Exercícios 7 2

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METALURGIA FÍSICA 1 - TPM 
PROF. JULIANO CANTARELLI TONIOLO 
7.2 LISTA DE EXERCÍCIOS 
Acadêmico: Marcelo Henrique Pante – Engenharia de Produção 
 
 
22 - O cloreto de sódio é isolante no estado sólido. Entretanto no estado líquido, ele é 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. 
 
23 - As condutividades elétricas da maioria dos metais decrescem gradualmente com a 
temperatura, mas a condutividade intrínseca dos e 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 
Inter atômica 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 com 
propriedades opostas às necessárias para os fenômenos de 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 a partir de um campo elétrico 
aplicado externamente. Na maioria dos materiais sólidos, uma corrente tem origem a 
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 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. 
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 ocorre 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 determinadospelos 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 é 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 desmagnetizado com facilidade com baixas perdas de energia por 
histerese. 
 
33 - O que é magnético duro? 
 
Um material magnético duro retém o magnetismo mesmo na ausência de um 
campo magnético externo. 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 de histerese 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 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 magnéticoa 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. 
 
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 policristal é 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 é 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 corresponde ao mais alto nível de energia ocupado por elétrons 
na temperatura de 0K. 
 
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? 
 
Dentre os materiais cerâmicos, a alumina possui uma condutividade térmica 
relativamente alta o que é incomum. Agora considerando um aço liga, este possui uma 
condutividade térmica menor que o ferro ou até um aço comum devido ao efeito de seus 
componentes da liga diminuírem o número de discordâncias entre planos de 
escorregamento. 
 
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 metálico. 
 
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 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 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) sílica 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 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. 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 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 gama (ү) 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 gama (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.