Questionario P3

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL 
ESCOLA DE ENGENHARIA - DEPARTAMENTO DE MATERIAIS 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS – 2015/2 - PROFª LISETE C. SCIENZA 
 
RESPOSTAS DO QUESTIONÁRIO – PROPRIEDADES ELÉTRICAS, MAGNÉTICAS, 
TÉRMICAS E ÓTICAS 
 
NOME: MATRÍCULA: 
 
Responder: 
 
1. O cloreto de sódio é isolante no estado sólido. Entretanto no estado líquido, ele é um 
bom condutor. Justifique. 
 
O cloreto de sódio no estado líquido é um bom condutor devido aos íons de Na
+
 e Cl
-
 que 
estão dissociados, fazendo com que haja uma mobilidade de elétrons. Além disso, o NaCl 
se encontra líquido em altas temperaturas, ou seja, com uma alta agitação (energia) nos 
elétrons. Dessa forma, o material irá transmitir facilmente qualquer energia dada ao 
sistema. Já quando está no estado sólido, seus elétrons estão fixos na sua rede cristalina. 
 
2. A condutividade elétrica da maioria dos metais decresce gradualmente com a 
temperatura, mas a condutividade intrínseca dos semicondutores sempre cresce 
rapidamente com a temperatura. Justifique a diferença. 
 
A diminuição da condutividade elétrica dos metais com o aumento da temperatura ocorre 
com o aumento das vibrações térmicas e de outras irregularidades de rede cristalina, 
fazendo com que a resistividade do material aumente. Entretanto, nos materiais 
semicondutores o aumento da temperatura gera um aumento da na energia térmica 
(vibrações) que está disponível para a excitar os elétrons , desta forma mais elétrons são 
promovidos para a banda de condução, resultanto asssim no aumento da condutividade 
elétrica. 
 
3. Por que o efeito da temperatura na condutividade elétrica é, em geral, mais acentuado em 
um semicondutor do que em um isolante? 
 
O aumento da temperatura em semicondutores resulta no aumento da condutividade 
elétrica, já em materiais isolantes isso não é perceptível. Isso se deve ao tipo de ligaçao 
atomica de cada material. Materiais semicondutores se caracterizam por ligações covalentes 
e ligações consideradas fracas, com isso o aumento da temperatura resulta no aumento da 
vibrações, fazendo com que essas ligações se rompam facilmente, aumentando então a 
condutividade do material. Porém em materiais isolantes, a ligação é caracterizada por ser 
extremantente forte como por exemplo, ligações iônicas ou ligaçoes fortemente covalentes, 
dessa forma, o aumento da temperatura não é capaz de romper as ligações atômicas para 
aumentar a conditividade elétrica. 
 
4. A adição de pequenas quantidades (menos de um ppm) de arsênio no germânio aumenta 
drasticamente sua condutividade elétrica (semicondutor do tipo n), enquanto que a adição 
de pequenas quantidades (menos de um ppm) de gálio no germânio também aumenta 
drasticamente sua condutividade elétrica (semicondutor do tipo p). Explique estes dois 
comportamentos. 
 
Um átomo de arsênio com cinco elétrons na camada de valência, quando mistrurado em 
uma matriz de germânio em que apenas quatro de seus elétrons irão formar ligações com os 
elétrons vizinhos, resultando em um elétron livre com energia de ligação pequena, desta 
forma ele é removido com facilidade do átomo de impureza, se tornando um elétron livre 
ou de condução. Já no caso de galio dentro de germanio, em lugar de um elétron livre, 
existe a falta um elétron dentro da ligação, formando um buraco que se encontra 
fracamente ligado ao átomo da impureza. Dessa forma, o elétron e o buraco alternam de 
posições, quando em movimento o buraco é considerado em um estado excitado, a 
movimentação sofrida pelo buraco ocasiona a condução de eletricidade dentro deste tipo de 
semicondutores. 
 
 
5. Qual a diferença entre condução eletrônica e condução iônica? 
 
A condução eletrônica ocorre quando uma corrente elétrica resulta do movimento de 
partículas eletricamente carregadas em resposta às forças que atuam sobre elas, como por 
exemplo a partir de um campo elétrico, isso ocorre na maioria dos materiais sólidos. 
A condução iônica ocorre quando é possível ter um movimento líquido de íons carregados 
produzindo uma corrente elétrica. 
 
6. Em termos de bandas de energia eletrônica, discuta a razão para a diferença na 
condutividade elétrica entre metais, semicondutores e isolantes. 
 
A diferença dessa propriedade elétrica em metais, semicondutores e isolantes está 
diretamente relacionada com o espaçamento (tamanho do gap) entre as bandas de energia. 
Os metais apresentam elétrons livres na banda de valência e na banda de condução, assim 
os metais possuem o espaçamento entre as bandas que está preenchido com elétrons livres. 
Já os semicondutores apresentam a banda de valência separada da banda de condução por 
um espaçamento entre as bandas, os elétrons da banda de valência só precisam de uma 
quantidade baixa de energia para se promoverem para a banda de condução. 
No caso dos isolantes os espaçamentos entre as bandas são relativamente grandes, para 
promover um elétron da banda de valência até a banda de condução é preciso fornecer uma 
quantidade alta de energia. 
A imagem a seguir ilustra claramente a diferença entre os materiais em função do 
espaçamento (gap). 
 
7. Quais são as principais diferenças e similaridades entre um material (a) diamagnético e 
paramagnético e (b) ferromagnético e ferrimagnético? 
 
(a) Diamagnético e paramagnético; 
Similaridades: 
 São materiais magnéticos; 
 A magnetização ocorre somente com a presença de um campo magnético externo; 
Diferenças: 
 Materiais paramagnéticos geram momentos magnéticos na mesma direção do 
campo magnético no qual o mesmo foi submetido; 
 Materiais diamagnéticos geram um momento magnético extremamente pequeno e 
de sentido oposto ao do campo no qual o material foi submetido. 
 
(b) Ferromagnético e ferrimagnético? 
Similaridades: 
 Ambos materiais apresentam o mesmo tipo de comportamento com a presença de 
dipolos magnéticos permanentes na ausência de campo magnético externo; 
Diferenças: 
 Materiais ferromagnéticos (metais) apresentam momentos magnéticos determinados 
pelos elétrons; 
 Materiais ferrimagnéticos (óxidos metálicos) apresentam momentos magnéticos 
determinados pelas cargas dos íons que estão presentes na molécula. 
 
8. O que é material magnético mole e um magnético duro ? 
 
Um material magnético mole é aquele que apresenta perdas de energia baixas, um material 
magnético mole deve possuir uma elevada permeabilidade inicial, além de uma baixa 
coercividade, este material pode atingir a sua magnetização de saturação com a aplicação 
de um campo relativamente pequeno, isto permite que este material possa ser magnetizado 
e desmagnetizado com facilidade com baixas perdas de energia por histerese. 
Um material magnético duro retém o magnetismo mesmo na ausência de um campo 
magnético externo, um magnético duro possui remanência, coercividade, e densidade do 
fluxo de saturação elevadas, assim como baixa permeabilidade inicial e grandes perdas de 
energia por histerese, estes materiais mesmo quando submetidos a um campo magnético 
externo conseguem induzir um campo magnético grande. 
 
9. Desenhe um ciclo de histerese para um material magnético mole e para um magnético 
duro. 
 
 
10. Explique porque materiais ferromagnéticos podem ser permanentemente magnetizados, 
enquanto materiais paramagnéticos não podem. 
 
O material ferromagnético ao ser submetido a um campo magnético muito forte pode 
mudar a orientação dos spins magnéticos e através da energia fornecida este material é 
capaz de manter a nova orientação adquirida. 
O material paramagnético não pode ser magnetizado permanentemente porque este perde a 
orientaçãoordenada dos spins após campo magnético ao que estão submetidos ser 
encerrado. 
 
11. Defina nível de Fermi. 
 
O nível de Fermi é uma relação de energia que equivale ao estado de preenchimento mais 
elevado de elétrons ao zero absoluto (zero kelvin) nos materiais sólidos. 
 
12. Explique brevemente a expansão térmica usando a curva do potencial de energia versus 
a distância interatômica. 
 
 
A expansão térmica dos sólidos tem origem na variação da energia de ligação com a 
distância interatômica, através do aumento da temperatura os átomos aumentam a 
frequência e amplitude de vibração, isto faz com que a distância média entre os átomos 
aumente ocasionando na expansão térmica. 
 
13. Compare o efeito da temperatura sobre a condutividade térmica e elétrica para materiais 
cerâmicos e metálicos. 
 
Nos metais a condutividade térmica aumenta com a elevação da temperatura porque a 
transmissão da energia é facilitada com o aumento das vibrações e movimento de elétros na 
rede cristalina. Porem a condutividade elétrica diminui com o aumento da temperatura pois 
como os elétrons estão super agitados, o que resulta no aumento da resistividade do 
material. 
A condutividade térmica dos cerâmicos é determinada pela vibração do arranjo cristalino, 
ou seja, com o aumento da temperatura em materiais cerâmicos há uma elevação da 
condutilibilidade térmica. Mas é importante lembrar que cerâmicos são naturalmente bons 
isolantes de modo geral, dessa forma materiais cerâmicos conduzem menos energia térmica 
se comparados aos metais. Já na condutividade elétrica faz a necessidade de considerar a 
porosidade no cerâmico para relacionar a temperatura com a propriedade. Em geral, a 
condutilibilidade elétrica é baixa devido a pouca movimentação de elétrons, na maior parte 
dos cerâmicos sem poros a condutividade diminui com a temperatura, enquanto ela 
aumenta para materiais porosos. 
 
14. Diga o que é um fóton e o que é um fônon. 
 
Fóton é o pacote de energia da luz que é transmitida quando elétrons trocam de níveis de 
energia e este fenômeno é do tipo eletromagnético. O fônon é a quantidade de energia 
térmica que é transmitida através de vibrações e este fenômeno é mecânico. A relação entre 
o fóton e o fônon é que a energia de ambos depende do seu comprimento de onda. 
 
15. A pele humana é relativamente insensível à luz visível, mas a radiação ultravioleta pode 
ser-lhe bastante destrutiva. Isto tem alguma relação com a energia do fóton? Justifique. 
 
Como o comprimento de onda da radiação ultravioleta é menor que o da luz visível, a 
radiação ultravioleta possui maior energia (fóton) que a luz visível dessa forma a luz visível 
nao possui energia suficiente para danificar a pele humana, porém o valor de energia da luz 
ultravioleta é suficientemente forte para romper as cadeias de carbono que conformam os 
tecidos da corpo humano. 
 
 
16. Quando um corpo é aquecido a uma temperatura muito alta ele se torna luminoso. A 
medida que a temperatura aumenta, a sua cor aparente muda de vermelho para amarelo e 
finalmente para azul. Explique. 
 
Ao aumentar a temperatura de um corpo, este passa a ter mais energia, dessa forma os 
elétrons que fazem parte de sua estrutura passam a se agitar cada vez mais, alterando as 
distâncias interatômicas, que por sua vez alteram propriedades do material como a 
densidade e índice de refração. Assim, existe uma variação das propriedades do material de 
acordo com a energia absorvida por cada elétron, resultando então em diferentes 
comprimentos de onda que o material passa a transmitir, gerando diferentes cores. 
 
17. Por que alguns materiais transparentes são incolores e outros são coloridos? Por que a 
adição de zinco muda a cor do cobre? 
 
Um material transparente é incolor porque este permite a total passagem de luz do espectro 
visível. Entretanto, quando material é colorido este é capaz de absorver alguns 
comprimento de onda do espectro e transmitir as demais, no caso caso o comprimento de 
onda transmitido está relacionado com a cor do material. Este fenômemo é conhecido como 
adsorção seletiva. A adição de zinco no cobre muda a comprimento de onda que é 
transmitipo pela nova liga, se comparado ao cobre puro, isso se deve a formação de um 
novo índice de refração do material, fazendo com que o comprimento de onda se altere ao 
passar pelo material.