sheldon_lopes_eletromag_avaliacao_04

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Instituição: IFCE campus Sobral
Curso: Técnico em Eletrotécnica
Disciplina: Eletromagnetismo e Materiais Elétricos
Aluno: Sheldon Lopes Pinto
Matrícula: 20192072400088
Data: 10/03/2021
Avaliação Parcial 4
Questão 1:
 O cristal de silício desempenha um papel fundamental na eletrônica moderna, cada átomo desse elemento compartilha um elétron de valência com seus vizinhos, ou seja, ele completa sua camada e a dos vizinhos, significa que acontece uma ligação covalente em seu meio. No momento em que esse cristal é submetido a uma DDP (Diferença de Potencial) em uma temperatura zero absoluto (0 K), seus elétrons confinados nas ligações covalentes não são capazes de se moverem, ou seja I = 0 A, é um material isolante. Já em temperaturas mais altas, o cristal de silício tem suas ligações covalentes rompidas e os seus elétrons tornam-se livres, logo I ≠ 0 A, vira um material condutor.
Questão 2:
Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco ou lacuna) é a falta de um elétron em uma posição onde um poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. Já que em um átomo normal ou treliça de cristal a carga negativa dos elétrons é balanceada pela carga positiva do núcleos atômicos, a ausência de um elétron deixa uma carga líquida positiva na posição do buraco. Os buracos não são, na verdade, partículas elementares, mas sim quase partículas; eles são diferentes do pósitron, que é a anti partícula do elétron. Buracos em um metal ou semicondutor de rede cristalina podem se mover através da rede como os elétrons podem, e agir de forma semelhante às partículas carga positiva.
Ao aumentarmos a temperatura (acima de 0 Kelvin) estamos fornecendo energia (térmica) ao sistema. Esta energia térmica provoca a vibração da estrutura cristalina do material semicondutor. A esta vibração térmica denominamos de agitação térmica. Com a agitação térmica da rede cristalina algumas ligações covalentes são quebradas, produzindo um elétron livre na faixa de condução e uma lacuna livre na faixa de valência. A este fenômeno denomina de geração de portadores ou geração de pares elétrons-lacunas. Quando um elétron perde energia na forma fônons dentro da rede cristalina na faixa de condução, este tende a se recombinar com uma lacuna que está na faixa de valência reconstituindo a ligação covalente. A este fenômeno denominamos de recombinação de pares elétrons lacunas, ou recombinação de portadores.
Questão 3:
Os materiais semicondutores, apresentam características elétricas únicas que os tornam especialmente úteis.
Semicondutor intrínseco: É aquele encontrado na natureza na sua forma mais pura, ou seja, a concentração de portadores de carga positiva é igual à concentração de portadores de carga negativa. Os semicondutores são intrínsecos quando não têm dopagem, têm apenas átomos do semicondutor-base, as temperaturas são muito baixas, são excelentes isolantes, pois, possuem na sua composição um elemento ou combinação de elementos que lhes confiram uma estrutura covalente com todos os orbitais eletrônicos ligantes de todos os átomos sempre completos. Não há por tal portadores de carga elétrica estruturalmente livres quando puros. Quimicamente viáveis há os semicondutores do grupo IV (ver tabela periódica), como os de germânico ou, com vantagens à temperatura ambiente, os de silício; do grupo III-V, com destaque para o arseneto de gálio, nitreto de gálio, sulfeto de cádmio, arseneto de índio, e certamente outros com estequiometrias mais sofisticadas. Os elementos no composto devem aparecer sempre dispostos em estrutura cristalina sem falhas ou imperfeições, o que justifica o emprego de técnicas de produção elaboradas e especialmente desenvolvidas para garantir tal simetria.
Semicondutores extrínsecos ou dopados: São semicondutores intrínsecos onde introduzimos uma impureza para controlarmos as características elétricas do semicondutor. A dopagem é feita utilizando-se elementos diferentes dos que integram a rede semicondutora, usualmente os elementos da coluna III (para semicondutores tipo P) ou da coluna V (para semicondutores tipo N). É, contudo, também comum o emprego de elementos de outras colunas, incluso a coluna IV, tanto para a obtenção de semicondutores do tipo P como do tipo N. Caso o tipo de impurezas dopantes seja doadora, isto é, tem elétrons de valência "dispostos" a saírem da sua orbital, o tipo do semicondutor é N. Isto acontece pois o semicondutor vai ter um excesso de elétrons face ao número de buracos (cargas portadoras de sinal contrário ao dos elétrons). O excesso de elétrons ocorre devido à proximidade dos níveis de energia da impureza à banda de condução do semicondutor. Quando o material dopante é adicionado, este aporta seus elétrons mais fracamente ligados aos átomos do semicondutor. Este tipo de agente dopante é também conhecido como material doador já que cede um de seus elétrons ao semicondutor. O propósito da dopagem tipo N é o de produzir abundância de elétrons livres no material.
Questão 4:
Para converter um material semicondutor em material condutor, pode-se fornecer a ele cargas elétricas em quantidade necessária para que haja excesso de cargas negativas (elétrons). Muitas dessas cargas podem não se encontrar emparelhadas para formar uma ligação e, como consequência, esses elétrons excedentes estarão livres ao redor dos átomos e poderão mover-se com facilidade. Haverá, então, condução de corrente elétrica, denominada condução extrínseca. O excesso de cargas negativas pode ser obtido introduzindo-se elementos com tal impureza com mais elétrons na camada de valência que os do material semicondutor que serve de base. É a chamada dopagem. Essas impurezas são denominadas doadoras e o material obtido é chamado de semicondutor tipo N.
Por exemplo, o silício (que tem quatro elétrons na camada de valência) é dopado negativamente com pequenas quantidades de fósforo, arsênio ou antimônio (que têm cinco elétrons na camada de valência e, portanto, um elétron a mais que o silício). Os elétrons adicionais estão livres e formam a corrente elétrica. De maneira parecida, também se pode introduzir um excesso de cargas positivas no material. Nesse caso, produz-se uma falta de elétrons ou, dito de outra forma, um excesso de “buracos” (por “buraco”, entende-se a ausência de um elétron que compense a carga positiva). A presença de buracos também facilita a condução de corrente elétrica, pois o excesso de cargas positivas promove a “captura” de elétrons e permite o deslocamento deles.
O excesso de cargas positivas se consegue introduzindo-se impurezas com menos elétrons de valência que o material semicondutor que serve de base. Essas são impurezas receptoras e o material obtido é denominado semicondutor tipo P. O silício, por exemplo, é dopado positivamente com impurezas de boro, gálio ou índio (que têm três elétrons de valência e, portanto, um elétron a menos). Em geral, os semicondutores extrínsecos apresentam uma condutividade elétrica maior que a dos semicondutores intrínsecos e, por esse motivo, são mais utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos (silício tipo P e silício tipo N).
Semicondutor extrínseco do tipo N: Os elétrons excedentes se movem pelo material.
Semicondutor extrínseco do tipo P: O excesso de cargas positivas equivale à existência com facilidade de “buracos” que propiciam a movimentação de elétrons e a condução da eletricidade.
Questão 5:
Os materiais ou substâncias ferromagnéticas compreendem um pequeno grupo de substâncias encontradas na natureza, que ao serem colocadas na presença de um campo magnético se imantam fortemente, e o campo magnético delas é muitas vezes maior que o campo que foi aplicado. É verificado que a presença de um material ferromagnético torna o campo magnético resultante centenas de vezes mais intenso.
Nos materiais ferromagnéticos, antiferromagnéticos e ferrimagnéticos, os movimentos
térmicos dos átomos causa desalinhamento dos dipolos, independentemente da presença
de campo externo diminuição da magnetização de saturação em materiais
ferromagnéticose ferrimagnéticos. 
No aumento da temperatura desses materiais a magnetização de saturação diminui gradualmente e cai abruptamente na tempera de Curie (𝑇𝐶). Em 𝑇𝐶 as forças mútuas de acoplamento de spins são completamente destruídas em
temperaturas acima de 𝑇𝐶 os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos são
paramagnéticos.
Questão 6:
Materiais Magnéticos Moles – O tamanho e a forma da curva de histerese têm importância prática para os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos. A área no interior de um ciclo representa uma perda de energia magnética por unidade
de volume do material por ciclo de magnetização-desmagnetização – calor gerado no
interior da amostra. Materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos são classificados como moles ou duros de acordo com suas características de histerese. Materiais magnéticos moles são empregados em dispositivos sujeitos a campos magnéticos alternados e onde as perdas de energia devem ser baixas. Ex.: núcleo de transformadores. Área relativa dentro do ciclo de histerese deve ser pequena – fina e estreita. 
Os Materiais magnéticos moles atingem sua magnetização de saturação com a aplicação de um campo relativamente pequeno – magnetizado e desmagnetizado com facilidade – também possui pequenas perdas de energia por histerese. Perdas de energia também podem resultar de correntes elétricas induzidas por um campo magnético que varia no tempo – correntes parasitas. As perdas por correntes parasitas podem ser minimizadas pelo aumento da resistividade elétrica dos materiais.
Materiais Magnéticos Duros – São empregados em ímãs permanentes que devem ter alta resistência à desmagnetização. Os ferromagnéticos duros só se magnetizam quando aplicamos a eles um alto campo magnético externo. Esses materiais apresentam magnetização residual alta. Esses materiais têm grande utilização industrial, pois são ideais para a construção de ímãs permanentes, pelo fato de uma vez magnetizados, reterem a sua magnetização.
Alguns exemplos de equipamentos de materiais magnéticos moles que são utilizados em eletrotécnica são os transformadores, motores, dínamos, circuitos de comutação e geradores.
Questão 7:
Metais de alta pureza quando resfriados até temperaturas próximas de 0 K têm sua
resistividade diminuída gradualmente, aproximando-se de um valor pequeno, porém finito, que é característico de cada metal específico. Uns poucos materiais quando submetidos a temperaturas muito baixas, têm sua resistividade bruscamente reduzida, desde um valor finito até um valor virtualmente igual a zero, permanecendo nesse valor com a continuação do resfriamento supercondutores.
· Metais e ligas metálicas – de menos de 1 K a aproximadamente 20 K
· Óxidos cerâmicos complexos – acima de 100 K
Em temperaturas abaixo de 𝑇𝐶 , o estado supercondutor deixa de existir com a aplicação de um campo magnético suficientemente grande – campo crítico 𝑯𝑪. 𝐻𝐶 diminui com o aumento da temperatura. Existe uma densidade de corrente aplicada abaixo da qual o material é supercondutor – densidade de corrente crítica 𝑱𝑪. Para valores de temperatura, campo magnético e densidade de corrente localizados entre a origem e a fronteira, o material será supercondutor; fora da fronteira, a condução é normal. O principal obstáculo para a ampla aplicação de materiais supercondutores está na
dificuldade de se atingir e manter temperaturas extremamente baixas. Espera-se superar esse problema com o desenvolvimento de uma nova geração de supercondutores
com temperaturas críticas razoavelmente elevadas.
Trem magneticamente levitado (MAGLEV):
Como altas correntes elétricas podem ser mantidas nos supercondutores, altos campos magnéticos podem ser gerados, de acordo com as leis da eletricidade e magnetismo. Uma das aplicações é a levitação magnética que pode ser utilizada em veículos de transporte, como trens, eliminando a fricção com os trilhos. Trens desse tipo podem ser feitos com magnetos convencionais, pois utilizam basicamente atração e repulsão magnéticas na levitação. Entretanto, os magnetos convencionais desperdiçam energia elétrica na forma de calor e precisam ser bem maiores que os magnetos supercondutores para fornecerem os campos magnéticos necessários à levitação.