Prof. Willyan Machado Giufrida Curso de Engenharia Química. Ciências dos Materiais. Comportamento Elétrico

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1 Prof. Willyan Machado Giufrida Curso de Engenharia Química Ciências dos Materiais Comportamento Elétrico

2 Portadores de cargas e condução A condução de eletricidade nos materiais ocorre por meio de espécies individuais, chamadas de portadores de cargas. Um elétron = 1,6 x C; Lacuna eletrônica = ausência de elétron em uma nuvem; elétron carregado negativamente lacuna de carga positiva Papel fundamental no comportamento dos semicondutores

3 Determinação da condutividade elétrica I = magnitude do fluxo de corrente; R = resistência; V = diferença de potencial elétrico. O valor da resistência depende da geometria específica da amostra; R aumenta com o aumento do comprimento, e diminui com a área da secção transversal. Com resultado, a mais característica determinada é a resistividade:

4 Inverso a resistividade tem-se outra propriedade, a condutividade σ Quando os portadores de cargas são positivas e negativas contribuem para a condução:

5 Tabela 01 - Condutividade elétrica de alguns materiais a temperatura ambiente

6 Exemplo 01 Uma amostra de fio (1 mm de diâmetro por 1 m de comprimento) de uma liga alumínio (contendo 1,2 % de Mn) é encontrado em um circuito elétrico como mostrado na figura abaixo. Uma queda de tensão de 432 mv é mantida entre as extremidades do fio quando este transporta uma corrente de 10 A. Calcule a condutividade dessa liga.

7 Exemplo 02 Supondo que a condutividade para o cobre na tabela 01 inteiramente devida aos elétrons livre (com uma mobilidade de 3,5 x 10-3 m 2 /(V.s)), calcule a densidade de elétrons livres no cobre em temperatura ambiente. Exemplo 03 Considere o fio descrito no exemplo 1 e a) calcule a queda de tensão esperada em um fio com diâmetro de 0,5 mm x (1m de extensão) da mesma liga, que também conduz uma corrente de 10 A. b) Repita para um fio de mesmo material e 2 mm de diâmetro. Exemplo 04 Calcule a velocidade de arraste dos elétrons livres no cobre do exemplo 1, para uma intensidade de campo elétrico de 0,4 V/m. Quanto tempo um elétron livre típico levaria para se movimentar por toda extensão do fio de 1 m de comprimento.

8 Condutores Condutores são materiais com grandes valores de condutividade. Podemos escrever a formula específica para os condutores como: O subscrito refere-se a condução eletrônica pura. Os metais sofrem variação da condutividade em função da temperatura

9 Aumento da temperatura Queda de elétrons Queda da condutividade Aumento da temperatura Aumento da agitação da estrutura cristalina Queda na mobilidade

10 Aumento da temperatura Aumento da resistividade A resistividade é inversamente proporcional a condutividade ρ rt = resistividade a temperatura ambiente T = temperatura T rt = temperatura ambiente

11 Para pequenas adições de impurezas a metal aproximadamente puro: Onde ρ0 é a resistividade do metal puro; β é a constante para um determinado sistema impureza-metal; x é a quantidade de impureza adicionada.

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14 Semicondutores São materiais com condutividade intermediária entre os condutores e os isolantes. A magnitude da condutividade está no intervalo de 10-4 a Ω -1.m -1.

15 O silício e o germânio são muito utilizados na construção de dispositivos eletrônicos. O silício e o mais utilizado, devido as suas características serem melhores em comparação ao germânio e também por ser mais abundante na face da terra.

16 O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência. O potencial necessário para tornar livre qualquer um dos elétrons de valência é menor que o necessário para remover qualquer outro da estrutura. Os elétrons de valência podem absorver energia externa suficiente para se tornarem elétrons livres.

17 Os semicondutores puros e elementares podem ser chamados de semiconsutores intrínsecos. Podemos transformar a expressão da condutividade geral em uma forma específica: Onde: n é a densidade dos elétrons de condução; q é a magnitude da carga do elétron (1,6 x C); μ e é a mobilidade de um elétron de condução; Μ h é a mobilidade de um buraco.

18 Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente. Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na banda de condução. Elétrons na banda de valência: movem-se ocupando posições disponíveis no reticulado, preenchendo os vazios deixados pelos elétrons livres - Condução de lacunas migrando ao longo do material no sentido oposto ao movimento do elétron livre.

19 Materiais extrinsecos Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas e chamado de material extrínseco. Dopagem - A adição de certos átomos estranhos aos átomos de silício ou germânio, chamados de átomos de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente mudar as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos.

20 Esses materiais são chamados de: tipo N e tipo P. Material dopado tipo N Um método de dopagem consiste na utilização de elementos contendo 5 elétrons na camada de valência (penta-valente), como o antimônio, arsênio e fósforo. O quinto elétron, porém, fica desassociado de qualquer ligação. Esse elétron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer outro, podendo nessas condições vagar pelo cristal. O material tipo N resultante, e eletricamente neutro.

21 Material dopado tipo P O material tipo P é formado pela dopagem do semicondutor intrínseco por átomos trivalentes como o boro, gálio e índio. Há agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. A falta dessa ligação é chamada de lacuna ou (buraco). Como uma lacuna pode ser preenchida por um elétron, as impurezas trivalentes acrescentadas ao silício ou germânio intrínseco, são chamados de átomos aceitadores ou receptores. O material tipo P resultante é eletricamente neutro.

22 Diodos O diodo semicondutor é um dispositivo básico numa grande variedade de circuitos que vão dos mais simples aos mais complexos. O diodo de junção semicondutor é formado unindo os materiais do tipo N e P construídos a partir da mesma base de silício ou germânio.

23 Isolantes São materiais com baixa condutividade. Os isolantes elétricos podem ser separados de acordo com sua rigidez dielétrica, uma propriedade que influencia na tensão elétrica máxima que pode ser aplicada entre as extremidades do isolante sem se romper. Vidro, borracha e óleos são exemplos de isolantes elétricos. Os elétrons que formam esses materiais não têm facilidade de movimentação, tendo em vista a forte ligação entre eles e o núcleo atômico.

24 Dielétricos Os dielétricos são objetos capazes de impedir a passagem da corrente elétrica por um condutor metálico. A borracha e a madeira são exemplos de dielétricos. Os dielétricos são objetos isolantes (compostos por plástico ou óleo mineral), capazes de impedir a passagem da corrente elétrica por um condutor metálico.

25 A maioria dos dielétricos se caracteriza por um deslocamento elétrico das cargas como uma função linear do campo elétrico que se cria no dielétrico. Acumulo de cargas em uma aplicação típica usando um isolante, ou dielétrico, um capacitor de placas paralelas.

26 Capacitores Capacitores ou condensadores são elementos elétricos capazes de armazenar carga elétrica e, conseqüentemente, energia potencial elétrica. Dielétrico material isolante elétrico que exibe ou pode exibir uma estrutura de dipolo elétrico. Estes materiais são usados em capacitores.

27 Uma densidade de carga, D (C/m 2 ) é diretamente proporcional à intensidade do campo elétrico, E (em V/m). є é chamada de permissividade elétrica. Para um dielétrico genérico, a equação acima pode ser reescrita como: k é uma constante admissional característica do material, chamada de constante dielétrica.

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29 Interpretação de conteúdo A respeito da condutividade elétrica e térmica dos materiais, marque a alternativa correta: a) Somente os metais podem conduzir eletricidade e calor. b) Em hipótese alguma, um dielétrico pode conduzir corrente elétrica ou calor. c) Os metais destacam-se como bons condutores elétricos porque possuem excesso de prótons em sua estrutura atômica. d) Os materiais que são isolantes elétricos possuem alta condutividade elétrica. e) Um material é melhor condutor que outro quando possuir valor de condutividade elétrica maior.

30 Interpretação de conteúdo A resistividade é a grandeza oposta à condutividade elétrica. Sendo assim, a partir dos valores de resistividade elétrica fornecidos abaixo, marque a alternativa correta:

31 a) O ferro é melhor condutor elétrico que o cobre. b) De todos os materiais listados, o vidro é o que apresenta maior resistência à passagem de corrente elétrica. c) Por ser excelente condutor, o quartzo é muito utilizado na fabricação de relógios. d) O cobre é o melhor condutor apresentado. e) A condutividade do alumínio é maior que a do cobre. Como o cobre apresenta a menor resistividade de todos os materiais apresentados, isso significa que ele é o melhor condutor nessa lista e apresentará condutividade maior que a de todos os demais materiais.

32 A respeito do comportamento dos condutores e isolantes, julgue os itens a seguir como verdadeiros e falsos. I. O efeito Joule é a transformação de energia elétrica em energia térmica em virtude das altas velocidades dos elétrons livres ao transitarem pelos condutores. II. Nos isolantes, os elétrons estão fortemente ligados aos átomos e, por isso, não podem mover-se facilmente. III. Os condutores também podem ser chamados de dielétricos. IV. Os metais são bons condutores elétricos por possuírem elétrons livres em excesso. a) I, II e III são verdadeiros. b) II é falso. c) II e IV são verdadeiros. d) III e IV são verdadeiros. e) Todos são falsos.

33 A respeito do efeito Joule e da possibilidade de dielétricos conduzirem corrente elétrica, marque a alternativa correta: a) O efeito Joule expressa a relação entre o calor e o campo magnético gerado em um condutor. b) Não existe a possibilidade de um dielétrico conduzir corrente elétrica. c) Se um dielétrico for submetido a uma alta tensão, existe a possibilidade de sua rigidez dielétrica ser rompida e ele conduzir corrente elétrica. d) O fenômeno dos raios é possível porque as nuvens atritam-se, gerando eletricidade estática, e os elétrons em excesso aproveitam a alta condutividade do ar e vem até a terra. e) O calor gerado pelo efeito Joule ocorre porque os elétrons livres que formam a corrente elétrica apresentam alta velocidade.

34 a) Errada: O efeito Joule não tem relação com o campo magnético gerado pelo condutor. b) Errada: Um dielétrico, se submetido a um valor muito alto de tensão elétrica, pode ser forçado a conduzir corrente elétrica. c) Correta. d) Errada: O ar não é condutor elétrico. e) Errada: O calor gerado pelo efeito Joule não está relacionado com a alta velocidade dos elétrons que compõem a corrente elétrica.

35 Termopares Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de medição de temperatura. Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de medição de temperatura. Quando há uma diferença de temperatura entre a extremidade unida e as extremidades livres, verificase o surgimento de uma diferença de potencial que pode ser medida por um voltímetro.

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38 Exemplo Um termopar de cobre/constantan é usado para monitorar a temperatura de um forno para tratamento térmico. O sinal de saída com relação a um banho gelo-água é 60 mv. a) Qual é a temperatura do forno? a) Pela tabela slide 16, o termopar cromel/constantan é do tipo E A figura slide 15, mostra que o termopar do tipo E tem uma diferença de potencial de 60 mv a 800 C. b) Qual seria o sinal negativo a um banho gelo-água para um termopar de cromel/alumel? b) A tabela do slide 16, mostra que o termopar cromel/alumel é do tipo K. A figura do slide 15, mostra que o termopar do tipo K a 800 C apresenta uma diferença de potencial de 33 mv.