Propriedades Elétricas

PROPRIEDADES MECÂNICAS, ELÉTRICAS,
TÉRMICAS, ÓPTICAS E MAGNÉTICAS
DOS MATERIAIS
1
Utilização dos metais
-
Metais puros:
cobre para fiação
zinco para revestimento de aço
alumínio para utensílios domésticos
2
Ligas metálicas
- Um
segundo
metal
é
adicionado para melhorar as
propriedades do conjunto.
3
Ligas monofásicas
- O segundo metal é adicionado
até que seja atingido o limite de
solubilidade do metal A no metal B.
4
Ligas monofásicas
- latão = cobre + zinco
- bronze = cobre + estanho
- ligas cobre-níquel
5
Ligas metálicas polifásicas
- São ligas onde o limite de
solubilidade foi ultrapassado.
- A maioria dos aços é assim
classificada
6
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA (σ)
É o movimento de cargas
elétricas (elétrons ou íons) de
uma posição para outra.
σ = 1/ρ= n.q.µ
σ= condutividade elétrica (ohm-1.cm-1)
ρ= resistividade elétrica (ohm.cm)
n= número de portadores de carga por cm3
q= carga carregada pelo portador
(coulombs) [q do elétron= 1,6x10-19
coulombs]
µ= mobilidade dos portadores de carga
(cm2/V.s)
R = ρ . l/A
7
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
SEMICONDUTORES
•
Tem resistividade entre metais e isolantes
10-6-10-4 Ω.cm 1010-1020 Ω.cm
A resistividade diminui com o aumento de
temperatura (ao contrário dos metais)
A resistividade diminui com a adição de
certas impurezas
A resistividade aumenta com a presença de
imperfeições nos cristais.
8
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES
• Silício, Germânio (Grupo IV da Tabela
Periódica)
• GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da
Tabela Periódica)
• PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela
Periódica)
•95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com
Silício
• 65% dos dispositivos de semicondutores do grupo IIIV são para uso militar
9
EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES
SÃO USADOS PARA A FABRICAÇÃO DOS
SEGUINTES DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E
OPTOELETRÔNICOS
•
•
•
•
•
Transistor
Diodos
Circuito integrado
LEDS
Detetores de infravermelho
Células solares, etc.
10
CAMPOS DE APLICAÇÃO DOS
DISPOSITIVOS DE SEMICONDUTORES
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Indústria
de
computadores
(memórias,
microprocessadores, etc.)
Indústria aeroespacial
Telecomunicações
Equipamentos de áudio e vídeo
Relógios
Na robótica
Sistemas industriais de medidas e controles
Sistemas de segurança
Automóveis
Equipamentos médicos,...
11
LIGAÇÃO QUÍMICA
A- METAIS
Os elétrons de valência não estão ligados a
nenhum átomo específico (estão livres)
Há atração entre os elétrons livres (de valência) e os
íons positivos (núcleo mais elétrons de valência)
Os metais têm elevada condutividade elétrica
devido os elétrons estarem livres para moverem-se
(alta mobilidade).
No entanto, a agitação térmica reduz o livre
percurso médio dos elétrons, a mobilidade dos
mesmos e como conseqüência a condutividade.
12
EFEITO DA TEMPERATURA E DA
ESTRUTURA DO MATERIAL NA
RESISTIVIDADE
13
EFEITO DA TEMPERATURA E DA
ESTRUTURA DO MATERIAL NA
RESISTIVIDADE
ESTRUTURA PERFEITA A
MOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS
BAIXA TEMPERATURA
ALTA TEMPERATURA
MOVIMENTO DOS ELÉTRONS
EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS
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LIGAÇÃO QUÍMICA
B- SEMICONDUTORES
Todos os semicondutores têm ligação
covalente, com 4 elétrons de valência. Os
semicondutores compostos (grupos III-V e IIVI) têm 4 elétrons de valência em média.
RESISTIVIDADE VERSUS TEMPERATURA
PARA UM SEMICONDUTOR
O aumento da temperatura fornece energia
que liberta transportadores de cargas
adicionais.
15
BANDAS DE ENERGIA
Os semicondutores se caracterizam por sua estrutura
eletrônica em bandas de energia.
Os elétrons de valência de dois átomos adjacentes
interagem entre si quando são aproximados um do outro,
como acontece em um sólido cristalino. Isso faz com que
novos níveis de energia sejam estabelecidos, originando
então bandas de energia (são níveis discretos de energia,
mas com diferenças apenas infinitesimais)
A banda de energia corresponde à um nível de energia
de um átomo isolado
•
As bandas de energia nem sempre se sobrepõem
•
Assim como orbitais, as bandas de energia podem
comportar no máximo dois elétrons.
16
GAP DE ENERGIA (BANDA
PROÍBIDA)
•É o espaço entre as bandas de energia
É o que distingue um semicondutor de
um condutor ou isolante.
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NÍVEL DE DE ENERGIA DE
FERMI
•É definido como o nível de energia
abaixo do qual todos os estados de
energia estão ocupados a 0K.
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CONDUTOR
Os elétrons não
preenchem todos os
estados possíveis da
banda de valência e por
isso a condução ocorre
na banda de valência.
Num metal o nível de
Fermi esta localizado na
banda de valência.
Nível de Fermi
Banda de valência
incompleta
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ISOLANTES
Os elétrons
preenchem todos os
estados possíveis da
banda de valência e por
isso a condução NÃO
ocorre na banda de
valência.
BANDA
DE
CONDUÇÃO
Nível de fermi GAP DE ENERGIA
Um semicondutor difere de um isolante pelo tamanho do gap de
BANDA
DE
VALÊNCIA
energia
• Gap de um Semicondutor: 0,1-5 eV
•
Gap de um isolante é maior
20
SEMICONDUTOR
BANDA
Da mesma forma
DE
que nos isolantes,
CONDUÇÃO
os elétrons
preenchem todos os Nível de fermi GAP DE ENERGIA
estados possíveis
BANDA
da banda de
DE
valência.
Um semicondutor difere de um isolante pelo tamanho do gap de
VALÊNCIA
energia
• Gap de um Semicondutor: 0,1-5 eV
•
Gap de um isolante é maior
21
SEMICONDUTOR
Num semicondutor, os elétrons podem ser
excitados para a banda de condução por
energia elétrica, térmica ou óptica
(fotocondução)
Ö Quando um elétron é excitado para a
banda de condução deixa um buraco ou uma
vacância na banda de valência que contribui
também para a corrente.
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CONDUÇÃO INTRÍNSECA
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
É a condução resultante dos
movimentos eletrônicos nos materiais
puros.
•
•
Um semicondutor pode ser tipo "p" ( condução
devido aos buracos) ou tipo "n" (condução
devidos aos elétrons)
Este tipo de condução se origina devido a
presença de uma imperfeição eletrônica ou
devido a presença de impurezas residuais.
CONDUÇÃO INTRÍNSECA
23
CONDUÇÃO INTRÍNSECA
(SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)
É a condução resultante dos movimentos eletrônicos
nos materiais puros.
24
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA
Quando adiciona-se intencionalmente uma
impureza dopante para proporcionar elétrons ou
buracos extras.
Os semicondutores extrínsecos podem ser:
Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos
extras.
Tipo n: com impurezas que proporcionam elétrons
extras
Os processos utilizados para dopagem são difusão e
implantação iônica
25
(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P)
.Quando adiciona-se intencionalmente
uma impureza dopante para CRIAR
buracos extras.
•
Impurezas tipo "p" ou aceitadores
proporcionam buracos extraS
Ö
Exemplo: Dopagem do Si (valência 4)
com Boro (valência 3)
26
(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P)
BORO É UM DOPANTE
TIPO P PARA O SILÍCIO
PORQUE PROPORCIONA
BURACOS EXTRA
27
(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P)
NÍVEL DE FERM I
28
(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N)
Impurezas tipo "n"
ou doadores.Ö
proporcionam
elétrons extra
Exemplo: Dopagem
do Si (valência 4)
com
Fósforo
(valência 5)
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(SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N)
NÍVEL DE FERMI
30
CONDUÇÃO EXTRÍNSECA
CONSIDERAÇÕES GERAIS
Ö Os elétrons tem maior mobilidade
que os buracos.
Ö A presença de impurezas pode
alterar o tamanho do gap de energia do
semicondutor.
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OPERAÇÃO DO DIODO
(JUNÇÃO P-N)
Dispositivos eletrônicos como transistors,
circuitos integrados, chips, etc... usam a
combinação
de
semicondutores
extrínsecos tipo “p” e tipo “n” .
DIODO Î é um dispositivo que permite
a corrente fluir em um sentido e não em
outro. É construído juntando um
semicondutor tipo “n” e tipo “p”.
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JUNÇÃO P-N
-Quando uma voltagem é aplicada
como no esquema abaixo, os dois
tipos de cargas se moverão em
direção à junção onde se
recombinarão. A corrente elétrica
irá fluir.
-Como no esquema abaixo, a
voltagem causará o movimento de
cargas para longe da junção. A
corrente não irá fluir no dispositivo.
33
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
34
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
A maioria dos elementos e materiais
não exibem propriedades magnéticas.
Materiais que exibem propriedades
magnéticas:
Ferro, Níquel, Cobalto, Gadolíneo,
algumas ligas (SmCo5, Nd2Fe14B, ...)
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Ferromagnetismo
É a propriedade de concentrar as linhas
de força magnética, caracterizada pela
permeabilidade magnética.
Ferromagnéticos- permeabilidade magnética >1
(subst. Paramagnéticas) - elétrons desemparelhados
Ferro, Cobalto, Níquel e Gadolínio
Outros metais-permeabilidade magnética <1 (subst.
Diamagnéticas) - elétrons emparelhados
36
PERMEABILIDADE
MAGNÉTICA
Permeabilidade Magnética
(µ)- está relacionada com a
intensidade de magnetização.
A intensidade de magnetização
varia em função da intensidade
do campo aplicado.
É característica do material
µ= tg θ B/H
É dada em Gauss/Oersted
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Domínios magnéticos
São regiões da estrutura do material
onde todos os átomos cooperam
magneticamente, ou seja, são zonas
de
magnetização
espontânea
(<0,05mm).
Quando um campo magnético
é aplicado, os domínios magnéticos
tendem a se alinhar com o campo e,
então, o material exibe propriedades
magnéticas.
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Ponto de Curie
É a temperatura na qual os domínios
magnéticos são destruídos.
39
Curva de magnetização ou de histerese
Indução residual (Br) - é a indução magnética que se
conserva no corpo magnetizado, depois de anulada a
intensidade do campo.
É dada em Gauss
Força coercitiva (Hc)- é a intensidade de campo que tem
de ser aplicado para desmagnetizar.
É dado em Oersted
Material com elevado Hc = consome energia para alinhar
os domínios magnéticos, de uma direção para outra. A
quantidade de energia necessária para magnetizar é
proporcional a área do ciclo de histerese.
Permeabilidade Magnética (µ)- é a intensidade de
magnetização. A intensidade de magnetização varia em
função da intensidade do campo. ë característica do
material
µ= tg θ B/H
É
dada em Gauss/Oersted
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Classificação das ligas
magnéticas
A classificação é feita de acordo com a
forma da curva de histerese.
O nome esta relacionado com as
propriedades mecânicas/metalúrgicas
da liga:
Ligas Magnéticas Duras
Ligas Magnéticas Macias
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Ligas magnéticas duras
- Se caracterizam pelo grande valor de
Hc e alto Br
- São ligas endurecidas com estruturas
desequilibradas, dispersas
- São utilizadas na fabricação de imãs
permanentes
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Ligas magnéticas macias
- Apresentam Hc de baixo valor e pequenas
perdas de histerese e baixo Br.
- São ligas organizadas. Geralmente metais
puros com boa qualidade estrutural.
- São empregadas como ligas a serem
submetidas à magnetização alternada
(núcleos de transformadores)
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CURVA HISTERÉTICA PARA LIGAS MAG. DURAS E
MACIAS
44
Papel dos elementos de liga
•
Aumentam a força coercitiva ou “dureza” magnética
•
Diminuem o tamanho de grão
A formação de uma segunda fase, pela adição de elementos
de liga (acima do limite de solubilidade), contribui para o
aumento do Hc. Quanto mais elevada a dispersão da segunda fase
maior o Hc.
O endurecimento causado pela transformações de fase ou
pela diminuição do tamanho de grão aumentam o Hc, porque
evitam a redistribuição ao acaso dos domínios magnéticos.
45
Variação da resistividade com a temperatura
para semicondutores
•Aumentando a temperaturaÆ diminui a condutividade Æ
aumenta a resistividade para os metais
•Condutividade elétrica : σ = niq(µn + µq)
•
•Variação com a temperatura: σ = σoexp(-Eg/2kT)
• porcentagem de
transporte de cargas:
46