3/14/2017 LOM RESISTIVIDADE. Profa. Dra. Rebeca Bacani LOL 3230 Métodos Experimentais da Física III

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1 3/14/2017 LOM RESISTIVIDADE Profa. Dra. Rebeca Bacani LOL 3230 Métodos Experimentais da Física III

2 3/14/2017 LOM Oi, tudo bem? CV: : Bacharelado em Física com ênfase em Pesquisa Aplicada pelo IF-USP : Mestrado em Ciências em materiais baseados em ZrO 2 -CeO 2 /SiO : Doutorado em nanocatalizadores de Ni/ZrO 2 - CeO 2 para ânodos de SOFC atual: pós-doc em caracterização de nanomateriais à base de SiO 2, Al 2 O 3, ZnO, SnO, TiO 2. rbacani@usp.br Sala: Área 1: Prédio ao lado da biblioteca, sala 3 (Prof. Triboni). Área 2: Sala do Prof. Durval.

3 3/14/2017 LOM Pilha simples... Dois eletrodos (com características diferentes) em barra mergulhados num ácido. Íons de Zn+ dissolvemse na solução, deixando o terminal negativo. Elétrons deixam o carbono, consequentemente esse terminal fica positivo. Eletrodo de Carbono (+) Zn + Zn + Zn + Zn + Ácido sulfúrico Eletrodo de Zn (-) _

4 3/14/2017 LOM Corrente elétrica Se conectamos um fio entre esses dois terminais? Elétrons vão fluir do lado negativo do terminal até o lado positivo. Temos uma corrente elétrica! Definição de corrente: I = ΔQ Δt 1 C/s = 1 A (Ampère)

5 3/14/2017 LOM Convenção da direção da corrente

6 3/14/2017 LOM Corrente elétrica Quando fechamos um circuito com fios numa bateria, temos a formação de um campo elétrico. Esse campo gera um força eletrostática que vai gerar o movimento dos elétrons no fio, que em média apresenta direção oposta a esse campo. Essa corrente (estacionária) apresenta o mesmo valor para qualquer seção reta do condutor, mesmo que as seções variem de ponto a ponto.

7 3/14/2017 LOM Experimento de Ohm Construir um circuito simples e avaliar o seu comportamento. Resultado: Comportamento linear da voltagem com a corrente. R = V I

8 3/14/2017 LOM Resistência elétrica Logo notou-se que materiais diferentes tinham uma queda de tensão V diferente, essa queda foi chamada de resistência elétrica. Um mesmo material com geometria diferente também apresentou uma resistência diferente.

9 3/14/2017 LOM Resistividade Mas Ohm também notou que o campo elétrico aplicado era proporcional à uma densidade de corrente j = i A que passa pelo fio... E j E = ρj E = V L Ri L = ρ i A R = ρ L A

10 3/14/2017 LOM Resistividade elétrica e condutividade A condutividade s é definida como inverso da resistividade r=1/s. É uma das grandezas da física com um dos maiores domínios de variação!

11 3/14/2017 LOM Resistores Dispositivo concebido para oferecer um controle de corrente ao sistema. A dissipação de energia desse dispositivo é dada por efeito Joule. Um dispositivo é chamado Ohmico quando apresenta um comportamento linear na curva VxI Dispositivos não ohmicos apresentam comportamento não linear.

12 3/14/2017 LOM Resistividade e temperatura A resistividade depende da temperatura. Em T>0 os íons de um metal vibram ao redor de suas posições de equilíbrio, contribuindo para o espalhamento dos elétrons livres, sendo responsável pela resistividade desse metal. Esse espalhamento aumenta com T, ou seja, a resistividade aumenta com a temperatura. Não vai pra zero!

13 3/14/2017 LOM Resistividade e temperatura Como ocorre essa variação pra qualquer material? ρ = ρ 0 [1 + α T T 0 ] Essa relação se mantém com boa aproximação. a é o coeficiente de temperatura da resistividade.

14 3/14/2017 LOM Resistividade e temperatura

15 3/14/2017 LOM Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

16 3/14/2017 LOM Estado sólido... Adaptado de Callister & Rethwisch 8e.

17 filled states filled states 3/14/2017 LOM Teoria de bandas: condutores Metais (condutores): Os estados disponíveis de energia estão próximos aos estados ocupados. Energia térmica joga os elétrons pra estados mais energéticos. Dois tipos de estruturas de banda Parcialmente preenchida Banda vazia que tem overlap com a banda cheia. Partially filled band empty band partly filled band filled band Energy GAP Overlapping bands Energy empty band filled band filled band

18 filled states filled states 3/14/2017 LOM Teoria de bandas: semicondutores Energy empty conduction band GAP filled valence band filled band Energy? empty conduction band GAP filled valence band filled band Isolantes: Há um grande espaçamento entre as bandas de valência e condução, o gap. GAP > 2 ev. Poucos elétrons são excitados através desse gap. Semicondutores Apresentam um gap menor. GAP < 2 ev. Elétrons podem passar esse gap mais facilmente.

19 3/14/2017 LOM Condutividade de semicondutores Há 2 tipos de portadores de carga em semicondutores Elétron livre: Carga negativa. Banda de condução. Buraco: Carga positiva. Vacância do elétron na banda de valência. Portadores movem-se com velocidades de drift diferentes. A condutividade depende da mobilidade desses portadores. σ = n e μ e + p e μ h.

20 3/14/2017 LOM Condutividade de semicondutores Adaptado de Fig , Callister & Rethwisch 8e. Para semicondutores intrínsecos, o número de elétrons é igual ao número de buracos. σ = n i e (μ e +μ h ). Condutividade/ resistividade vai depender da promoção desses portadores, que depende do gap. n i e E gap 2kT.

21 Conduction electron concentration (10 21 /m 3 ) freeze-out extrinsic intrinsic 3/14/2017 LOM Resistividade e temperatura ln n = ln p ln A E gap 2k 1 T 3 doped undoped 2 1 lnp = E g 1 T 2k Adaptado de Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig de S.M. Sze, Semiconductor Devices, Physics, and Technology, Bell Telephone Laboratories, Inc., 1985.) T (K)

22 3/14/2017 LOM MÉTODOS EXPERIMENTAIS DE FÍSICA O que vamos fazer?

23 3/14/2017 LOM Resistividade do Cu Repetição dos experimentos de Ohm em fios de cobre de vários tamanhos e diâmetros. Levantar a curva de V x I. limites ohmicos, obtenção de r Cu, variação de R com L, A, etc. l f

24 3/14/2017 LOM Resistividade x Temperatura l Medida de R em função da temperatura. Alumínio a, r... Germânio a, r, E gap... w,h Direct Current Source A V Probes Oven Liquid Power Supply N 2 OVEN Sample Ge Crystal