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Propriedades Elétricas
IMPORTÂNCIA
O comportamento dos materiais, em resposta à aplicação de um campo elétrico externo, define as propriedades elétricas dos materiais. Esses dependem de diversas características dos materiais: configuração eletrônica, o tipo de ligação química e os tipos de estrutura e microestrutura. 
Ohm, baseado em evidências experimentais e utilizando o conceito resistência elétrico (R) de um corpo, formulou uma lei que relaciona a voltagem (U) aplicada sobre o corpo com a corrente elétrica (I) que o atravessa. 
· [U] = V = J/C
· [I] = A = C/s
· [R] = Ω = V/A
RESISTIVIDADE E CONDUTIVIDADE ELÉTRICA
Para um corpo cilíndrico de comprimento L e seção transversal de área A, define-se a RESISTIVIDADE ELÉTRICA (ρ) do material do qual o corpo é constituído por:
· [] = Ω*m
A CONDUTIVIDADE ELÉTRICA (σ) de um material é uma medida da facilidade com que ele é capaz de conduzir uma corrente elétrica. Define-se a condutividade elétrica como sendo o inverso da resistividade:
· [] = 1/ Ω*m = A/V*m
A resistência depende do material e da geometria do condutor, e a resistividade é uma PROPRIEDADE DO MATERIAL do qual o corpo é constituído, está relacionada com a resistência e é independente da geometria da amostra. 
Lei de Ohm: Utilizando o conceito de CONDUTIVIDADE (σ), a LEI DE OHM determina que a DENSIDADE DE CORRENTE (J) num dado material é diretamente proporcional ao CAMPO ELÉTRICO (E) aplicado sobre o mesmo: 
· [E] = U/L = V/m = J/m*C
· [J] = I/A = A/m2 = C/m2s
Dependendo do valor da condutividade/resistividade tem-se três tipos de materiais: condutor, semicondutor e isolante. Condutividade é maior em metais e menor em isolantes. Resistividade é menor em metais e maior em isolantes. 
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA
Modelo de elétrons livres
Um metal é composto por um gás de elétrons que se movem num retículo cristalino. Esse modelo prevê corretamente a forma funcional da lei de Ohm. No entanto, ele prevê incorretamente os valores observados experimentalmente para a condutividade elétrica. Para uma compreensão aprofundada das propriedades elétricas dos materiais necessitamos considerar o caráter ondulatório dos elétrons e fazer uso de conceitos da mecânica quântica.
Modelo de bandas de energia eletrônica nos sólidos
Elétrons nos átomos possuem níveis discretos de energia.
BANDAS DE ENERGIA NOS SÓLIDOS
Considere um conjunto de N átomos. A distâncias de separação relativamente grandes, cada átomo é independente de todos os demais, e tem os níveis de energia atômica e a configuração eletrônica que teria se estivesse isolado. Contudo, à medida que esses átomos se aproximam uns dos outros, os elétrons sentem a ação dos elétrons e núcleos dos átomos adjacentes ou são perturbados por eles. Essa influência é tal que cada estado atômico distinto pode se dividir em uma série de estados eletrônicos proximamente espaçados no sólido, para formar o que é conhecido por BANDA DE ENERGIA ELETRÔNICA.
A extensão da divisão depende da separação interatômica e começa com as camadas eletrônicas mais externas, uma vez que elas são as primeiras a serem perturbadas quando os átomos coalescem. Dentro de cada banda, os estados de energia são discretos, embora a diferença de energia entre os estados adjacentes seja excessivamente pequena.
 Isolantes necessitam de altas energias. Semicondutores apresentam possibilidade de condução dos elétrons para a banda de condução. 
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA – METAIS
Em metais, um elétron torna-se livre quando passa para um estado de energia disponível e não preenchido acima de Ef, que é pequena a energia necessária para tal mudança. A condutividade elétrica dos metais pode ser representada pela equação:
· n: número de portadores de carga (elétrons) por unidade de volume.
· |e|: magnitude da carga dos portadores (1,602x10-19 C).
· µ: mobilidade dos portadores de carga. 
Convenção: elétrons livres se movem na direção oposta ao campo elétrico → seria esperado um aumento de corrente crescente → entretanto a corrente fica constante → FORÇAS DE ATRITO. (Espalhamento é devido a impurezas, imperfeições, discordâncias, vacâncias, vibração térmica da rede cristalina e etc.). 
RESISTIVIDADE
Fatores que influenciam no espalhamento/imperfeições:
· : influência da temperatura
· : influência de impurezas 
· : influência de deformação
Quando há existência de duas fases: 
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA – ISOLANTES E SEMICONDUTORES
No caso de isolantes e semicondutores, um elétron torna-se livre quando salta da banda de valência para a banda de condução, atravessando o gap de energia. A energia de excitação necessária para tal mudança é aproximadamente igual à largura da barreira. A diferença entre semicondutores e isolantes está na largura do gap de energia. Comparada com a largura do gap de energia dos isolantes, a dos semicondutores é bastante pequena. Quando o elétron salta da banda de valência para a banda de condução são gerados tanto um elétron livre quanto um buraco eletrônico.
SEMICONDUTORES
Existem semicondutores intrínsecos e extrínsecos. Condutividade elétrica nos semicondutores não é tão alta quanto aquela apresentada pelos metais. As propriedades elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à presença de pequenas concentrações de impurezas. 
Intrínsecos: São aqueles cujo comportamento elétrico depende basicamente da estrutura eletrônica do material puro. Sua condutividade elétrica geralmente é pequena e varia muito com a temperatura. O espaçamento entre as bandas é pequeno suficiente para que alguns elétrons adquiram energia suficiente para passa para a banda de condução.
A condutividade elétrica dos materiais semicondutores pode ser representada pela equação:
· n: número de elétrons livres por unidade de volume
· p: número de buracos eletrônicos por unidade de volume
· |e|: magnitude da carga dos portadores (1,6x10-19 C)
· µe: mobilidade dos elétrons livres
· µb: mobilidade dos buracos eletrônicos
Note que µe > µb. A condutividade elétrica dos semicondutores intrínsecos aumenta à medida que a temperatura aumenta. Para semicondutores intrínsecos, n = p. Portanto,
Buracos (carga positiva, condutores tipo p). 
Elétrons (carga negativa, condutores tipo n).
Extrínsecos: são aqueles cujo comportamento elétrico depende fortemente do tipo e da concentração dos átomos de impurezas. A adição de impurezas para a moldagem do comportamento elétrico dos semicondutores é chamada de DOPAGEM. Depende da colocação intencional de uma impureza (dopante) que promove o acréscimo ou de um buraco (p) ou de um elétron livre (n). A maioria dos semicondutores comerciais elementares são extrínsecos; o mais importante exemplo é o Si, mas também estão nesta categoria o Ge e o Sn. Os semicondutores extrínsecos têm condutividade que varia pouco com a temperatura e cujo valor é controlado pela concentração de impurezas.
· Tipo N: a dopagem do Si (valência 4) com P (valência 5) gera elétrons livres; uma impureza desse tipo é chamada de doadora. Para semicondutores do tipo n, os elétrons livres são os principais portadores de corrente, isto é, n >> p. Portanto, . Para os elétrons ligados fracamente existe um único nível de energia localizado dentro da zona proibida. Como o doador é excitado a partir de um nível de impureza nenhum buraco é criado. Na T ambiente a energia térmica disponível é suficiente para excitar grandes números de elétrons.
· Tipo P: a dopagem do Si (valência 4) com B (valência 3) gera buracos eletrônicos; uma impureza desse tipo é chamada de receptora. Para semicondutores tipo p, os buracos eletrônicos são os principais portadores de corrente, isto é, p >> n. Portanto, 
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA – CERÂMICAS IÔNICAS E POLÍMEROS
Em materiais iônicos:
· Cargas devido à presença de ânions e cátions.
· Possibilidade de migração / difusão na presença de campo elétrico.
· Difusão de ânions e cátions em sentidos opostos.
Qualquer uma das contribuições pode ser predominante, dependendo do material, pureza e temperatura. 
· Partículas +: sentido do campo elétrico
· Partículas -: sentidooposto ao campo elétrico
Condução iônica: movimento dos íons carregados. Cerâmicas iônicas e polímeros são isolantes em temperatura ambiente. 
Mobilidade dos portadores de carga: 
· 
· n: valência
· D: coeficiente de difusão
· e: carga elétrica
· k: cte dos gases
· T: temperatura
Polímeros condutores do tipo p (buraco) ou tipo n (elétron), mas sem substituição de átomo do polímero. Átomos conduzem à formação de novas bandas de energia, que se sobrepõem às bandas de valência e condução do polímero intrínseco, dando origem às bandas parcialmente preenchidas, e a formação de alta concentração de elétrons livres ou buracos em temperatura ambiente.
Materiais poliméricos e cerâmicos: utilização como dielétricos (aquele que não conduz corrente elétrica; que transmite efeitos elétricos por indução mas não por condução).
· Capacitor: Dispositivo microeletrônico capaz de armazenar cargas, feito com camadas de dielétricos entre condutores.
· Permissividade: Habilidade de um material se polarizar e armazenar cargas dentro dele.
· Dielétricos lineares: Materiais que tem uma resposta linear com o campo elétrico e a constante dielétrica não depende do campo elétrico.
· Força do dielétrico: campo elétrico máximo que pode ser obtido entre dois condutores sem haver breakdown.
· Ferroelétrico: Um material que exibe polarização espontânea e reversível.
COMPORTAMENTO DIELÉTRICO
Material dielétrico: isolante elétrico que tem estrutura de dipolo elétrico.
FERROELETRICIDADE
Polarização espontânea mesmo na ausência de campo elétrico, como resultado da interação entre dipolos permanentes adjacentes. 
PIEZOELETRICIDADE
Resposta elétrica à aplicação de pressão mecânica. Sinais elétricos podem torná-los geradores de pressão – conversão de energia elétrica em mecânica e vice-versa. Materiais com estrutura complexa e baixo grau de simetria. ex.: BaTiO3. Polarização induzida e um campo elétrico é estabelecido através de aplicação de forças externas. A reversão do sinal da força (de compressão para tração por exemplo) reverte o sentido do campo. Aplicação: microfones, detetores de sonar, vitrolas (variação de pressão na agulha, transferida para um material piezoelétrico, que transforma em um sinal elétrico que é amplificado até o alto-falante).