Propriedades Elétricas do Materiais

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1 Propriedades Elétricas do Materiais

2 Por que estudar propriedades elétricas dos materiais? Apreciação das propriedades elétricas de materiais é muitas vezes importante, quando na seleção de materiais e processamento. Alguns materiais precisam ser altamente condutores (por exemplo, fios de conexão), enquanto outros se deseja que sejam isolantes. Por isso se faz necessário tal conhecimento.

3 Mas afinal o que é eletricidade? Movimento de elétrons?

4 Mas afinal o que é eletricidade? Movimento de elétrons? Movimento ordenados de elétrons, em resposta a forças (elétricas) que atuantes sobre eles, quando submetidos a uma diferença de potencial elétrico.

5 Lei de OHM Imaginemos o seguinte aparato:

6 Lei de OHM A maioria dos materiais apresenta esta curva característica quando é percorrida uma corrente elétrica através dele.

7 Lei de OHM Analisando o gráfico, temos: Equação 1

8 Resistividade A R A A Equação 2

9 Condutividade Elétrica

10 Condutividade Elétrica Os materiais sólidos exibem uma faixa surpreendente de condutividade elétrica, se estendendo ao longo de 27 ordens de grandezas, provavelmente nenhuma outra propriedade física experimente esta magnitude de variação.

11 Condutividade Elétrica Metais bons condutores 10 7 (Ω.m) -1

12 Condutividade Elétrica Metais bons condutores 10 7 (Ω.m) -1 Isolantes e (Ω.m) -1

13 Condutividade Elétrica Metais bons condutores 10 7 (Ω.m) -1 Isolantes e (Ω.m) -1 Semicondutores 10-6 e 10 4 (Ω.m) -1

14 Condução Eletrônica e Iônica d.d.p.

15 Condução Eletrônica e Iônica No interior da maioria do materiais sólidos uma corrente tem origem a partir do escoamento dos elétrons, a qual é conhecida como condução eletrônica.

16 Condução Eletrônica e Iônica No interior da maioria do materiais sólidos uma corrente tem origem a partir do escoamento dos elétrons, a qual é conhecida como condução eletrônica. Já em outros materiais é possível um movimento liquido de íons carregados o que produz uma corrente, tal fenômeno é chamado de condução iônica.

17 Estrutura da bandas de energia Mecânica quântica: nos sólidos

18 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Para cada átomo individual existem níveis energéticos discretos que podem ser ocupados por elétrons, níveis arranjados em camadas e subcamadas;

19 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Para cada átomo individual existem níveis energéticos discretos que podem ser ocupados por elétrons, níveis arranjados em camadas e subcamadas; As camadas são designadas por números, (1, 2, 3, etc.);

20 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Para cada átomo individual existem níveis energéticos discretos que podem ser ocupados por elétrons, níveis arranjados em camadas e subcamadas; As camadas são designadas por números, (1, 2, 3, etc.); As subcamadas s, p, d, f contendo respectivamente 1, 3, 5 e 7 elétrons;

21 Estrutura da bandas de energia nos sólidos

22 Estrutura da bandas de energia nos sólidos

23 Estrutura da bandas de energia nos sólidos

24 Estrutura da bandas de energia nos sólidos

25 Estrutura da bandas de energia nos sólidos

26 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Assim quatros tipos de bandas são possíveis a 0 K. Vazio Vazio Vazio Vazio gap E f gap gap E f Vazio Preenchido Preenchido Preenchido Preenchido

27 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Vazio Algum metais; gap Vazio E f Preenchido

28 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Vazio gap Algum metais; Cobre - 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 4s 1 ; Vazio E f Preenchido

29 Estrutura da bandas de energia nos sólidos E f Vazio gap Vazio Preenchido Algum metais; Cobre - 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 4s 1 ; Como somente a metade das posições está preenchida, ainda tem-se a outra metade para serem ocupadas.

30 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Vazio Também encontrada em metais; E f Preenchido

31 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Vazio Também encontrada em metais; Mg 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2 ; E f Preenchido

32 Estrutura da bandas de energia nos sólidos E f Vazio Preenchido Também encontrada em metais; Mg 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2 ; O nível 3s está totalmente preenchido, mas porem quando o sólido é formado os níveis 3s e 3p se sobrepõe.

33 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Essas duas são semelhantes; Vazio Vazio gap gap Preenchid o Preenchid o

34 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Essas duas são semelhantes; Vazio gap Preenchid o Vazio gap Preenchid o Bandas de valências totalmente preenchidas, separadas da bandas de condução por um espaçamento.

35 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Vazio Vazio Primeiro caso isolante elétrico, pois o gap é relativamente amplo; gap gap Preenchido Preenchido

36 Estrutura da bandas de energia nos sólidos Vazio Vazio Primeiro caso isolante elétrico, pois o gap é relativamente amplo; gap Preenchido gap Preenchido Já no segundo caso temos um material do tipo semicondutor, o seu gap é estreito.

37 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica A saber: apenas elétrons que possuem energias maiores que a energia de Fermi podem sentir a ação e serem acelerados na presença de um campo elétrico;

38 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica A saber: apenas elétrons que possuem energias maiores que a energia de Fermi podem sentir a ação e serem acelerados na presença de um campo elétrico; São chamados de elétrons livres

39 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica Uma outra entidade eletrônica carregada, é conhecida por buraco, é encontrada em semicondutores e isolantes. Os buracos também participam da condução eletrônica.

40 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica Metais possuem bandas semi-preenchidas ou sobrepostas; E E f

41 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica E E f Metais possuem bandas semi-preenchidas ou sobrepostas; A energia necessária para promover um elétron acima da energia de Fermi é muito pequena. Elétron excitado

42 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica Isolantes e semicondutores E

43 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica Isolantes e semicondutores E Para serem promovidos a elétrons livre (banda de condução), os elétrons da banda de valência devem receber energia para transpor o gap (diferença de energia entre as bandas).

44 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica Esse espaçamento entre as banda possui uma largura de vários elétrons- Volts (ev); E

45 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica E Esse espaçamento entre as banda possui uma largura de vários elétrons- Volts (ev); Mais frequentemente essa energia vem de fontes não elétricas, como por exemplo luz e calor.

46 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica E Com o aumento da temperatura diferença de energia entre as bandas aumenta, assim a probabilidade de que um elétron seja promovido a banda de condução diminue.

47 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica E A distinção entre isolantes elétricos e semicondutores reside na largura do espaçamento entre as banda.

48 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica E A distinção entre isolantes elétricos e semicondutores reside na largura do espaçamento entre as banda. Nos semicondutores esse espaçamento é mais estreito que nos isolantes.

49 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica Nos materiais isolante elétricos a ligação interatômica é iônica ou fortemente covalente, ou seja, os elétrons de valência estão firmemente ligados, ou seja, seja não estão livre para vagar pelo cristal.

50 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica A ligação nos semicondutores é covalente (ou predominantemente covalente) e relativamente fraca, o que significa que os elétrons de valência não estão firmemente ligados ao átomos.

51 Condução em termos de bandas e modelos de ligação atômica A ligação nos semicondutores é covalente (ou predominantemente covalente) e relativamente fraca, o que significa que os elétrons de valência não estão firmemente ligados ao átomos. Consequentemente esses elétrons são mais facilmente removidos por excitação térmicas do que nos isolantes.

52 Mobilidade Eletrônica E d.d.p.

53 Mobilidade Eletrônica Segundo a mecânica quântica não existe nenhuma interação entre elétrons me aceleração e os átomos em um reticulo cristalino perfeito.

54 Mobilidade Eletrônica Segundo a mecânica quântica não existe nenhuma interação entre elétrons me aceleração e os átomos em um reticulo cristalino perfeito. Assim todos os elétrons livre deve acelerar enquanto o campo elétrico é aplicado, fazendo com que a corrente elétricas aumente continuamente, no entanto, sabemos que a corrente atinge um valor constante. Por quê?

55 ESTRUTURA PERFEITA A BAIXA TEMPERATURA MOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS ALTA TEMPERATURA MOVIMENTO DOS ELÉTRONS EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS

56 Mobilidade Eletrônica Velocidade de araste V a = µ e ε µ e é chamado de mobilidade eletrônica m 2 /V.s

57 Mobilidade Eletrônica Velocidade de araste V a = µ e ε µ e é chamado de mobilidade eletrônica m 2 /V.s Condutividade σ = n. e.µ e e modulo de carga do elétron (1,6 x C) σ é proporcional tanto ao número de elétrons como à mobilidade eletrônica.

58 Resistividade Elétrica dos Metais Em um condutor a resistividade aumenta com o aumento da temperatura, com o aumento da quantidade de impurezas e com o aumento da deformação. Resistivity, (10-8 Ohm-m) Cu at%ni Cu at%ni deformed Cu at%ni Cu at%ni Pure Cu T ( C)

59 Resistividade Elétrica dos Metais ρ i = Ac i (1 c i ) c i -concentração de impurezas; A - constante que depende tanto do metal de impureza como do hospedeiro.

60 Características Elétricas de Ligas Boa condutividade Comerciais

61 Características Elétricas de Ligas Comerciais Boa condutividade Cu (OFHC), Al, Ag;

62 Características Elétricas de Ligas Comerciais Boa condutividade Cu (OFHC), Al, Ag; Cu + Be

63 Características Elétricas de Ligas Boa condutividade Cu (OFHC), Al, Ag; Cu + Be Comerciais Fornos, elevada resistividade e resistencia a oxidação.

64 Semicondutividade Semicondutores intrínsecos são aqueles que apresentam as características de semicondutores com o material puro; Semicondutores extrínsecos possuem impurezas na sua estrutura eletrônica

65 Semicondutividade intrínseca E gap < 2 ev Si, Ge (1,1 e 0,7 ev) grupo IV A; Grupos III A e V A GaAs, InSb; Grupos II B e IV B CdS, ZnTe;

66 Semicondutividade Cada elétron quando promovido deixa um buraco na banda de valência. E Buraco

67 Semicondutividade

68 Semicondutividade si si si si si si si si si si si si si si si si campo

69 Semicondutividade si si si si si si si si si si si si si si si si campo

70 Semicondutividade si si si si si si si si si si si si si si si si campo

71 Semicondutividade

72 Semicondutividade Extrínseca do Tipo n si si si si si P si si si si si si si si si si campo

73 Semicondutividade Extrínseca do Tipo p si si si si si B si si si si si si si si si si campo

74 Junção p-n Elétron - Buraco + Cargas móveis Barreira de potencial Cargas fixas Cada material é eletricamente neutro

75 Polarização direta e reversa Reversa = isolante Elétron - Buraco + Direta = condutor

76 Transistor Elétron - Buraco +

Resistividade A A R A Equação 2

Resistividade A A R A Equação 2 Resistividade A R A A Equação 2 Condutividade Elétrica Metais bons condutores 10 7 (Ω.m) -1 Isolantes 10-10 e10-20 (Ω.m) -1 Semicondutores 10-6 e 10 4 (Ω.m) -1 Condução Eletrônica e Iônica No interior

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