Aula - Propriedades Elétricas 2017

Materiais e suas propriedades

Prof

_{. Dr}

_{. Vânia Trombini Hernandes}

Condução Elétrica

Propriedade Elétrica é a resposta do material à

aplicação de um campo elétrico

Representa a facilidade com a qual um material consegue

transportar carga elétrica

Lei de Ohm

IR

V



V = voltagem (tensão elétrica) = [volts] = [J/C]

I = corrente = [ampere] = [C/s]

Resistência NÃO é uma

propriedade do material

Depende da geometria

Propriedades do material:

Resistividade

l

RA





Condutividade







1

Condução Elétrica

Uma amostra de fio (1mm de diâmetro por 1m de comprimento) de uma liga de alumínio (1,2%Mn) é colocada em um circuito elétrico como é mostrado na fig. Abaixo. Uma queda de tensão de 432mV é medida entre as extremidades do fio quando este transporta uma corrente de 10A. Calcule a condutividade dessa liga.

Condução Eletrônica

fluxo de elétrons

Aceleração de elétrons no sentido contrário ao campo elétrico

Para que um elétron possa ser acelerado, o mesmo não pode estar

fortemente ligado a um átomo

Qual a quantidade de elétrons por átomo que pode ser

acelerado por um campo elétrico?

Bandas de Energia

Níveis de energia para um Os quatro elétrons do orbital mais

Bandas de Energia

Diagrama de níveis de energia para o sódio sólido. O nível de energia 3s discreto é representado como uma banda de energia

Somente elétrons com energia superior à energia de Fermi

poderão ser acelerados por um campo elétrico

Ex.: Cu

Ex.: Mg

_{Ex.: C}

diam

Ex.: Si

Bandas de Energia

Materiais

condutores

Materiais

semicondutores

isolantes

Mobilidade Eletrônica

Espalhamento é devido a impurezas, imperfeições, discordâncias, vacâncias, vibração térmica da rede cristalina etc.

Condução Elétrica - Exemplo

Supondo que a condutividade para o cobre seja devido aos elétrons livres (com mobilidade de 3,5x10-3_m2_{/(V.s)), calcule a densidade de elétrons livres}

Resistividade Elétrica de Metais

ρ

= influência da temperatura

ρ

= influência de impurezas

ρ

= influência do trabalho a frio

Influência da Temperatura

Influência de Impurezas

Quando há existência de duas fases:

Semicondutividade

Semicondutores Intrínsecos

Semicondutores Extrínsecos

Classificação:

Elementos mais comuns:

Si

(energia entre bandas de 1,1 eV)

Semicondução Intrínseca

O espaçamento entre as bandas é pequeno suficiente para que alguns elétrons adquiram energia suficiente para passar para a banda de

Semicondutores- Exemplo

Para silício intrínseco, a condutibilidade elétrica à temperatura ambiente é 4x10-4_(Wm)-1_{; as mobilidades do elétron e do buraco são, respectivamente,}

0,14 e 0,048 m2_.V-1_.s-1_{. Calcular as concentrações de elétron e de buraco à}

Semicondução Extrínseca

Depende da colocação intencional de uma impureza (dopante) que

promove o acréscimo ou de um buraco (p) ou de um elétron livre (n)

Semicondução extrínseca

do tipo p

Semicondutividade

Semicondução Extrínseca do tipo n

Acrescenta-se um elemento com valência maior que do átomo hospedeiro

Mais elétrons de condução que buracos

Semicondutividade

Representação no esquema de bandas:

Criação de um estado doador de elétron

Semicondutividade

Semicondução Extrínseca do tipo p

Acrescenta-se um elemento

com valência menor que do

átomo hospedeiro

Mais buracos que elétrons de

valência

Semicondutividade

Representação no esquema de bandas:

Fósforo é adicionado a silício de alta pureza para dar uma concentração de 1023 _m-3 _{de portadores de carga à temperatura ambiente.}

(a) Este material é do tipo-n ou do tipo-p?

(b) Calcular a condutibilidade deste material à temperatura ambiente, supondo que as mobilidades do elétron e do buraco sejam iguais às do material intrínseco.

Condução em Materiais Iônicos

Devido a alta separação entre as bandas de valência e condução e

baixíssima mobilidade de íons, materiais cerâmicos são isolantes

Condução em Materiais Poliméricos

Alta separação entre as bandas de valência e de condução;

materiais tipicamente isolantes

Exceção

: polímeros

condutores

Condução da ordem de 10

(Ωm)

Comportamento Dielétrico

Material Dielétrico

Isolante elétrico que tem estrutura de dipolo elétrico - capacitores

Capacitância no vácuo:

Capacitância na presença de um dielétrico:

Polarização de um dielétrico

Ferroeletricidade

Polarização espontânea mesmo na ausência de campo elétrico

Piezoeletricidade

Polarização e campo elétrico induzidos no material pela aplicação

de tensão Mecânica

Considere um capacitor de placas paralelas tendo uma área de 1 in2 _{(6,45 x}

10-4_m2_{) e uma separação entre placas de 0,08 in (2 x 10}-3_{m) através do qual}

um potencial de 10V é aplicado. Se um material tendo uma constante dielétrica de 6,0 for posicionado dentro da região entre as placas, calcular (a) A capacitância.

(b) A magnitude da carga armazenada em cada placa. (c) O deslocamento dielétrico D.

(d) A polarização.