Propriedades Elétricas

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IntroduIntroduççãoão
As propriedades elétricas distinguem os materiais:
• Geral: metal ou não-metal
• Específico: condutor ou não condutor
1. Os principais transportadores de cargas são os elétrons;
2. Nos cristais, há superposição dos níveis de energia formando as 
BANDAS;
3. As bandas de energia se formam devido a aproximação dos átomos.
Bandas de energia
• A banda de energia corresponde a um nível de energia de um átomo isolado;
• Nem sempre há superposição das bandas de energia;
• Para N átomos: banda s → N estados; banda p → 3N estados. Cada estado de energia 
pode acomodar 2 elétrons (spins opostos)
Os elétrons livres, com energia > Ef são acelerados na presença 
de um campo elétrico. São os elétrons livres, que participam da 
condução.
Condutor 
metálico
Banda de valência 
parcialmente 
ocupada 
(ex: Cu)
Condutor 
metálico
Superposição 
da banda de 
valência com a 
banda de 
condução vazio 
(ex: Mg)
Isolante Semicondutor
(Eg > 2eV) (Eg < 2eV)
Apresentam banda de espaçamento 
(gap band) entre a banda de 
valência preenchida e a banda de 
condução vazia
Possíveis estruturas das bandas de valência e de condução
1 J = 6,242 x 1018 eV
T = 0 Kelvin
Ocupação dos estados eletrônicos (a) antes e (b) depois
de uma excitação dos elétrons.
Um elétron se torna livre quando ultrapassa Ef⇒ pouca energia 
necessária para promover elétrons a estado de condução.
MetaisMetais
Para uma material semicondutor ou isolante, a ocupação dos estados 
eletrônicos (a) antes e (b) depois de uma excitação dos elétrons da 
banda de valência para dentro da banda de condução, onde tanto um 
elétron livre quanto um buraco são gerados.
Semicondutores e isolantesSemicondutores e isolantes
SemicondutoresSemicondutores
IsolantesIsolantes
Indicativo da facilidade segundo a qual um material é
capaz de conduzir uma corrente elétrica.
σ- condutividade elétrica (Ω-1. cm-1)
ρ- resistividade elétrica (Ω. cm)
n- número de portadores de carga por cm3
q- carga carregada pelo portador ( Coulombs)
µ- mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s)
OBS:
n e µ dependem da temperatura
Condutores: ânions , cátions e elétrons (condução eletrônica e iônica)
Condutividade elCondutividade eléétricatrica
Resistividades e condutividades de alguns materiais
Condutores: σ (> 104 Ω-1. cm-1 ) ou (S/cm)
Semicondutores: σ ( 10-6 a 104 Ω-1. cm-1)
Isolantes: σ ( 10-20 a 10-10 Ω-1. cm-1)
Condução elétrica em compostos iônicos e polímeros
Em geral, espaçamento entre bandas > 2 eV.
Condutividade baixa à temperatura ambiente.
Pode ocorrer um aumento considerável na condutividade de 
materiais isolantes com o aumento da temperatura.
Condutividade dos materiais iônicos:
σσσσtotal = σσσσeletrônica + σσσσiônica
(qualquer um dos fatores pode 
predominar dependendo do 
material, da pureza e da 
temperatura)
Determinação da resistividade elétrica
Medição na caixa padrão
Terminais 
de cobre A
LR ρ=
(“soil box”)
Regra de Matthiessen ( Resistividade de um material monofásico)
ρtotal = ρtemperatura + ρimpurezas + ρdeformação plástica
A deformação aumenta o nº de 
discordâncias que causam o 
espalhamento dos elétrons.
Fatores que influenciam a resistividade elFatores que influenciam a resistividade eléétricatrica
�temperatura
�vibração 
térmica 
�solutos
�defeitos 
cristalinos
�deformação
Temperatura
A independe da composição, 
sendo função dos metais 
(impureza e matriz)
Impurezas
Defeitos cristalinos aumentam a resistividade (centros de 
espalhamento para elétrons de condução).
Maior número de discordâncias.
Deformação mecânica
Características elétricas de ligas comerciais
• Prata (condutividade > Cu):
elevado custo para ser utilizada 
como condutor;
• Cobre: condutor mais utilizado;
•Alumínio também é usado com 
frequência como condutor elétrico 
(≅ 1/2 da condutividade do cobre);
••Metais e ligas usadas na confecMetais e ligas usadas na confecçção de elementos aquecedores de fornos, alão de elementos aquecedores de fornos, aléém da m da 
resistividade elresistividade eléétrica elevada tambtrica elevada tambéém devem possuir uma boa resistência m devem possuir uma boa resistência àà
oxidaoxidaçção em temperaturas elevadas.ão em temperaturas elevadas.
Semicondutores
� Condutividade menor do que nos metais.
� Características únicas ⇒ materiais de grande importância industrial.
� Propriedades elétricas sensíveis à presença de qualquer teor de impureza.
� Material-chave na indústria eletrônica, sendo usados em diodos, transistores, etc. 
Intrínsecos: comportamento elétrico baseado na estrutura eletrônica 
inerente ao metal puro.
Extrínsecos: características ditadas por átomos de impurezas.
Elementos puros (grupo IVA):
Si = 1,1 eV
Ge = 0,7 eV
Compostos (grupos IIIA com IVA): GaAs; InSb
Compostos (grupos IIB e VIA): CdS; ZnTe
> caráter iônico na ligação → > Eg→ > caráter isolante.
Semicondutores intrínsecos
Modelo de ligação eletrônica para a condução elétrica no silício 
(semicondutor intrínseco)
Antes da excitação do 
elétron Elétron excitado para a banda de condução.
Falta de um elétron na 
ligação covalente (estado 
eletrônico vazio ou 
“buraco”).
Carga do “buraco”
= +1,6 x 10-19 C
Imperfeições na rede 
causam espalhamento 
dos elétrons
Semicondutores intrínsecos
Dois tipos de portadores de carga: elétrons e “buracos”
σσσσ = n.q.µµµµe + p.q.µµµµb⇒⇒⇒⇒
σ - condutividade elétrica (Ω-1. cm-1)
ρ - resistividade elétrica (Ω. cm)
n - número de portadores de carga por cm3
n = p = ni (concentração de portadores intrínsecos)
q - carga carregada pelo portador (Coulombs)
µ - mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s) Semicondutores: µµµµb <<<< µµµµe
σ = n.q.(µe + µb) = p.q.(µe + µb) = ni.q.(µe + µb)
n = número de elétrons por m3
p = número de buracos por m3
ni = concentração de portadores intrínsecos por m3
Semicondutores extrínsecos tipo n
Modelo de ligação eletrônica para a condução elétrica no silício com 
impureza na rede (substituição do Si por átomo com 5 elétrons)
Si: 4 elétrons (lig. cov.)
P: 1 elétron fracamente ligado 
ao redor do átomo da 
impureza; baixa energia de 
ligação 
≅ 0,01eV) n > > p
(elétrons são 
portadores majoritários)
σσσσ ≅≅≅≅ n.q.µµµµe
Estado 
doador
Elétron 
livre na 
banda de 
condução
Semicondutores extrínsecos tipo p
Modelo de ligação eletrônica para a condução elétrica no silício com 
impureza na rede (substituição do Si por átomo com 3 elétrons)
Falta de 1 elétron 
de valência, 
gerando um 
“buraco”
Movimento do 
“buraco” em 
resposta ao 
campo elétrico.
Estado 
aceptor
Excitação 
de elétron 
para nível 
aceptor.
Buraco na 
banda de 
valência.
Dopagem do Material
�Durante o crescimento do cristal: aquecimento do material 
base até estado de massa fundente, inclusão do material de 
dopagem, crescimento do cristal com o posicionamento dos 
átomos da dopagem na rede cristalina. 
�Em liga metálicas: o material de base é levado à fusão junto 
com o de dopagem, formando a liga. Após esfriamento, os 
materiais estão agregados entre si. 
� Por Implantação iônica: íons de material dopante em 
estado gasoso são acelerados por um campo elétrico e 
adicionados à rede cristalina do material base. 
Supercondutores
Fenômeno elétrico com principal uso relacionado com característica magnética.
Metais de alta pureza: resfriamento até T≅≅≅≅ 0K →→→→ resistividade reduz até valores 
baixos, característicos de cada material.
Alguns poucos materiais: resistividade cai bruscamente até ≅≅≅≅ zero ⇒⇒⇒⇒
SUPERCONDUTORES
Temperatura na qual se atinge a supercondutividade ⇒⇒⇒⇒ TEMPERATURA CRÍTICA 
(Tc) 
Supercondutores
90K = -183oC
Piezoeletricidade
Voltagemgerada com tensão de compressão.
Apresentada por poucos materiais cerâmicos.
Usados em dispositivos que convertem energia elétrica em 
deformações mecânicas, e vice-versa.
PbZrO3 (zirconato de chumbo), NH4H2PO4 (diidrogeno fosfato de 
amônio e quartzo).
�sonar 
�ultrasonografia médica 
�microbalanças à base de cristal 
de quartzo (0,1 ng) 
�microfones 
�Controles remotos
�detectores de ondas em radar 
espectrofotômetros