Trabalho 7 - Cien Tec Mat

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IFRS CAMPUS CAXIAS DO SUL 
Curso Engenharia Metalúrgica 
Aluno Edson Casagrande 
Trabalho 7 – Propriedades ópticas, térmicas, elétricas e magnéticas 
Obs.: O trabalho foi realizado com base no material fornecido pelo professor e os blogs 
de ex alunos da disciplina. 
 
22- O cloreto de sódio é isolante no estado sólido. Entretanto no estado líquido, ele e um 
bom condutor. Justifique. 
O cloreto de sódio em estado sólido forma um arranjo cristalino e não possui elétrons livres, 
isto é, não tendo condutibilidade elétrica. No estado líquido o cloreto de sódio se dissocia em 
Na+ e Cl-, formando íons que irão disponibilizar uma boa condutibilidade a solução. 
A condutividade elétrica depende de elétrons livres. 
 
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? 
O efeito da temperatura em materiais semicondutores e isolantes pode ser relacionado ao 
modelo de ligação atômica, para os materiais isolantes elétricos a ligação interatômica é 
iônica ou fortemente covalente, desta forma os elétrons de valência se encontram fortemente 
ligados, desta forma estes elétrons não estão livres para conduzir, a ligação dos 
semicondutores é covalente (ou predominantemente covalente) e relativamente fraca, neste 
caso os elétrons de valência não estão firmemente ligados aos átomos, consequentemente 
estes elétrons são mais facilmente removidos por excitação térmica do que os elétrons dos 
materiais isolantes. 
 
 
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 aumenta a resistividade elétrica dos materiais em consequência do 
maior número de discordâncias que causam o espalhamento dos elétrons, quando o material é 
recozido ocorre uma recristalização, em consequência da recristalização ocorre à redução das 
discordâncias e defeitos cristalinos, reduzindo o espalhamento e aumentando a mobilidade 
dos elétrons, isto reduz a resistividade elétrica. 
 
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 ferroeletricidade e/ou 
piezoeletricidade? 
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 propriedades opostas às 
necessárias para os fenômenos ferroeletricidade e piezoeletricidade. 
 
29- Qual a diferença entre condução eletrônica e condução iônica? 
Uma corrente elétrica resulta do movimento de partículas eletricamente carregadas em 
resposta às forças que atuam sobre elas á partir de um campo elétrico aplicado externamente, 
na maioria dos materiais sólidos, uma corrente tem origem á partir do escoamento de 
elétrons, que forma a condução eletrônica, condução iônica é quando é possível um 
movimento líquido de íons carregados produzindo uma corrente elétrica. 
 
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 e paramagnético; 
Entre as similaridades dos materiais diamagnéticos e paramagnéticos está a característica de 
que os dois materiais são magnéticos , e sua magnetização ocorro somente com a presença de 
um campo magnético, a principal diferença é de que os materiais diamagnéticos, quando 
submetidos ao campo, geram um momento magnético muito pequeno em direção oposta ao 
campo, os paramagnéticos geram momentos magnéticos na mesma direção do campo. 
(b) Ferromagnético e ferrimagnético? 
Os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos apresentam praticamente o mesmo 
comportamento com a presença de dipolos magnéticos permanentes em ausência de um 
campo magnético externo, a diferença entre eles é que os ferromagnéticos, por serem metais 
apresentam os momentos magnéticos determinados pelos elétrons, enquanto que os materiais 
ferrimagnéticos, que são geralmente óxidos metálicos, têm momentos magnéticos 
determinados pelas cargas dos íons que estão presentes na molécula, cujos spins não ficam 
cancelados por completo. 
 
32- O que e material magnético mole? 
Um material magnético mole é aquele que apresenta perdas de energia baixas, um material 
magnético mole deve possuir uma elevada permeabilidade inicial, além de uma baixa 
coercividade, este material pode atingir a sua magnetização de saturação com a aplicação de 
um campo relativamente pequeno, isto permite que este material possa ser magnetizado e 
desmagnetizadocom facilidade com baixas perdas de energia por histerese. 
 
33- O que e magnetico duro? 
Um material magnético duro retém o magnetismo mesmo na ausência de um campo 
magnético externo, um magnético duro possui remanência, coercividade, e densidade do 
fluxo de saturação elevadas, assim como baixa permeabilidade inicial e grandes perdas de 
energia por histerese, estes materiais mesmo quando submetidos a um campo magnético 
externo conseguem induzir um campo magnético grande. 
 
34- Desenhe um ciclo de histerese para um material magnético mole (por exemplo, 
ferro) recozido. Como a deformação plástica a frio altera o ciclo dehisterese deste 
material? 
A deformação plástica á 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 porque 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 
magnéticoa muito fortes podem mudar a orientação dos spins magnéticos, e com a energia 
fornecida podem manter a nova orientação adquirida. 
 
36- Qual e 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, enquento que os 
cátions Fe+3 ocupam as octaédricas, as diferentes posições do Fe+2 são responsáveis pela 
magnetização do material. 
 
37- Explique brevemente porque 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. 
 
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. 
A diferença está na condutividade térmica dos materiais, o metal apresenta 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 á sua estrutura cristalina, enquanto que os plásticos 
apresentam uma estrutura amorfa, por onde as vibrações tem mais impedimentos para se 
transmitirem. 
 
39- Justifique as afirmativas a seguir: 
(a) a condutividade térmica de um poli cristal e ligeiramente menor que a de um 
monocristal (do mesmo material). 
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) uma cerâmica cristalina e geralmente melhor condutora térmica que uma 
cerâmica amorfa. 
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. 
O nível de Fermi é relacionado a energia que corresponde ao estado de preenchimento mais 
elevado de elétrons a 0 K nos materiais sólidos. 
 
41- A condutividade elétrica do alumínio e cerca de 20 ordens de grandeza maior que a 
da alumina. Por outro lado, a condutividade térmica do alumínio e 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. 
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 metais, a condutividade térmica aumenta com a temperatura, pois 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 a 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 materiaiscerâmicos, 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 constituem como uma resistência térmica, reduzindo a 
condutividade térmica. 
 
46- A pele humana e relativamente insensível a 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 e aquecido a uma temperatura muito alta ele se torna luminoso. 
À 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 a luz visível, mas é transparente a 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 ᵞ e adquire a cor purpura. 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.