Aula 07 - Propriedades eletricas

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Tecnologia de Vidros
Prof Vinícius Dantas‐ vinicius.dantas@ufrpe.br
Aula 07 – Propriedades Elétricas
Resumo
• Introdução
•Princípios
•Técnicas de medição
•Aplicações
Introdução
• Condutividade elétrica
• Resposta de um sólido à aplicação de um campo elétrico
• Resulta no movimento direcional de cargas
Introdução
Introdução
• Condutividade elétrica de um
material depende de 3 fatores
• Do tipo de portador de cargas
(elétrons ou íons)
• Da densidade de portadores de
cargas
• Da mobilidade do portador de carga
(facilidade com a qual os portadores
se movem na estrutura do material)
𝜇
𝑣
𝐸 𝑚 𝑉 𝑠
Introdução
• Em geral, a condutividade pode ser descrita por
Introdução
• Metais
• Elétrons são os portadores de carga:
• Pequenos
• fracamente ligados
• alta concentração e alta mobilidade
• elevada condutividade elétrica.
𝜎 = 𝑛 𝑞 𝜇
ALTA CONDUTIVIDADE
Introdução
• Cerâmicas
• Íons são os portadores de carga (em sua
grande maioria)
• camada de valência preenchida – difícil
arrancar um e‐ do íon
• movimento de carga requer o movimento de
todo o íon
• movimento de íons é difícil e lento
• a densidade de íons móveis é pequena
𝜎 = Σ𝑖(𝑛𝑖𝑞𝑖𝑍𝑖𝜇𝑖)
CONDUTIVIDADE BAIXA*
Introdução
• Vidros
• Vidros podem ter os dois portadores de carga
• condutores iônicos ‐ formador + modificador
alcalino
• condutores eletrônicos ‐ formador + metais de
transição
• condutores mistos ‐ formador + metal de
transição + modificador alcalino
𝜎 = Σ𝑖(𝑛𝑖𝑞𝑖𝑍𝑖𝜇𝑖)
CONDUTIVIDADE?????
Phys. Chem. Chem. Phys.,2009,11, 3210–3216
Introdução
• Histórico
• Warburg demonstrou e existência
do transporte de íons Na+ em um
tubo de vidro, em 1884
• década de 70: condutividade iônica
por Li+ desperta interesse (eletrólitos
sólidos para pilhas de Lítio) –
corrida por composições mais
condutoras
• efeito de alcalino misto, efeito de
formador misto ou modelos gerais
para a condução iônica permanecem
não resolvidos
• Anos 2000: Dantas detecta íons de Na+
sendo retirados de um vidro após a
aplicação de um campo elétrico
intenso
J. Appl. Phys.104, 054912 2008
Natureza da condutividade e 
aplicações
• iônica – principalmente por cátions
monovalentes (Li+, Na+ e Ag+)
• troca iônica para vidros reforçados e
guias óticos
• eletrodos seletivos
• baterias no estado sólido.
• elétrica – devido a transferência eletrônica
entre estados localizados
• xerografia
• células fotovoltaicas
• efeito de memória.
• condutividade mista – cátions monovalentes
e transferência eletrônica
• materiais para eletrodos
• equipamentos eletrocrômicos.
Condutividade Iônica
• Vidros podem ter desde valores semelhantes ao de soluções eletrolíticas
(10‐1 S cm‐1 a Tamb) até isolantes
• GRANDE SENSIBILIDADE À COMPOSIÇÃO QUÍMICA
• Condutividade iônica devido à presença de oxigênios não‐ponteantes (non‐
bridging oxygens ou NBO) introduzidos pelos modificadores M2O
• Cátions alcalinos podem ser ativados termicamente para quebrar sua
ligação iônica fraca e se mover de um sítio para outro
• Condução iônica termicamente ativada
Condutividade Iônica
Condutividade iônica
Condutividade iônica
Condutividade iônica
A formação de um par catiônico resulta então da dissociação de um
cátion ionicamente ligado à vizinhança de carga negativa, gerando um pulo
para uma vizinhança próxima que já está ocupada, o que resulta em uma
vizinhança com dois cátions e, portanto, carregada positivamente. O cátion
sobressalente em um sítio carregado positivamente pode ser transferido de
uma vizinhança para outra, permitindo a migração da carga positiva em uma
rede macromolecular vítrea sob efeito de um campo elétrico, gerando
movimento de portadores de cargas elétricas, ou uma corrente elétrica.
Condutividade iônica
Condutividade iônica
Condutividade iônica
Condutividade iônica
Condutividade iônica
Condutividade iônica
Condutividade iônica
Condutividade iônica
• A mobilidade do par iônico é uma função da frequência de tentativas (ν), da distância
de salto (λ) e da probabilidade de um salto com sucesso (Ω)
• Acima da temperatura de transição vítrea, o mecanismo de migração de
cargas é acoplado ao movimento da cadeia macromolecular do vidro.
Condutividade iônica
Influencia da composição na 
condução iônica
Influencia da composição na 
condução iônica
Influencia da composição na 
condução iônica
Influencia da composição na 
condução iônica
Influencia da composição na 
condução iônica
MIXED ALKALI EFFECT
Teorias condução iônica
• Diversos modelos na literatura
• Anderson‐Stuart
• Eletrólito sólido
• Sítios aleatórios
• Caminhos difusionais
• Expansão de volume e caminho de condução
• Cluster‐Bypass
• Percolação
• Anderson‐Stuart
• Praticamente todos os íons portadores de carga (concentração n)
promovem a condutividade iônica da estrutura vítrea
Teorias condução iônica
Teorias condução iônica
• Eletrólito fraco (Ravaine & Souquet) – Modelo termodinâmico
• Uma pequena concentração de portadores de carga n dissociados da
estrutura vítrea promovem a condutividade iônica
Teorias condução iônica
Teorias condução iônica
Teorias condução iônica
Teorias condução iônica
Teorias condução iônica
Short‐range order
Condutividade eletrônica
Condutividade eletrônica
Condutividade eletrônica
Condutividade eletrônica
Condutividade eletrônica
Condutividade eletrônica
Condutividade eletrônica
Modelos condução eletrônica
Condutividade mista
Técnicas medição
• Medidas de condutividade elétrica são
realizadas por espectroscopia de
impedância
• A técnica de espectroscopia de impedância
analisa as propriedades dielétricas de um
material em função da frequência da
corrente alternada aplicada no mesmo,
tendo como resposta informações sobre as
propriedades capacitivas e de dissipação
do material. A principal vantagem das
medidas de impedância complexa é poder
separar, através da variação de frequência,
fenômenos com constante de tempo (ou
produto RC, onde R é a resistência e C a
capacitância) diferentes.