Trabalho Fisexp III

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE CIENCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
Trabalho de Física Experimental III-A:
“Lei de Ohm”
Carlos Renan dos Santos – 200402507-5
Carolyne Teixeira de Freitas – 20040250
Francisco Batista dos Santos Segundo – 200402515-6
Reginaldo Ferreira de Souza – 200402530-1
Seropédica – RJ
Março 2007
INTRODUÇÃO
	A Lei de Ohm afirma que a corrente fluindo através de um dispositivo é diretamente proporcional à diferença de potencial aplicada a ele. E que um dispositivo obedece à lei de Ohm quando sua resistência é independente do valor e da polaridade da diferença de potencial aplicada.
	Um material condutor obedece a Lei de Ohm quando a sua resistividade é independente do módulo, da direção e do sentido do campo elétrico aplicado. Todos os materiais homogêneos sejam eles condutores, como o cobre, ou semicondutores como o silício (dopado ou puro), obedecem à Lei de Ohm em algumas faixas de valores do campo elétrico. Contudo, quando o campo elétrico é muito forte, existem, em todos os casos, desvios da Lei de Ohm.
	Supondo que os elétrons de condução num metal são livres para moverem-se do mesmo modo que as moléculas de um gás. É possível deduzir-se uma expressão para a resistividade de um metal: 
Ρ= m /e2 n τ
	Aqui n é o numero de elétrons por unidade de volume e τ é o tempo médio entre as colisões de um elétron com os íons da rede metálica; o fato de τ ser essencialmente independente de E justifica o fato de que os metais obedecem a Lei de Ohm.
I) TEORIA
1) Para efeito de condução elétrica, compare os materiais: metal, isolante e semicondutor.
	 Em um átomo qualquer, os elétrons existentes ocupam órbitas específicas em seu estado fundamental. Para passar desse estado para outro de maior nível deverá receber uma certa quantidade de energia, de valor bem determinado. Nesse caso o átomo é considerado excitado. Para que o elétron passe de uma órbita mais afastada de núcleo para uma mais próxima, o átomo deverá perder essa diferença de energia correspondente aos dois níveis, emitindo um ou mais fótons, voltando ao seu estado fundamental. Em ambos os casos dizemos que houve um salto quântico de energia. Num material qualquer, a proximidade dos átomos faz com que seus níveis energéticos se superponham, gerando uma quantidade maior de níveis permitido. Essa reorganização dos níveis de energia, devida à proximidade dos átomos, é denominada banda de energia e caracteriza os materiais nos estados liquido ou sólido. Quanto à condução elétrica, são consideradas isolantes as substancias em que é grande a diferença entre a ultima banda já ocupada por elétrons, denominada banda de valência, e a banda livre, denominada banda de condução. Já os metais são condutores. Neles não ocorre essa separação entre a banda livre e a já ocupada por elétrons. Por menor que seja a quantidade proveniente de uma fonte externa, será suficiente para provocar saltos quânticos e o conseqüente movimento dos elétrons no interior da matéria. No caso dos semicondutores, a separação entre a banda já ocupada por elétrons e a banda livre é menor, quando comparada com isolantes. Deste modo, com uma certa quantidade de energia, os elétrons atingem a banda livre tornando a substancia condutora. Os semicondutores apresentam variação de condutividade com a temperatura, como, por exemplo, o silício e o germânio.
2) O que é válvula eletrônica?
	Válvulas são componentes eletrônicos não mais utilizados atualmente. Existem dois tipos: válvulas diodos (2 eletrodos), que têm a função de retificar a corrente elétrica, permitindo sua passagem em apenas um sentido, e a válvula triodo (3 eletrodos), que tem a função de amplificar a corrente elétrica.
3) O que é um semicondutor do tipo n?
	Misturas de elementos químicos semicondutores podem ser feitas no intuito de se obter certa característica de semicondutor. Um semicondutor do tipo n (negativo) é aquele em que certa mistura de diferentes elementos químicos produz níveis doadores em bandas normalmente proibidas (bandas em que não existem elétrons) num determinado semicondutor. Dessa mistura obtida pode resultar um aumento do número de elétrons na banda de condução. Por exemplo, uma pequena quantidade de arsênio num cristal de silício produz esse efeito.
4) O que é um semicondutor do tipo p?
	Existem dois tipos de movimento de carga nos semicondutores: os elétrons que adquirem energia suficiente para mudar de nível e as lacunas que se formam quando um elétron deixa o local em que estava originalmente, fazendo com que outro elétron venha ocupar esse lugar. Misturas de elementos podem ser feitas de modo que a condução se dê majoritariamente por lacunas, surgindo níveis receptores na banda normalmente proibida. Como as lacunas se caracterizam pela ausência do elétron, tais semicondutores são ditos do tipo p (positivo). Por exemplo, a mistura de uma pequena quantidade de índio em um cristal de silício produz esse efeito.
5) O que é um diodo?
	Ao se misturar, por exemplo, arsênio à germânio e índio à germânio obtem-se dois tipos de semicondutores: do tipo n e do tipo p, respectivamente. Colocando-se em contato essas duas misturas, têm inicio um movimento de elétrons da região n para a região p e de lacunas da região p para a região n. Após um certo intervalo de tempo, a região n, fronteira com a região p, ficará carregada positivamente e a região p, fronteira com n, ficará carregada negativamente. Com isso, na fronteira entre as duas regiões surge, devido à separação de cargas, um campo elétrico local cujo sentido é o da região n para a região p. Devido ao surgimento deste campo elétrico local, o fluxo de cargas nessa região diminui quase que totalmente, uma vez que este campo possui sentido posto ao do movimento “natural” das cargas. Diz-se que foi criada uma “barreira” ao movimento dessas cargas. Quando um semicondutor com uma junção p-n é colocado num circuito, o campo elétrico produzido pela fonte de energia se superpõe ao campo elétrico que surge na fronteira que separa as regiões p e n. Desta superposição podemos obter dois efeitos distintos: se o sentido do campo elétrico produzido pela fonte for contrario ao campo elétrico local, terá reinício o movimento de cargas através da junção (polarização direta). Caso contrário, se o sentido destes campos forem iguais ao do campo elétrico produzido pela fonte, reforçar-se-á a barreira, produzida pelo campo local, ao movimento de carga (polarização inversa). Desse modo, a corrente elétrica será praticamente nula. Resumidamente, um diodo permite a passagem de corrente num sentido, mas não no outro. 
6) O que é um LED?
	Quando um elétron passa de um nível de energia maior, e, portanto, mais afastado do núcleo, para um mais próximo (de menor energia) emite uma quantidade de energia exatamente igual à diferença energética entre esse dois níveis. Essa quantidade discreta de energia eletromagnética emitida é denominada fóton. Dependendo dos níveis de energia entre os quais ocorre o movimento do elétron, o fóton emitido pode ter freqüência que o coloca dentro dos limites da radiação visível. É baseado neste princípio que são construídos os leds, só que nestes o movimento do elétron é no sentido de preencher uma lacuna, que se encontra na banda de valência. A estrutura do material semicondutor usado na construção do led deve propiciar o movimento de uma grande quantidade de elétrons em direção às lacunas que se encontram em níveis energéticos inferiores. Ligando-se um semicondutor deste tipo a uma fonte de energia elétrica, ocorre na fronteira entre as régios p e n, em grande quantidade, o movimento de elétrons em direção à lacunas, os fótons emitidos têm freqüência capaz de sensibilizar nossos olhos. Esse processo pode também ser descrito como uma forma de obter luz a partir da corrente elétrica. Este fenômeno é denominado eletroluminescência e o semicondutor onde ele ocorre recebe o nome de diodo fotoemissor ou led.
II) MEDIDAS
	V(V)
	0
	1,1
	1,52,0
	2,5
	3,0
	3,5
	4,0
	4,5
	5
	5,5
	I (mA)
	0
	0,3
	0,39
	0,54
	0,66
	0,8
	0,93
	1,04
	1,18
	1,32
	1,43
1) A resistência R do resistor depende de V? Explique.
A resistência R entre duas superfícies equipotenciais quaisquer de um condutor é definida como:
Em que V é a diferença de potencial entre aquelas superfícies e i é a corrente. A unidade em SI de resistência é o Ohm.
O gráfico 
 versus V para um dispositivo, apresentado em anexo. Ele é uma linha reta passando pela origem, de modo que a razão 
 (que é a inclinação da reta) é a mesma para todos os valores de 
. Isso significa que a resistência 
 do dispositivo independe do valor e da polaridade da diferença de potencial aplicada a V.
III) REFERÊNCIAS
HEWITT, Paul. “Física Conceitual”, 9ª. Edição. Porto Alegre: Bookman, 2002.
	HAWKING, Stephen; MLODINOW, Leonard. “Uma Nova História do Tempo”; Rio de Janeiro, Ediouro, 2005.
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