7 2 lista de exercicios

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7.2. Lista de Exercícios 
Aluno: Vitor Hugo Ribeiro 
22. O cloreto de sódio é isolante no estado sólido. Entretanto no estado líquido, ele é um 
bom condutor. Justifique. 
No estado sólido ele não apresenta elétrons livres, já no estado líquido o cloreto de sódio se 
dissocia em Na+ e Cl-, formando íons que irão disponibilizar uma boa condutibilidade a 
solução. 
23.As condutividades elétricas da maioria dos metais decrescem gradualmente com a 
temperatura, mas a condutividade intrínseca dos semicondutores sempre cresce 
rapidamente com a temperatura. Justifique a diferença. 
A queda da condutibilidade elétrica dos metais com o aumento da temperatura se deve ao 
aumento das vibrações térmicas e de outras irregularidades de rede, que servem como centros 
de espalhamento de elétrons aumentando a resistividade do material, enquanto que os 
materiais semicondutores o aumento da temperatura resulta em um aumento da na energia 
térmica que está disponível para a excitação dos elétrons, desta forma mais elétrons são 
promovidos para a banda de condução, o que dá origem a maior condutividade elétrica. 
24. Por que o efeito da temperatura na condutividade elétrica é, em geral, mais acentuado 
em um semicondutor do que em um isolante? 
Porque em um material isolante as bandas de valência e de condução apresentam uma 
separação muito grande, assim não é possível conduzir eletricidade por movimentação 
eletrônica. Já os materiais semicondutores apresentam uma banda proibida de menos 
tamanho que nos materiais isolantes, assim a necessidade de energia deles para promover um 
elétron é menor. 
25. 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. 
O átomo de arsênio corresponde a um semicondutor tipo “n”, com cinco elétrons de valência, 
ao se incorporado em uma matriz de germânio só quatro de seus elétrons formarão ligações 
com os elétrons vizinhos, deixando um livre com energia de ligação relativamente pequena, 
desta forma ele é removido com facilidade do átomo de impureza, se tornando um elétron 
livre ou de condução, no caso Ga dentro do Ge, geram-se semicondutores tipo “p”, onde, em 
lugar de um elétron livre, falta um elétron dentro da ligação e forma-se um buraco que se 
encontra fracamente ligado ao átomo da impureza, o elétron e o buraco trocam 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. 
26.Por que a deformação plástica de um metal ou liga aumenta sua resistividade elétrica e o 
posterior recozimento a diminui? 
A deformação plástica, geralmente produz um aumento do volume total por onde as cargas 
vão se movimentar, reduzindo assim o fator do número de cargas movimentadas por unidade 
de volume, diminuindo o valor da condutividade elétrica e aumentado a resistividade. Com o 
recozimento produz-se grãos com maior número de defeitos que geram caminhos para a 
movimentação de elétrons, produzindo assim um aumento da condutividade elétrica e da 
resistividade. 
27. Por que pequenas adições de soluto aumentam a condutividade elétrica do germânio e 
diminuem a do cobre? 
No germânio existem buracos dentro da matriz que poderão movimentar-se com a presença 
de um soluto, aumentando a condutividade elétrica, no cobre quando adicionado um soluto 
vai ocasionar em um excesso de elétrons livres, que irão impedir a sua própria movimentação, 
deixando a transmissão de energia mais lenta e aumentando a resistividade elétrica. 
28. Pode um condutor metálico apresentar os fenômenos de ferroeletrecidade e/ou 
piezoeletrecidade? 
A ferroeletricidade e a piezoeletricidade são propriedades elétricas características de materiais 
com geometria de molécula assimétrica e ligações iônicas, os materiais metálicos apresentam 
uma estrutura uniforme e mesma carga para cada átomo com propriedades opostas às 
necessárias para os fenômenos de ferroeletricidade e piezoeletricidade 
29.Qual a diferença entre condução eletrônica e condução iônica? 
Na condução eletrônica o transporte da carga é realizado por elétrons. Já na condução iônica o 
transporte da carga ocorre pela movimentação de íons no meio. 
30.Em termos de bandas de energia eletrônica, discuta a razão para a diferença na 
condutividade elétrica entre metais, semicondutores e isolantes. 
A diferença de condutividade elétrica dos metais, semicondutores e isolantes está relacionada 
com o espaçamento entre as bandas de energia, os metais apresentam elétrons livres na 
banda de valência e na banda de condução, neste caso pode-se dizer que nos metais o 
espaçamento entre as bandas está preenchido com elétrons livres, alguns metais apresentam 
superposição das bandas de valência e de condução. 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. 
31.Quais são as principais diferenças e similaridades entre um material (a) diamagnético 
paramagnético e (b) ferromagnético e ferrimagnético? 
Diamagnético: ocorre quando o átomo (sem um momento magnético) aceita um alinhamento 
no campo magnético, sendo a magnitude muito pequena e de direção oposta ao do campo 
aplicado. Forma muito fraca de magnetismo. 
Paramagnético: os átomos individuais possuem momentos magnéticos: orientações ao acaso 
magnetização nula para um grupo de átomos. Forma muito fraca de magnetismo, e sem 
aplicação prática. 
Ferromagnético: Materiais metálicos com momento magnético na ausência de campo externo, 
acima da temperatura crítica ou de Curie, perdem o ferromagnetismo e tornam-se 
paramagnéticos. 
Ferrimagnético: ocorre em alguns materiais cerâmicos que apresentam forte magnetização 
permanente ferritas, a susceptibilidade magnética diminui com o aumento da temperatura. 
32.O que é material magnético mole? 
Apresentam força coesiva de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixa indução 
residual. A área do ciclo de histerese e a perda de energia por ciclo são pequenas. Operam na 
presença de um campo magnético sendo ligas organizadas, geralmente de metais puros com 
boa qualidade estrutural. São empregadas como ligas a serem submetidas à magnetização 
alternada (núcleos de transformadores) Ex.: geradores, motores elétricos e transformadores. 
33.O que é magnético duro? 
São materiais magnetizados durante a fabricação e deve reter o magnetismo após a retirada 
do campo magnético. Se caracterizam pelo grande valor de força coesiva e alta indução 
residual. Apresentam um ciclo de histerese grande, sendo ligas endurecidas com estruturas 
desequilibradas e dispersas. Sendo aplicadas principalmente em refrigeradores e fones de 
ouvido. 
34.Desenhe um ciclo de histerese para um material magnético mole (por exemplo, ferro) 
recozido. Como a deformação plástica a frio altera o ciclo de histerese deste material? 
A deformação plástica a frio reduz o tamanho do grão e produzem discordâncias nos metais, 
os defeitos estruturais tendem a restringir o movimento das paredes do domínio, e desta 
forma aumentar a coercividade, a presença de defeitos estruturais faz com que seja necessário 
um campo magnético muito forte para magnetizar o material. 
35.Explique porquê materiais ferromagnético podem ser permanentemente magnetizados, 
enquanto materiais paramagnéticos não podem.Os materiais paramagnéticos não podem ser magnetizados permanentemente porque eles 
perdem a orientação ordenada dos spins quando elimina-se o campo magnético ao que estão 
submetidos, enquanto que os materiais ferromagnéticos ao serem submetidos a campos 
magnéticos muito fortes podem mudar a orientação dos spins magnéticos, e com a energia 
fornecida podem manter a nova orientação adquirida. 
36.Qual é a diferença entre a estrutura cristalina espinélio e espinélio inverso? 
A estrutura do espinélio é do tipo AmBnXp, nesta estrutura os íons O -2 formam um arranjo 
CFC enquanto os íons de Fe+2 enchem os sítios octaédricos e os Fe+3localizam-se nas posições 
tetraédricas, as estruturas de espinélio inverso possuem simetria cúbica similar à do espinélio, 
nesta estrutura os cátions Fe+2 ocupam as posições tetraédricas, enquanto que os cátions 
Fe+3 ocupam as octaédricas, as diferentes posições do Fe+2 são responsáveis pela 
magnetização do material. 
37.Explique brevemente porquê a magnitude de saturação de magnetização diminui com o 
aumento da temperatura para um material ferromagnético e porque o comportamento 
ferromagnético cessa acima da temperatura de Curie. 
A magnetização de saturação é máxima na temperatura de 0 K, nesta condição as vibrações 
térmicas são mínimas, com o aumento da temperatura, a magnetização de saturação diminui 
gradualmente, então cai abruptamente para zero, esta temperatura é conhecida como 
temperatura Curie, as alterações nos momentos magnéticos são geradas pelas vibrações em 
consequência do aumento de temperatura reduzindo gradativamente magnetização de 
saturação. Acima da temperatura de Curie o material perde o ferromagnetismo e torna-se 
paramagnético. 
38.Em um dia frio, as partes metálicas de um carro causam maior sensação de frio que as 
partes de plástico, mesmo estando na mesma temperatura. Justifique. 
Isso pode ser explicado pela diferença na condutividade térmica dos materiais. Os metais 
apresentam maior condutividade térmica que os plásticos, isto faz com que este material 
libere a energia mais rapidamente para o ambiente, no plástico existem diferentes 
condutividades, que perdem a sua energia interna a uma taxa menor e conseguem manter 
energia por mais tempo, o metal pode apresentar vibrações fortes devido à sua estrutura 
cristalina, enquanto que os plásticos apresentam uma estrutura semi cristalina ou amorfa, por 
onde as vibrações tem mais impedimentos para se transmitirem. 
39.Justifique as afirmativas a seguir (a) a condutividade térmica de um policristal é 
ligeiramente menor que a de um monocristal (do mesmo material). (b) uma cerâmica 
cristalina é geralmente melhor condutora térmica que uma cerâmica amorfa. 
(a) O policristal apresenta diferenças nos arranjos cristalinos que dificultam a passagem das 
vibrações da rede, dificultando a transferência de energia e reduzindo a condutividade 
térmica. Em um monocristal não existem impedimentos para a condutividade, às vibrações da 
rede são uniformes o que o torna mais condutivo termicamente. 
(b) Dentro de uma estrutura amorfa as vibrações encontram um caminho impedido para se 
transferirem, portanto a energia fica dentro da estrutura, neste caso a condução térmica é 
pouco eficiente e ocorre a uma taxa pequena, em um material cristalino a rede oferece um 
caminho adequado para transferências das vibrações ao longo da rede, facilitando a 
condutividade. 
40.Defina nível de Fermi. 
Está relacionado com a energia que corresponde ao estado de preenchimento mais elevado de 
elétrons a 0 K nos materiais sólidos. 
41.A condutividade elétrica do alumínio é cerca de 20 ordens de grandeza maior que a da 
alumina. Por outro lado, a condutividade térmica do alumínio é apenas 8 vezes maior que a 
da alumina. Justifique. 
A alumina é um material que se encontra em equilíbrio energético em consequência da ligação 
iônica, a molécula é eletricamente neutra e não possui cargas que possam ser movimentadas, 
o alumínio apresenta um número muito maior de elétrons livres na estrutura cristalina, que se 
movimentam para conduzir eletricidade. Porém a alumina apresenta dois tipos diferentes de 
átomos que fazem com que a transferência de energia por vibrações seja maior, isto aumenta 
a condutividade térmica da alumina, o alumínio apresenta elétrons livres e vibrações como 
formas para transferir energia térmica, a diferença entre o alumínio e seu óxido e menor se for 
comparada com a diferença de condutividade elétrica entre ambos. 
 
42.A condutividade térmica da alumina é maior que a condutividade térmica de um aço 
inoxidável austenítico do tipo 316 (Fe-19%Cr-11%Ni-2,5%Mo). Como você justifica o fato de 
um material cerâmico ser melhor condutor de calor que um material metálico? 
Para metais a presença de elementos de liga e/ou impurezas dentro do arranjo cristalino 
diminui a condutividade térmica, pois eles criam obstáculos para o caminho de movimentação 
dos elétrons e assim dificultam a transferência de energia reduzindo a condutividade , a 
alumina possui uma estrutura cristalina bem definida e dentro dala o transporte de energia é 
feito via vibrações de rede, neste caso resulta em um material mais eficiente na movimentação 
eletrônica, o que resulta em uma maior condutividade, quando comparado ao aço do tipo 316. 
43.Explique brevemente a expansão térmica usando a curva do potencial de energia versus a 
distância Interatômica. 
Nos sólidos a expansão térmica corresponde ao aumento de dimensões durante o 
aquecimento e contração no resfriamento, se não ocorrer transformações de fases. Assim, a 
dilatação térmica dos sólidos tem origem na variação assimétrica da energia de ligação com a 
distância Interatômica, com o aquecimento os átomos aumentam a frequência e amplitude de 
vibração, isto faz com que a distância média entre os átomos aumente ocasionando na 
expansão térmica. 
44.Compare o efeito da temperatura sobre a condutividade térmica e elétrica para materiais 
cerâmicos e metálicos. 
Para os materiais metálicos, a condutividade térmica aumenta com a temperatura, porque o 
transporte de energia térmica através de vibrações da rede cristalina e a movimentação de 
elétrons está facilitado, entretanto a condutividade elétrica diminui com o aumento da 
temperatura porque os elétrons movimentam-se em excesso, com isto tomam caminhos por 
onde perdem energia e fazem ineficiente a condução de eletricidade, o efeito da temperatura 
e a relação das condutividades térmica e elétrica para os metais são dados pela lei de 
Wiedemann Franz: 
L=k/σT 
Onde L é a constante de Wiedemann Franz e que varia segundo o metal, k é a condutividade 
térmica, σ a condutividade elétrica e T a temperatura. 
A condutividade térmica dos cerâmicos é determinada pela vibração do arranjo cristalino; a 
condutividade elétrica em geral é baixa devido à pouca movimentação de elétrons, na maioria 
dos cerâmicos sem poros a condutividade diminui com a temperatura, enquanto ela aumenta 
para materiais porosos. No relacionamento com a condutividade elétrica dos materiais 
cerâmicos, eles apresentam condução predominantemente iônica; portanto devem se formar 
defeitos como vacâncias e deslocamentos de íons com o aumento da temperatura, com isto o 
aumento de temperatura aumenta também a condutividade térmica. 
45.Para cada um dos pares de material apresentado decida qual deles tem a maior 
condutividade térmica. Justifique sua resposta. 
 (a) Prata pura; prata esterlina (92,5 Ag e 7,5 Cu % em peso); 
Neste caso a prata pura apresenta maior condutividade térmica por não possuir átomos de 
impurezas que possam espalhar elétrons e impedir uma transferência de energia. 
(b) Silica fundida; sílica policristalina; 
A sílica policristalina apresenta maior condutividade térmica, porque contém menor número 
de defeitos que a sílica fundida, o material fundido pode apresentar mais de um tipo de 
defeito, como poros, os quais se constituemcomo uma resistência térmica, reduzindo a 
condutividade térmica. 
46.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. 
O comprimento de onda da radiação ultravioleta é menor que o da luz visível, portanto a 
radiação UV tem maior energia, este valor de energia da luz UV é suficiente para romper as 
cadeias de carbono que conformam a pele humana, a exposição a este tipo de radiação causa 
queimaduras e outros tipos de danos ao curto e longo período de tempo. 
47.Quais as principais diferenças e similaridades entre um fóton e um fônon? 
Fóton é o pacote de energia da luz, fônon é o quanto de energia térmica é transmitida por 
vibrações. O comportamento do fóton é do tipo eletromagnético e do fônon é mecânico, a 
similaridade é que a energia deles depende dos seus comprimentos de onda. 
48.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. 
Quando um corpo absorve energia, os elétrons que fazem parte de sua estrutura promovem-
se de estado. A energia absorvida por cada elétron corresponde a um comprimento de onda 
da sua cor. 
49.O silício não é transparente à luz visível, mas é transparente à radiação infravermelha. 
Justifique. 
Quando um feixe de radiação infravermelha é incidido em uma chapa de silício, este feixe vai 
atravessar totalmente a chapa, portanto o silício é transparente para esta radiação, isto se 
deve a estrutura cristalina tipo diamante do silício que forma uma rede com muito poucos 
defeitos que interfeririam no caminho do feixe. No caso de um feixe de luz visível quando 
incide no silício algumas faixas de energia são absorvidas, como resultado tem-se um material 
opaco. 
50.Um cristal de KCl é irradiado com raios e adquire a cor púrpura. O cristal é colocado em 
um dessecador na temperatura ambiente. Com o passar do tempo, o cristal vai perdendo a 
cor. Justifique este comportamento. 
Quando o cristal de KCl é irradiado com raios ү, aumenta a sua temperatura em consequência 
da absorção de energia para o comprimento de onda da cor púrpura, ao voltar a temperatura 
ambiente, a energia absorvida é liberada e deixa de transmitir a maior parte da luz visível, 
perdendo a cor. 
51.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 permite a passagem de toda a luz do espectro 
visível. Quando ele é colorido ele pode absorver algumas longitudes de onda do espectro e 
transmitir outras, este fenômeno é conhecido como adsorção seletiva. Ao adicionar o zinco no 
cobre, muda-se as longitudes da onda que são correspondentes à energia que a liga pode 
absorver, em comparação com o cobre puro.