Aulas 02 Eletrônica e Mecânica Quântica [Modo de Compatibilidade]

L’ange du foyer / Le Triomhe du Surrealism – Max Ernst
FÍSICA PARA ENGENHARIA ELÉTRICA
José Fernando Fragalli
Departamento de Física – Udesc/Joinville
ELETRÔNICA E
MECÂNICA
QUÂNTICA
“Near the end of this decade, when they begin
enumerating the names of the people who had the
greatest impact on the 20th century, the name of John
Bardeen, who died last week, has to be near, or
perhaps even arguably at, the top of the list... Mr. [sic]
Bardeen shared two Nobel Prizes and won numerous
other honors. But what greater honor can there be
when each of us can look all around us and
everywhere see the reminders of a man whose genius
has made our lives longer, healthier and better.” –
Editorial do Chicago Tribune em 03/02/1991.
Física para Engenharia Elétrica – Eletrônica e Mecânica Quântica
ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. Introdução
2. O Nascimento da Eletrônica
a. A Válvula Diodo
b. A Válvula Triodo
3. A Era da Eletrônica
a. O transistor
4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido
5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica
Quântica
Física para Engenharia Elétrica – Eletrônica e Mecânica Quântica
ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Eletrônica e o comportamento macroscópico dos elétrons
Podemos focar o estudo da eletrônica em vários
aspectos, dos quais destacaremos três.
a) A Eletrônica estuda o comportamento macroscópico
dos elétrons nos dispositivos.
Descrição pictórica do
movimento de elétrons em
um fio metálico
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Eletrônica e o comportamento microscópico dos elétrons
b) A Eletrônica estuda o comportamento microscópico
dos elétrons nos dispositivos.
Orbital s
Orbital p
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Orbital d
ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Eletrônica e os vários dispositivos
c) A Eletrônica estuda dispositivos de retificação,
amplificação e chaveamento de sinais elétricos.
Diodos
Transistores bipolares
Transistor MOSFET em
uma placa-mãe
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Circuitos de retificação
Os circuitos de retificação podem ser de vários tipos,
como mostrados a seguir.
a) Retificação de Meia-Onda.
Circuito retificador de
meia onda e respectiva
transformação do sinal
elétrico
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Mais circuitos de retificação
b) Retificação de Onda Completa.
Circuito retificador de
onda completa e
respectiva transformação
do sinal elétrico
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Circuitos de amplificação
Uma forma de fazer o transistor trabalhar como elemento
de amplificação é com o emissor comum, como mostrado
abaixo.
Transistor conectado a um sinal de
entrada com emissor comum à saída
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Mais circuitos de amplificação
Outra forma de fazer o transistor trabalhar como
elemento de amplificação é com a base comum, como
mostrado abaixo.
Transistor conectado a um sinal de
entrada com base comum à saída
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
O circuito de chaveamento
Os transistores também podem ser usados em circuitos
que chaveiam o sinal elétrico.
Abaixo mostramos um tipo de circuito que chaveia o
sinal elétrico.
Um típico circuito
chaveador usando
transistor
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1. INTRODUÇÃO
O sinal de saída chaveado
A seguir, mostramos o sinal de saída após o transistor
chavear o sinal.
Sinal de saída já chaveado pelo transistor
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Mecânica Quântica: por que é importante na Eletrônica
Apresentamos a seguir alguns aspectos que destacam a
importância da Mecânica Quântica para a Eletrônica.
A Mecânica Quântica é a ferramenta teórica que melhor
descreve o comportamento microscópico dos elétrons.
Por conta disto, a Mecânica Quântica é muito útil no
projeto de novos dispositivos com propriedades inovadoras
e surpreendentes.
Desta forma, a Mecânica Quântica auxilia no
desenvolvimento por engenheiros e cientistas de uma série
de produtos e dispositivos largamente utilizados em nossos
dias.
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. INTRODUÇÃO
Aplicações da Mecânica Quântica na Eletrônica
A Eletrônica está tão presente em nossas vidas que seria
desnecessário destacar a sua importância.
Ainda assim, ousamos
principais aplicações.
apontar
algumas
de
suas
a) Microeletrônica: CIRCUITOS
INTEGRADOS.
Fotografia de um circuito integrado
construído no Brasil, nos laboratórios da
Escola Politécnica da USP em 1988
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1. INTRODUÇÃO
Mais aplicações da Mecânica Quântica na Eletrônica
b) Optoeletrônica: LASER DE DIODO.
Laser de
Diodo
Constituição de um laser
de diodo
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1. INTRODUÇÃO
Aplicações da Mecânica Quântica em Novos Materiais
c) Novos materiais: NANOTECNOLOGIA.
Estruturas alotrópicas do
carbono
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. Introdução
2. O Nascimento da Eletrônica
a. A Válvula Diodo
b. A Válvula Triodo
3. A Era da Eletrônica
a. O transistor
4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido
5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica
Quântica
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
O “pai” da Eletrônica
Podemos dizer que a Eletrônica “nasceu” em 1905 com a
invenção da válvula diodo.
A invenção da válvula diodo se deve a
John Ambrose Fleming (1847-1945).
Fleming foi aluno de James Clerk
Maxwell quando este dava aulas de
matemática e eletricidade na Cambridge
University em 1877.
John Fleming
Fleming foi consultor científico
Marconi na área de radiotelegrafia.
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de
ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
O que fez Fleming?
De 1888 a 1891 trabalhou na Edson Electric Light
Company, empresa de Thomas Alva Edison (1847-1931).
Durante este período, desenvolveu experimentos com o
Efeito Edison (emissão termoiônica), que é o efeito básico
usado no desenvolvimento da válvula.
Esquema de uma
válvula simples
Thomas Edison
Dispositivo usado por Edison em 1883
para descobrir a Emissão termoiônica
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
A patente da válvula diodo
Em 1905 Fleming patenteou a válvula diodo.
A válvula diodo desenvolvida por Fleming foi usada em
rádios receptores e radares por muitas décadas, até que ela
fosse sobrepujada pelos diodos e transistores de estado
sólido, na década de 1950.
Primeiras válvulas diodo
construídas por Fleming
Válvula diodo usada em
um rádio receptor
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. Introdução
2. O Nascimento da Eletrônica
a. A Válvula Diodo
b. A Válvula Triodo
3. A Era da Eletrônica
a. O transistor
4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido
5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica
Quântica
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Esquema de construção da válvula diodo
A válvula diodo é composta de um filamento e uma placa
metálica dentro de um bulbo de vidro.
Muito do ar presente no bulbo é bombeado para fora para
obter um vácuo parcial.
Exemplo de
uma válvula
comercial
Constituintes básicos de uma válvula diodo
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Aplicações da válvula diodo
A válvula diodo é usada em diversas aplicações, às quais
destacamos sua ação como retificador e como detector.
a) Retificador: essencialmente converte um sinal AC em
um sinal DC, como esquematizado abaixo.
Exemplo de
válvulas
comerciais
Válvula atuando como retificador de sinal elétrico
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Mais aplicações da válvula diodo
b) Detector: neste caso, a válvula obtém o sinal a partir
de uma onda portadora modulada, como esquematizado
abaixo.
Válvula atuando como
detector de sinal elétrico
transportado por uma
onda modulada
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Princípio de operação da válvula diodo
Na figura abaixo mostramos um típico circuito de
operação onde vemos uma fonte (B), uma válvula e um
resistor de carga (RL).
Este circuito faz com que
uma corrente elétrica e uma
diferença de potencial sejam
selecionados
para
a
operação junto ao resistor
de carga.
Princípio básico de operação de
uma válvula diodo
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Modelo físico de funcionamento da válvula diodo
A válvula diodo pode ser modelada unicamente com
conceitos da eletrostática.
Modelar significa obter uma expressão
para a curva característica da válvula I(V) a
partir de primeiros princípios, isto é, a partir
das leis básicas da eletricidade.
I = I (V )
Curva característica da
válvula diodo.
I: corrente elétrica que circula pela válvula
Modelo para uma
válvula diodo
V: tensão de polarização da válvula
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Curva característica ideal da válvula diodo
Aplicamos a Equação de Poisson e o Princípio da
Conservação da Energia para obter a curva característica
I(V).
1/ 2
4 ε0 ⋅ A  2⋅e 

I (V ) = ⋅ 2 ⋅ 
9 d
 me 
ε0 = 8,85×10-12 C2/N⋅m2
e = 1,602×10-19 C
me = 9,109×10-31 C
Modelo para uma
válvula diodo
⋅V
3/ 2
A 3/ 2
I (V ) = 2,32 ×10 ⋅ 2 ⋅V
d
−6
A: área de seção transversal dos eletrodos da válvula
d: distância entre o cátodo e o ânodo
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Modelo teórico × funcionamento prático da válvula diodo
Abaixo mostramos a curva característica teórica (à
esquerda) e curvas características de duas válvulas
comerciais.
Válvulas reais
5U4 e 1V2
I 5U 4 ∝ V 2, 0
I1V 2 ∝ V 1,1
Válvula
Ideal
I ∝ V 1,5
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1. Introdução
2. O Nascimento da Eletrônica
a. A Válvula Diodo
b. A Válvula Triodo
3. A Era da Eletrônica
a. O transistor
4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido
5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica
Quântica
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
O “pai” da válvula triodo
Em 1906 Lee De Forest (1873-1961) obteve a patente de
um dispositivo de dois eletrodos usado como detector de
ondas eletromagnéticas.
Este dispositivo era uma variante da válvula
diodo inventada por Fleming em 1904.
Em 1907 De Forest obteve a patente de um
dispositivo de três eletrodos, muito mais
sensível
na
detecção
de
ondas
eletromagnéticas.
Lee De Forest
Este dispositivo também foi chamado de
“válvula de De Forest” e desde 1919 é
conhecido por válvula triodo.
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Esquema de construção da válvula triodo
A válvula triodo é obtida a partir da válvula diodo, com a
introdução de uma grade colocada entre o cátodo e o ânodo,
como pode ser visto na figura abaixo.
Constituintes básicos de uma válvula triodo
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Funcionamento da válvula diodo
A grade introduzida entre o cátodo e o ânodo controla o
fluxo de elétrons entre estes dois eletrodos.
A corrente elétrica que
flui pelo circuito varia de
acordo com o valor da
tensão aplicada entre a
grade e o ânodo.
Existe um valor de
tensão elétrica acima da
qual cessa o fluxo de
elétrons através do circuito.
Funcionamento da válvula triodo
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Curvas características da válvula triodo
Abaixo mostramos as curvas características de uma
válvula triodo para vários valores de tensão de grade
aplicados.
Na
mesma
figura
é
apresentada (em linha tracejada)
a Lei de Child, que é a curva
teórica para a válvula diodo.
Curvas características da válvula
triodo 6SN7 para várias tensões
aplicadas à placa
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Desvantagens do uso das válvulas
Abaixo apresentamos algumas desvantagens no uso de
válvulas em circuitos elétricos.
a) o seu tamanho: a miniaturização dos dispositivos fica
comprometida.
b) a sua fragilidade: o seu
invólucro é feito de vidro.
Exemplo de válvulas
triodos comerciais
c)
o
aquecimento
em
operação: como ela trabalha em
alta tensão, a dissipação de
energia na forma de calor é grande.
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Mais desvantagens do uso das válvulas
d) a sua vida é curta, se comparada ao do transistor.
e) a sua fabricação é mais dispendiosa do que a do
transistor, devido à baixa escala de fabricação.
f) dificuldades técnicas: as válvulas
apresentam alto ruído e instabilidade em
algumas
faixas
de
frequência,
principalmente na região de micro-ondas.
Esquema interno de uma
válvula triodo
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Vantagens do uso das válvulas
Abaixo apresentamos algumas vantagens no uso de
válvulas em circuitos elétricos.
a) válvulas são usadas em situações onde sejam
necessárias maiores quantidades de potência.
b) o transistor trabalha em uma faixa limitada de
potência, enquanto que a válvula trabalha em potências
desde µW até milhares de W.
c) válvulas apresentam uma vantagem técnica adicional
que é o desempenho melhor em altas frequências, se
comparada com a de um transistor.
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
“Agradecimentos” às válvulas
Mesmo com as limitações comparadas com a ação dos
atuais transistores, as válvulas foram responsáveis por um
enorme avanço tecnológico, alguns deles apontados abaixo.
a) Projeto e desenvolvimento dos grandes sistemas de
comunicação do Século XX, como o rádio (Guglielmo
Marconi, em 1901) e TV (John Logie Baird, em 1926).
Exemplo de rádio
Exemplo de TV
Guglielmo Marconi
John Logie Baird
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2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA
Mais “agradecimentos” às válvulas
b) Projeto e desenvolvimento do primeiro computador
eletrônico (valvulado), o ENIAC – ELECTRONIC NUMERICAL
INTEGRATOR AND CALCULATOR, em 1946.
O ENIAC, mostrado em
operação ao lado, é composto
por 17.468 válvulas e ocupava
um galpão imenso. Processava
apenas 5.000 adições, 357
multiplicações e 38 divisões por
segundo, bem menos até do que
uma calculadora de bolso atual,
das mais simples
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1. Introdução
2. O Nascimento da Eletrônica
a. A Válvula Diodo
b. A Válvula Triodo
3. A Era da Eletrônica
a. O transistor
4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido
5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica
Quântica
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
Aspectos históricos
Antes da 2a Guerra Mundial a pesquisa em eletrônica se
concentrava no estudo de contatos retificadores para
circuitos de rádio-comunicação.
Até então este tipo de contato era feito por
um dispositivo conhecido como coesor de
Branly.
Esquema do
Coesor de Branly
Fotografia do
Coesor de Branly
O
coesor
de
Branly
funciona quando uma onda
eletromagnética ativa o estado
condutor de limalhas metálicas.
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
Mais história
Apesar de funcionar, o coesor de Branly apresentava
instabilidade, tal que procurou-se por um artefato
tecnológico que pudesse funcionar como radar.
O avanço tecnológico entre a 1a e a 2a Guerra Mundial
procurou por dispositivos estáveis de estado sólido.
Isto culminou com a
descoberta
do
efeito
transistor em 1947 por John
Bardeen (1908-1991) e Walter
Houser Brattain (1902-1987).
John Bardeen
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Walter Brattain
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
O primeiro transistor
Esta descoberta foi o início de uma nova era, tanto na
pesquisa em semicondutores como no desenvolvimento
tecnológico.
O primeiro transistor construído por Bardeen e Brattain
foi feito apenas com um bloco de germânio (Ge) ligado por
contatos metálicos a fontes de tensão.
Primeiro transistor
construído por
Bardeen e Brattain
Esquema
constitutivo do
primeiro transistor
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
A contribuição essencial de Shockley
Em 1948 o transistor bipolar tomou a sua atual
configuração a partir da contribuição de William Bradford
Schockley (1910-1989).
Ao invés do bloco de Ge, Schockley usou o semicondutor
dopado com impurezas doadoras (tipo n) e aceitadoras (tipo
p), além dos contatos metálicos e fontes de tensão.
Esquema
constitutivo do
primeiro transistor
William Schockley
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1. Introdução
2. O Nascimento da Eletrônica
a. A Válvula Diodo
b. A Válvula Triodo
3. A Era da Eletrônica
a. O transistor
4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido
5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica
Quântica
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
Os inventores do transistor
Como vimos, O transistor foi inventado em duas etapas,
por três cientistas: John Bardeen, Walter Brattain e William
Schockley.
Pela descoberta e aperfeiçoamento do transistor,
Bardeen, Brattain e Shockley ganharam o Prêmio Nobel de
Física de 1956.
William Schockley
John Bardeen
Walter Brattain
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
O destino dos inventores do transistor
Bardeen e Brattain continuaram seu trabalho na pesquisa
básica da Física do Estado Sólido na University of Illinois
(Urbana), IL – USA.
Shockley voltou-se para a indústria, criando a empresa
Shockley Semiconductor Company , que posteriormente deu
origem à Intel.
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
O efeito transistor
O transistor foi inicialmente conhecido como “triodo
semicondutor”, em analogia à válvula triodo que apresentava
a mesma característica de amplificação.
Transistor é uma junção das
palavras (em inglês) transfer e resistor,
e significa a transferência de corrente
elétrica de um circuito a outro.
Como vemos, o transistor apresenta
três terminais: o coletor (C), a base (B) e
o emissor (E).
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
Primeiras consequências da invenção do transistor
À título de curiosidade, a descoberta do transistor
ocorreu em Dezembro de 1947, e não em Junho de 1948
como frequentemente divulgado.
A divulgação das pesquisas foi retardada durante estes
sete meses por problemas relativos à patente.
Apesar
do
grande
impacto
posterior, a repercussão não foi
grandiosa pois não se discutia à época
a substituição das válvulas pelos
transistores.
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
Primeiras consequências da invenção do transistor
O dispositivo construído por Bardeen e Brattain
apresentava
problemas
com
a
estabilidade
e
reprodutibilidade dos contatos elétricos.
Como vemos na figura ao lado, no
primeiro transistor os contatos elétricos
eram feitos com clipes e lâminas de
navalha.
Em
1949
Shockley
(Bell
Labs)
aperfeiçoou o transistor de contato de
ponto utilizando materiais semicondutores
que apresentavam dopagem (impurezas).
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
O efeito transistor
A grosso modo, o transistor funciona como uma “torneira
eletrônica”.
No caso do transistor, ele
regula a quantidade de corrente
elétrica que passa por um circuito.
O transistor pode ser usado
tanto como um interruptor digital
(chave) como um dispositivo
analógico
para
controlar
progressivamente
a
corrente
elétrica em um dispositivo.
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
O funcionamento do transistor: o papel de Vbe
Veremos agora, passo a passo, como funciona o
transistor.
a) Uma corrente
elétrica de controle é
aplicada entre o emissor
e a base.
b) Os elétrons são
injetados na base através
da junção com o emissor
(devido a Vbe).
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3. A ERA DA ELETRÔNICA
O papel da tensão entre o coletor e a base
c) Elétrons fluem
através da junção com o
coletor para o circuito
externo (devido a Vce).
d)
Quando
a
voltagem na base varia, a
corrente
elétrica
no
circuito externo varia
proporcionalmente.
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. Introdução
2. O Nascimento da Eletrônica
a. A Válvula Diodo
b. A Válvula Triodo
3. A Era da Eletrônica
a. O transistor
4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido
5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica
Quântica
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
Aspectos históricos
Antes do transistor, a eletrônica estava centrada na
válvula, que é um dispositivo à vácuo.
Após a invenção do transistor houve uma ênfase no
desenvolvimento de dispositivos de Estado Sólido.
Com isso, houve uma mudança no paradigma do
desenvolvimento científico e tecnológico.
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
A Guerra Fria
Antes do transistor ⇒ 2a Guerra Mundial, Bomba
Atômica, Tecnologia Nuclear.
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
A prevalência da pesquisa em Física Nuclear
Grande parte do financiamento à pesquisa foi destinado à
compreensão da Física Nuclear....
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
Usinas nucleares
E à construção de reatores nucleares...
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
Os problemas da energia nuclear
E ..... ao desenvolvimento da bomba atômica ⇒ Guerra
Fria.
Pensem nas crianças mudas telepáticas
Pensem nas meninas cegas inexatas,
Pensem nas mulheres rotas alteradas,
Pensem nas feridas como rosas cálidas,
Mas não se esqueçam da rosa da rosa,
Da rosa de Hiroxima a rosa hereditária,
A rosa radioativa estúpida e inválida,
A rosa com cirrose a anti-rosa atômica,
Sem cor nem perfume sem rosa sem nada.
Rosa de Hiroxima
Vinícius de Morais
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
A mudança de paradigma
Após o transistor ⇒ revolução da Eletrônica e da
tecnologia em Novos Materiais.
a) Materiais metálicos: ligas metálicas leves.
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
A mudança de paradigma
Após o transistor ⇒ revolução da Eletrônica e da
tecnologia em Novos Materiais.
b) Materiais cerâmicos: cerâmica de alto desempenho.
ALUMINA
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
A mudança de paradigma
Após o transistor ⇒ revolução da Eletrônica e da
tecnologia em Novos Materiais.
c) Materiais poliméricos: plásticos.
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
A mudança de paradigma
Após o transistor ⇒ revolução da Eletrônica e da
tecnologia em Novos Materiais.
d) Materiais compósitos.
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
A prevalência da Física Atômica
O que estes materiais têm em comum?
1) Todos foram obtidos a partir de um melhor
conhecimento da estrutura dos ÁTOMOS que os constituem.
2) Hegemonia da Física Atômica como base para a
Física do Estado Sólido.
3) Necessidade de uma ferramenta teórica para melhor
compreender o ÁTOMO ⇒ MECÂNICA QUÂNTICA.
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 1940
1) Década de 1940 (1946) ⇒ Invenção do TRANSISTOR.
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4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 1950
2) Década de 1950 (1958, Jack Kilby e Robert Noyce,
Texas Instrument) ⇒ Miniaturização (Circuitos Integrados).
Fotografia do
primeiro circuito
integrado (CI)
fabricado pelas
Texas Instrument
Fotografia de um
CI moderno.
Jack Kilby
Robert Noyce
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 1960
3) Década de 1960 ⇒ Invenção do LASER (LASER de
RUBI, por Theodore Maiman em 1960).
Componentes do
primeiro laser de
rubi.
Theodore Maiman
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4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 1960
4) Década de 1960 ⇒ Desenvolvimento do LASER DE
DIODO (Robert Hall, 1962).
Comparação entre
o tamanho de um
laser de diodo e
uma moeda de US$
0,05.
Robert Hall
Laser de diodo de
alta potência.
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4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 1970
5) Década de 1970 ⇒ Desenvolvimento de novas
tecnologias de obtenção de materiais eletrônicos.
Uma pirâmide nada faraônica Em crescimento por epitaxia por
feixes moleculares (MBE –
Molecular
Beam
Epitaxy),
átomos de germânio autoorganizaram espontaneamente
sobre uma base de silício para
formar essa nanopirâmide.
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4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 1980
6) Década de 1980 ⇒ Desenvolvimento da fibra óptica e a
conseqüente nova área das telecomunicações.
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4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 1990
7) Década de 1990 ⇒ Controle sobre os átomos
(Engenharia Atômica).
Engenharia na escala atômica
- Em 1990, 35 átomos de
xenônio foram arranjados
sobre uma superfície de
níquel para compor o logotipo
da IBM. Com manipulação
nessa
escala,
moléculas
podem ser fabricadas, ou
modificadas,
átomo
por
átomo.
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4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 2000
8) Década de 2000 ⇒ Hegemonia da Nanociência e da
Nanotecnologia.
Nanotubo de carbono - Folhas de arranjos
hexagonais de átomos de carbono se enrolam
para formar tubos longos, mas com diâmetro
tipicamente entre 1 e 2 nanômetros. As
extremidades, não mostradas na figura, são
compostas de átomos em arranjo pentagonal.
Essa surpreendente "macromolécula" é uma
das vedetes da Nanociência & Nanotecnologia.
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4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O desenvolvimento tecnológico nos anos 2010
9) Década de 2010 ⇒ Quais serão os próximos passos?
?
Novas fontes de energia, engenharia genética,
novíssimos materiais.....
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. Introdução
2. O Nascimento da Eletrônica
a. A Válvula Diodo
b. A Válvula Triodo
3. A Era da Eletrônica
a. O transistor
4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido
5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica
Quântica
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ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA
Os átomos
ÁTOMOS!!!!!!!!
O que é um ÁTOMO????
Modelo atômico de
Rutherford (modelo
planetário).
Modelo atômico de
Thomson (pudim
de passas).
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5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA
Os modelos atômicos
ÁTOMOS!!!!!!!!
O que é um ÁTOMO????
Orbital s.
Modelo atômico de
Bohr.
Orbital p.
Modelo quântico
(orbitais atômicos)
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5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA
Átomos em estado gasoso
1) GÁS ⇒ quase nenhuma interação entre os átomos.
Vapor d’água.
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5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA
Átomos em estado líquido
2) LÍQUIDO ⇒ pouca interação entre os átomos.
Água líquida.
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5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA
Átomos em estado sólido
3) SÓLIDO ⇒ grande interação entre os átomos.
Água sólida (gelo).
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5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA
O papel da Mecânica Quântica no estudo da Física Atômic
Mecânica Quântica: qual o seu papel nisso tudo
Como compreender os átomos para poder controlar as
suas propriedades?
MECÂNICA QUÂNTICA nele!
)
∂Ψ
H ⋅ Ψ = i ⋅h⋅
∂t
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The angel of hearth and home – Max Ernst