MÓDULO IV - Propriedades elétricas, óticas e magnéticas

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MÓDULO 4: Propriedades elétricas, óticas e magnéticas. Condutividade elétrica. 
Isolantes. Semicondutores. Opacidade e transparência. Comportamento 
magnético. Supercondutividade. 
 
Até aqui os átomos e seus arranjos tem recebido o máximo de nossa atenção. Neste 
capitulo concentraremos nosso interesse sobre os elétrons e sua liberdade de 
movimentação entre os átomos. 
Os metais com sua pobre capacidade de sustentação dos elétrons de valência são bons 
condutores, tanto elétricos quanto térmicos. 
 
Objetivos: 
 Manusear cálculos simples de condutividade baseados no conceito do elétron como 
transportador de carga negativa. Contrariamente um elétron ausente, conhecido como 
buraco eletrônico, é um transportador de carga positiva. 
 Relacionar variações de resistividade (e condutividade) com o efeito de impurezas e 
variações de temperatura com base no conceito do caminho livre médio. 
 Desenvolver suficiente familiaridade com os termos empregados na área de materiais 
eletrônicos. 
 
 
Condutividade elétrica. 
É o movimento de cargas elétricas (elétrons ou íons) de uma posição para outra do 
material. 
s = 1/r = n.q.m 
s = condutividade elétrica (ohm-1.cm-1) 
r = resistividade elétrica (ohm.cm) 
n = número de portadores de carga por cm3 
q = carga carregada pelo portador (Coulomb) [carga do elétron= 1,6x10-19 Coulomb] 
m = mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s) 
 
 
Semicondutores 
 Tem resistividade entre metais e isolantes: 10-6 – 10-4 W.cm a 1010 – 1020 W.cm 
 A resistividade diminui com o aumento de temperatura (ao contrário dos metais) 
 A resistividade diminui com a adição de certas impurezas 
 A resistividade aumenta com a presença de imperfeições nos cristais. 
 
Os semicondutores se caracterizam por sua estrutura eletrônica em bandas de energia. 
Os elétrons de valência de dois átomos adjacentes interagem entre si quando são 
aproximados um do outro, como acontece em um sólido cristalino. Isso faz com que 
novos níveis de energia sejam estabelecidos, originando então bandas de energia (são 
níveis discretos de energia, mas com diferenças apenas infinitesimais). 
A banda de energia corresponde à um nível de energia de um átomo isolado. As bandas 
de energia nem sempre se sobrepõem. 
 
O espaço entre as bandas de energia é chamado de gap de energia ou banda proibida. É 
o que distingue um semicondutor de um condutor ou isolante. 
 
Num semicondutor, os elétrons podem ser excitados para a banda de condução por 
energia elétrica, térmica ou óptica (fotocondução). 
 
Um semicondutor pode ser tipo "p" (condução devida aos buracos) ou tipo "n" 
(condução devida aos elétrons) 
Este tipo de condução se origina devido à presença de uma imperfeição eletrônica ou 
devido a presença de impurezas residuais. 
 
Podem ser adicionadas impurezas dopantes intencionalmente para proporcionar elétrons 
ou buracos extras, formando semicondutores extrínsecos. Os semicondutores 
extrínsecos podem ser: 
- Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extras. 
- Tipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extras 
 
Os elétrons tem maior mobilidade que os buracos. 
 
Propriedades Óticas de Sólidos 
A luz interage com os sólidos em diferentes formas. Por exemplo, os materiais podem 
ser opacos ou transparentes. Os processos óticos que ocorrem em sólidos podem ser 
representados macroscopicamente como fenômenos de reflexão, propagação e 
transmissão da luz em um meio ótico. 
Os fenômenos que ocorrem durante a propagação da luz no meio ótico são refração, 
absorção, luminescência e espalhamento. 
I. Refração é a mudança na direção de propagação da luz devido a alteração de 
velocidade no material em relação à velocidade da onda eletromagnética no ar. Este 
fenômeno não altera a intensidade da luz. 
II. Absorção sempre vai ocorrer quando a frequência da radiação incidente for 
ressonante com transições dos átomos do meio ótico. Um exemplo é o rubi, que absorve 
no azul e no verde e transmite no vermelho. 
III. Luminescência é o fenômeno que decorre do decaimento espontâneo com a 
emissão de luz de elétrons em átomos no estado excitado. A absorção da luz incidente é 
quem promove a transição dos átomos o estado fundamental para o estado excitado. 
IV. Espalhamento é um fenômeno que não altera o número de fótons incidentes, mas a 
intensidade do feixe transmitido. Os fótons espalhados em diferentes direções podem 
também apresentar frequências diferentes da incidente, dependendo se sofreram colisões 
elásticas ou inelásticas. 
 
 
Propriedades Magnéticas: 
A maioria dos elementos e materiais não exibe propriedades magnéticas. 
Materiais que exibem propriedades magnéticas: Ferro, Níquel, Cobalto, Gadolínio, 
algumas ligas (liga de samário-cobalto (SmCo5), liga de neodímio, ferro e boro 
(Nd2Fe14B)). 
 
Ferromagnetismo 
É a propriedade de concentrar as linhas de força magnética, caracterizada pela 
permeabilidade magnética. 
Ferromagnéticos - permeabilidade magnética >1 (substâncias paramagnéticas) - 
elétrons desemparelhados. Ex.: ferro, cobalto, níquel e gadolínio 
Outros metais - permeabilidade magnética <1 (substâncias diamagnéticas) - elétrons 
emparelhados 
 
Permeabilidade Magnética (µ) - é a intensidade de magnetização. A intensidade de 
magnetização varia em função da intensidade do campo. É característica do material 
μ = tgθ.B/H 
É dada em Gauss/Oersted. 
 
Supercondutividade: É um fenômeno observado em alguns materiais: o 
desaparecimento da resistividade elétrica em temperaturas próximas a 0 K. 
 
Exercícios 
1. Qual a diferença de comportamento entre um metal e um semicondutor quando há um 
aumento na temperatura? 
Resp.: Os metais, quando ocorre um aumento de temperatura, têm a resistividade 
aumentada, dificultando a passagem de corrente elétrica. Os semicondutores, por outro 
lado, têm a resistividade diminuída, facilitando a passagem de corrente elétrica.