UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS ANDERSON CLEITON DA SILVA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS ANDERSON CLEITON DA SILVA Utilização de Diodos para Obtenção de Energia Elétrica Natal 2019

2 ANDERSON CLEITON DA SILVA Utilização de Diodos para Obtenção de Energia Elétrica Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia de Materiais, do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de bacharel em Engenharia de Materiais. Orientador: Prof. Dr. Marciano Furukava Natal 2019

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4 FOLHA DE AVALIAÇÃO OU APROVAÇÃO Assinaturas dos membros da comissão examinadora que avaliou e aprovou a Monografia do(a) candidato(a), realizada em... BANCA EXAMINADORA: Marciano Furukava Orientador UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (UFRN) Hudson Rafael Pereira Diniz Avaliador 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (UFRN) Márcio Furukava Avaliador 2 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO (UFERSA)

5 Agradecimentos A conclusão deste trabalho me faz uma pessoas mais feliz e realizada. Foram muitos os obstáculos até esse momento. Por isso quero demonstrar a todos que me ajudaram a chegar aqui a minha gratidão: A Deus, que me deu a benção de realizar esse sonho. Aos meus pais, Edmilson e Rozinete, pelo amor e educação que me deram durante toda minha vida. Ao meu amigo Igor Vitorino pelo apoio na realização deste trabalho. Ao meu irmão, Aurélio, pelo apoio durante a realização deste trabalho. Ao Professor Marciano Furukava, por me orientar durante a realização deste trabalho. A Menezes Comércio e Serviço LTDA, pela a oportunidade de estágio que contribuiu bastante para o término da minha formação e para ampliar o meu conhecimento. Ao Curso dе Engenharia de Materiais dа Universidade Federal do Rio Grande do Norte, е às pessoas cоm quem convivi nesse espaço ао longo desses anos. А experiência dе υmа produção compartilhada nа comunhão cоm amigos nesse espaço foram а melhor experiência dа minha formação acadêmica. A todos, que de uma forma ou de outra, contribuíram para o meu crescimento pessoal e profissional, tornando possível a realização dessa pesquisa.

6 Resumo Com o objetivo de mostrar a importância do efeito fotoelétrico, esse trabalho descreveu como podemos obter energia elétrica através da utilização conectados e série e em paralelo. Onde através de um multímetro medimos a diferença de potencial em três diferentes horários do dia, ressaltando a importância tecnológica, principais componentes, bem como o impacto ambiental. No intuito de apresentar soluções ambientais e tecnológicas para a economia de energia elétrica, este trabalho propõe um método simples com uma abordagem da ciência dos materiais. O principal objetivo do presente trabalho é contribuir para o geração de energia elétrica sem gerar problemas ambientais, sempre levando em conta a viabilidade tecnológica e econômica. Palavras chave: Diodo; Energia elétrica; Energia solar.

7 Abstract. In order to show the importance of the photoelectric effect, this work described how we can obtain electric energy through connected and serial and parallel use. Where through a multimeter we measured the potential difference at three different times of the day, highlighting the technological importance, main components, as well as the environmental impact. In order to present environmental and technological solutions for the saving of electricity, this work proposes a simple method with a material science approach. The main objective of this work is to contribute to the generation of electric energy without generating environmental problems, always taking into account the technological and economic viability. Key words: Diode; Electrical energy; Solar energy.

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Experimento de Hertz Figura 2. Representação esquemática do experimento de Hertz Figura 3 Diferentes intensidades para o mesmo potencial Figura 4. Potencial freiador para várias frequências da luz incidente sobre uma placa de sódio. Os pontos experimentais foram obtidos por Millikan. A frequência de corte é 5,6 *10^14 Hz Figura 5. Utilização de diodos como válvulas Figura 6. Diodo como elemento de circuito. Fonte Willy McAllister Figura 7. Representação do Diodo Zener Figura 8. Corrente x Tensão podemos verificar a existência de uma tensão quase constante para correntes reversas mais altas Figura 9. Representação Diodo Emissor de Luz Figura 10. Representação do Fotodiodo Figura 11. Representação do Diodo Schottky Figura 12. Representação do Varactor Figura 13. Representação diodo de recuperação em degrau Figura 14. Representação do diodo túnel Figura 15. Diferentes tipos de diodos e sua respectiva aplicação Figura 16. Circuito ceifador série/positivo Figura 17. Circuito ceifador paralelo/negativo Figura 18. Circuito grampeador Figura 19. Circuitos retificadores Figura 20. Circuitos multiplicadores de tensão Figura 21. Princípio de funcionamento do Diodo Figura 22. Representação bidimensional da estrutura atômica de um metal Figura 23. Representação tridimensional da célula unitária de Si, mostrando as ligações covalentes Figura 24. Estrutura simplificada das bandas de energia a 0 Kelvin Figura 25. Faixa de resistividade típica dos sólidos Figura 26. Multímetro utilizado para a medição da voltagem Figura 27. Diodo utilizado para o efeito fotoelétrico Figura 28. Solda de Estanho utilizada para unir os diodos... 32

9 Figura 29. Ferro de solda Figura 30. Diodos unidos em série e em paralelo para obtenção de energia elétrica

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Voltagem obtida em diferentes horários do dia 13/ Tabela 2. Voltagem obtida em diferentes horários no dia 15/ Tabela 3. Voltagem obtida em diferentes horários do dia 16/ Tabela 4. Voltagem obtida em diferentes horários do dia 17/

11 SUMÁRIO 1 Introdução Revisão Bibliográfica Descoberta do Efeito Fotoelétrico Dificuldades para explicar com a Física Clássica Teoria Quântica de Einstein Propriedades do Efeito Fotoelétrico Características dos Diodos Tipos de Diodos Diodo Emissor de Luz (LED - Light Emitter Diode) Fotodiodo Diodo Schottky Varactor Diodos de recuperação em degrau Diodos túnel Aplicações com Diodos Circuitos Ceifadores Circuitos Grampeadores Circuitos Retificadores Circuitos Multiplicadores de Tensão Princípio de funcionamento dos Diodos Semicondutores de Silício Bandas de energia dos materiais Metodologia Materiais utilizados Objetivos... 33

12 7. Resultados obtidos Conclusão REFERÊNCIAS... 38

13 1 Introdução Quando a luz incide em um metal, elétrons podem ser ejetados da superfície do metal em um fenômeno conhecido como efeito fotoelétrico. Esse processo também é frequentemente referido como fotoemissão, e os elétrons que são ejetados do metal são chamados de fotoelétrons. Em termos de comportamento e propriedades, fotoelétrons não são diferentes de outros elétrons. O prefixo, foto, simplesmente nos diz que os elétrons foram ejetados de uma superfície metálica pela incidência da luz. A energia eletromagnética da luz é absorvida pelos elétrons no metal, fazendo com que alguns deles saltem para fora deste. A questão que não se conseguia esclarecer no início do século XX era: Por que a energia dos elétrons liberados por Efeito Fotoelétrico não aumentava quando a intensidade da luz era aumentada, mas sim aumentava em função da frequência da luz que incidia sobre o metal? Em 1887 Heinrich Hertz realizou as experiências que confirmaram a existência de ondas eletromagnéticas e ainda observou que uma descarga elétrica entre dois eletrodos dentro de uma ampola de vidro é facilitada quando radiação luminosa incide em um dos eletrodos, fazendo com que elétrons sejam emitidos de sua superfície. Esse fenômeno foi chamado efeito fotoelétrico. Em 1905, um físico até então desconhecido, Albert Einstein, que trabalhava como examinador de patentes em Berna, Suíça, publicou três trabalhos revolucionários. O primeiro trabalho procurou explicar o movimento das moléculas em um líquido, conhecido como movimento browniano; o segundo foi o famoso trabalho sobre a relatividade e o terceiro, que considerou o mais revolucionário, propôs a hipótese da quantização da radiação eletromagnética pela qual, em certos processos, a luz comporta-se como pacotes concentrados de energia, chamados fótons. Com esta hipótese, ele forneceu uma explicação para o efeito fotoelétrico (CRISTIANE; MARISA, 2002). Neste contexto, o presente trabalho teve como motivação a utilização de diodos para converter energia solar em energia elétrica considerando os conceitos do efeito foto elétrico.

14 14 2 Revisão Bibliográfica 2.1 Descoberta do Efeito Fotoelétrico A observação do efeito fotoelétrico, antes chamado de efeito Hallwacks, ocorreu pela primeira vez em 1887, quando Hertz realizava experimentos envolvendo a emissão e detecção de ondas eletromagnéticas. Seu experimento consistia em gerar ondas eletromagnéticas através da produção de descargas elétricas entre dois eletrodos metálicos e detectá-las em um par de eletrodos idêntico. Ou seja, a bobina de indução para produzir alta voltagem, faísca produz ondas eletromagnéticas criando corrente em um outro circuito, produzindo faísca entre suas pontas. Philip Lenard, 1902 Figura 1. Experimento de Hertz No experimento notou-se que a diferença de potencial (P) pode ser variada continuamente, e também invertida invertendo a chave. Se A e B não forem do mesmo metal deve-se corrigir a diferença de potencial adicionando o potencial de contato. Figura 2. Representação esquemática do experimento de Hertz.

15 Dificuldades para explicar com a Física Clássica Na época surgiram grandes dificuldades para entender o efeito fotoelétrico, surgiram dúvidas como: A teoria ondulatória nos diz que quanto maior a intensidade de um feixe de radiação, maior é a amplitude do vetor campo elétrico da onda eletromagnética. Como a força exercida sobre um elétron é E, esperamos que a energia cinética de fotoelétrons aumentasse quando a intensidade do feixe fosse aumentada. Figura 3 Diferentes intensidades para o mesmo potencial. De acordo com a teoria ondulatória, o efeito fotoelétrico deveria ocorrer para qualquer frequência da luz incidente, desde que a luz fosse suficientemente intensa para fornecer a energia necessária para arrancar elétrons do metal. Mas não é isso que acontece: para cada superfície existe uma frequência de corte característica Vo. Para luz de frequências menores do que Vo, o efeito fotoelétrico não ocorre, independente da intensidade de luz incidente.

16 16 Figura 4. Potencial freiador para várias frequências da luz incidente sobre uma placa de sódio. Os pontos experimentais foram obtidos por Millikan. A frequência de corte é 5,6 *10^14 Hz. 2.3 Teoria Quântica de Einstein Einstein assumiu que a energia vinha em pacotes localizados em um pequeno volume no espaço, e que permanecia localizada conforme se movia desde a fonte com velocidade c. Ele supôs ainda que a energia (E) do pacote estava relacionada com a frequência(h) da luz através da equação. E = hv Einstein assumiu ainda que no efeito fotoelétrico o pacote de energia era completamente absorvido pelo elétron ejetado do fotocátodo. A absorção completa de um fóton apenas é possível por um elétron ligado. A energia cinética do elétron ejetado seria dada por: Ecin = hv - w Onde o W seria a parcela de energia necessária para removê-lo do material. Assim, os elétrons que são ejetados do metal com a energia cinética máxima são aqueles mais fracamente ligados: Ecin máx = hv - Wo

17 17 Como a energia cinética é maior ou igual a zero, existe uma energia mínima do fóton e portanto uma frequência mínima tal que elétrons possam ser efetivamente ejetados: Ecin máx = 0 hvo = Wo Com base na teoria quântica de Einstein grande dificuldades da época forma resolvidas tais como: A energia cinética dos elétrons não depende da intensidade da luz incidente. Há uma frequência mínima de corte para ocorrer o efeito fotoelétrico Não há nenhum atraso na ejeção dos elétrons 2.4 Propriedades do Efeito Fotoelétrico As propriedades observadas do efeito fotoelétrico divergem das previsões da teoria ondulatória clássica, onde a radiação eletromagnética se comporta como uma onda no processo de ejeção de fotoelétrons de uma superfície onde ela incide. Nessa teoria ondulatória do efeito fotoelétrico, a energia cinética adquirida pelos elétrons, proveniente da radiação incidente sobre elas, deveria aumentar à medida que aumenta a intensidade da radiação. A experiência mostrou que esta energia cinética máxima dos fotoelétrons independe da intensidade da radiação. Uma segunda divergência reside na existência de uma frequência de corte 0ν abaixo da qual nenhum fotoelétron é liberado pelo material. Na teoria ondulatória, a radiação incide de qualquer frequência ν deve ter condições de fornecer energia suficiente aos elétrons de modo a facilitar o seu escape do material. Finalmente surge uma terceira divergência baseada na inexistência de atraso mensurável entre o instante em que a radiação começa a iluminar a superfície e o instante em que o primeiro fotoelétron é ejetado. Com base nessas informações podemos destacar as principais propriedades observadas nas experiências. A corrente fotoelétrica é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente sobre a superfície emissora. Experimentos de Elster e Geitel (1916) confirmam a proporcionalidade sobre 7 ordens de grandeza de intensidade.

18 18 Para uma única frequência incidente, o número de fotoelétrons emitido é proporcional ao número de fótons incidentes na superfície. Não há atraso de tempo após a incidência da luz: medidas feitas em 1927 por Lawrence e Beams deram um limite para o atraso; é menor do que 3*10^-9 s. A energia cinética máxima dos elétrons ejetados por um feixe monocromático aumenta com a frequência da luz incidente. Confirmação experimental: Millikan A maior parte dos elétrons ejetados tem energia cinética menor do que a máxima. Confirmação experimental por Richardson e Compton em A variação da temperatura tem pouca ou praticamente nenhuma influência sobre a corrente fotoelétrica, desde que a temperatura não exceda algumas centenas de graus Celsius e desde que não ocorra mudança na estrutura do sólido. Se a luz incidente for polarizada, ocorrem diferenças de acordo com o plano de polarização da radiação incidente. Para sólidos alcalinos, há um efeito seletivo: o efeito fotoelétrico é maior quando o vetor campo elétrico da luz tem componente perpendicular à superfície em comparação à componente paralela. Em alguns casos de ligas sódio-potássio, a razão entre as correntes pode variar de 10:1 a 20: Características dos Diodos Um diodo é um componente eletrônico que permite a passagem da corrente elétrica somente em um sentido. Uma analogia simples que podemos fazer é comparar um diodo a uma válvula que só deixa a água fluir em um sentido, ou seja, o diodo faz a mesma coisa com a corrente elétrica. Os Diodos são dispositivos de dois terminais com componente elementar não linear utilizado em circuitos muito variados. Nos diodos a corrente flui do anodo para o catodo, assim como mostra a imagem a seguir:

19 19 Figura 5. Utilização de diodos como válvulas. Fonte Willy McAllister. Figura 6. Diodo como elemento de circuito. Fonte Willy McAllister Tipos de Diodos Diodo Zener É um diodo utilizado como regulador de tensão, ele é feito para funcionar na região de ruptura. Nesse tipo de diodo pode-se verificar a existência de um "joelho", onde encontramos uma região em que a tensão no diodo praticamente não se altera com um grande aumento de corrente, servindo como um regulador de tensão. Este diodo pode ser produzido com tensões de ruptura da ordem de unidades a dezenas de volts. r Figura 7. Representação do Diodo Zener

20 20 Figura 8. Corrente x Tensão podemos verificar a existência de uma tensão quase constante para correntes reversas mais altas. Diodo Emissor de Luz (LED - Light Emitter Diode) Numa corrente direta, quando os elétrons recombinam-se com as lacunas (após passarem pela região de depleção), dissipam energia (ou seja, a diferença de energia inicial e final) de alguma forma. Diodos Zener, por exemplo, dissipam esta energia na forma de calor, LEDs, no entanto, irradiam luz. Através da utilização de elementos como gálio, arsênio e o fósforo, por exemplo, podem ser produzidos LEDs que irradiam no vermelho, laranja, amarelo, verde, azul ou infravermelho. Figura 9. Representação Diodo Emissor de Luz Fotodiodo Este é o nome dado a diodos que são produzidos especialmente para serem mais sensíveis à incidência de luz, aumentando a sua corrente reversa. Com o aumento da intensidade de luz o número de portadores minoritários aumenta, aumentando também a corrente reversa.

21 21 Figura 10. Representação do Fotodiodo Diodo Schottky Este tipo de diodo serve para diminuir a quantidade de carga "armadilhada" no diodo. Um diodo comum ao passar da região direta de condução para a reversa, produz durante um curto tempo uma corrente reversa alta, resultante de cargas armadilhadas (portadores do outro material que por algum motivo não se recombinaram ou passaram para o outro lado da junção), sendo um efeito importante no uso de diodos através de frequências altas; com a fabricação de um diodo utilizando-se ao invés do material P um metal (como ouro, prata ou platina), não haverão lacunas que possam armadilhar elétrons vindos do outro material durante a corrente direta, de forma que na passagem para corrente reversa não haverá este aumento de corrente citado. Figura 11. Representação do Diodo Schottky Varactor O varactor funciona como um "capacitor controlado por tensão". Imagine que o lado p e o lado n são as placas, e que a região de depleção representa o dielétrico, além disso, o circuito externo pode carregar esta capacitância retirando elétrons de valência do lado p e adicionando elétrons na banda de condução ao lado n. Desta maneira observamos a presença de um "capacitor" envolvido na estrutura. O ponto importante é que com o aumento da tensão reversa, a região de depleção aumenta, de maneira que a capacitância envolvida diminui, controlando-se a capacitância existente pela tensão aplicada no dispositivo.

22 22 Figura 12. Representação do Varactor Diodos de recuperação em degrau Diodos deste tipo através de um nível perfil de dopagem, apresentam uma corrente reversa alta durante um pequeno espaço de tempo devido às cargas armazenadas, quando em frequência alternada, passa da condução direta para reversa e cai logo a zero, sendo por isso chamado de diodo de recuperação em degrau. Figura 13. Representação diodo de recuperação em degrau Diodos túnel Através do aumento na dopagem de diodos de retaguarda, pode-se distorcer a curva de um diodo, quando a tensão de ruptura chega aproximadamente a 0 V, de maneira que a curva obtida pode apresentar uma faixa de condução, onde o diodo conduz até um valor máximo, onde com o aumento ou diminuição da tensão direta dentro de uma faixa, diminui a corrente resultante. Figura 14. Representação do diodo túnel Através da figura abaixo podemos visualizar melhor os diferentes tipos de diodos.

23 23 Figura 15. Diferentes tipos de diodos e sua respectiva aplicação Aplicações com Diodos Os diodos de potência são dispositivos semicondutores capazes de conduzir corrente elétrica em apenas um sentido, sua característica funcional é simplesmente permitir a passagem de corrente elétrica ou não, podemos dizer que eles trabalham como uma chave aberta ou como uma chave fechada. Os diodos diferentemente dos resistores não tem comportamento linear, desta forma sua aplicabilidade em circuitos eletrônicos de potência é ampla como os retificadores. Eles também podem ser aplicados como diodos de retorno para transferência de energia, como isolador de tensão dentre outras possibilidades, tais como; ceifadores, grampeadores, retificadores e multiplicadores de tensão. Logo abaixo podemos destacar as diferentes aplicação dos diodos Circuitos Ceifadores Consistem em prevenir que a saída do circuito exceda um nível predeterminado de tensão sem distorcer o restante do sinal de entrada. Usa um diodo e um resistor podendo opcionalmente usar uma fonte DC.

24 Vin Vout Vin Vout Vin Vout 24 Vopcional Dceif ador + + Rload - - Figura 16. Circuito ceifador série/positivo + Rload + Dceif ador Vopcional - - Figura 17. Circuito ceifador paralelo/negativo Circuitos Grampeadores Altera o nível DC do sinal de entrada, sem alterar a forma de onda desse sinal. Usa um diodo, um resistor e um capacitor sendo possível utilizar uma fonte DC. + C + D Rload Vopcional - Figura 18. Circuito grampeador - Nos circuitos grampeadores deve-se ter atenção à definição do capacitor, devendo ser considerado:

25 Vin Vout 25 Constante de tempo = RC deve ser suficientemente grande para manter a tensão no capacitor sem oscilação ao longo do tempo. 5 maior frequência do sinal grampeado. Circuitos Retificadores Usados para conversão de sinais, de AC para CC. Onde a retificação ocorre em meia onda ou onda completa. Usa diodos e transformadores e opcionalmente capacitores. + D + Rload - - Figura 19. Circuitos retificadores A tensão DC obtida, já que estamos retificando um sinal periódico (geralmente sinal senoidal da rede elétrica). V DC = V média V DC 1 T T 0 v( t) dt Considere um sinal senoidal (com período T qualquer), retificado em meia-onda, a tensão DC será para um sinal de entrada senoidal, apenas 31,8% da tensão máxima aplicada é convertida em nível DC. Circuitos Multiplicadores de Tensão Através de circuito podemos multiplicam em N vezes a tensão de pico da entrada. Podendo esses circuitos atuar com operadores como retificador para sinais

26 Vin 26 oscilatórios e o capacitor anula nível DC da entrada. Podemos visualizar melhor através da figura abaixo. + C D D - C + Vout - Figura 20. Circuitos multiplicadores de tensão Princípio de funcionamento dos Diodos Quando um bloco de silício tipo N e um outro bloco de silício tipo P são colocados em contato íntimo (junção metalúrgica) os portadores de carga (elétrons e lacunas) em excesso de lado N e do Lado P se neutralizam através do processo de difusão. A corrente que se estabelece é conhecida como corrente de difusão. Com o processo de difusão as cargas fixas do silício, que estavam neutras, se tornam íons devido à recombinação de pares elétrons-lacunas. Estes íons criam um campo elétrico que por sua vez provoca uma corrente elétrica (conhecida como corrente de deriva) de sentido contrário à corrente de difusão. Quanto maior for a corrente de difusão maior será a corrente de deriva em sentido oposto até que haja um equilíbrio entre elas, ou seja, os portadores de carga não conseguem mais atravessar o campo elétrico por difusão. Desta forma, estabelecem-se regiões distantes a região neutra (onde a carga total é zero) e a região de depleção onde a concentração de portadores de carga é zero. Quando aplicamos uma polarização direta (positivo no lado P e negativo no lado N) o campo elétrico externo criado na região de depleção é de sentido contrário ao campo interno fazendo com que a barreira de potencial seja reduzida permitindo a passagem de corrente elétrica através da região de depleção. Quando aplicarmos uma polarização reversa (positivo no lado N e negativo no lado P) o campo elétrico interno criado na região de depleção é no mesmo sentido ao

27 27 campo interno fazendo com que a barreira de potencial aumente dificultando a passagem de corrente elétrico através da região de depleção. O diodo basicamente é formado por uma junção P-N, onde existem portadores (negativos e positivos), íons fixos (de dopantes ou contaminantes), átomos constituintes do material ou do substrato utilizado. Durante a formação da junção P-N há a formação também de uma barreira de potencial, e de uma região de depleção. Considere um instante em que seja formada a junção, neste instante surgem duas correntes: a corrente de difusão (gerada pela tendência dos portadores de cada material se distribuírem) e a corrente de deriva (devido ao campo elétrico). Inicialmente surge uma corrente de difusão maior que a corrente de deriva através da junção. Esta corrente diminui com o tempo, até que se iguala à corrente de deriva, anulando-se. Durante este processo a barreira de potencial e a região de depleção vão se formando, até que seja atingido o equilíbrio. No lado P da junção, as lacunas são chamadas portadores majoritários, e os elétrons portadores minoritários. Ao longo da estrutura tipo P existem íons negativos, devido aos dopantes aceitadores presentes na estrutura. No lado N da junção, existe uma quantidade maior de elétrons na banda de condução do que lacunas, neste caso os elétrons são chamados portadores majoritários, e as lacunas os portadores minoritários. Além disso, existem íons positivos gerados pela presença de dopantes doadores no material tipo n. A figura abaixo trata-se de uma representação do funcionamento dos diodos. Lado P Lado N Região de depleção Figura 21. Princípio de funcionamento do Diodo

28 Semicondutores de Silício Materiais semicondutores apresentam uma resistividade intermediária, isto é, uma resistividade maior que a dos condutores e menor que a dos isolantes. Como exemplo, podemos citar o Carbono, o Silício, o Germânio. A razão do diferente comportamento entre metais e semicondutores é que os metais contém um numero constante de portadores móveis de carga em todas temperaturas e semicondutores não. Em um semicondutor puro, para que os portadores se tornem livres, as cargas devem ser ativadas. Essa ativação requer alguma energia, que pode vir, por exemplo, da agitação térmica. Nos metais os elétrons estão livres, podendo movimentar-se através da rede quando um campo elétrico é aplicado. O mar de elétrons da camada de valência confundese com a camada de condução e pode mover-se livremente. Fonte: Mundo educação Figura 22. Representação bidimensional da estrutura atômica de um metal No Silício, cada átomo (com 4 elétrons de valência) é cercado por outros 4 átomos de Si. Cada átomo compartilha seus elétrons de valência com 4 átomos vizinhos de forma que a última camada, ou camada de valência, está completa com 8 elétrons. Nenhum elétron livre está disponível para condução em condições normais. Todavia os elétrons não pertencem a nenhum átomo particular e estão fracamente conectados. Quando excitados (por exemplo, excitação térmica) alguns elétrons podem quebrar as ligações, ficando livres para conduzir.

29 29 Figura 23. Representação tridimensional da célula unitária de Si, mostrando as ligações covalentes. 2.8 Bandas de energia dos materiais O grau de condutividade é determinado pela estrutura de bandas de energia de um sólido. Se um sólido é um condutor, um semicondutor ou um isolante depende do preenchimento da banda de Valencia e da energia de gap entre as camadas de valência e de condução. Figura 24. Estrutura simplificada das bandas de energia a 0 Kelvin. De acordo com a figura acima observa-se no metal a superposição de bandas de energia. No semicondutor na temperatura de 0 K a banda de energia repleta com elétrons mais alta é chamada de banda de valência e a próxima banda é chamada de banda de condução. Já no isolante o nível proibido é grande demais para ser transposto. Um semicondutor pode conduzir eletricidade apenas se há alguns elétrons em sua banda de condução ou lacunas na camada de valência. A energia na parte inferior

30 30 da banda de condução é denominada EC. O próximo nível de energia permitido é chamado de banda de valência. A energia na parte superior da banda de valência é chamada de Ev. Entre as duas bandas permitidas está o gap de energia ou banda proibida. Sendo que o chamado bandgap é dado por: EG = EC EV Para analisarmos de outra forma as características desses materiais a figura abaixo traz a faixa de resistividade típica dos sólidos. Figura 25. Faixa de resistividade típica dos sólidos A condutividade elétrica de um semicondutor ou isolante é altamente dependente das condições ambientais, tais como temperatura, radiação luminosa, pressão, campo magnético e pureza do material. 3 Metodologia Para este trabalho utilizou-se diodos que foram conectados em paralelo e em série, onde os mesmos foram expostos ao sol em diferentes horários e em diferentes dias. Através de multímetro mediu-se a intensidade dos raios solares onde foi possível observar diferentes valores de tensão no multímetro. A medição foi realizada três vezes ao dia, nos horários de sete horas da manhã ao meio dia

31 Materiais utilizados Para a medição da tensão foi utilizado para este trabalho o multímetro de tem o modelo DT 830B, ilustrado na figura abaixo. Figura 26. Multímetro utilizado para a medição da voltagem Os diodos são utilizados para este trabalho tem a referência 6AMIC foram unidos por soldagem, apresentado na figura abaixo. Figura 27. Diodo utilizado para o efeito fotoelétrico A solda utilizada foi a de Estanho através da utilização de um ferro de solda de marca PINSUN e modelo PS W, mostrados respectivamente nas figuras abaixo.

32 32 Figura 28. Solda de Estanho utilizada para unir os diodos Figura 29. Ferro de solda O circuito montado para a realização deste trabalho foi montado em série e em paralelo. Como mostrado na figura abaixo. Figura 30. Diodos unidos em série e em paralelo para obtenção de energia elétrica.

33 Voltagem Objetivos Este trabalho tem como objetivo mostrar como é possível obter energia elétrica através da utilização de diodos, apresentar através de um método simples como podemos economizar energia elétrica utilizando diodos exposto a radiação solar em diferentes dias e em diferentes horários de cada dia, observando também como a intensidade da radiação solar pode influenciar o valor da tensão no multímetro levando em consideração o fenômeno do efeito fotoelétrico. 7. Resultados obtidos Os dados foram colhidos em diferentes horários do mesmo dia, os quais são demonstrados na tabela abaixo. Para o primeiro da medição da voltagem os valores obtidos apresentam-se na tabela 1 abaixo. Tabela 1. Voltagem obtida em diferentes horários do dia 13/05. Horário Dia da semana (13/05) Voltagem (V) 7 horas Segunda - Feira 2,52V 12 horas Segunda - Feira 3,51V 16 horas Segunda - Feira 1,25V 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Gráfico 3:Valores da tensão obtidos em diferentes horários do dia 13/05 Segunda-feira Segunda-feira Segunda-feira Votagem(v) 7 horas 12 horas 16 horas

34 Voltagem 34 Para o segundo dia de medição da voltagem os valores estão apresentados na tabela 2 abaixo. Tabela 2. Voltagem obtida em diferentes horários do dia 14/05. Horário Dia da semana Voltagem(V) 7 horas Terça - Feira 2,75 12 horas Terça - Feira 3,3 16 horas Terça - Feira 2,0 Podemos observar melhor através do gráfico 2, as diferentes voltagens obtidas nos diferentes horários. 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Gráfico 4: Valores da tensão obtidos em diferentes horários do dia 14/05 Terça-feira Terça-feira Terça-feira 7 horas 12 horas 16 horas Voltagem(V) Já para o terceiro dia de medição os valores da voltagem estão apresentados na tabela 3.

35 Voltagem 35 Tabela 2. Voltagem obtida em diferentes horários no dia 15/05 Dia da semana Voltagem(V) 7 horas Quarta - Feira 1,75V 12 horas Quarta - Feira 2,63V 16 horas Quarta - Feira 1,50V No gráfico 5 podemos visualizar melhor como como a tensão pode ser maior ou menor considerando o horário da medição. 3 2,5 Gráfico 5: Valores da voltagem obtidos em diferentes horários do dia 14/05 2 1,5 1 Voltagem(V) 0,5 0 Quarta-feira Quarta-feira Quarta-feira 7 horas 12 horas 16 horas Já para o quarto dia de medição da voltagem os valores estão mostrados na tabela 4 abaixo. Tabela 3. Voltagem obtida em diferentes horários do dia 16/05 Horário Dia da semana (16/05) Voltagem(V) Obtida 7 horas Quinta - Feira 1,80 12 horas Quinta - Feira 3,95 16 horas Quinta - Feira 2,73

36 Voltagem 36 No gráfico 6 podemos visualizar melhor como como a tensão pode ser maior ou menor considerando o horário da medição. 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Gráfico 6: Valores da voltagem obtidos em diferentes horários do dia 15/05 Quinta-feira Quinta-feira Quinta-feira 7 horas 12 horas 16 horas Voltagem(V) Já para o quinto dia de medição da voltagem os valores estão mostrados na tabela 5 abaixo. Tabela 4. Voltagem obtida em diferentes horários do dia 17/05 Horário Dia da semana (17/05) Voltagem(V) Obtida 7 horas Sexta - Feira 1,24 12 horas Sexta - Feira 3,72 16 horas Sexta - Feira 1,50V No gráfico 7 podemos visualizar melhor como como a tensão pode ser maior ou menor considerando o horário da medição.

37 Voltagem ,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Gráfico 7: Valores da votagem obtidos em diferetes horários do dia 16/05 Sexta-feira Sexta-feira Sexta-feira 7 horas 12 horas 16 horas Votagem(V) 8 Conclusão Considerando os resultados obtidos podemos concluir que os valores da tensão variam em diferentes horários do dia e que tal valor é diretamente proporcional a intensidade da radiação solar, ou seja, quanto maior a intensidade da radiação maior será o valor da voltagem medida pelo multímetro. Foi observado também que quando exposto a radiação solar o circuito montado para a obtenção da energia varia o valor da tensão conforme mudamos o ângulo de inclinação da placa solar com relação ao sol, como pode ser demonstrado nas figuras abaixo. A energia elétrica obtida neste trabalho não polui durante seu uso. Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética sua utilização ajuda a diminuir a procura energética nestes e consequentemente a perda de energia que ocorreria na transmissão. No entanto, percebem-se variações nas quantidades produzidas de acordo com a situação climatérica, além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia.

38 38 REFERÊNCIAS ARAÚJO, M. S. T.; ABIB, M. L. V. S. Atividades experimentais no ensino de física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 25, n. 2, p , jun ALVARENGA, Carlos Alberto. Energia solar. Lavras: UFLA/FAEPE, ACIOLI, José de Lima. Fontes de energia. Brasília: Universidade de Brasília, CARUSO, F.; OGURI, V. Física Moderna Origens Clássicas e Fundamentos Quânticos. 1. ed. Rio de Janeiro: Editora Campus, p. CAVALCANTE, M. A. O ensino de uma nova física e o exercício da cidadania. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 21, n. 4, p , dez CAVALCANTE, M. A.; TAVOLARO, C. R. C. Física Moderna Experimental.2. ed. Barueri: Editora Manole, p. Silva, Luciene Fernanda da; Assis, Alice. Física Moderna no Ensino Médio: um experimento para abordar o efeito fotoelétrico. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 29, n. 2, p , Disponível em: <

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