Capitulo-3

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Sensores e Biossensores

Prof. Gustavo Oliveira Cavalcanti

gustavooc@poli.br

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Princípios Físicos

Estudaremos os princípios físicos empregados

na conversão de estímulos não elétricos em

elétrico.

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Princípios Físicos

Carga elétrica, campos e potenciais

• Temos dois tipos de cargas: positivas e negativas.

• Benjamin Franklin (Pipa voando para provar a existência das cargas atmosférica). Ele sobreviveu.

• A carga elétrica não pode ser criada ou destruída. Ex. Bastão de vidro polido com tecido de lã.

Bastão de vidro polido com tecido de lã.

• Existe três tipos de materiais segundo a carga:

• Metal

Elétrons livres para se deslocar

• Isolante

Poucos elétrons livres para se deslocar

• Semicondutor

Intermediário

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Princípios Físicos

Carga elétrica, campos e potenciais

O campo elétrico e definido como: 0 q f E r r = As linhas de campo C e =1,602×10−19 As linhas de campo começam na carga positiva e termina na negativa. A densidade de linhas indica a magnitude.

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Princípios Físicos

Carga elétrica, campos e potenciais

O que é campo?

é uma grandeza física que pode ser especificada simultaneamente para todos os pontos dentro de uma determinada região de interesse.

O campo pode ser:

• Escalar Densidade Temperatura • Vetorial Velocidade Força

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Princípios Físicos

Carga elétrica, campos e potenciais

O campo Elétrico

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Princípios Físicos

Carga elétrica, campos e potenciais

Potencial Elétrico

é uma grandeza física que pode ser especificada simultaneamente para todos os pontos dentro de uma determinada região de interesse.

0 q W V V_B − _A = − AB V E = −∇ r r

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Princípios Físicos

Capacitância

V q C = picofarad (pF) = 10 -12 nanofarad (nF) = 10-9 microfarad (µF) = 10-6

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Princípios Físicos

Capacitância

d A C = ε0 Ɛ₀ = permissividade do vácuo Ɛ = permissividade do meio

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Princípios Físicos

Capacitância

' 0 E E E r r r + = P E D r r r + = ε₀

De forma generalizada temos: = Densidade de fluxo elétrico

= Polarização do meio

D

r P

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Princípios Físicos

Capacitância

De uma forma generalizada a capacitância pode ser:

G C = ε₀κ

G = Depende da geometria

κ = Constante dielétrica. f (temperatura, frequência)

Constante dielétrica da água em função da temperatura.

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Princípios Físicos

Capacitância

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Princípios Físicos

Capacitância

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Princípios Físicos

Magnetismo

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Princípios Físicos

Magnetismo

Como a matéria responde ao magnetismo?

Os meios podem ser: •Não magnéticos; •Diamagnéticos; •Paramagnéticos; •Ferromagnéticos.

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Princípios Físicos

Magnetismo

Lei de Faraday

Se uma corrente elétrica é capaz de produzir o magnetismo, é possível que o magnetismo seja usado para produzir eletricidade?

t V_fem ∂ ∂ − = ϕ =

∫

BdS r r ϕ

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Princípios Físicos

Magnetismo

] /

.

[henry volt segundo ampere i N L = ϕ = Indutância dt di L v = −

Imãs permanentes são utilizados em sensores de movimento, deslocamento, posição e assim por diante.

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Princípios Físicos

Magnetismo

Indutância Mútua dt di M v₂ = − ₂₁ 1

O fluxo magnético (corrente) de uma bobina enlaça a outra bobina.

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Princípios Físicos

Resistência

É a oposição a passagem de corrente em um material.

l V E = V R = Sensível a:

• Temperatura [Termistor -> Semicondutores de cerâmica feitos com oxido de um ou mais metais. (níquel, manganês, cobalto, titânio, ferro)];

dt dq i = i V R =

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Princípios Físicos

Resistência

Sensível a:

• Tensão Mecânica [ Piezoresistor -> A resistência

muda quando o material é mecanicamente deformado. Variação da secção transversal do condutor “a”];

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Princípios Físicos

Resistência

Sensível a:

• Umidade [ Hygristors – Utiliza-se gel semicondutor higroscópico, ou seja, que possuem a característica de absorver umidade ];

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Princípios Físicos

Efeito Piezoelétrico

O efeito piezoelétrico é a geração de carga elétrica por um material cristalino sujeitando a um estresse.

[Cristais naturais de Quartzo (SiO₂), cerâmicas feitas pelo homem e alguns polímeros]

A força F_x deforma a molécula do cristal produzindo assim uma tensão na direção ortogonal y.

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Princípios Físicos

Efeito Piezoelétrico

O efeito piezoelétrico é reversível, ou seja uma tensão aplicada nos eletrodos produz uma deformação.

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Princípios Físicos

Efeito Piezoelétrico

O elemento piezoelétrico pode ser usado como um cristal simples ou em multicamadas.

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Princípios Físicos

Efeito Piroelétrico

Os materiais piroelétricos são cristais capazes de gerar um carga elétrica em resposta a um fluxo de calor.

<= Sensor

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Princípios Físicos

Efeito Piroelétrico

Q₀ e V₀ são função do fluxo de calor que passa pelo sensor.

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Princípios Físicos

Efeito Hall

O efeito baseia-se na interação entre o movimento de uma carga elétrica e um campo magnético externo.

B v q F r r r × =

•Utilizado como ferramenta para estudo das condições elétricas em metais e outros materiais condutivos.

• Utilizado como sensor de campo magnético, posição e deslocamento de objetos.

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Princípios Físicos

Efeito Seebeck e Peltier

Acidentalmente Seebeck percebeu que uma bússola sofria deflexão quando duas junções de metais diferentes eram submetidos a diferentes temperaturas.

Seebeck denominou de efeito termomagnético e não associou a corrente elétrica.

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• Efeito Seebeck

– Tensão em Função da Temperatura.

Princípios Físicos

Efeito Seebeck e Peltier

O efeito baseia-se na interação entre o movimento de uma carga elétrica e um campo magnético externo.

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Princípios Físicos

Efeito Seebeck e Peltier

• Efeito Peltier

– Temperatura em Função da Corrente.

A corrente elétrica ao passar de uma substância para outra faz com que o calor seja fornecido ou absorvido

na junção.

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Princípios Físicos

Ondas Sonoras

• Som está associado a faixa de frequência audível ao ser humano (20 – 20k Hz).

• Abaixo dessa faixa (20 – 20k Hz) temos Infrassom • Estruturas de edifícios;

• Predição de terremoto;

• Outras fontes de grandes geometrias. • Outras fontes de grandes geometrias.

• Acima dessa faixa (20 – 20k Hz) temos Ultrassom

2 0υ ρ = ∆ ∆ − = V V p B

Quando um meio é comprimido, seu volume mude de V para V - ∆V. A taxa de variação de pressão, ∆p, para a variação relativa de volume é chamado de módulo de

elasticidade do meio,

ρ₀ = densidade de compressão υ = Velocidade do som

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Princípios Físicos

Ondas Sonoras

Assim, a velocidade do som pode ser definida por,

0

ρ

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Princípios Físicos

Ondas Sonoras

A pressão em um determinado ponto no meio não é constante e muda continuamente, e a diferença entre o

valor instantâneo e a pressão média é denominado pressão acústica P.

A pressão sonora pode ser expressa em decibéis por A pressão sonora pode ser expressa em decibéis por

      = 0 10 log 20 P P β

onde P₀ = 2x10-5 _N/m2 _{(0.0002 µbar). O nível sonoro é}

referenciado por P₀ em 1kHz onde o ouvido humano e mais sensível.

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Princípios Físicos

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Princípios Físicos

Propriedades Térmicas

Temperatura = Medida do grau de agitação do meio. Graus Celsius (O_{C), Kelvin (}O_{K) e Fahrenheit (}O_F).

Calor = Energia térmica em transferência. Calorias (cal) e British thermal unit (Btu).

Expansão térmica Expansão térmica

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Princípios Físicos

Propriedades Térmicas

• Calor (Q) => [cal]

• Calor Específico (c) => [cal/g°C]

• Maior c => mais “difícil” é elevar a T

) ( _f _i mC Q = θ −θ T m Q C ∆ = – Água = 1 cal/g°C – Latão = 0,092 cal/g°C – Ouro = 0,032 cal/g°C

• Calor Latente (L)

– Mudança de Fase – Água mL Q =

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Princípios Físicos

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Princípios Físicos

Luz

Espectro Eletromagnético λ c v =

A frequência da onda é dada por:

hv E =

A energia de um fóton é dada por:

Js h = 6.63×10−34

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• Ondas Eletromagnética

Princípios Físicos

Luz

t B E B D _v ∂ ∂ − = × ∇ = ∇ = ∇ r r r r r r r 0 . . ρ

• Ondas Eletromagnética

• Linear

• Circular

• Elíptica

t D J H t ∂ ∂ + = × ∇ ∂ r r r r