Aula 20 Condução de Eletricidade nos Sólidos

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1 Aula 20 Condução de Eletricidade nos Sólidos Física 4 Ref. Halliday Volume4

2 Sumário Capítulo 41 Condução Elétrica nos Sólidos Transistores; Supercondutores; Capítulo 42 Física Nuclear Descobrindo o Núcleo; Algumas Propriedades Nucleares;

3 Transistores Existem várias diferentes estruturas de transistores, como por exemplo: Transistor bipolar, Transistor de base metálica, transistor de base permeável, transistor de efeito de campo (FET, MOSFET, MISFET, OFET, etc), transistor de filme fino (TFT), etc, etc; São dispositivos eletrônicos com três terminais e são usados como amplificadores de sinais;

4 Transistores Transistor de Efeito de Campo tradicional (FET field effect transistor ou OFET organic field effect transistor)

5 Transistores Transistor de Efeito de Campo Convencional (FET)

6 Transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)

7 Transistores Representação esquemática do Transistor pnp ou npn; Emissor n Base p Coletor n Modo de operação de base-comum

8 Transistores Representação esquemática do Transistor pnp ou npn; Emissor n Base p Coletor n Polarização Inversa Polarização Direta

9 Transistores Representação esquemática do Transistor pnp ou npn; n p n Polarização direta diminui V0; Polarização inversa aumenta V0; Modo de operação de base-comum

10 Transistores Representação esquemática do Transistor de Base metálica ou Base permeável;

11 Supercondutores Já vimos que, a medida que reduzimos a temperatura de um condutor, a resistividade torna se menor; O que acontece quando diminuímos a temperatura de um condutor para próximo do zero absoluto???? Lembre se que, de acordo com a teoria quântica, os átomos retêm um dado nível mínimo de movimento vibratório, mesmo a zero absoluto; Muitos materiais, apresenta um tipo de comportamento bem específico (supercondutividade), porém, isso não ocorre com todos os condutores em que a temperatura é diminuída para o (ou próximo do) zero absoluto (T=0 K);

12 Supercondutores Em 1911, o físico holandês Kammerlingh Onnes, estava estudando a resistividade do mercúrio a baixas temperaturas (~ 4K), e percebeu que ocorria um comportamento incomum onde o mercúrio subitamente perde toda a sua resistividade e torna se um condutor perfeito, chamado supercondutor; A resistividade de um supercondutor não é apenas muito pequena, é nula! Cuidado com esta informação não tente usá la em equações de física clássica poque isto não estará correto. O comportamento em supercondutores são descritos pela física quântica; A temperatura na qual o material se torna supercondutor é chamada de sua temperatura crítica Tc; Esse fenômeno não ocorre para todos os condutores. Por exemplo, não foi observado nos melhores condutores metálicos como o (Cu, Ag e Au);

13 Supercondutores Comportamento de alguns condutores (e supercondutores) em relação à variação da temperatura

14 Supercondutores Esses resultados sugerem que os mecanismos que geram a supercondutividade diferem dos mecanismos que causam a condutividade nos metais (supercondutividade não se explica por estrutura de bandas de energia); Como será apresentado, a supercondutividade resulta da forte união entre os elétrons de condução e a rede; Quando um elétron movimenta se numa rede, atrai núcleos de íons positivos em sua direção e altera a densidade de carga em sua vizinhança; A Teoria da Supercondutividade BCS (Bardeen Cooper Schrieffer, 1957, com prêmio Nobel em 1972) mostra que o sistema eletrônico contém a menor energia possível se os elétrons são ligados juntos aos pares, chamados de pares de Cooper (comporta se spin inteiro Bóson);

15 Supercondutores A supercondutividade é um fenômeno coletivo. Se alguns pares de Cooper forem formados, a redução da energia que acontece para o próximo par é maior do que seria se nenhum par tivesse sido anteriormente formado; A mudança do estado normal para o supercondutor é muito brusca; Mais recentemente (~1986) uma nova classe de supercondutores foi descoberta. Supercondutores de altas* temperaturas como, por exemplo, o óxido de cobre em combinação com outros diversos elementos; Porém, para esta nova classe, a teoria BCS não consegue explicar o mecanismo de supercondutividade; * temperaturas próximas a aproximadamente 20o C são consideradas altas quando comparadas à ~4 Kelvin!

16 Supercondutores Efeito Meissner Ao atingir a temperatura crítica os supercondutores não apenas tem sua resistividade nula mas também comportam se como materiais diamagnéticos (Diamagnetismo é o termo utilizado para designar o comportamento dos materiais serem ligeiramente repelidos na presença de campos magnéticos fortes) Há uma repulsão do campo magnético! Vídeo sobre levitação magnética

17 Supercondutores Possíveis Aplicações A energia poderia ser transportada em fios elétricos sem perdas resistivas; Eletroímãs Supercondutores são capazes de produzir maiores correntes e gerar maiores campos magnéticos (utilizados em trens de levitação magnética e ímãs de flexão para feixes de partículas em grandes aceleradores) **As partes dos componentes eletrônicos formados por supercondutores em circuitos eletrônicos não gerariam aquecimento Joule (miniaturização ao circuitos);

18 Supercondutores Possíveis Aplicações Efeito Meissner Trens de levitação magnética (Maglev) o único atrito seria entre o trem e o ar (velocidades de 650 km/h seriam realidade?!) Maglev em Xangai Assista: ilustração -

19 Física Nuclear Capítulo 42 Física Nuclear

20 Física Nuclear O núcleo ocupa apenas do volume do átomo, mas é responsável pela maior parte de sua massa, assim como a força que o mantém coeso; Agora nosso objetivo é compreender a estrutura do núcleo e a subestrutura dos seus componentes; Assim como os átomos, os núcleos têm estados excitados que podem decair para o estado fundamental através da emissão de fótons (raios gama);

21 Física Nuclear A Descoberta do Núcleo Foi Rutherford, em 1911, que interpretando alguns experimentos desenvolvidos em seu laboratório, concluiu que a carga positiva do átomo estava densamente concentrada no centro do átomo (núcleo atômico); Dois anos mais tarde, Niels Bohr utilizou o conceito semiclássico de átomo nuclear para descrever a estrutura atômica; Mas como foi que Rutherford chegou a essa conclusão???

22 Física Nuclear Rutherford observou um experimento proposto por Hans Geiger (o famoso contador Geiger) e Ernest Marsden (um estudando de 20 anos que não tinha se graduado); Em sua análise, lançou partículas alfa energéticas através de uma fina folha alvo e mediu como as partículas eram defletidas à medida que passavam a folha; Partículas alfa têm cerca de 7300 vezes mais massa do que os elétrons, transportam uma carga de +2e e são emitidas espontaneamente (com energias em torno de MeV) por diversos materiais radioativos; Veja Figura...

23 Física Nuclear A Descoberta do Núcleo

24 Física Nuclear A Descoberta do Núcleo

25 Física Nuclear Analisando os dados, Rutherford concluiu que as dimensões do núcleo devem ser menores do que o diâmetro de um átomo segundo um fator de 104; O átomo é, em sua grade parte, um espaço vazio!!!

26 Física Nuclear Exemplo 42 1 Uma partícula alfa ( ) de 5,30 MeV desloca se diretamente em direção ao núcleo de um átomo de ouro (Z=79). A que distância ela se aproxima antes de atingir momentaneamente o repouso e inverter o sentido do movimento? Despreze o retrocesso do núcleo de ouro (relativamente de massa maior).

27 Física Nuclear Propriedades dos Núcleos A ZX Onde X representa o símbolo químico do elemento.

28 Física Nuclear Propriedades dos Núcleos Quando estamos interessados nas propriedades dessas partículas como espécies nucleares (e não como parte do átomo), elas são chamadas de Nuclídeos;

29 Física Nuclear Propriedades dos Núcleos Isótopos do Hidrogênio

30 Física Nuclear Propriedades dos Núcleos

31 Física Nuclear Propriedades dos Núcleos Lembrando que a ordem de grandeza das distâncias atômicas era de ~10-12 m

32 Física Nuclear A Força Nuclear A força que controla a estrutura eletrônica e as propriedades do átomo é a familiar força de Coulomb; Porém, para manter o núcleo coeso, é necessário que exista uma força de atração forte de natureza nova agindo entre nêutrons e prótons, denominada Força Forte; A Força Forte tem o mesmo caráter entre qualquer par de constituintes nucleares, sejam eles nêutrons ou prótons; A Força Forte tem um alcance pequeno (~10 15 m). Assim, a atração entre pares de núcleons cai rapidamente a zero para uma separação entre núcleons maior do que um determinado valor crítico;

33 Física Nuclear A figura abaixo mostra que os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha de (Z=N)

34 Física Nuclear A figura abaixo mostra que os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha de (Z=N) Os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha (Z=N); Já os nuclídeos estáveis pesados ficam situados bem abaixo desta linha (tem muito mais nêutrons do que prótons);

35 Física Nuclear