condutores

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todos os corpos são constituídos por átomos e estes são formados por partículas com pequenas dimensões que são os nêutrons (não possuem carga), os prótons (partículas de carga positiva) e os elétrons (partículas de carga negativa). Os nêutrons juntamente com os prótons ficam no interior do núcleo, e os elétrons ficam na eletrosfera. Para manter esses elétrons sempre em órbita na eletrosfera, existem forças internas que os seguram, não deixando que os mesmos escapem. No entanto, quanto maior a distância entre a órbita e o núcleo, mais fraca é a força que mantém o elétron preso ao átomo, pois, dessa forma, pode se mover com certa liberdade no interior do material, dando origem aos chamados elétrons livres.
O que determina se um material é condutor ou isolante é justamente a existência dos elétrons livres. São eles os responsáveis pela passagem e transporte da corrente elétrica através dos materiais. São chamados de condutores aqueles materiais onde há possibilidade de trânsito da corrente elétrica através dele como, por exemplo, o ferro. Este é um elemento químico que possui dois elétrons na última camada, os quais estão fracamente ligados ao núcleo. Dessa forma, o ferro se torna um ótimo condutor de eletricidade.
Com os materiais isolantes, também chamados de materiais dielétricos, ocorre o processo inverso. Nesses materiais, os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo atômico, ou seja, eles não possuem elétrons livres ou a quantidade é tão pequena que pode ser desprezada. Dessa maneira, não permitem passagem de corrente elétrica. São bons exemplos de materiais isolantes: o vidro, a borracha, a cerâmica e o plástico.
Em química se aprende que, em condições normais, os átomos que possuem 4 elétrons na última camada de valência não são estáveis.
Os semicondutores se enquadram nesse grupo, mas por causa da forma com que agrupam seus átomos (cada átomo fica equidistante e, relação a quatro outros átomos, ou seja, uma estrutura cristalina) eles conseguem alcançar a estabilidade fazendo quatro ligações químicas covalentes, conseguindo 8 elétrons na última camada, e por consequência ficam estáveis quimicamente.
Mas qual são as características dos semicondutores que os tornam tão importantes para a eletrônica?
Os semicondutores formam Bandas de Energia, com as seguintes características:
São formadas bandas, separadas por Lacunas. A última banda é chamada de Banda de Condução. Logo abaixo existe a Banda de Valência, e em baixo as outras camadas. Na temperatua 0K, a banda de condução vai estar totalmente vazia, e a banda de valência totalmente preenchida (Na imagem acima a temperatura está mais elevada).
Quando o material é aquecido, alguns elétrons saem da banda de valência e passam para a banda de condução. Isso somente é possível devido ao ganho de energia no elétron, pois para passar à uma banda superior, deve ter energia o suficiente (representado por ΔE).
Conclusão parcial: Sob temperatura 0K os semicondutores possuem a camada de valência totalmente preenchida e um ΔE relativamente baixo (entre o ΔE dos condutores e dos isolantes), o que possibilita controlar a condutividade deles variando a temperatura.
Dopagem
Como os semicondutores em condições normais apresentam uma condução muito baixa, alguns átomos (num processo muito preciso) são substituidos por impurezas, com a finalidade de aumentar a condutividade.
- Impureza doadora:
Corresponde aos elementos químicos que possuem cinco elétrons na última camada, que se colocados na estrutura do semicondutor, terão quatro elétrons envolvidos em ligações covalentes (sobra um, que fica praticamente livre). O semicondutor dopado com uma impureza doadora é denominado do tipo N.
- Impureza aceitadora:
Corresponde aos elementos químicos que possuem três elétrons na última camada, que se colocados na estrutura do semicondutor, terão três elétrons envolvidos em ligações covalentes (falta um, o que implica na formação de um buraco). O semicondutor dopado com uma impureza aceitadora é denominado do tipo P.
A corrente elétrica durante o processo de transporte, que vai das usinas geradoras até os centros consumidores, sofre significativa perda de energia. Essa perda ocorre em razão da resistência elétrica dos fios condutores de eletricidade. Ocorre que boa parte da energia elétrica é transformada em energia térmica, sendo dessa forma dissipada para o meio ambiente. Como forma de diminuir essa perda de energia usa-se fios condutores com baixa resistência, como o cobre, por exemplo, e conduz a corrente sob alta tensão, mas mesmo assim em distâncias que ultrapassam 400 km as perdas ainda acontecem, podendo chegar até 20%. Em virtude disso, muitos cientistas buscam conseguir os chamados condutores ideais, aqueles que conduzem energia elétrica sem que ocorram perdas para o meio ambiente. Será possível conseguir esse tipo de condutor?
A supercondutividade é uma propriedade física que certos materiais apresentam quando são esfriados a temperaturas extremamente baixas, podendo conduzir corrente elétrica sem resistências e nem perdas de energia. Esse fenômeno foi descoberto em 1911 pelo físico holandês Heike Kamerlimgh-Onnes, quando observou que a resistência elétrica do mercúrio desaparecia ao ser resfriado a 4K, o que corresponde a – 269,15 °C, dessa forma, ele acabava de tornar o mercúrio um material supercondutor. Esse fenômeno, conseguido com o mercúrio, foi verificado para outros metais, no entanto não foi permitida a aplicação, pois eram necessários muitos gastos para conseguir manter temperaturas muito baixas.
Foi com o trio de físicos americanos Jonh Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer, que em 1972 surgiu a explicação para o fenômeno da supercondutividade, fato que deu a eles o prêmio Nobel da física naquele ano. O que fez a explicação deles ser tão importante foi o fato de eles mostrarem que esse fenômeno não está ligado somente à diminuição da agitação térmica dos átomos e moléculas de um material, quando esse está sob baixas temperaturas. Dessa forma, surgiu a ideia da possibilidade da existência desse fenômeno com temperaturas muito elevadas, mas as experiências com condutores metálicos relacionadas a essa possibilidade não deram resultados.
Anos mais tarde os físicos da IBM, o suíço Karl Alexander Muller e o alemão Johannes G. Bednorz, conseguiram a supercondutividade a 35 K, o que corresponde a – 238 °C. Graças às suas descobertas e à comprovação da supercondutividade que esses dois físicos cientistas ganharam, em 1986, o prêmio Nobel de Física. Esse fato foi um grande avanço para toda ciência e permitiu avanços significativos em vários ramos de pesquisas.
A supercondutividade é muito importante e tem larga aplicação. Essa propriedade não é aplicada somente na transmissão de energia elétrica, mas também em várias outras como:
Na construção de magnetos supercondutores que geram campo magnético extremamente forte, os quais possibilitam a construção dos chamados aceleradores de partículas;
Nos aparelhos eletrônicos que funcionam à base de eletricidade, diminuindo o seu tamanho e o gasto de energia dos mesmos;
Nos fios supercondutores utilizados em computadores, permitindo que os chips sejam cada vez menores e mais rápidos no processamento de dados;
Em ímãs, permitindo que eles possam flutuar sobre a superfície de um material supercondutor. Esse fato possibilita a construção e operação dos chamados trens bala, os quais trafegam apenas flutuando sobre o trilho.