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Parte II Termopar Geração de uma voltagem elétrica (ΔV) a partir da aplicação de um gradiente de temperatura em materiais condutores A voltagem V é proporcional à diferença de temperatura (T1-T2) nos terminais dos condutores ( )T∇ Efeito Seebeck Fonte: Termoelectrics Effects in Metals: Termocouples (S. O. Kasap 1997-2001) Mais elétrons são excitados na extremidade quente e menos na extremidade fria Elétrons são transportados da extremidade quente para a extremidade fria dT dVS = Coeficiente Seebeck dT dV dT dVSS ABAB −=− Considerando um termopar Figura de Mérito k SZ 2σ = ZT: indica uma maior ou menor eficiência termodinâmica! σ: condutividade; k: condutividade térmica (K. Uchida et al 2008) Geração de uma voltagem de spin (Δμ) a partir da aplicação de um gradiente de temperatura em materiais condutores ( )T∇ A voltagem de spin é proporcional à diferença de temperatura (T1-T2) nos terminais dos condutores Efeito spin Seebeck Hg = 4,12 K H. K.Onnes(1911) Supercondutores Cerâmica: YBa2Cu3O7 Tc ≈ 95 K Cel. Unit (ortorrômbica) 1) Estime o coeficiente Seebeck do termopar Tipo K. 2) Um supercondutor de YBa2Cu3O7 é fabricado em uma faixa de filme fino com dimensões de 1 μm x 1 mm. A 77 K, a supercondutividade é perdida quando a corrente ao longo do comprimento atinge um valor de 17 A. Qual é a densidade de corrente crítica para essa configuração de filme fino? Exemplo de problema Co nd ut iv id ad e Maior energia de gap (espaçamento entre as bandas BV e BC) comparado aos semicondutores e metais (Eg = 0). Momento de dipolo elétrico dqp = Isolantes (dielétricos) E 0=E - + Modelo p d Polarização v p P v ∆ = ∑ →∆ lim 0 E 0=E Δv p p Δv E Chave aberta Chave fechada Capacitor O vetor deslocamento elétrico ε0 : permissividade elétrica no vácuo (8,854 x 10-12 F/m) E χE: suscetibilidade elétrica PED += 0ε EP E 0εχ= Então k: permissividade relativa e ou ainda Ek χ+=1 0εε k= ( ) EEkED E εεχε ==+= 00 1 Rigidez dielétrica Quando altas tensões são aplicadas sobre um dielétrico, elétrons da banda de valência podem subitamente ser promovidos para a banda de condução resultando em elevada corrente elétrica, este processo e denominado de ruptura do dielétrico. Está relacionada ao máximo campo elétrico que o dielétrico pode suportar antes de se comportar como um condutor Depende da natureza do material, da temperatura, umidade, intervalo de tempo de aplicação do campo elétrico, espessura do dielétrico Calcule a polarização para o material Al2O3 (99,9%) quando sujeito a um campo elétrico de 5,0 kV/mm. Exemplo de problema 4,03 x 10-4 C/m2 Ferroelétricos Materiais que sofrem polarização espontânea Ex.: Titanato de bário (BaTiO3 - tetragonal) Ba2+ O2- Ti4+ Ciclo de histerese ferroelétrica E E Ps: Polarização de saturação Pr: Polarização residual O titanato de bário não é ferroelétrico (paraelétrico) quando na fase cúbica!!! Isto ocorre para T > 1200C (transição estrutural) O momento de dipolo é zero (p = 0) Não há ciclo de histerese ferroelétrica Observações E E O efeito piezoelétrico (EP) Energia elétrica Energia mecânica (transdutor) Material piezoelétrico A aplicação de uma tensão (σ) causa o aparecimento de um potencial elétrico (V) A aplicação de potencial elétrico (V) causa uma mudança estrutural (EP reverso) Exemplos de materiais transdutores: SiO2, BaTiO2, Pb(Ti,Zr)O3 Temperatura crítica (TC): limitante de aplicação Coeficiente de acoplamento piezoelétrico (k): fração de conversão de energia mecânica em energia elétrica Dielétricos High-k Materiais que possuem valores maiores para a constante dielétrica k, quando comparada com o valor do dióxido de silício (k=3,9) Lei de Moore ... o número de transistores dos chips teria um aumento de 100%, pelo mesmo custo, a cada período de 18 meses... Consequências A miniaturização dos transistores levou a uma diminuição na espessura do isolante à base de óxido de silício (< 2nm) Aparecimento de correntes de fuga, ruptura do dielétrico Aumento no consumo de energia e diminuição na confiabilidade dos dispositivos eletrônicos Materiais high-k candidatos para substituir o SiO2 J. Robetson (2004) Comportamento elétrico Slide Number 2 Slide Number 3 Slide Number 4 Slide Number 5 Slide Number 6 Slide Number 7 Slide Number 8 Slide Number 9 Slide Number 10 Slide Number 11 Condutividade Slide Number 13 Slide Number 14 Slide Number 15 Slide Number 16 Slide Number 17 Slide Number 18 Slide Number 19 Ferroelétricos Slide Number 21 Slide Number 22 Slide Number 23 O efeito piezoelétrico (EP) Slide Number 25 Dielétricos High-k Slide Number 27 Slide Number 28
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