos em dois tipos de acordo com suas propriedades específicas Tipo 1 Nos supercondutores do tipo I o efeito Meissner é completo ou seja o fluxo magnético é totalmente expulso do interior da amostra Essa situação permanece até que o valor do campo aplicado atinja o valor crítico Bc Indução magnética no interior do material Bi em função do campo externo B Quais são as propriedades de um supercondutor Os supercondutores são divididos em dois tipos de acordo com suas propriedades específicas Tipo 1 Tipo 2 Nos supercondutores do tipo I o efeito Meissner é completo ou seja o fluxo magnético é totalmente expulso do interior da amostra Essa situação permanece até que o valor do campo aplicado atinja o valor crítico Bc Indução magnética no interior do material Bi em função do campo externo B Nos supercondutores do tipo II o campo magnético é totalmente expulso somente até o campo crítico inferior Bc1 No campo crítico superior Bc2 a supercondutividade é destruída No estado entre Bc1 e Bc2 o campo magnético penetra na amostra na forma de vórtices quantizado Quais são as propriedades de um supercondutor Esse desenho mostra uma superfície tridimensional dentro da qual o material é supercondutor e fora dela é normal Caso a intensidade do campo magnético seja aumentada acima de um determinado valor o fenômeno da supercondutividade pode ser destruído Também existe uma determinada densidade de corrente Jc acima da qual o material volta ao estado normal Quais são as aplicações para um supercondutor A levitação magnética que pode ser utilizada em veículos de transporte como trens eliminando a fricção com os trilhos Os altos campos magnéticos obtidos dos supercondutores permitem a fabricação e utilização de aparelhos de ressonância magnética nuclear RMN Esses equipamentos são baseados na resonância do hidrogênio na presença de um campo magnético forte O comportamento dielétrico é a propriedade de um material isolante em exibir uma estrutura de dipolo Um material dielétrico é um material isolante que apresenta em nível atômico ou molecular regiões carregadas positivamente separadas de regiões carregadas negativamente Exemplos de materais dielétricos borracha porcelana vidro plástico madeira etc O comportamento dielétrico é a propriedade de um material isolante em exibir uma estrutura de dipolo Um material dielétrico é um material isolante que apresenta em nível atômico ou molecular regiões carregadas positivamente separadas de regiões carregadas negativamente Exemplos de materais dielétricos borracha porcelana vidro plástico madeira etc Propriedades dielétricas são muito importantes no desempenho de um isolante A rigidez dielétrica é uma propriedade elétrica muito importante Ela indica em que grau o material é isolante Ela é uma medida da tensão máxima que o material pode suportar antes de perder suas características de isolante Os materiais dielétricos são muito utilizado em capacitores O que é um capacitor Os capacitores são elementos elétricos capazes de armazenar cargas elétricas Eles podem ser constituídos por 2 placas condutoras chamadas armaduras entre as quais tem o material dielétrico Eles também podem ser esférico ou cilíndrico por exemplo Todo capacitor tem um parâmetro denominado capacitância C que determina quanta carga ele é capaz de armazenar C Q V Em que V é a voltagem aplicada através do capacitor V e Q é a quantidade de carga armazenada A unidade de C é o coulomb por volt ou farad F Como funciona um capacitor Quando uma voltagem é aplicada em um capacitor constituído por duas placas por exemplo uma placa vai se carrega positivamente e a outra negativamente Quando um material dielétrico é inserido a capacitância é dada por C ε0 A l Em que A é a área das placas l é a distância entre elas e ε0 é a permissividade do vácuo A capacitância é dada por C ε A l Em que ε é a permissividade do material dielétrico que é maior que ε0 εr ε ε0 εr é a constante dielétrica de um material Como funciona um capacitor A constante dielétrica é sempre maior do que 1 Isso significa que a adição de um material dielétrico em um capacitor vai sempre aumentar a capacitância ou seja a capacidade de armazenamento de cargas Como funciona um capacitor A constante dielétrica é sempre maior do que 1 Isso significa que a adição de um material dielétrico em um capacitor vai sempre aumentar a capacitância ou seja a capacidade de armazenamento de cargas Como explicar isso Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas partículas elementares quando sujeitas à ação de um campo elétrico Campo elétrico E Como funciona um capacitor A constante dielétrica é sempre maior do que 1 Isso significa que a adição de um material dielétrico em um capacitor vai sempre aumentar a capacitância ou seja a capacidade de armazenamento de cargas Como explicar isso Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas partículas elementares quando sujeitas à ação de um campo elétrico Esse fenômeno faz que os materiais dielétricos são capazes de armazenar energia elétrica também A densidade de carga ou deslocamento dielétrico na superfície do capacitor é dada por D ε0 E P em que E é o campo elétrico P é a polarização ou aumento de densidade devido ao material dielétrico P ε0 εr 1 E Como funciona um capacitor O aumento da capacidade de armazenamento depende da constante dielétrica εr quantidade de energia armazenada Tipos de polarização Os materiais isolantes ou dielétricos dependendo do tipo de material e das condições de aplicação do campo externo basicamente podem apresentar 3 tipos de polarização eletrônica iônica e de orientação Polarização eletrônica Resulta de um deslocamento do centro da nuvem eletrônica carregada negativamente em relação ao núcleo positivo de um átomo por um campo elétrico Com a retirada do campo elétrico os elétrons voltam às suas posições originais Eletrônica Iônica Orientação dipolos permanentes Sem campo elétrico Com campo elétrico Polarização iônica A aplicação de um campo elétrico provoca o deslocamento dos cátions e ânions em direções opostas Com a retirada do campo elétrico os íons voltam ao estado inicial Polarização de orientação Polarização em moléculas em que existem dipolos permanentes A polarização resulta de uma rotação dos momentos permanentes na direção do campo elétrico O que é a piezoeletricidade A piezoeletricidade é capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica O termo piezoleletricidade provém do grego piezein que significa Apertarpressionar Em 1880 os francêses Pierre e Jacques Curie demonstraram que era possivel gerar um potencial elétrico ao se comprimir cristais Em 1881 eles mostraram a existência do infeito inverso os cristais podem ser deformados quando submetidos a um campo elétrico Como funciona Exemplo do Quartzo Quando você comprime o quartzo acontece o contrário Aparece um campo elétrico que sai da parte inferior para a parte superior Materiais piroelétricos e ferroelétricos Materiais ferroelétricos Os materiais ferroelétricos são materiais dielétricos que podem apresentar polarização na ausência de campo elétrico A polarização espontânea é consequência do posicionamento dos íons dentro da célula unitária Como explicar isso Exemplo do Titanato de bário Para temperaturas superior a 120 C o titanato de bário tem uma estrutura cúbica Nessa situação todos os íons ocupam posições simétricas dentro da célula unitária Quando resfriado a baixo de 120 C os íons titânio e bário se deslocam em relação ao oxigênio formando uma estrutura tetragonal Essa mudança estrutural provoca o aparecimento de uma polarização espontânea A temperatura em que ocorre essa transição é conhecida como temperatura Curie TC Materiais piroelétricos Os materiais piroelétricos são materiais dielétricos que apresentam polarização elétrica com a variação da temperatura Esses materiais têm aplicação em equipamento de segurança como detector de movimento ou sensor de calor Pequenas variações de temperatura que ocorrem com a incidência de radiação infravermelha alteram sensivelmente a polarização do material Lente Fresnel para ampliar a área de detecção do sinal e concentrar os raios Infravermelhos Sensor piroelétrico