S.J. dos Campos

1S.J. dos Campos

Prof. Dr. FERNANDO CRUZ Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERIBARBIERI

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIPENGENHARIA ELETRICA

MATERIAIS ELÉTRICOS

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1. INTRODUÇÃO


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A A indústria de elétrica e eletrônicosindústria de elétrica e eletrônicos desde sempre teve desde sempre teve uma uma grande necessidade de novos materiais com melhores grande necessidade de novos materiais com melhores característicascaracterísticas e de fácil utilização, como: e de fácil utilização, como:

Grandes avançosGrandes avanços como os associados ao como os associados ao desenvolvimento de desenvolvimento de ligas metálicasligas metálicas, ligas avançadas em , ligas avançadas em geral e geral e materiais cerâmicosmateriais cerâmicos, tornaram possível melhorara , tornaram possível melhorara eficiência e eficiência e deixar menos consumodeixar menos consumo dos equipamentos dos equipamentos eletrônicos e elétricos;eletrônicos e elétricos;

Substituição de novos materiaisSubstituição de novos materiais e o e o aperfeiçoamento de aperfeiçoamento de materiais existentesmateriais existentes, bem como da disponibilização de , bem como da disponibilização de materiais materiais mais levesmais leves, , mais resistentesmais resistentes, , mais tenazesmais tenazes, , mais mais tolerantes aos danostolerantes aos danos, , e/ou mais resistentes a altas e/ou mais resistentes a altas temperaturastemperaturas, , recicláveisrecicláveis e e fáceis de repararfáceis de reparar, para uma , para uma nova geração de componentes nova geração de componentes mais seguros, econômicos e mais seguros, econômicos e eficientes;eficientes;

1.1 – Introdução aos materiais elétricos1.1 – Introdução aos materiais elétricos


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1.2 – Necessidade do Estudo dos Materiais Elétricos1.2 – Necessidade do Estudo dos Materiais Elétricos


Materiais:Materiais: são as substâncias com as quais se produz são as substâncias com as quais se produz objetos ou coisas, e os Materiais Elétricos são utilizados objetos ou coisas, e os Materiais Elétricos são utilizados na fabricação de máquinas,equipamentos e dispositivos na fabricação de máquinas,equipamentos e dispositivos elétricos.elétricos.

O estudo dos Materiais Elétricos permite selecionar esses O estudo dos Materiais Elétricos permite selecionar esses materiais visando:materiais visando:

Aumento da confiabilidade,Aumento da confiabilidade, Redução de custos de fabricação,Redução de custos de fabricação, Redução do custos de manutençãoRedução do custos de manutenção

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1.3 – 1.3 – Requisitos fundamentais para os profissionais da Requisitos fundamentais para os profissionais da

Área Elétrica Área Elétrica


Perceber as perspectivas futuras;Perceber as perspectivas futuras;

Entender como as propriedades químicas, elétricas, Entender como as propriedades químicas, elétricas, físicas, térmicas, óticas, mecânicas, a disponibilidade e o físicas, térmicas, óticas, mecânicas, a disponibilidade e o custo dos materiais se relacionam no projeto e na custo dos materiais se relacionam no projeto e na seleção;seleção;

Saber que apesar do avanço das ciências, muitos Saber que apesar do avanço das ciências, muitos desafios ainda estão por vir (ex. tudo que se relaciona desafios ainda estão por vir (ex. tudo que se relaciona com Impacto Ambiental e Sustentabilidade).com Impacto Ambiental e Sustentabilidade).

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1.4 – Regras práticas para seleção dos materiais 1.4 – Regras práticas para seleção dos materiais

elétricoselétricos


• Conhecimento do material e as condições a que estará Conhecimento do material e as condições a que estará sujeito.sujeito.

• Propriedades consistentes com as condições de serviço. Propriedades consistentes com as condições de serviço.

• Efeito das mudanças de condições além dos limites Efeito das mudanças de condições além dos limites normais.normais.

• Listagem de todos os materiais possíveisListagem de todos os materiais possíveis

• Eliminação dos materiais de propriedades inadequadas, Eliminação dos materiais de propriedades inadequadas, tais como fratura, corrosão, segurança, alto custo, tais como fratura, corrosão, segurança, alto custo, disponibilidade, etcdisponibilidade, etc

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1.5 – Classificação dos materiais na engenharia1.5 – Classificação dos materiais na engenharia


Por convenção os materiais na engenharia são Por convenção os materiais na engenharia são classificados, como:classificados, como:

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Elementos com valência 1, 2 ou 3 Elementos com valência 1, 2 ou 3 Ligação metálica (compartilh. dos elétrons livres) Ligação metálica (compartilh. dos elétrons livres) Microestrutura cristalina Microestrutura cristalina Dúcteis (alta plasticidade)Dúcteis (alta plasticidade)Rígidos (alto módulo de elasticidade)Rígidos (alto módulo de elasticidade)Tenazes (resistentes a trincas)Tenazes (resistentes a trincas)Encruáveis (endurecem por deformação)Encruáveis (endurecem por deformação)OpacosOpacosBons condutores de calor e eletricidadeBons condutores de calor e eletricidadeTemperáveis ( mais de uma fase alotrópica) Temperáveis ( mais de uma fase alotrópica) Ligas endurecíveis por precipitaçãoLigas endurecíveis por precipitaçãoAtivos quimicamenteAtivos quimicamentePropagação de discordâncias muito mais fácilPropagação de discordâncias muito mais fácil

Ex: Aços, Ligas de alumínios, ligas de titânios etc.. Ex: Aços, Ligas de alumínios, ligas de titânios etc..

1.5.1 – Materiais metálicos (condutores)1.5.1 – Materiais metálicos (condutores)


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Longas cadeias de moléculas repetidasLongas cadeias de moléculas repetidasLigações covalentes nas cadeias (entre as cadeias é secundária nos Ligações covalentes nas cadeias (entre as cadeias é secundária nos Termoplásticos e covalente nos termofixos)Termoplásticos e covalente nos termofixos)Baixa temperatura de fusão ou de decomposiçãoBaixa temperatura de fusão ou de decomposiçãoMicroestrutura amorfa ou pouco cristalinaMicroestrutura amorfa ou pouco cristalinaPouco rígidosPouco rígidosMaus condutores de calorMaus condutores de calorViscoelásticos e dúcteis acima da temperatura de transição vítreaViscoelásticos e dúcteis acima da temperatura de transição vítreaPouco densos Pouco densos Bons isolantes elétricosBons isolantes elétricosPodem ter boa resistência química ePodem ter boa resistência química eÓtima fabricabilidadeÓtima fabricabilidade

Ex:Termoplasticos,Termoelasticos,Elastomeros etc..Ex:Termoplasticos,Termoelasticos,Elastomeros etc..

1.5.2 – Materiais poliméricos (isolantes) 1.5.2 – Materiais poliméricos (isolantes)


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Em geral a combinação de metais com não-metais (valência 5, 6 ou Em geral a combinação de metais com não-metais (valência 5, 6 ou 7) 7) Ligação iônica ou covalente Ligação iônica ou covalente estrutura cristalina (complexa) ou vítreaestrutura cristalina (complexa) ou vítreaAlta rigidezAlta rigidezAlta durezaAlta durezaFrágeisFrágeisNão encruáveis nem maleáveisNão encruáveis nem maleáveisQuimicamente estáveisQuimicamente estáveisPropagação de discordâncias quase impossívelPropagação de discordâncias quase impossívelAlto ponto de fusãoAlto ponto de fusãoIsolantes elétricosIsolantes elétricosMaus condutores de calorMaus condutores de calor

Ex: Vidros, cerâmicas, carbertos etc..Ex: Vidros, cerâmicas, carbertos etc..

1.5.3 – Materiais cerâmicos (isolantes)1.5.3 – Materiais cerâmicos (isolantes)


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Combinação de dois ou mais materiais cujas Combinação de dois ou mais materiais cujas propriedades são diferenciadas das dos constituintespropriedades são diferenciadas das dos constituintesFormados por dois materiais a nível macroscópicoFormados por dois materiais a nível macroscópicoEnorme gama de propriedadesEnorme gama de propriedadesExcelentes rigidez e resistência específicasExcelentes rigidez e resistência específicasFibras e matriz cerâmicas resistem a altas temperaturasFibras e matriz cerâmicas resistem a altas temperaturasBaixa densidadeBaixa densidadeExcelente resistência mecânica Excelente resistência mecânica

Ex:Ex:Fibras de carbono, Kevlar, Matriz de epoxy, etcFibras de carbono, Kevlar, Matriz de epoxy, etc

1.5.4 – Materiais compósitos (isolantes-condutores)1.5.4 – Materiais compósitos (isolantes-condutores)


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Si, Ge, GaAsBase da indústria eletrônicaTodos os componentes eletrônico do computadorCondutividade finamente controlada pela presença de impurezas (dopantes)Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas sob medidaSão a base da tecnologia de opto-eletronicos-lasers, detetores, circuitos integrados óticos e células solares.

Ex: Ex: Silício , germânio, boro, carbono, etcSilício , germânio, boro, carbono, etc

1.5.5 – Materiais semicondutores 1.5.5 – Materiais semicondutores

Liga PbSnTeLiga PbSnTe


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1.6 – Classificação dos materiais na tabela periódica1.6 – Classificação dos materiais na tabela periódica


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1.7 – Classificação dos materiais na engenharia 1.7 – Classificação dos materiais na engenharia

elétricaelétrica


Divisão do Estudo dos Materiais Elétricos:Divisão do Estudo dos Materiais Elétricos:

• Materiais CondutoresMateriais Condutores: São materiais que deixam a corrente : São materiais que deixam a corrente elétrica circular livremente por seu interior.elétrica circular livremente por seu interior.

Exemplos: Alumínio, Bronze, Cobre, Estanho, etc.Exemplos: Alumínio, Bronze, Cobre, Estanho, etc.

• Materiais Dielétricos ou Isolantes:Materiais Dielétricos ou Isolantes: São materiais capazes de São materiais capazes de prover a separação entre diferentes elementos condutores prover a separação entre diferentes elementos condutores apresentando grande oposição a passagem de corrente elétrica apresentando grande oposição a passagem de corrente elétrica em seu interior. em seu interior.

Exemplos: Borracha, Porcelana, PVC, Papel etc.Exemplos: Borracha, Porcelana, PVC, Papel etc.

• Materiais Semicondutores:Materiais Semicondutores: São materiais que possuem São materiais que possuem condutividade intermediária entre a dos condutores e isolantes. condutividade intermediária entre a dos condutores e isolantes.

Exemplos: Germânio, Silício.Exemplos: Germânio, Silício.

• Materiais Magnéticos:Materiais Magnéticos: São materiais que interagem com São materiais que interagem com campos magnéticos. campos magnéticos.

Exemplos: Aço Silício, Alnico e Ferrite de Bário.Exemplos: Aço Silício, Alnico e Ferrite de Bário.

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1.8 – Comportamento elétrico dos materiais1.8 – Comportamento elétrico dos materiais


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Propriedades dos materiais sólidosPropriedades dos materiais sólidos

- dependem do arranjo geométricos dos átomos- dependem do arranjo geométricos dos átomos- dependem das interações que existem entre os átomos e - dependem das interações que existem entre os átomos e

as moléculas que constituem os sólidosas moléculas que constituem os sólidos

Em materiais sólidosEm materiais sólidos

- os átomos são mantidos por ligações- os átomos são mantidos por ligações

LigaçõesLigações

- propiciam resistência - propiciam resistência

- propiciam propriedades elétricas e térmicas dos - propiciam propriedades elétricas e térmicas dos materiaismateriais

Ligações fortes Ligações fortes

- Baixa condutibilidade elétrica - Baixa condutibilidade elétrica - coeficientes de dilatação térmicas bem baixas coeficientes de dilatação térmicas bem baixas


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Ligação iônica Ligação iônica

- Ligação forte -> baixa condutibilidade elétrica -> - Ligação forte -> baixa condutibilidade elétrica -> isolante isolante

Ligação covalenteLigação covalente

- Ligação forte -> alta condutibilidade elétrica -> isolante- Ligação forte -> alta condutibilidade elétrica -> isolante

Ligação metálica Ligação metálica

- Ligação forte -> alta condutibilidade elétrica -> condutor- Ligação forte -> alta condutibilidade elétrica -> condutor


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Classificação das 14 Células Unitárias de Bravais, baseada nos 7 Sistemas Cristalinos



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2. CONDUTORES


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Os materiais condutores:Os materiais condutores: são caracterizados por diversas são caracterizados por diversas grandezas, dentre as quais se destacam: grandezas, dentre as quais se destacam: condutividade ou condutividade ou resistividade elétrica, coeficiente de temperatura, resistividade elétrica, coeficiente de temperatura, condutividade térmica, potencial de contato, condutividade térmica, potencial de contato, comportamento mecânico, etc.comportamento mecânico, etc.

Estas grandezas são importantes na Estas grandezas são importantes na escolha adequadaescolha adequada dos materiais, uma vez que das mesmas vai depender se dos materiais, uma vez que das mesmas vai depender se estes sãoestes são capazes de desempenhar as funções capazes de desempenhar as funções que lhe são que lhe são atribuídas. atribuídas.

A escolha do material condutor mais adequado, nem A escolha do material condutor mais adequado, nem sempre recai naquele de características elétricas mais sempre recai naquele de características elétricas mais vantajosas, mas sim, em outro metal ou uma liga, que, vantajosas, mas sim, em outro metal ou uma liga, que, apesar de eletricamente menos vantajoso, satisfaz as apesar de eletricamente menos vantajoso, satisfaz as demais condições de utilizaçãodemais condições de utilização..

2.1 – Conceituação2.1 – Conceituação


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Em um átomo neutro o número de elétrons é igual ao Em um átomo neutro o número de elétrons é igual ao número de prótons (número de prótons (o átomo é um sistema eletricamente o átomo é um sistema eletricamente nulonulo););

Quando há um desequilíbrio, dizemos que o átomo está Quando há um desequilíbrio, dizemos que o átomo está ionizadoionizado;;

Se apresentar elétrons em Se apresentar elétrons em excessoexcesso, o átomo estará , o átomo estará ionizado negativamenteionizado negativamente, se apresentar , se apresentar falta de elétronsfalta de elétrons estará estará ionizado positivamente:ionizado positivamente: Ganham-se elétrons Ganham-se elétrons anions (-) anions (-)

Perdem-se elétrons Perdem-se elétrons cátions (+) cátions (+)

É importante observar que o número de É importante observar que o número de prótons é prótons é constanteconstante, o que , o que se altera é o número de elétronsse altera é o número de elétrons, isto é, , isto é, para para ionizar o átomoionizar o átomo negativamente negativamente colocamos colocamos elétrons a elétrons a maismais, e se quisermos , e se quisermos ionizar o átomo positivamente, ionizar o átomo positivamente, retiramos elétrons.retiramos elétrons.

2.1 – Conceituação2.1 – Conceituação


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Em alguns tipos de átomos, especialmente os que Em alguns tipos de átomos, especialmente os que compõem os compõem os metaismetais - - ferro, ouro, platina, cobre, prata e ferro, ouro, platina, cobre, prata e outrosoutros, a última órbita eletrônica , a última órbita eletrônica perde um elétronperde um elétron com com grande facilidade, por isso seus elétrons recebem o nome grande facilidade, por isso seus elétrons recebem o nome de elétrons livres.de elétrons livres.

Quanto menor for sua orbita, mais fácil de ser retirado o Quanto menor for sua orbita, mais fácil de ser retirado o elétron da ultima camada. elétron da ultima camada.

No interior dos metais os elétrons livres vagueiam por No interior dos metais os elétrons livres vagueiam por entre os átomos, em entre os átomos, em todos os sentidos sem direção todos os sentidos sem direção definidadefinida..

A condução do A condução do fluxo de elétrons livresfluxo de elétrons livres, ou a circulação de , ou a circulação de uma corrente elétrica é notada tanto em materiais uma corrente elétrica é notada tanto em materiais sólidossólidos quanto nos quanto nos líquidoslíquidos, e, sob condições favoráveis, também , e, sob condições favoráveis, também nos nos gasososgasosos..

2.2 – Metais como condutores elétricos2.2 – Metais como condutores elétricos


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Os átomos dos elementos correspondentes às substâncias Os átomos dos elementos correspondentes às substâncias condutoras perdem espontaneamente elétrons do último nível condutoras perdem espontaneamente elétrons do último nível energético dando origem a um íon positivo e a um ou mais energético dando origem a um íon positivo e a um ou mais elétrons livres.elétrons livres.

A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está mostrada na figura onde vemos íons positivos envolvidos por mostrada na figura onde vemos íons positivos envolvidos por elétrons livres em movimento aleatório. elétrons livres em movimento aleatório.



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2.2 – Metais como condutores elétricos 2.2 – Metais como condutores elétricos


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Sob o ponto de vista prático, a maioria dos materiais Sob o ponto de vista prático, a maioria dos materiais condutores são condutores são sólidossólidos, e dentro desse grupo, ressaltam-, e dentro desse grupo, ressaltam-se, os se, os metaismetais que, devido à facilidade de que, devido à facilidade de fornecer elétrons fornecer elétrons livreslivres, são usados para fabricar os , são usados para fabricar os fios de cabos e fios de cabos e aparelhos elétricosaparelhos elétricos;;

No grupo dos líquidos, No grupo dos líquidos, vale mencionar os vale mencionar os metais em metais em estados de fusãoestados de fusão, , eletrólitos e as soluções de ácidos, de eletrólitos e as soluções de ácidos, de bases e de saisbases e de sais..

Quanto aos Quanto aos gasososgasosos, estes adquirem características , estes adquirem características condutoras sob a ação de campos muito intensos, quando condutoras sob a ação de campos muito intensos, quando então se podem ionizar. então se podem ionizar.

É o caso das descargas através de meios gasosos, É o caso das descargas através de meios gasosos, conhecido por conhecido por plasmaplasma, normalmente, , normalmente, os gasesos gases, mesmo os , mesmo os de de origem metálicaorigem metálica, , não podem ser utilizados nem não podem ser utilizados nem considerados como condutores.considerados como condutores.



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Os Os materiais condutoresmateriais condutores caracterizam-se por uma caracterizam-se por uma elevada condutividade elétrica.elevada condutividade elétrica.

Possuem também grande capacidade de Possuem também grande capacidade de deformaçãodeformação, , moldagem e condutividade térmica. moldagem e condutividade térmica.

Com exceção do mercúrio e dos eletrólitos, que são Com exceção do mercúrio e dos eletrólitos, que são condutores líquidos, e do plasma (gás ionizado) que é condutores líquidos, e do plasma (gás ionizado) que é gasoso, os gasoso, os materiais condutores são geralmente sólidosmateriais condutores são geralmente sólidos e, e, neste caso, incluem-se os metais, suas neste caso, incluem-se os metais, suas ligas e não-metais ligas e não-metais como o carvão, carbono e grafitecomo o carvão, carbono e grafite..

2.3 – Materiais de elevada condutividade2.3 – Materiais de elevada condutividade


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Exemplos de bons condutores:Exemplos de bons condutores:

Metais (como o cobre, alumínio, ferro, etc.) usados para Metais (como o cobre, alumínio, ferro, etc.) usados para enrolamentos de máquinas elétricas e transformadores, enrolamentos de máquinas elétricas e transformadores, etc.etc.

Ligas metálicas usadas para fabricação de resistências, Ligas metálicas usadas para fabricação de resistências, aparelhos de calefação, filamentos para lâmpadas aparelhos de calefação, filamentos para lâmpadas incandescentes, etc.incandescentes, etc.

Grafite;Grafite;

Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido sulfúrico. etc.);sulfúrico. etc.);

Água da torneira, água salgada, água ionizada (como, Água da torneira, água salgada, água ionizada (como, por exemplo, as das piscinas);por exemplo, as das piscinas);

Corpo humano;Corpo humano;

Ar úmido.Ar úmido.

2.3 – Materiais como condutores elétricos2.3 – Materiais como condutores elétricos


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Vejamos alguns dos metais mais utilizados na área de Vejamos alguns dos metais mais utilizados na área de Engenharia Elétrica:Engenharia Elétrica:

2.4.1 Cobre e suas Ligas2.4.1 Cobre e suas Ligas

• O cobre tem O cobre tem cor avermelhadacor avermelhada característica, o que o distingue característica, o que o distingue de outros metais, que, com exceção do ouro, são geralmente de outros metais, que, com exceção do ouro, são geralmente cinzentos, com diversas tonalidades.cinzentos, com diversas tonalidades.

• O O valor da condutividade informa sobre o grau de pureza do valor da condutividade informa sobre o grau de pureza do cobrecobre, ou seja, condutividade elétrica do cobre é muito , ou seja, condutividade elétrica do cobre é muito influenciada na presença de impurezas, mesmo em pequenas influenciada na presença de impurezas, mesmo em pequenas quantidades.quantidades.

• O principal minério de cobre é o O principal minério de cobre é o CuFeSCuFeS22, vindo a seguir o , vindo a seguir o CuCu22SS, o , o CuCu33FeSFeS33, o , o CuCu22OO e o e o CuCOCuCO33 e Cu(OH) e Cu(OH)22..

• A porcentagem de cobre nesses minérios varia de 3,5 a A porcentagem de cobre nesses minérios varia de 3,5 a 0,5 0,5 %.%.



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• As principais jazidas se localizam no As principais jazidas se localizam no Congo, Rodésia do Norte, Congo, Rodésia do Norte, Estados Unidos da América, Austrália, Espanha, Suécia, Noruega e Estados Unidos da América, Austrália, Espanha, Suécia, Noruega e Chile.Chile.

Destaque-se então que a condutividade elétrica do cobre é Destaque-se então que a condutividade elétrica do cobre é muito influenciada na presença de impurezas, mesmo em muito influenciada na presença de impurezas, mesmo em pequenas quantidades.pequenas quantidades.

A A resistividaderesistividade do cobre a 20 do cobre a 20ooC é de: C é de: ρρcucu = 1,7241μ = 1,7241μcmcm22/cm/cm e seu e seu coeficiente de termo resistividadecoeficiente de termo resistividade vale: vale: α = 0.00393/ºCα = 0.00393/ºC..



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2.4.1.2 Processo de obtenção:2.4.1.2 Processo de obtenção:

Os processos de obtenção se classificam em processo Os processos de obtenção se classificam em processo secoseco e por e por via via umídaumída..

Processo secoProcesso seco. . Após a eliminação parcial do enxofreApós a eliminação parcial do enxofre, efetua-se , efetua-se uma uma redução em fornos de fusãoredução em fornos de fusão, através de carvão e aditivos , através de carvão e aditivos ácidos que irão absorver grande parte do ferro. ácidos que irão absorver grande parte do ferro. 2Cu2Cu22O + CuO + Cu22S S 6Cu + 50 6Cu + 5022

Por via úmidaPor via úmida. . Minérios pobres em cobre são industrializados por Minérios pobres em cobre são industrializados por um processo úmido. um processo úmido. Aplicando-se ao minério uma solução de Aplicando-se ao minério uma solução de enxofre, obtém-se uma solução de sulfato de cobreenxofre, obtém-se uma solução de sulfato de cobre, da qual o , da qual o cobre é deslocado pela ação do ferro. cobre é deslocado pela ação do ferro.

o processo eletrolítico de se obter o cobre, representado por mais o processo eletrolítico de se obter o cobre, representado por mais de 90 % de todo o cobre obtido mundialmente.de 90 % de todo o cobre obtido mundialmente.



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2.4.1.2 Processo de purificação:2.4.1.2 Processo de purificação:

A pureza do cobre para fins elétricos deve atingir valores de A pureza do cobre para fins elétricos deve atingir valores de 99,99 %.99,99 %.

O cobre é transformado em placas anódicas e inserido num O cobre é transformado em placas anódicas e inserido num processo eletrolítico. processo eletrolítico.

O catodo é formado de chapas de cobre ultra puras e o O catodo é formado de chapas de cobre ultra puras e o eletrólito de uma solução de sulfato de cobre com acidificação por eletrólito de uma solução de sulfato de cobre com acidificação por enxofre.enxofre.

Durante o processo eletrolítico, todo o cobre do anodo se Durante o processo eletrolítico, todo o cobre do anodo se transfere ao catodo, ficando as impurezas, como Fe, Ni, Co e Zn, transfere ao catodo, ficando as impurezas, como Fe, Ni, Co e Zn, retidas no eletrólito. retidas no eletrólito.

Havendo, entre as impurezas, metais nobres como Ag, Au e Pt, Havendo, entre as impurezas, metais nobres como Ag, Au e Pt, estes se depositam no fundo da cuba eletrolítica, fazendo parte estes se depositam no fundo da cuba eletrolítica, fazendo parte da chamada "lama do anodo".da chamada "lama do anodo".

O cobre eletrolítico assim obtido não pode ser laminado, O cobre eletrolítico assim obtido não pode ser laminado, havendo, portanto, necessidade de sua fusão, daí resultando os havendo, portanto, necessidade de sua fusão, daí resultando os lingotes, próprios para a industrialização.lingotes, próprios para a industrialização.



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2.4.1.3 Aplicações do Cobre2.4.1.3 Aplicações do Cobre::

Em função de suas propriedades, o cobre, nas suas diversas Em função de suas propriedades, o cobre, nas suas diversas formas puras, tem determinadas suas aplicações. formas puras, tem determinadas suas aplicações.

O O cobre encruado ou durocobre encruado ou duro é usado nos casos em que se exige é usado nos casos em que se exige elevada dureza, resistência à tração e pequeno desgaste, como elevada dureza, resistência à tração e pequeno desgaste, como no caso de no caso de redes aéreas de cabo nu em tração elétrica, redes aéreas de cabo nu em tração elétrica, particularmente, para fios telefônicos, para peças de contato e particularmente, para fios telefônicos, para peças de contato e para anéis coletores. para anéis coletores.

Em todos os demais casos, principalmente em Em todos os demais casos, principalmente em enrolamentos, enrolamentos, barramentos e cabos isoladosbarramentos e cabos isolados, se usa o , se usa o cobre mole ou recozidocobre mole ou recozido. .



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2.4.1.4 Ligas de Cobre2.4.1.4 Ligas de Cobre::

A A escolhaescolha de uma liga deve considerar também os de uma liga deve considerar também os aspectos aspectos econômicoseconômicos. .

A adição de certos elementos (por exemplo, o níquel e o A adição de certos elementos (por exemplo, o níquel e o estanho) pode aumentar o preço da liga,estanho) pode aumentar o preço da liga, aumentando certas aumentando certas propriedades, ao passo que, a presença de outros elementos propriedades, ao passo que, a presença de outros elementos (zinco, chumbo) permite abaixar o preço sem redução notável de (zinco, chumbo) permite abaixar o preço sem redução notável de características técnicas. características técnicas.

Existem 3 grupos básicos de ligas:Existem 3 grupos básicos de ligas:

LatõesLatões:: ligas Cu-Zn (existem ainda os latões de ligas Cu-Zn (existem ainda os latões de chumbo, Cu-Zn-Pb, de estanho, Cu-Zn-Sn...chumbo, Cu-Zn-Pb, de estanho, Cu-Zn-Sn...

BronzesBronzes:: ligas Cu-Sn (existem ainda os bronzes de ligas Cu-Sn (existem ainda os bronzes de alumínio, Cu-Al, de silício, Cu-Si, de berílio, Cu-Be)alumínio, Cu-Al, de silício, Cu-Si, de berílio, Cu-Be)

CuproníqueisCuproníqueis: ligas de Cu-Ni: ligas de Cu-Ni



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2.4.2 Alumínio e suas Ligas2.4.2 Alumínio e suas Ligas

O alumínio é o O alumínio é o segundo metal mais usado na eletricidadesegundo metal mais usado na eletricidade, , havendo nos últimos anos uma preocupação permanente em havendo nos últimos anos uma preocupação permanente em substituirsubstituir mais e mais as aplicações do mais e mais as aplicações do cobre pelo alumíniocobre pelo alumínio, , por por motivos econômicosmotivos econômicos em função de em função de grandes reservas em jazidasgrandes reservas em jazidas (7 % de toda a crosta terrestre é alumínio)(7 % de toda a crosta terrestre é alumínio)..

Alguns aspectos, baseados principalmente no custo e produção Alguns aspectos, baseados principalmente no custo e produção nacional maior do alumínio, têm levado a crescente preferência nacional maior do alumínio, têm levado a crescente preferência pelo alumínio, cujo pelo alumínio, cujo maior problema é a sua fragilidade mecânica e maior problema é a sua fragilidade mecânica e sua rápida oxidaçãosua rápida oxidação..

Essa rápida oxidação, forma uma fina película de óxido de Essa rápida oxidação, forma uma fina película de óxido de alumínio e alumínio e esta película apresenta uma resistência elétrica esta película apresenta uma resistência elétrica elevada com uma tensão de ruptura de 100 a 300V,elevada com uma tensão de ruptura de 100 a 300V, o que dificulta o que dificulta a soldagem do alumínio, que por essa razão exige pastas a soldagem do alumínio, que por essa razão exige pastas especiais.especiais.



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2.4.2.1 Obtenção do Alumínio2.4.2.1 Obtenção do Alumínio

Os principais minérios são a Os principais minérios são a bauxíta (Albauxíta (Al22OO33.H.H220),0), freqüentemente misturado com impurezas, como o ferro e outros freqüentemente misturado com impurezas, como o ferro e outros aditivos. aditivos.

Para a obtenção do alumínio, a bauxita é Para a obtenção do alumínio, a bauxita é finamente moídafinamente moída, é , é colocada numa solução concentrada de sódio sob pressãocolocada numa solução concentrada de sódio sob pressão e a uma e a uma temperatura de 160 a 170 temperatura de 160 a 170 00C.C.

Nessa fase, o Nessa fase, o alumínio do minério se transforma em aluminato alumínio do minério se transforma em aluminato de sódiode sódio, eliminando o ferro e outros aditivos na forma de uma , eliminando o ferro e outros aditivos na forma de uma lama. lama.

É feita a É feita a filtragemfiltragem, sendo depois a solução do aluminato com , sendo depois a solução do aluminato com hidróxido de alumínio puro cristalizado, quando então o hidróxido de alumínio puro cristalizado, quando então o alumínio alumínio dissolvido se separa na forma de Al(OH)dissolvido se separa na forma de Al(OH)33, que,, que,, resulta em Al, resulta em Al220033 puropuro..



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Finalmente o Finalmente o óxido de alumínio é aplicado o processo óxido de alumínio é aplicado o processo eletrolíticoeletrolítico. O . O anodoanodo é um é um eletrodo de carbonoeletrodo de carbono; o ; o catodocatodo é a é a cuba cuba de açode aço revestida com carbono internamente. revestida com carbono internamente.

O O alumínio é o meio líquidoalumínio é o meio líquido, em fusão, que ficará sob a , em fusão, que ficará sob a ação de ação de uma tensão elétrica de aproximadamente 6 V e a corrente de 10 uma tensão elétrica de aproximadamente 6 V e a corrente de 10 kA a 30 kAkA a 30 kA..

O O alumínio que se deposita no catodoalumínio que se deposita no catodo é pouco mais é pouco mais pesado que pesado que o eletrólito em fusãoo eletrólito em fusão, o que faz com que se , o que faz com que se deposite no fundodeposite no fundo..



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2.4.2.3 Aplicações do Alumínio2.4.2.3 Aplicações do Alumínio

O pequeno peso específico das ligas de alumínio leva, na área O pequeno peso específico das ligas de alumínio leva, na área eletrotécnica, às seguintes aplicações principais:eletrotécnica, às seguintes aplicações principais:

em equipamento portátil, uma redução de peso;em equipamento portátil, uma redução de peso;

em partes de equipamento elétrico em movimento, redução de em partes de equipamento elétrico em movimento, redução de massa, da energia cinética e do desgaste por atrito;massa, da energia cinética e do desgaste por atrito;

de peças sujeitas a transporte, maior facilidade nesse de peças sujeitas a transporte, maior facilidade nesse transporte, extensiva à montagem dos mesmos;transporte, extensiva à montagem dos mesmos;

em estruturas de suporte de materiais elétricos (cabos, por em estruturas de suporte de materiais elétricos (cabos, por exemplo) redução do peso e conseqüente estrutura mais leve;exemplo) redução do peso e conseqüente estrutura mais leve;

em locais de elevada corrosão, o uso particular de ligas com em locais de elevada corrosão, o uso particular de ligas com manganêsmanganês


..\..\Documents\DVDVideoSoft\FreeYouTubeDownload\Octanagem.mp4


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2.4.3 Chumbo e suas ligas2.4.3 Chumbo e suas ligas

O chumbo é um metal de O chumbo é um metal de coloração cinzentacoloração cinzenta, com um brilho , com um brilho metálico intenso quando não oxidado. Sua oxidação superficial é, metálico intenso quando não oxidado. Sua oxidação superficial é, porém bastante rápida.porém bastante rápida.

Apresenta Apresenta elevada resistência contra a ação da água potávelelevada resistência contra a ação da água potável, , devido à presença de carbonato de chumbo, sal, ácido sulfúrico. devido à presença de carbonato de chumbo, sal, ácido sulfúrico.

Não resiste a vinagre, materiais orgânicos em apodrecimento e Não resiste a vinagre, materiais orgânicos em apodrecimento e cal. O chumbo é atacado pela água destilada. cal. O chumbo é atacado pela água destilada. O chumbo é O chumbo é venenoso.venenoso.

Nas Nas aplicações elétricasaplicações elétricas, é freqüentemente encontrado, , é freqüentemente encontrado, reduzido a finas chapas ou folhas, como nas reduzido a finas chapas ou folhas, como nas blindagens de cabos blindagens de cabos com isolamento de papelcom isolamento de papel, , acumuladores de chumbo ácidoacumuladores de chumbo ácido e e paredes protetoras contra a ação de raios X. paredes protetoras contra a ação de raios X.



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Ainda o chumbo é encontrado em elos Ainda o chumbo é encontrado em elos fusíveis e em material de fusíveis e em material de soldasolda. .

Nas ligasNas ligas, o chumbo é encontrado junto com antimônio, , o chumbo é encontrado junto com antimônio, telúrio, telúrio, cádmio, cobre e estanhocádmio, cobre e estanho, adquirindo assim , adquirindo assim elevada resistência elevada resistência mecânicamecânica e à e à vibraçãovibração, ficando, porém prejudicada a resistência a , ficando, porém prejudicada a resistência a corrosão.corrosão.

Suas aplicações mais comuns, são na Suas aplicações mais comuns, são na indústria química e de indústria química e de papelpapel, nas , nas tubulações de águas salinastubulações de águas salinas, , mancais anti-fricçãomancais anti-fricção, , projéteis de armasprojéteis de armas, , usinas de energia nuclearusinas de energia nuclear e e elemento liga de elemento liga de latõeslatões, , bronzes e açosbronzes e aços (para melhorar a usinabilidade). (para melhorar a usinabilidade).



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2.4.4 Estanho e suas ligas2.4.4 Estanho e suas ligas

O metal é O metal é branco prateadobranco prateado, mole, porém , mole, porém mais duro que o mais duro que o chumbochumbo. .

Nota-se que a Nota-se que a resistividade do estanho é elevadaresistividade do estanho é elevada, o que faz , o que faz esperar um esperar um elevado aquecimento perante a passagem de elevado aquecimento perante a passagem de correntecorrente..

Utilizado em temperaturas inferiores a 160Utilizado em temperaturas inferiores a 160oo C, o metal C, o metal apresenta manchas cinzentas, que desaparecem se o metal é apresenta manchas cinzentas, que desaparecem se o metal é novamente aquecido. novamente aquecido.

Ao contrário, se aquecido acima de 180ºC, o material se torna Ao contrário, se aquecido acima de 180ºC, o material se torna quebradiço e se decompõe na forma de pequenos cristais.quebradiço e se decompõe na forma de pequenos cristais.

À À temperatura ambiente normaltemperatura ambiente normal, o , o estanho não se oxidaestanho não se oxida, , e e ácidos diluídos o atacam apenas lentamenteácidos diluídos o atacam apenas lentamente. .

Por isso o Por isso o estanhoestanho é usado para é usado para revestimentorevestimento e está presente e está presente em ligas, como no bronze.em ligas, como no bronze.



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A exemplo do chumbo, o estanho é encontrado como material A exemplo do chumbo, o estanho é encontrado como material de solda.de solda.

O minério de estanho já está esta se tornando bastante raro.O minério de estanho já está esta se tornando bastante raro.

52

2.4.5 Prata e suas ligas2.4.5 Prata e suas ligas

É o É o metal nobre de maior uso industrialmetal nobre de maior uso industrial, notadamente nas peças , notadamente nas peças de contato. de contato.

A cor A cor prateada brilhanteprateada brilhante é característica, é característica, escurecendo-seescurecendo-se devido ao devido ao óxido de prata ou sulfeto de prataóxido de prata ou sulfeto de prata que se forma em que se forma em contato com o ar. contato com o ar.

Sua obtenção resulta freqüentemente de minérios combinados Sua obtenção resulta freqüentemente de minérios combinados de prata, cobre e chumbo.de prata, cobre e chumbo.

A prata, devido às suas A prata, devido às suas características elétricas, químicas e características elétricas, químicas e mecânicasmecânicas, é , é usada em forma pura ou de ligausada em forma pura ou de liga, cada vez mais em , cada vez mais em partes condutoras onde uma oxidação ou sulfetação não viria partes condutoras onde uma oxidação ou sulfetação não viria criar problemas mais sérios. criar problemas mais sérios.



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É o caso de É o caso de peças de contatopeças de contato, notadamente nas parte em que se , notadamente nas parte em que se dá o contato mecânico entre duas peças.dá o contato mecânico entre duas peças.

No caso da No caso da prataprata, no , no seu estado puroseu estado puro, encontra o seu , encontra o seu uso nas uso nas pastilhas de contatopastilhas de contato, para , para correntes relativamente baixascorrentes relativamente baixas; ;

A A prateaçãoprateação, , numa espessura de alguns micrometrosnuma espessura de alguns micrometros, é usada , é usada para para proteger peças de metal mais corrosívelproteger peças de metal mais corrosível. .



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2.4.6 Ouro e suas ligas2.4.6 Ouro e suas ligas

Esse metal, que apresenta uma Esse metal, que apresenta uma condutividade elétrica bastante condutividade elétrica bastante boaboa, destaca-se pela sua , destaca-se pela sua estabilidade químicaestabilidade química e pela conseqüente e pela conseqüente resistência a oxidaçãoresistência a oxidação, sulfetação, etc. , sulfetação, etc.

Também suas Também suas características mecânicascaracterísticas mecânicas são são adequadasadequadas para para uma série de uma série de aplicações elétricasaplicações elétricas, havendo porém a natural , havendo porém a natural limitação devido ao seu preço.limitação devido ao seu preço.

O ouro é O ouro é encontrado eletricamenteencontrado eletricamente em em peças de contato na área peças de contato na área de correntes muito baixasde correntes muito baixas, , casos em que qualquer oxidação casos em que qualquer oxidação poderia levar à interrupção elétrica do circuitopoderia levar à interrupção elétrica do circuito. .

E o caso de peças de contato em telecomunicações e eletrônica. E o caso de peças de contato em telecomunicações e eletrônica. Seu uso nesse caso é feito na forma puraSeu uso nesse caso é feito na forma pura, não sendo encontrado , não sendo encontrado em forma de liga, pois esta somente eliminaria as propriedades em forma de liga, pois esta somente eliminaria as propriedades vantajosas que o ouro apresenta. vantajosas que o ouro apresenta.



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2.4.7 Platina e suas ligas2.4.7 Platina e suas ligas

Ainda na família dos metais nobres, encontramos a Ainda na família dos metais nobres, encontramos a platinaplatina, que , que também é também é bastante estável quimicamentebastante estável quimicamente. .

É É relativamente molerelativamente mole, o que , o que permite uma deformação mecânica permite uma deformação mecânica fácilfácil, bem como sua redução a folhas, com espessuras de até , bem como sua redução a folhas, com espessuras de até 0,0025mm, ou a fios finos, com diâmetro de até 0,015mm ou 0,0025mm, ou a fios finos, com diâmetro de até 0,015mm ou ainda menores através de processos especiais.ainda menores através de processos especiais.

Devido às suas Devido às suas propriedades antioxidantes o seu uso elétrico é propriedades antioxidantes o seu uso elétrico é encontrado particularmente em peças de contatoencontrado particularmente em peças de contato, , anodos, fios de anodos, fios de aquecimentoaquecimento. .

É o É o metal mais adequado para a fabricação de termoelementos metal mais adequado para a fabricação de termoelementos e termômetros resistivos (Na faixa de - 200 a + 500e termômetros resistivos (Na faixa de - 200 a + 500ooC, a platina C, a platina permite a leitura mais exata da temperatura do que outros permite a leitura mais exata da temperatura do que outros metais.metais.

A platina aA platina a essas temperaturas não sofre transformações essas temperaturas não sofre transformações estruturais, fazendo com que a estruturais, fazendo com que a resistividade varie na mesma resistividade varie na mesma proporção da temperatura.proporção da temperatura.



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2.4.8 Níquel e suas ligas2.4.8 Níquel e suas ligas

É um É um metal cinzento clarometal cinzento claro, com , com propriedades ferromagnéticaspropriedades ferromagnéticas. .

PuroPuro, é usado em , é usado em forma gasosa em tubos e para revestimentos forma gasosa em tubos e para revestimentos de metais de fácil oxidaçãode metais de fácil oxidação. .

É É resistente a sais, gases, materiais orgânicos sendo porém resistente a sais, gases, materiais orgânicos sendo porém sensível à ação do enxofre. sensível à ação do enxofre.

O níquel se caracteriza ainda por uma O níquel se caracteriza ainda por uma elevada estabilidade de elevada estabilidade de suas propriedades mecânicas, mesmo a temperaturas bem suas propriedades mecânicas, mesmo a temperaturas bem baixasbaixas. .

Magneticamente, o níquel pode ser magnetizado fracamente, Magneticamente, o níquel pode ser magnetizado fracamente, não sendo mais magnético acima de 356não sendo mais magnético acima de 356ooC (temperatura de C (temperatura de Curie).Curie).

Seu usoSeu uso resulta assim para resulta assim para fios de eletrodos, anodos, grades, fios de eletrodos, anodos, grades, parafusos.parafusos.



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Aliás, todas as Aliás, todas as ligas de níquel se identificam por serem ligas de níquel se identificam por serem resistentes, mecanicamente, e contra a corrosão e por resistentes, mecanicamente, e contra a corrosão e por suportarem bem o calorsuportarem bem o calor. .

Nas Nas lâmpadas incandescenteslâmpadas incandescentes, fios de níquel são usados como , fios de níquel são usados como alimentadores do filamento de tungstênio (W) devido ao seu alimentadores do filamento de tungstênio (W) devido ao seu comportamento térmico. comportamento térmico.

O seu O seu elevado coeficiente de temperatura o recomenda para elevado coeficiente de temperatura o recomenda para termômetros resistivostermômetros resistivos. .

A A condutividade elétrica do cobre caicondutividade elétrica do cobre cai rapidamente na rapidamente na presença presença do níqueldo níquel, chegando ao seu valor mínimo a 50% de Ni. , chegando ao seu valor mínimo a 50% de Ni.

Assim, Assim, ligas de níquelligas de níquel são adequadas na são adequadas na fabricação de fabricação de resistoresresistores, a exemplo do Konstantan. Monel, e outros. , a exemplo do Konstantan. Monel, e outros.



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2.5 – Propriedades elétricas dos condutores 2.5 – Propriedades elétricas dos condutores


Tabela de condutividade Tabela de resistividadeTabela de condutividade Tabela de resistividade

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3. PROPRIEDADES ELÉTRICAS E TERMICASDOS CONDUTORES


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Porque estudar as propriedades elétricas ?Porque estudar as propriedades elétricas ? O estudo das O estudo das propriedades elétricas busca explorar como os materiais propriedades elétricas busca explorar como os materiais respondem a aplicação de um campo elétrico.respondem a aplicação de um campo elétrico.

Corrente elétricaCorrente elétrica:: é o movimento ordenado dos elétrons no é o movimento ordenado dos elétrons no interior de um condutor.interior de um condutor.

Como obter uma corrente elétrica?Como obter uma corrente elétrica?

Para obtermos uma corrente elétrica precisamos de um circuito Para obtermos uma corrente elétrica precisamos de um circuito elétrico e são necessários três elementos:elétrico e são necessários três elementos:

3.1 – Propriedades elétricas dos condutores3.1 – Propriedades elétricas dos condutores


SÍMBOLO SÍMBOLO - - II (Intensidade de Corrente Elétrica) (Intensidade de Corrente Elétrica)SÍMBOLO SÍMBOLO - - II (Intensidade de Corrente Elétrica) (Intensidade de Corrente Elétrica)UNIDADE UNIDADE - - AMPÈR (A)AMPÈR (A)UNIDADE UNIDADE - - AMPÈR (A)AMPÈR (A)

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Corrente elétricaCorrente elétrica:: Num fio metálico condutor, os Num fio metálico condutor, os elétrons livreselétrons livres nãonão estão em repouso estão em repouso e seus e seus movimentos são totalmente movimentos são totalmente desordenadosdesordenados. .

Para orientá-los estabelece-se entre dois pontos desse condutor Para orientá-los estabelece-se entre dois pontos desse condutor uma uma diferença de potencial (ddp),diferença de potencial (ddp), que que origina um campo elétrico origina um campo elétrico (E),(E), responsável pela responsável pela orientação do movimento desses elétrons orientação do movimento desses elétrons livres. livres.

Sendo a carga de um elétron negativa, eles se movem em Sendo a carga de um elétron negativa, eles se movem em sentido contrário ao do campo elétrico. Observe na figura, que, sentido contrário ao do campo elétrico. Observe na figura, que, devido à diferença de potencial (Vdevido à diferença de potencial (VAA – V – VBB), os elétrons livres ), os elétrons livres (portadores de carga) são repelidos pelo pólo negativo , de (portadores de carga) são repelidos pelo pólo negativo , de potencial Vpotencial VBB da bateria (gerador) e atraídos pelo pólo positivo V da bateria (gerador) e atraídos pelo pólo positivo VAA, ,

deslocando-se no sentido anti-horáriodeslocando-se no sentido anti-horário



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Os Os átomos dos elementosátomos dos elementos correspondentes às substâncias correspondentes às substâncias condutoras perdem espontaneamente elétrons do último nível condutoras perdem espontaneamente elétrons do último nível energético dando energético dando origem a um íon positivo e a um ou mais origem a um íon positivo e a um ou mais elétrons livres.elétrons livres.

A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está mostrada na figura onde vemos íons positivos envolvidos por mostrada na figura onde vemos íons positivos envolvidos por elétrons livres em elétrons livres em movimento aleatório. movimento aleatório.



A corrente elétrica nos condutores sólidos é constituída por A corrente elétrica nos condutores sólidos é constituída por elétrons livres que se deslocam do potencial mais baixo para o elétrons livres que se deslocam do potencial mais baixo para o mais alto. mais alto.

63

Um átomo possui várias órbitas, cada órbita contém uma Um átomo possui várias órbitas, cada órbita contém uma quantidade de elétrons.quantidade de elétrons.



64

Condutividade elétricaCondutividade elétrica:: quantifica a disponibilidade ou a quantifica a disponibilidade ou a facilidade de circular corrente elétricafacilidade de circular corrente elétrica em um meio material em um meio material submetido a uma diferença de potencialsubmetido a uma diferença de potencial. Sua definição física é . Sua definição física é dada por:dada por:

=> => = n.e. = n.e.ee

onde:onde:σ = condutividade elétrica do material (Ω.mσ = condutividade elétrica do material (Ω.m-1-1););n = Concentração de elétrons livres do material (mn = Concentração de elétrons livres do material (m-3-3))p = concentração de cargas livres positivas do material (mp = concentração de cargas livres positivas do material (m-3-3), ), chamadas lacunaschamadas lacunase = carga elétrica elementar = 1,6022x10e = carga elétrica elementar = 1,6022x10-19-19 C C μn = mobilidade dos elétrons livres e das lacunas (mμn = mobilidade dos elétrons livres e das lacunas (m22/Vs)/Vs)

Geralmente um material condutor, mais perfeito que seja, Geralmente um material condutor, mais perfeito que seja, apresentam inúmeros defeitos, que são classificados por sua apresentam inúmeros defeitos, que são classificados por sua dimensionalidade;dimensionalidade;

É usada para especificar o caráter elétrico de um É usada para especificar o caráter elétrico de um material. .



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Ela é simplesmente o recíproco da Ela é simplesmente o recíproco da resistividade, ou seja, , ou seja, inversamente proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual inversamente proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. .

A unidade é a recíproca de A unidade é a recíproca de ohm..metro, isto é, (Ω.m), isto é, (Ω.m)-1-1. .

= condutividade elétrica (ohm.cm)= condutividade elétrica (ohm.cm)-1-1

= resistividade elétrica (ohm.cm)= resistividade elétrica (ohm.cm)



1

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A condutividade elétrica nos materiais A condutividade elétrica nos materiais



Metais Metais ≈10 ≈1077 (Ω.m) (Ω.m)-1-1

Isolantes Isolantes 10 10-10-10 ≤ ≤ ≤ 10 ≤ 10-20 -20 (Ω.m)(Ω.m)-1-1

Semicondutores Semicondutores 1010-6-6 ≤ ≤ ≤ 10 ≤ 104 4 (Ω.m)(Ω.m)-1-1

Melhores condutores elétricos são: Melhores condutores elétricos são: prata e o cobreprata e o cobre

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Condutividade elétrica nos metais:Condutividade elétrica nos metais:

A teoria eletrônica clássica supõe-se que o A teoria eletrônica clássica supõe-se que o corpo condutor corpo condutor sólidosólido tenha uma cadeia cristalina iônica ou metálica envolvendo tenha uma cadeia cristalina iônica ou metálica envolvendo os íons, os íons, uma nuvem de elétrons livresuma nuvem de elétrons livres..

A A ligação metálicaligação metálica consiste de uma serie de átomos do metal consiste de uma serie de átomos do metal que que doam todos seus elétrons de valênciadoam todos seus elétrons de valência para uma nuvem de para uma nuvem de elétrons que vagueia a estrutura cristalina.elétrons que vagueia a estrutura cristalina.

Todos os Todos os átomos metálicosátomos metálicos tornam-se tornam-se cátions idênticoscátions idênticos quando quando perde elétrons na sua ultima camada eletrônica que perde elétrons na sua ultima camada eletrônica que mantém mantém unido os átomos de metais é a atração entre as núcleos positivas unido os átomos de metais é a atração entre as núcleos positivas e o "mar de elétrons” negativos.e o "mar de elétrons” negativos.

DeslocadosDeslocados destes pela ação de uma destes pela ação de uma força externaforça externa, essa nuvem , essa nuvem de de elétronselétrons através do corpo, estes através do corpo, estes se chocam com os íons do se chocam com os íons do sistema cristalinosistema cristalino, , perdendo energia de deslocamento,perdendo energia de deslocamento, e que se e que se faz notar por um faz notar por um aquecimento do corpo.aquecimento do corpo.



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Quando o metal está sujeito a um campo elétrico externo, os Quando o metal está sujeito a um campo elétrico externo, os elétrons livres deslocam-se com uma velocidade elétrons livres deslocam-se com uma velocidade aproximadamente constante (Va) no sentido oposto ao do campo aproximadamente constante (Va) no sentido oposto ao do campo elétrico, devido à ação da força elétrica e das “forças de atrito” elétrico, devido à ação da força elétrica e das “forças de atrito” (resultantes dos eventos de espalhamento): Va = (resultantes dos eventos de espalhamento): Va = ee.E.E



Deslocados destes pela ação de uma força externa, essa nuvem Deslocados destes pela ação de uma força externa, essa nuvem de elétrons através do corpo, estes se chocam com os íons do de elétrons através do corpo, estes se chocam com os íons do sistema cristalino, perdendo sistema cristalino, perdendo energia de deslocamentoenergia de deslocamento, e que se , e que se faz notar por um aquecimento do corpo.faz notar por um aquecimento do corpo.

vvdd = = ee.E.E

A velocidade à deriva VA velocidade à deriva Vdd representa a representa a velocidade média do elétron no sentido da velocidade média do elétron no sentido da força imposta pelo campo aplicado. Ela é força imposta pelo campo aplicado. Ela é diretamente proporcional ao campo elétrico.diretamente proporcional ao campo elétrico.

A constante de proporcionalidade A constante de proporcionalidade ee e é e é

denominada mobilidade do elétron, suas denominada mobilidade do elétron, suas unidades são metros quadrados por volt-unidades são metros quadrados por volt-segundo (msegundo (m22/V-s)./V-s).

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Condutividade elétrica nos metais:Condutividade elétrica nos metais:

Essa energia de deslocamentoEssa energia de deslocamento, que se faz notar por um , que se faz notar por um aquecimento do corpo, pode ser relacionada com a equação aquecimento do corpo, pode ser relacionada com a equação de de transformação de energia transformação de energia e é chamada lei de Joule-Lenz, dada e é chamada lei de Joule-Lenz, dada por:por:



onde:onde:W = quantidade de energia transmitida pela nuvem de elétrons por W = quantidade de energia transmitida pela nuvem de elétrons por unidade de tempo,unidade de tempo,E E = campo elétrico aplicado,= campo elétrico aplicado,= condutividade elétrica. = condutividade elétrica.

Por outro lado, relacionando a densidade de corrente com a Por outro lado, relacionando a densidade de corrente com a resistividade e o campo elétrico, tem-seresistividade e o campo elétrico, tem-se

W= .E 2, (1)

i = .E, (2)

onde i = densidade de corrente.onde i = densidade de corrente.

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Resistividade elétricaResistividade elétrica: : Resistividade Resistividade elétrica (também resistência elétrica específica) é uma medida da elétrica (também resistência elétrica específica) é uma medida da oposição de um material ao fluxo de oposição de um material ao fluxo de corrente elétrica. .

Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material permite a passagem de uma permite a passagem de uma carga elétrica. .

A A unidade SI da resistividade é o ohm metro (Ω.m). da resistividade é o ohm metro (Ω.m).

A resistividade elétrica depende da temperatura. Por exemplo, A resistividade elétrica depende da temperatura. Por exemplo, nos materiais condutores a resistividade aumenta com o aumento nos materiais condutores a resistividade aumenta com o aumento da temperatura e nos isolantes diminui. da temperatura e nos isolantes diminui.



L

RA

= resistividade

A = área da secção

L = comprimento

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Classificação geralClassificação geral

Baseado no valor da resistividade, os materiais se Baseado no valor da resistividade, os materiais se classificam em:classificam em:

materiais condutores, l0materiais condutores, l0-2-2 a 10 a 10 .mm.mm22/m,/m, materiais semicondutores, 10 a 10materiais semicondutores, 10 a 1012 12 .mm.mm22/m;/m; materiais isolantes, 10materiais isolantes, 101212 a l0 a l024 24 .mm.mm22/m./m.

Realmente, a diferença estrutural entre os materiais é uma das Realmente, a diferença estrutural entre os materiais é uma das principais razões do seu comportamento tão diverso, motivo pelo principais razões do seu comportamento tão diverso, motivo pelo qual torna-se necessário estudar a própria estrutura molecular do qual torna-se necessário estudar a própria estrutura molecular do corpo, e as suas características de ionização e de excitação.corpo, e as suas características de ionização e de excitação.



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As cargas elétricas deslocam-se sob a forma de corrente As cargas elétricas deslocam-se sob a forma de corrente elétrica através das diferentes substâncias, mas sob aspectos elétrica através das diferentes substâncias, mas sob aspectos diversos. diversos.

Chama-se de resistência a maior ou menor dificuldade que opõe Chama-se de resistência a maior ou menor dificuldade que opõe um condutor à passagem de corrente elétrica, cuja unidade é o um condutor à passagem de corrente elétrica, cuja unidade é o Ohm (Ohm (). ).

A resistência elétrica R obedece a 1 lei de Ohm (U=R.I) e pode A resistência elétrica R obedece a 1 lei de Ohm (U=R.I) e pode ser entendida como a avaliação quantitativa da resistividade, pois ser entendida como a avaliação quantitativa da resistividade, pois depende da geometria do material.depende da geometria do material.

Fazendo-se um estudo dos fatores que determinam a Fazendo-se um estudo dos fatores que determinam a resistência, estabeleceu-se pela lei de Ohm queresistência, estabeleceu-se pela lei de Ohm que

U = R.I (1) (1U = R.I (1) (1ª ª Lei)Lei)

Onde u = diferença de potencial elétricoOnde u = diferença de potencial elétricoR = resistência elétricaR = resistência elétricaI = intensidade de corrente elétricaI = intensidade de corrente elétrica



i

UR

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Por outro lado, sendo Por outro lado, sendo NN o número de elétrons livreso número de elétrons livres por unidade por unidade de volume de material, elétrons estes que se deslocam a uma de volume de material, elétrons estes que se deslocam a uma velocidade velocidade vvdd através de uma através de uma seção seção AA, , e sendo e sendo ee a carga de um a carga de um elétronelétron, a , a corrente elétricacorrente elétrica ii será: será: i = N.e.vd .A (2)(2)

Se, por outro lado, um condutor de Se, por outro lado, um condutor de comprimento comprimento ll está sob a está sob a ação de uma ação de uma diferença de potencial diferença de potencial U,U, a intensidade de a intensidade de campo campo elétrico elétrico EE será:será: (3)(3)

além disso, além disso,

ouou (4)(4)



l

UE

Ed .

l

Ud .

74

onde onde mobilidade do elétron. Substituindo (4) o valor (2), temos: mobilidade do elétron. Substituindo (4) o valor (2), temos: (5)(5)

e usando a eq. (1), temos: e usando a eq. (1), temos:

(6)(6)

simplificando R,simplificando R,

(7)(7)

O quociente é denominado de resistividade O quociente é denominado de resistividade ::

(2(2ªª Lei) Lei)



Al

UeNi ....

Al

UeN

R

U....

AeNR

1.

..

1

..

1

eN

l

ondeonde = resistividade elétrica do material (= resistividade elétrica do material (. . cm),cm),R R = resistência elétrica (= resistência elétrica ())A A = seção transversal (cm= seção transversal (cm22))l l = comprimento do corpo condutor (cm)= comprimento do corpo condutor (cm)

75

A corrente elétrica é o movimento ordenado dos portadores de A corrente elétrica é o movimento ordenado dos portadores de carga elétrica. Assim, todos os fatores que dificultam a carga elétrica. Assim, todos os fatores que dificultam a movimentação dos portadores contribuem para a resistividade movimentação dos portadores contribuem para a resistividade do material.do material.

Matematicamente, a Matematicamente, a resistividade total de um material metálico resistividade total de um material metálico é a soma de três contribuições.é a soma de três contribuições.



76



77

Efeito da temperatura sobre a resistividade elétrica de Efeito da temperatura sobre a resistividade elétrica de metaismetais

Com o aumento da temperatura, aumentam as amplitudes das Com o aumento da temperatura, aumentam as amplitudes das vibrações cristalinas, aumentando o espalhamento dos elétrons.vibrações cristalinas, aumentando o espalhamento dos elétrons.

Para metais puros e muitas ligas,Para metais puros e muitas ligas,



ElétronElétron

t = 0 .(1 + .T)0, = constantes

especificas para cada metal

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Efeito da impureza sobre a resistividade elétrica de metaisEfeito da impureza sobre a resistividade elétrica de metais

A presença de impurezas deforma a rede cristalina, aumentando A presença de impurezas deforma a rede cristalina, aumentando o espalhamento dos elétrons.o espalhamento dos elétrons.

Em termos da concentração Em termos da concentração cici (%at) da impureza, (%at) da impureza,



i =Aci .(1-ci) A = constante independente da composição e função tanto do metal de impureza quanto do hospedeiro

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Efeito dos defeitos sobre a resistividade elétrica de metaisEfeito dos defeitos sobre a resistividade elétrica de metais

Para formar defeitos é necessário dispor de energia;Para formar defeitos é necessário dispor de energia;

Normalmente esta energia é dada na forma de energia térmica, Normalmente esta energia é dada na forma de energia térmica, isto é, quanto maior a temperatura maior será sua concentração isto é, quanto maior a temperatura maior será sua concentração de defeitos;de defeitos;

Para muitos tipos de defeitos vale o seguinte:Para muitos tipos de defeitos vale o seguinte:



80



81



82

Coeficiente de temperaturaCoeficiente de temperatura

Um metal quando aquecido aumenta sua amplitude de vibração Um metal quando aquecido aumenta sua amplitude de vibração dos átomos que o constituem, esta agitação interfere no dos átomos que o constituem, esta agitação interfere no deslocamento dos elétrons periféricos ao longo do corpo deslocamento dos elétrons periféricos ao longo do corpo condutor. condutor.

Portanto, em função direta da temperatura, há o aumento da Portanto, em função direta da temperatura, há o aumento da resistência elétrica R do condutor metálico.resistência elétrica R do condutor metálico.



tRRt 00 1

onde:onde:

RRoo: resistência do condutor medido a 0: resistência do condutor medido a 0oo C C

RRtt: resistência do condutor na temperatura t: resistência do condutor na temperatura t

oo: coeficiente de temperatura do condutor a 0: coeficiente de temperatura do condutor a 0oo C C

83

Coeficiente de temperaturaCoeficiente de temperatura



Observação 1:Observação 1: Para os metais puros, o coeficiente de temperatura é Para os metais puros, o coeficiente de temperatura é próximo a próximo a 0,004 0,004 1 / 273 1 / 273 . Deduz-se disso que a resistência . Deduz-se disso que a resistência elétrica de um condutor aumenta aproximadamente elétrica de um condutor aumenta aproximadamente 10%10% para cada para cada 2525oo C C de variação de sua temperatura. de variação de sua temperatura.

Observação 2:Observação 2: Para os metais não puros , ligas metálicas por exemplo,o Para os metais não puros , ligas metálicas por exemplo,o coeficiente de temperatura tem valor menor que para os coeficiente de temperatura tem valor menor que para os metais puros. metais puros.

Para a manganina (liga de 84% de Cu, 12% de Mn, 4% de Ni) o coeficientePara a manganina (liga de 84% de Cu, 12% de Mn, 4% de Ni) o coeficiente

de temperatura é praticamente desprezível (de temperatura é praticamente desprezível (oo = 0,00001), isto é, manganina = 0,00001), isto é, manganina

serve, por isso para a construção de padrões de resistência.serve, por isso para a construção de padrões de resistência.

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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores3.2 – Propriedades térmicas dos condutores


Introdução: Introdução: Entende-se por Entende-se por “Propriedades Térmicas” “Propriedades Térmicas” a resposta a resposta de um material a um estímulo térmico (aumento ou redução de de um material a um estímulo térmico (aumento ou redução de temperatura).temperatura).

O que acontece quando fornecemos calor a um corpo?O que acontece quando fornecemos calor a um corpo?

Variação dimensionalVariação dimensional

Dilatação ou expansão térmica (em Dilatação ou expansão térmica (em aquecimento);aquecimento);

Contração (no resfriamento);Contração (no resfriamento);

Calor é absorvido ou transmitido;Calor é absorvido ou transmitido;

Transformações de fases.Transformações de fases.

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Todos os corpos possuem Todos os corpos possuem energia internaenergia interna. Esta energia está de . Esta energia está de certa maneira "armazenada" nos corpos, e vem, entre outras coisas, do certa maneira "armazenada" nos corpos, e vem, entre outras coisas, do movimento ou da vibração dos átomos e moléculas que formam o movimento ou da vibração dos átomos e moléculas que formam o corpo. Veja a animação abaixo.corpo. Veja a animação abaixo.

Os pontinhos vermelhos representam as moléculas de um sólido Os pontinhos vermelhos representam as moléculas de um sólido qualquer. qualquer.

Logicamente este é um exemplo bem simplificado. As vibrações são Logicamente este é um exemplo bem simplificado. As vibrações são muito mais rápidas e não ocorrem de maneira tão organizada assim. muito mais rápidas e não ocorrem de maneira tão organizada assim.

Nos sólido as moléculas não se locomovem de um lado para outro do Nos sólido as moléculas não se locomovem de um lado para outro do material, somente vibram.material, somente vibram.

No caso dos líquidos e gases, as moléculas conseguem, além de vibrar, No caso dos líquidos e gases, as moléculas conseguem, além de vibrar, locomover-se de um lado para o outro, principalmente nos gases.locomover-se de um lado para o outro, principalmente nos gases.


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Capacidade térmica molarCapacidade térmica molar: : quantidade de energia (calor) (J)quantidade de energia (calor) (J) necessária para aumentar em um grau (K) a necessária para aumentar em um grau (K) a temperatura de um temperatura de um mol de um materialmol de um material. Esta propriedade representa a capacidade . Esta propriedade representa a capacidade do material de absorver calor do meio circundante.do material de absorver calor do meio circundante.

Na maioria dos Na maioria dos sólidossólidos, o , o conteúdo térmicoconteúdo térmico e a e a energia energia vibracionalvibracional dos átomos estão dos átomos estão diretamente relacionadosdiretamente relacionados. .

A contribuição eletrônica para a capacidade térmica é, em A contribuição eletrônica para a capacidade térmica é, em geral, insignificante, a não ser para temperaturas próximas a geral, insignificante, a não ser para temperaturas próximas a zero graus Kelvin.zero graus Kelvin.


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Calor especifico de uma substânciaCalor especifico de uma substância: : Calor específico de uma Calor específico de uma substância (c ) a razão entre a quantidade de calor que a substância (c ) a razão entre a quantidade de calor que a substância troca e o produto entre a sua massa e a variação de substância troca e o produto entre a sua massa e a variação de temperatura sofrida.temperatura sofrida.

Esta grandeza tem sua unidade de medida no Sistema Esta grandeza tem sua unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades ( S.I ) o J / kg.K, porém a mais usada é Internacional de Unidades ( S.I ) o J / kg.K, porém a mais usada é a cal/g.a cal/g.ooCC

CAPACIDADE TÉRMICA ( C ) CAPACIDADE TÉRMICA ( C ) Depende da massa e da substânciaDepende da massa e da substância CALOR ESPECÍFICO ( c )CALOR ESPECÍFICO ( c )Depende apenas da substânciaDepende apenas da substância


Quantidade de calor

Massa vezes variação de temperatura

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Os fenômenos de transferência de calor de um corpo Os fenômenos de transferência de calor de um corpo pode ser medido através da equação da calorimetria:pode ser medido através da equação da calorimetria:


TcmQ ..onde:

Q quantidade de calor m massac calor específicoT variação de temperatura

Observações: Observações: T > To T > To T > 0 T > 0 Q > 0 (calor Q > 0 (calor recebido pelo corporecebido pelo corpo: o corpo ganha calor) (+): o corpo ganha calor) (+)T < To T < To T < 0 T < 0 Q < 0 (calor Q < 0 (calor cedido pelo corpocedido pelo corpo: o corpo perde calor) (-): o corpo perde calor) (-)

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A A energia vibracional de um materialenergia vibracional de um material consiste de uma série consiste de uma série de de ondas elásticas de comprimento de ondaondas elásticas de comprimento de onda muito muito pequenopequeno e e freqüências muito altasfreqüências muito altas, que se propagam através do material , que se propagam através do material com a velocidade do som. com a velocidade do som.

A A energia vibracionalenergia vibracional é quantizada, e um quantum desta é quantizada, e um quantum desta energia é chamado energia é chamado fônonfônon..

O O fônonfônon é análogo ao quantum de radiação eletromagnética, é análogo ao quantum de radiação eletromagnética, o o fótonfóton..

O O espalhamento dos elétrons livresespalhamento dos elétrons livres que ocorre durante a que ocorre durante a condução elétrica é devido às condução elétrica é devido às ondas vibracionaisondas vibracionais..


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Fônons = ondas elásticas

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Condução térmicaCondução térmica: : fenômeno pelo qual o calor é transportado fenômeno pelo qual o calor é transportado em um material de regiões de alta temperatura para regiões de em um material de regiões de alta temperatura para regiões de baixa temperatura.baixa temperatura.

Condutividade térmicaCondutividade térmica:: capacidade de um material de conduzir capacidade de um material de conduzir calor.calor.

A condutividade térmica pode ser definida em termos de:A condutividade térmica pode ser definida em termos de:

A equação acima só é válida quando o fluxo de calor for A equação acima só é válida quando o fluxo de calor for estacionárioestacionário (fluxo de calor que não se altera com o tempo)(fluxo de calor que não se altera com o tempo)


dx

dTk

A

Q

O calor é transportado de regiões de quentes para regiões frias.

Q/AQ/A = fluxo de calor = fluxo de calorkk = condutividade térmica= condutividade térmica

dT/dxdT/dx = gradiente de temperatura = gradiente de temperatura

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Mecanismos de condutividade térmicaMecanismos de condutividade térmica

condutividade térmica por elétrons (ke)condutividade térmica por elétrons (ke)

Os elétrons livres que se encontram em regiões quentes Os elétrons livres que se encontram em regiões quentes ganham energia cinética e migram para regiões mais frias. ganham energia cinética e migram para regiões mais frias.

Em conseqüência de colisões com fônons, parte da energia Em conseqüência de colisões com fônons, parte da energia cinética dos elétrons livres é transferida (na forma de energia cinética dos elétrons livres é transferida (na forma de energia vibracional) para os átomos contidos nessas regiões frias, o vibracional) para os átomos contidos nessas regiões frias, o que resulta em aumento da temperatura.que resulta em aumento da temperatura.

Quanto maior a concentração de elétrons livres, maior a Quanto maior a concentração de elétrons livres, maior a condutividade térmica.condutividade térmica.

condutividade térmica por fônons (kq)condutividade térmica por fônons (kq)

A condução de calor pode ocorrer também através de A condução de calor pode ocorrer também através de vibrações da rede atômica. O transporte de energia térmica vibrações da rede atômica. O transporte de energia térmica associada aos fônons se dá na mesma direção das ondas de associada aos fônons se dá na mesma direção das ondas de vibração.vibração.


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A condutividade térmica (k) de um material é a soma da A condutividade térmica (k) de um material é a soma da condutividade por elétrons (ke) e a por fônons (kq):condutividade por elétrons (ke) e a por fônons (kq):


Transporte de calor = Fônons + elétrons livresTransporte de calor = Fônons + elétrons livres

k = kf + ke

kf = condutividade por fônons

ke = condutividade por elétrons

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Capacidade térmica Coef. Dilatação condutividadeCapacidade térmica Coef. Dilatação condutividade

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Condução de calor em metaisCondução de calor em metais

Metal Metal = grande número de elétrons livres= grande número de elétrons livres

O transporte eletrônico é muito eficiente! O transporte eletrônico é muito eficiente!

Condutividades entre 20 e 400 W/m-KCondutividades entre 20 e 400 W/m-K

Condução de calor em cerâmicasCondução de calor em cerâmicas

Cerâmica Cerâmica = isolante (poucos elétrons livres)= isolante (poucos elétrons livres)

Condutividade por fônons (pouco eficiente!)Condutividade por fônons (pouco eficiente!)

Condutividades entre 2 e 50 W/m-KCondutividades entre 2 e 50 W/m-K


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Condução de calor em polímerosCondução de calor em polímeros

A transferência de calor ocorre através da vibração e da rotação A transferência de calor ocorre através da vibração e da rotação das moléculas das cadeias.das moléculas das cadeias.

A condutividade depende do grau de cristalinidade. Estruturas A condutividade depende do grau de cristalinidade. Estruturas mais cristalinas têm maiores condutividades.mais cristalinas têm maiores condutividades.

Polímeros, que, em geral, têm condutividades térmicas da ordem Polímeros, que, em geral, têm condutividades térmicas da ordem de 0,3 W/m-K, são usados como de 0,3 W/m-K, são usados como isolantes térmicosisolantes térmicos. Ex. PS . Ex. PS expandido (isopor).expandido (isopor).


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Condutividade térmica versus temperaturaCondutividade térmica versus temperatura

O aumento da O aumento da temperaturatemperatura provoca o aumento da provoca o aumento da energiaenergia

dos elétrons e das dos elétrons e das vibraçõesvibrações da rede cristalina. da rede cristalina.


Maior energia dos elétrons

= maior número de portadores= maior condutividade

Mais vibração da rede

= maior contribuição dos fônons= maior condutividade

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DILATAÇÃO TERMICADILATAÇÃO TERMICA:: Dilatação térmica é o nome que se dá ao Dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento doaumento do volume de um corpo ocasionado pela de um corpo ocasionado pela aumento de sua aumento de sua temperaturatemperatura, o que causa o aumento no grau de agitação de , o que causa o aumento no grau de agitação de suas moléculas e conseqüente aumento na distância média entre suas moléculas e conseqüente aumento na distância média entre as mesmas. as mesmas.

A A dilataçãodilatação ocorre de ocorre de forma mais significativaforma mais significativa nos gasesnos gases, de , de forma intermediária nos líquidosforma intermediária nos líquidos e de e de forma menos explícita nos forma menos explícita nos sólidossólidos, podendo-se afirmar que: , podendo-se afirmar que:

Dilatação nos gases > Dilatação nos líquidos > Dilatação nos Dilatação nos gases > Dilatação nos líquidos > Dilatação nos sólidossólidos. .

Nos sólidos, o aumento ou diminuição da temperatura provoca Nos sólidos, o aumento ou diminuição da temperatura provoca alteração nas dimensões lineares, como também nas dimensões alteração nas dimensões lineares, como também nas dimensões superficiais e volumétricas. superficiais e volumétricas.


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Dilatação Linear dos SólidosDilatação Linear dos Sólidos:: A maioria dos materiais sólidos A maioria dos materiais sólidos se expandem no aquecimento e se contraem no resfriamento. A se expandem no aquecimento e se contraem no resfriamento. A mudança no comprimento de um material sólido com a mudança no comprimento de um material sólido com a temperatura pode ser expressa da seguinte.temperatura pode ser expressa da seguinte.

ouou

onde onde ΔLΔL é a variação do comprimento, ΔL = L é a variação do comprimento, ΔL = Lff – L – L00..

ΔtΔt é a variação da temperatura, Δt = T é a variação da temperatura, Δt = Tff – T – T00. .

αα é uma constante de proporcionalidade denominada de coeficiente de é uma constante de proporcionalidade denominada de coeficiente de dilatação linear, e a sua unidade é o °Cdilatação linear, e a sua unidade é o °C-1-1. .

Cada material tem um coeficiente de dilatação linear próprio, o Cada material tem um coeficiente de dilatação linear próprio, o do alumínio, por exemplo, é 24.10do alumínio, por exemplo, é 24.10-6-6°C°C-1-1. .


Unidade: Unidade: cmcm

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Exemplo de dilatação linear: os fios de telefone ou luz. Exemplo de dilatação linear: os fios de telefone ou luz.

Expostos ao Sol nos dias quentes do verão, variam suas Expostos ao Sol nos dias quentes do verão, variam suas temperaturas consideravelmente, fazendo com que o fio se temperaturas consideravelmente, fazendo com que o fio se estenda causando um envergamento maior, pois aumenta seu estenda causando um envergamento maior, pois aumenta seu comprimento que passa de um comprimento inicial (Lcomprimento que passa de um comprimento inicial (L00) a um ) a um comprimento final (Lcomprimento final (Lff). ).

A mesma coisa acontece com o fio de cabelo quando se utiliza A mesma coisa acontece com o fio de cabelo quando se utiliza a "chapinha" para alisá-lo. Dizemos que a dilatação provocou um a "chapinha" para alisá-lo. Dizemos que a dilatação provocou um aumento no comprimento aumento no comprimento


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Na tabela podemos verificar o valor do coeficiente de Na tabela podemos verificar o valor do coeficiente de dilatação linear de algumas substâncias. dilatação linear de algumas substâncias.


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Dilatação Superficial dos SólidosDilatação Superficial dos Sólidos:: Há corpos que podem ser Há corpos que podem ser considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é desprezível frente às outras duas, por exemplo, uma chapa.desprezível frente às outras duas, por exemplo, uma chapa.

Neste caso, a expansão ocorre nas suas duas dimensões Neste caso, a expansão ocorre nas suas duas dimensões lineares, ou seja, na área total do corpo. lineares, ou seja, na área total do corpo.

Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação superficial utilizamos a seguinte equação:dilatação superficial utilizamos a seguinte equação:


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Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação superficial utilizamos a seguinte equação:dilatação superficial utilizamos a seguinte equação:

onde:onde:

∆S∆S: : variação da área da superfície do corpo que sofreu a dilatação variação da área da superfície do corpo que sofreu a dilatação superficial.superficial.SS00 : área inicial da superfície do corpo. : área inicial da superfície do corpo.

ββ: coeficiente de dilatação superficial do material que constitui o corpo. : coeficiente de dilatação superficial do material que constitui o corpo.

É importante saber que o coeficiente de dilatação superficial de um É importante saber que o coeficiente de dilatação superficial de um material é igual ao dobro do coeficiente de dilatação linear do mesmo material é igual ao dobro do coeficiente de dilatação linear do mesmo material, ou seja, material, ou seja, β = 2αβ = 2α..

∆∆TT: variação de temperatura sofrida pelo corpo. : variação de temperatura sofrida pelo corpo.


Unidade: Unidade: cmcm22

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Dilatação Volumétrica dos SólidosDilatação Volumétrica dos Sólidos:: É aquela em que predomina a É aquela em que predomina a variação em três dimensões, ou seja, a variação do volume do variação em três dimensões, ou seja, a variação do volume do corpo. corpo.

Imaginemos um paralelepípedo de volume inicial VImaginemos um paralelepípedo de volume inicial Voo e e temperatura inicial Ttemperatura inicial Too. Ao aquecermos este corpo para uma . Ao aquecermos este corpo para uma temperatura t ele passará a ter um novo volume V. temperatura t ele passará a ter um novo volume V.

Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação superficial utilizamos a seguinte equação: dilatação superficial utilizamos a seguinte equação:


V = V0 (1 + γ . Δθ)

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Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação superficial utilizamos a seguinte equação: dilatação superficial utilizamos a seguinte equação:

Onde:Onde:VV = volume final = volume finalVV00 = volume inicial = volume inicialΔΔθθ = θ – θ = θ – θ00 = variação da temperatura = variação da temperatura = 3α = coeficiente de dilatação volumétrico = 3α = coeficiente de dilatação volumétrico

Relação entre os coeficientes de dilatação linear, superficial e Relação entre os coeficientes de dilatação linear, superficial e volumétricavolumétrica

Partindo do coeficiente de dilatação linear (Partindo do coeficiente de dilatação linear () notamos que o ) notamos que o coeficiente de dilatação superficial (β) e volumétrica (coeficiente de dilatação superficial (β) e volumétrica () ) depende dele, pois 2depende dele, pois 2 é igual a β e 3 é igual a β e 3 é igual a γ, portanto é igual a γ, portanto podemos escrever a seguinte relação:podemos escrever a seguinte relação:


V = V0 (1 + γ . Δθ) Unidade: Unidade: cmcm33

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Dilatação nos metaisDilatação nos metais: Os coeficientes lineares de expansão : Os coeficientes lineares de expansão térmica para alguns dos metais comuns variam na faixa de térmica para alguns dos metais comuns variam na faixa de cerca de 5x10cerca de 5x10-6-6 e 25x10 e 25x10-6-6 ( (ooC)C)-1-1. .

Para algumas aplicações, um alto grau de estabilidade Para algumas aplicações, um alto grau de estabilidade dimensional com flutuação da temperatura é essencial. dimensional com flutuação da temperatura é essencial.

Isso tem resultado no desenvolvimento de uma família de Isso tem resultado no desenvolvimento de uma família de ligas ferro- níquel e ferro-cobalto que têm valores de ligas ferro- níquel e ferro-cobalto que têm valores de 11 da da ordem de 1x 10ordem de 1x 10-6-6 ( (ooC)C)-1-1. .

Uma tal liga foi projetada para ter características de Uma tal liga foi projetada para ter características de expansão iguais àquelas do vidro Pyrex; quando ajuntada ao expansão iguais àquelas do vidro Pyrex; quando ajuntada ao Pyrex e submetida a variações de temperatura, tensões Pyrex e submetida a variações de temperatura, tensões térmicas e fratura possível na junção são evitadas.térmicas e fratura possível na junção são evitadas.


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Dilatação nos cerâmicosDilatação nos cerâmicos: cerâmicos como refletidas nos : cerâmicos como refletidas nos comparativamente baixos coeficientes de expansão térmica; comparativamente baixos coeficientes de expansão térmica; valores tipicamente variam entre cerca de 0,5x10valores tipicamente variam entre cerca de 0,5x10-6-6 a 15x10 a 15x10-6-6 ((ooC)C)-1-1. .

Para cerâmicas não cristalinas e também aquelas contendo Para cerâmicas não cristalinas e também aquelas contendo estruturas cristalinas cúbicas, estruturas cristalinas cúbicas, 11 é isotrópico. é isotrópico.

Doutro modo, ele é anisotrópico e, de fato, alguns materiais Doutro modo, ele é anisotrópico e, de fato, alguns materiais cerâmicos, durante o aquecimento, contraem-se em algumas cerâmicos, durante o aquecimento, contraem-se em algumas direções cristalográficas enquanto se expandem em outras. direções cristalográficas enquanto se expandem em outras. Para vidros inorgânicos, o coeficiente de expansão depende da Para vidros inorgânicos, o coeficiente de expansão depende da composição. Sílica fundida (vidro de SiOcomposição. Sílica fundida (vidro de SiO22 de alta pureza) tem de alta pureza) tem uma extremamente pequena expansão térmica, 0,5x10uma extremamente pequena expansão térmica, 0,5x10-6-6 ( (ooCC)-1)-1. .

Isso é explicado por uma baixa densidade de empacotamento Isso é explicado por uma baixa densidade de empacotamento atômico de maneira que expansão interatômica produz atômico de maneira que expansão interatômica produz relativamente pequenas variações dimensionais relativamente pequenas variações dimensionais macroscópicas. Adição de impurezas na sílica fundida aumenta macroscópicas. Adição de impurezas na sílica fundida aumenta o coeficiente de expansão térmica.o coeficiente de expansão térmica.


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Dilatação nos polímerosDilatação nos polímeros: Alguns materiais poliméricos : Alguns materiais poliméricos experimentam muito grandes expansões térmicas no experimentam muito grandes expansões térmicas no aquecimento como indicado por coeficientes que variam desde aquecimento como indicado por coeficientes que variam desde aproximadamente 50x10aproximadamente 50x10-6-6 até 300x10 até 300x10-6-6 ( (ooC)C)-1-1. .

Os mais altos valores de Os mais altos valores de 11 são encontrados em polímeros são encontrados em polímeros lineares e ramificados porque as ligações intermoleculares lineares e ramificados porque as ligações intermoleculares secundárias são fracas e existe uma mínima ligação cruzada. secundárias são fracas e existe uma mínima ligação cruzada.

Com aumentada ligação cruzada, a magnitude do coeficiente Com aumentada ligação cruzada, a magnitude do coeficiente de expansão térmica decresce, os mais baixos coeficientes são de expansão térmica decresce, os mais baixos coeficientes são encontrados em polímeros reticulares termofixos tais como encontrados em polímeros reticulares termofixos tais como Baquelita, nos quais a ligação é quase que inteiramente Baquelita, nos quais a ligação é quase que inteiramente covalente.covalente.


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4. APLICAÇOES DOS CONDUTORES


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Material condutor:Material condutor: é um elemento de baixa resistividade é um elemento de baixa resistividade específica, formando objetos de pouca resistência elétrica - específica, formando objetos de pouca resistência elétrica - imposição a passagem de corrente elétrica. Essa propriedade é imposição a passagem de corrente elétrica. Essa propriedade é comum nos metais e podem ser explicadas pelas suas comum nos metais e podem ser explicadas pelas suas eletropositividades, característica que facilita a perda de eletropositividades, característica que facilita a perda de elétrons, ideal para que ocorra o movimento ordenado.elétrons, ideal para que ocorra o movimento ordenado.

Alguns exemplos de aplicações de condutores:Alguns exemplos de aplicações de condutores:

4.1.1 Cobre:4.1.1 Cobre: Possui excelente condutividade elétrica. E apresenta Possui excelente condutividade elétrica. E apresenta a resistência elétrica mais baixa de todos os metais não-a resistência elétrica mais baixa de todos os metais não-preciosos, e é utilizado de uma forma geral como condutor preciosos, e é utilizado de uma forma geral como condutor elétrico, também em cabos subterrâneos, terminais de conexão, elétrico, também em cabos subterrâneos, terminais de conexão, revestimento em haste de aterramento e tomadas,...revestimento em haste de aterramento e tomadas,...

4.1 – Aplicações do condutores4.1 – Aplicações do condutores


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4.1.2 Alumínio:4.1.2 Alumínio: Por ter uma menor densidade em relação ao Por ter uma menor densidade em relação ao cobre, o Alumínio tem uso especial em cabos aéreos, tornado o cobre, o Alumínio tem uso especial em cabos aéreos, tornado o peso do cabo um o fator decisivo, portanto o alumínio é o mais peso do cabo um o fator decisivo, portanto o alumínio é o mais utilizado, e devido a sua grande condutibilidade térmica e elétrica utilizado, e devido a sua grande condutibilidade térmica e elétrica é utilizado como condutores isolados para eletrotécnica, é utilizado como condutores isolados para eletrotécnica, condensadores, dissipadores e refletorescondensadores, dissipadores e refletores.



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4.1.3 Ouro:4.1.3 Ouro: Devido à sua boa condutividade elétrica, resistência à Devido à sua boa condutividade elétrica, resistência à corrosão e uma boa combinação de propriedades físicas e corrosão e uma boa combinação de propriedades físicas e químicas, ela é usada para cobrir com uma camada por meio químicas, ela é usada para cobrir com uma camada por meio eletrolítico as superfícies de conexões elétricas, para assegurar eletrolítico as superfícies de conexões elétricas, para assegurar uma conexão de baixa resistência elétrica e livre do ataque uma conexão de baixa resistência elétrica e livre do ataque químico do meio.químico do meio.



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4.1.4 Platina:4.1.4 Platina: É leve, dúctil, tem um alto ponto de fusão, e tem É leve, dúctil, tem um alto ponto de fusão, e tem uma boa resistência contra corrosão e ataques químicos.uma boa resistência contra corrosão e ataques químicos.Por isso é encontrado particularmente em peças de contato, Por isso é encontrado particularmente em peças de contato, anodos, fios de aquecimento. Sendo o metal mais adequado para anodos, fios de aquecimento. Sendo o metal mais adequado para a fabricação de termoelementos e termômetros resistivos até a fabricação de termoelementos e termômetros resistivos até 10001000ooC, pois até essas temperaturas não sofre transformações C, pois até essas temperaturas não sofre transformações estruturais, fazendo com que a resistividade varie na mesma estruturais, fazendo com que a resistividade varie na mesma proporção da temperaturaproporção da temperatura.



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4.1.5 Prata:4.1.5 Prata: É o metal nobre de maior uso industrial, notadamente É o metal nobre de maior uso industrial, notadamente nas peças de contato. A prata,devido às suas características nas peças de contato. A prata,devido às suas características elétricas, químicas e mecânicas é usada em forma pura ou de liga, elétricas, químicas e mecânicas é usada em forma pura ou de liga, cada vez mais em partes condutoras aonde uma oxidação ou cada vez mais em partes condutoras aonde uma oxidação ou sulfatação viria criar problemas mais sérios. É o caso de peças de sulfatação viria criar problemas mais sérios. É o caso de peças de contato, notadamente nas partes em que se dá o contato contato, notadamente nas partes em que se dá o contato mecânico entre duas peças e, onde, além de um bom material mecânico entre duas peças e, onde, além de um bom material condutor, é conveniente ter-se um metal que não influa condutor, é conveniente ter-se um metal que não influa negativamente devido a transformações metálicas, além de negativamente devido a transformações metálicas, além de soldas, contatos elétricos, baterias de alta capacidade (prata-soldas, contatos elétricos, baterias de alta capacidade (prata-zinco e prata-cádmio).zinco e prata-cádmio).



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4.1.6 Solda Estanho-Chumbo:4.1.6 Solda Estanho-Chumbo: A solda para eletrônica também é A solda para eletrônica também é conhecida como conhecida como solda 60/40solda 60/40, devido a sua composição de liga de , devido a sua composição de liga de 60% de estanho e 40% de chumbo. Essa composição dá à solda 60% de estanho e 40% de chumbo. Essa composição dá à solda uma boa condução elétrica e um ponto de fusão não muito alto, uma boa condução elétrica e um ponto de fusão não muito alto, evitando o superaquecimento de componentes no momento da evitando o superaquecimento de componentes no momento da soldagem.soldagem.

Dentro do fio há um núcleo de resina. O processo de solda Dentro do fio há um núcleo de resina. O processo de solda consiste em aquecer os componentes a serem soldados e a placa consiste em aquecer os componentes a serem soldados e a placa onde serão soldados, se for o caso, com um equipamento onde serão soldados, se for o caso, com um equipamento denominado ferro de solda.denominado ferro de solda.

Ao encostar o fio de solda nos componentes aquecidos, o núcleo Ao encostar o fio de solda nos componentes aquecidos, o núcleo de resina funde-se primeiro, cobrindo as superfícies a serem de resina funde-se primeiro, cobrindo as superfícies a serem soldadas. A liga de solda então funde-se, cobrindo as superfícies, soldadas. A liga de solda então funde-se, cobrindo as superfícies, e solidificando-se ao resfriar-se. e solidificando-se ao resfriar-se.



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4.1.7 Tungstênio:4.1.7 Tungstênio: De cor branca acinzentada, brilhante, muito De cor branca acinzentada, brilhante, muito duro e denso, tem o ponto de fusão mais alto de todos os duro e denso, tem o ponto de fusão mais alto de todos os elementos. É utilizado em filamentos de lâmpadas elementos. É utilizado em filamentos de lâmpadas incandescentes, resistências elétricas (elemento aquecedor em incandescentes, resistências elétricas (elemento aquecedor em fornalhas elétricas), válvulas termiônicas, eletrodos para solda fornalhas elétricas), válvulas termiônicas, eletrodos para solda elétrica, e de conexão para circuitos integrados.elétrica, e de conexão para circuitos integrados.



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4.1.7 Grafite:4.1.7 Grafite: Grafite é condutor de eletricidade, e serve como Grafite é condutor de eletricidade, e serve como material para eletrodos em fornos a arco elétrico, que transportam material para eletrodos em fornos a arco elétrico, que transportam energia elétrica para o derretimento da sucata de aço como parte energia elétrica para o derretimento da sucata de aço como parte do processo de fundição. Os elétrodos de grafite também são do processo de fundição. Os elétrodos de grafite também são usados em processos de impressão. Eles são revestidos com uma usados em processos de impressão. Eles são revestidos com uma fina camada de cera em impressões, debaixo de uma camada de fina camada de cera em impressões, debaixo de uma camada de cobre. Ele dá a conexão elétrica negativa utilizada para a cobre. Ele dá a conexão elétrica negativa utilizada para a eletrólise. eletrólise.



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1) Qual a grande necessidade da indústria elétrica e eletrônica de usar novos 1) Qual a grande necessidade da indústria elétrica e eletrônica de usar novos materiais com melhores características e de fácil caracterização?materiais com melhores características e de fácil caracterização?

2) Quais são as regras práticas para seleção dos materiais elétricos?2) Quais são as regras práticas para seleção dos materiais elétricos?

3) Como é feita a classificação dos materiais na engenharia elétrica?3) Como é feita a classificação dos materiais na engenharia elétrica?

4) Como deve ser o comportamento dos materiais elétricos dos materiais?4) Como deve ser o comportamento dos materiais elétricos dos materiais?

5) O que são materiais condutores?5) O que são materiais condutores?

6) Do ponto de vista químico, qual a relação da formação de elétrons livre e a 6) Do ponto de vista químico, qual a relação da formação de elétrons livre e a condução elétrica?condução elétrica?

7) A boa condutividade elétrica dos metais quando comparado a outros materiais 7) A boa condutividade elétrica dos metais quando comparado a outros materiais ocorre por que:ocorre por que:

(A) A carga iônica tem boa mobilidade no reticulado cristalino(A) A carga iônica tem boa mobilidade no reticulado cristalino(B) a condução de eletricidade ocorre devido à difusão;(B) a condução de eletricidade ocorre devido à difusão;(C) O elétron de Valencia responsável pelas ligações químicas entre os íons positivos (C) O elétron de Valencia responsável pelas ligações químicas entre os íons positivos

tem alta mobilidade no cristal;tem alta mobilidade no cristal;(D) Todos os elétrons do metal são livres para se movimentar;(D) Todos os elétrons do metal são livres para se movimentar;(E) A movimentação dos elétrons ocorre nos defeitos do reticulado cristalino.(E) A movimentação dos elétrons ocorre nos defeitos do reticulado cristalino.

Lista 1Lista 1


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8) O Cobre é um metal muito utilizado devido à alta condutibilidade elétrica e 8) O Cobre é um metal muito utilizado devido à alta condutibilidade elétrica e térmica que possui. Pode-se afirmar que:térmica que possui. Pode-se afirmar que:

(A) Quanto maior o teor de Oxigênio maior a condutibilidade elétrica.(A) Quanto maior o teor de Oxigênio maior a condutibilidade elétrica.(B) Impurezas em solução sólida diminuem a condutibilidade elétrica.(B) Impurezas em solução sólida diminuem a condutibilidade elétrica.(C) A condutibilidade elétrica é pouco afetada pela presença de impurezas.(C) A condutibilidade elétrica é pouco afetada pela presença de impurezas.(D) A condutibilidade elétrica só é afetada pela temperatura.(D) A condutibilidade elétrica só é afetada pela temperatura.(E)As alternativas (b) e (d) estão ambas corretas.(E)As alternativas (b) e (d) estão ambas corretas.

9) Como é a movimentação dos elétrons livres de um condutor quando se aplica uma 9) Como é a movimentação dos elétrons livres de um condutor quando se aplica uma ddp? Qual o sentido os elétrons?ddp? Qual o sentido os elétrons?

10) O que é condutividade elétrica? Qual a faixa de condutividade nos condutores, 10) O que é condutividade elétrica? Qual a faixa de condutividade nos condutores, isolantes e semicondutores?isolantes e semicondutores?

11) O que é resistividade elétrica? Qual a faixa de resistividade nos condutores, 11) O que é resistividade elétrica? Qual a faixa de resistividade nos condutores, isolantes e semicondutores?isolantes e semicondutores?

12) Deduza a partir da primeira lei do Ohm a segunda lei da resistividade ( formula 12) Deduza a partir da primeira lei do Ohm a segunda lei da resistividade ( formula da resistividade)?da resistividade)?

13) O que diz a regra de Mathiessen com relação o efeito da temperatura, impureza 13) O que diz a regra de Mathiessen com relação o efeito da temperatura, impureza e defeitos?e defeitos?

Lista 1Lista 1


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14) O que é coeficiente de temperatura de um condutor?14) O que é coeficiente de temperatura de um condutor?

15) O que é condutividade térmica? Como é o mecanismo da condutividade térmica 15) O que é condutividade térmica? Como é o mecanismo da condutividade térmica por elétrons e fônons?por elétrons e fônons?

16) O que é dilatação térmica? E quais os tipos?16) O que é dilatação térmica? E quais os tipos?

17) Pretende-se que um fio de 0,2cm de diâmetro por 1 m de comprimento 17) Pretende-se que um fio de 0,2cm de diâmetro por 1 m de comprimento transporte uma corrente de 20 A. A potencia máxima dissipada ao longo do fio é transporte uma corrente de 20 A. A potencia máxima dissipada ao longo do fio é de 4W/s. Calcule a condução mínima possível do fio em de 4W/s. Calcule a condução mínima possível do fio em .m..m.

18) Para que um fio de cobre de pureza comercial possa conduzir uma corrente de 18) Para que um fio de cobre de pureza comercial possa conduzir uma corrente de 10 A com uma queda de tensão máxima de 0,4 V/m, qual deve ser o diâmetro 10 A com uma queda de tensão máxima de 0,4 V/m, qual deve ser o diâmetro mínimo do fio? mínimo do fio? (Cu comercial = 5,85.10 (Cu comercial = 5,85.1077 ( ( .m) .m)-1-1

19) Calcule a resistividade do cobre puro a 13219) Calcule a resistividade do cobre puro a 13200C, usando o coeficiente de C, usando o coeficiente de temperatura da resistividade do cobre. temperatura da resistividade do cobre.

Dados: Dados: 0000C = 1,6 C = 1,6 .m..m.

Lista 1Lista 1


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20) (ENADE) Em um laboratório de maquinas elétricas de 20 m20) (ENADE) Em um laboratório de maquinas elétricas de 20 m22 de área, a tensão de área, a tensão máxima disponível é 440V. Para prevenir o risco de choques elétricos, emprega-máxima disponível é 440V. Para prevenir o risco de choques elétricos, emprega-se um tapete eletricamente isolante, que cobre todo o chão da sala. A se um tapete eletricamente isolante, que cobre todo o chão da sala. A espessura deste tapete foi calculado por um especialista considerando a espessura deste tapete foi calculado por um especialista considerando a corrente máxima permitida igual 1 mA. A resistência do homem é desprezada e corrente máxima permitida igual 1 mA. A resistência do homem é desprezada e a área de contado do usuário com o tapete foi arbitrada em 1000 cma área de contado do usuário com o tapete foi arbitrada em 1000 cm22. O isolante . O isolante empregado apresenta resistividade igual a 4,4 10empregado apresenta resistividade igual a 4,4 1088.cm. e massa especifica .cm. e massa especifica igual a 2 g/cmigual a 2 g/cm33. Qual a massa em kg, deste tapete?. Qual a massa em kg, deste tapete?

21) Uma amostra de fio (1 mm de diâmetro por 1 m de comprimento) de um liga de 21) Uma amostra de fio (1 mm de diâmetro por 1 m de comprimento) de um liga de alumínio é colocada em um circuito elétrico como mostrado na figura abaixo. alumínio é colocada em um circuito elétrico como mostrado na figura abaixo. Uma queda de tensão de 432mV é medida entre as extremidades do fio quando Uma queda de tensão de 432mV é medida entre as extremidades do fio quando este transporta uma corrente de 10A . Calcule a condutividade dessa liga?este transporta uma corrente de 10A . Calcule a condutividade dessa liga?

Lista 1Lista 1


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22) Calcule a velocidade de arraste dos elétrons livres no cobre para uma 22) Calcule a velocidade de arraste dos elétrons livres no cobre para uma intensidade de campo elétrico de 0,5 V/m. Dados: intensidade de campo elétrico de 0,5 V/m. Dados: Cu = 3,5.10 Cu = 3,5.10-3-3 m m22 /V.s /V.s

23) Duas barras de 3 metros de alumínio encontram-se separadas por 1 cm á 2023) Duas barras de 3 metros de alumínio encontram-se separadas por 1 cm á 2000CC. . Qual deve ser a temperatura para que elas se encostem, considerando que a Qual deve ser a temperatura para que elas se encostem, considerando que a única direção da dilatação acontecerá no sentido do encontro? única direção da dilatação acontecerá no sentido do encontro?

Sendo Sendo Al 22.10Al 22.10-6-6 00CC-1-1

24) Uma peça de zinco é constituída a partir de uma chapa de zinco com lados 30cm, 24) Uma peça de zinco é constituída a partir de uma chapa de zinco com lados 30cm, da qual um pedaço de área 500cmda qual um pedaço de área 500cm22. Elevando-se a temperatura de 50. Elevando-se a temperatura de 5000C a C a temperatura da peça restante, qual será a área final em cmtemperatura da peça restante, qual será a área final em cm22 ? ?

Dados: Dados: Zn= 2,5.10Zn= 2,5.10-5-5 00CC-1-1

25) Um paralelepípedo de uma liga de alumínio (25) Um paralelepípedo de uma liga de alumínio (Al 22.10Al 22.10-6-6 00CC-1-1) tem arestas que, à ) tem arestas que, à 0000C, medem 5cm, 40cm e 30cm. De quanto aumenta seu volume ao ser aquecido C, medem 5cm, 40cm e 30cm. De quanto aumenta seu volume ao ser aquecido à temperatura de 100 à temperatura de 100 00C? C?

Lista 1Lista 1


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B1


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5. ISOLANTES OU DIELÉTRICOS


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Material Isolante (Dielétricos): Material Isolante (Dielétricos): materiais isolantes são materiais isolantes são substâncias em que os substâncias em que os elétrons e íons não podem se mover em elétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicasdistâncias macroscópicas como os condutores devido a como os condutores devido a presença presença de poucos elétrons livresde poucos elétrons livres e que e que resistem ao fluxo dos mesmosresistem ao fluxo dos mesmos (alta resistência elétrica). (alta resistência elétrica).

Um Um material isolantematerial isolante, quando , quando submetido a um campo elétrico submetido a um campo elétrico externoexterno, tem seus , tem seus elétrons deslocados de distancia microscópicaelétrons deslocados de distancia microscópica e esse fenômeno é chamado de e esse fenômeno é chamado de polarização.polarização.

Portanto, quando acontece esse Portanto, quando acontece esse fenômenofenômeno em materiais em materiais isolantes, chamamos esses materiais de isolantes, chamamos esses materiais de dielétricosdielétricos..

Dielétrico:Dielétrico: é o meio no qual é possível produzir e manter é o meio no qual é possível produzir e manter (armazenar) um campo elétrico com pequeno ou nenhum (armazenar) um campo elétrico com pequeno ou nenhum suprimento de energia de fontes externas.suprimento de energia de fontes externas.

A energia requerida para produzir o campo elétrico pode ser A energia requerida para produzir o campo elétrico pode ser recuperadarecuperada, , armazenadaarmazenada e após e após cessada cessada quando o campo elétrico quando o campo elétrico é removido.é removido.

5.1 – Definição5.1 – Definição


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5.2 – Polarização Dielétrica5.2 – Polarização Dielétrica

Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarizaçãopolarização de suas partículas elementaresde suas partículas elementares, quando sujeitas à , quando sujeitas à ação de um campo elétricoação de um campo elétrico. .

Devido a essa Devido a essa polarizaçãopolarização, os materiais dielétricos são capazes , os materiais dielétricos são capazes de de armazenar energia elétricaarmazenar energia elétrica..

Define-se por Define-se por polarização polarização um deslocamento reversível dos um deslocamento reversível dos centros das cargas positivas e negativas na direção do campo centros das cargas positivas e negativas na direção do campo elétrico externo aplicadoelétrico externo aplicado. .

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A polarização de um dielétrico pode ocorrer das duas A polarização de um dielétrico pode ocorrer das duas maneiras:maneiras:

1) Se o 1) Se o isolante é constituído de átomosisolante é constituído de átomos, que não apresentam , que não apresentam momento dipolar, quando aplicado um campo elétrico externo, momento dipolar, quando aplicado um campo elétrico externo, ocorre à ocorre à separaçãoseparação entre o entre o núcleo atômico positivonúcleo atômico positivo (fixado na (fixado na matriz do dielétrico) e a matriz do dielétrico) e a nuvem eletrônicanuvem eletrônica, a qual é , a qual é deslocada na deslocada na direção oposta ao campo elétrico aplicadodireção oposta ao campo elétrico aplicado, , produzindo dipolos produzindo dipolos sem dissipar energia. sem dissipar energia.

Uma vez eliminado o campo externo, os átomos voltam à sua Uma vez eliminado o campo externo, os átomos voltam à sua posição inicial, a polarização desaparece, pois os centros de cada posição inicial, a polarização desaparece, pois os centros de cada grupo de cargas voltam à situação inicial (equilíbrio).grupo de cargas voltam à situação inicial (equilíbrio).

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2) Se o dielétrico for constituído de 2) Se o dielétrico for constituído de partículas elementarespartículas elementares (elétrons, prótons, etc.) que por si só (elétrons, prótons, etc.) que por si só já são dipolosjá são dipolos (por exemplo, (por exemplo, moléculas) que, devido à sua constituição química já são dotados moléculas) que, devido à sua constituição química já são dotados de cargas positivas e negativas, a ação do campo elétrico externo de cargas positivas e negativas, a ação do campo elétrico externo tenderá a orientar as partículas de acordo com a própria tenderá a orientar as partículas de acordo com a própria orientação do campo externo. orientação do campo externo.

Quanto mais Quanto mais intenso é o campointenso é o campo, tanto , tanto mais elevado é o trabalho mais elevado é o trabalho de orientaçãode orientação das partículas elementares, observando-se de das partículas elementares, observando-se de modo modo mais acentuado a elevação de temperaturamais acentuado a elevação de temperatura, devido à , devido à transformação do trabalho de orientação em calor.transformação do trabalho de orientação em calor.

++ --++ --

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5.3 – 5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Materiais Isolantes de Uso Industrial mais

FreqüenteFreqüentea)a) gasosos:gasosos:

ar – amplamente utilizado como isolante em redes elétricas de ar – amplamente utilizado como isolante em redes elétricas de transmissão e distribuição;transmissão e distribuição;

hexafluoreto de enxofre (SFhexafluoreto de enxofre (SF66) – usado em isolamentos de cabos ) – usado em isolamentos de cabos subterrâneos e disjuntores de alta potência (subestações);subterrâneos e disjuntores de alta potência (subestações);

b) fibras naturais:b) fibras naturais: papel impregnado em resinas ou óleos, papel impregnado em resinas ou óleos, algodão, seda – usados em suportes isolantes e em revestimentos algodão, seda – usados em suportes isolantes e em revestimentos de cabos, capacitores ede cabos, capacitores ebobinas;bobinas;

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FreqüenteFreqüentec) c) cerâmicas:cerâmicas: óxido de alumínio, titanato de bário, porcelana, etc. óxido de alumínio, titanato de bário, porcelana, etc. – utilizadas basicamente em isoladores de baixa, média e alta – utilizadas basicamente em isoladores de baixa, média e alta tensão, e em capacitores de baixa e alta tensão (elevada tensão, e em capacitores de baixa e alta tensão (elevada constante dielétrica);constante dielétrica);

d) d) resinas plásticas:resinas plásticas: Poliéster, polietileno, PVC (Poli Cloreto de Poliéster, polietileno, PVC (Poli Cloreto de Vinila), Teflon, etc. – aplicados em revestimentos de fios e Vinila), Teflon, etc. – aplicados em revestimentos de fios e cabos, capacitores e peças isolantes;cabos, capacitores e peças isolantes;

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FreqüenteFreqüentee) e) líquidos:líquidos: Óleos (mineral, óleo de silicone – atuam nas áreas de Óleos (mineral, óleo de silicone – atuam nas áreas de refrigeração e isolação em transformadores e disjuntores a refrigeração e isolação em transformadores e disjuntores a óleo. Também empregados para impregnar papéis usados óleo. Também empregados para impregnar papéis usados como dielétricos em capacitores.como dielétricos em capacitores.

f) f) tintas e vernizes:tintas e vernizes: compostos químicos de resinas sintéticas – compostos químicos de resinas sintéticas – Têm importante emprego na tecnologia de isolação de Têm importante emprego na tecnologia de isolação de componentes eletrônicos como: esmaltação de fios e cabos componentes eletrônicos como: esmaltação de fios e cabos condutores, isolação de laminados ferromagnéticos, circuitos condutores, isolação de laminados ferromagnéticos, circuitos impressos e proteção geral de superfícies;impressos e proteção geral de superfícies;

g) g) borrachas sintéticas:borrachas sintéticas: neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE (Polietileno(Polietileno

Reticulado) e borracha butílica – usados como capa protetora de Reticulado) e borracha butílica – usados como capa protetora de cabos;cabos;

140



FreqüenteFreqüenteh) h) mica:mica: material mineral usado em capacitores e em ligações material mineral usado em capacitores e em ligações entre transistores de alta potência;entre transistores de alta potência;

i) i) Vidro e madeira:Vidro e madeira: principal emprego em isoladores de linhas de principal emprego em isoladores de linhas de transmissão. As fibras de vidro são usadas no lugar dos papéis transmissão. As fibras de vidro são usadas no lugar dos papéis em algumas aplicações. madeira: grande utilização em em algumas aplicações. madeira: grande utilização em cruzetas dos postes de distribuição.cruzetas dos postes de distribuição.

141


5.4 – Propriedades elétricas do isolantes5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

5.4.1 5.4.1 Capacitância (C):Capacitância (C): é a razão entre os módulos de sua carga Q é a razão entre os módulos de sua carga Q e a diferença de potencial V entre elas. A unidade e e a diferença de potencial V entre elas. A unidade e Faraday.Faraday.

Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo placa, por exemplo), constituído de duas placa, por exemplo), constituído de duas placas condutoras placas condutoras paralelasparalelas de de área Aárea A separadas por uma separadas por uma distância Ldistância L onde existe o onde existe o vácuo ou algum material isolante (Figura), uma das placas torna-vácuo ou algum material isolante (Figura), uma das placas torna-se se positivamente carregadapositivamente carregada, e a , e a outra negativamenteoutra negativamente, com o , com o correspondente campo elétrico aplicadocorrespondente campo elétrico aplicado dirigido do terminal dirigido do terminal positivo para o negativo.positivo para o negativo.

Capacitores: : é um componente que armazena é um componente que armazena energia num num campo elétrico, acumulando um , acumulando um desequilíbrio interno de desequilíbrio interno de carga elétrica..

VQ

C iaCapacitânc

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Capacitores: : é um componente que armazena é um componente que armazena energia num num campo elétrico, acumulando um , acumulando um desequilíbrio interno de desequilíbrio interno de carga elétrica..

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Também pode ser:Também pode ser:

5.4.2 5.4.2 Constante dielétrica (ou permissividade) (ε ou k):Constante dielétrica (ou permissividade) (ε ou k): é uma é uma propriedade do material isolante utilizado em propriedade do material isolante utilizado em capacitores que influi que influi na na capacitância total do dispositivo. total do dispositivo.

Através da Através da constante dielétricaconstante dielétrica, pode relacionar a , pode relacionar a densidade de densidade de fluxofluxo elétrico e o campo elétrico do materialelétrico e o campo elétrico do material, quanto , quanto maiormaior a a constante dielétrica, constante dielétrica, maiormaior a densidade de fluxo elétrico no a densidade de fluxo elétrico no material para um mesmo campo elétrico, material para um mesmo campo elétrico, maiormaior a capacitância. a capacitância.

l

AC 0

Q =carga em uma placaA = área da placal = separação entre placas0 = 8,85x10-12 F/m

144



Da definição da carga Q resulta a propriedade dielétrica Da definição da carga Q resulta a propriedade dielétrica conhecida por conhecida por constante dielétrica relativa, constante dielétrica relativa, rr, dada por; , dada por;

ou seja,é a razão entre a carga Q, obtida com uma determinada ou seja,é a razão entre a carga Q, obtida com uma determinada tensão no capacitor que contém um dado dielétrico e a carga Qtensão no capacitor que contém um dado dielétrico e a carga Q00, , que é a carga que existiria se os eletrodos estivessem separados que é a carga que existiria se os eletrodos estivessem separados pelo vácuo. pelo vácuo.

A constante dielétrica relativa é adimensional. A constante dielétrica relativa é adimensional.

0Q

Q

rr

145



Compondo estas duas equações, temos, ainda, queCompondo estas duas equações, temos, ainda, que

Q = Q = .Q.Q0 0 = = ..CC0 0 .V.V

Temos ainda, para um dado valor de tensão constante, que a Temos ainda, para um dado valor de tensão constante, que a constante dielétrica é função de:constante dielétrica é função de:

Muitos autores adotam outra nomenclatura: chamam Muitos autores adotam outra nomenclatura: chamam permissividade à constante permissividade à constante , e constante dielétrica à constante , e constante dielétrica à constante K. É preciso atenção a essa nomenclatura quando se lê um livro K. É preciso atenção a essa nomenclatura quando se lê um livro de Eletricidade.de Eletricidade. A constante dielétrica do ar ou do vácuo é dada A constante dielétrica do ar ou do vácuo é dada 00 = = 8,8541878176x108,8541878176x10-12-12 F/m F/m..

0C

C

0Q

Q ee

rr

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5.4.3 5.4.3 Rigidez Dielétrica:Rigidez Dielétrica: Corresponde ao valor Corresponde ao valor limite de tensão limite de tensão aplicada sobre a espessura do materialaplicada sobre a espessura do material (kV/mm), sendo que, a (kV/mm), sendo que, a partir deste valorpartir deste valor, os átomos que compõem o material , os átomos que compõem o material se ionizamse ionizam e o material dielétrico e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolantedeixa de funcionar como um isolante..

Em outras palavras é a Em outras palavras é a intensidade máxima do campo elétricointensidade máxima do campo elétrico que um dielétrico que um dielétrico pode suportar sem tornar-se um condutorpode suportar sem tornar-se um condutor de de eletricidade (“ruptura dielétrica”). eletricidade (“ruptura dielétrica”).

No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 (kV/mm)(kV/mm), , assim, quando um campo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele assim, quando um campo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele deixa de ser isolante e torna-se condutor.deixa de ser isolante e torna-se condutor.

O valor da rigidez dielétrica varia de um material para outro e O valor da rigidez dielétrica varia de um material para outro e depende de diversos fatores como:depende de diversos fatores como:

· · Temperatura.Temperatura.· Espessura do dielétrico.· Espessura do dielétrico.· Tempo de aplicação da diferença de potencial· Tempo de aplicação da diferença de potencial· Taxa de crescimento da tensão.· Taxa de crescimento da tensão.· Para um gás, a pressão é fator importante.· Para um gás, a pressão é fator importante.

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6. SEMICONDUTORES


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Os semicondutores são os responsáveis por toda a moderna Os semicondutores são os responsáveis por toda a moderna tecnologia eletrônica.tecnologia eletrônica.

Definição:Definição: São sólidos cristalinos de São sólidos cristalinos de condutividade elétrica condutividade elétrica intermediáriaintermediária entre entre condutores e isolantescondutores e isolantes. .

Os Os elementos semicondutoreselementos semicondutores podem ser podem ser tratados tratados quimicamentequimicamente para para transmitir e controlartransmitir e controlar uma corrente elétrica. uma corrente elétrica.

Seu emprego é importante na Seu emprego é importante na fabricação de componentes fabricação de componentes eletrônicoseletrônicos tais como tais como diodosdiodos, , transistorestransistores e e outrosoutros de diversos de diversos graus de complexidadegraus de complexidade tecnológicatecnológica, , microprocessadoresmicroprocessadores, e , e nano nano circuitoscircuitos usados em usados em nanotecnologiananotecnologia..

Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.indústria eletrônica e confecção de seus componentes.

6.1 – Definição6.1 – Definição


151

A condutividade elétrica nos materiais A condutividade elétrica nos materiais

6.2 – Condutividade e resistividade dos 6.2 – Condutividade e resistividade dos

semicondutoressemicondutores


Metais Metais ≈10 ≈1077 (Ω.m) (Ω.m)-1-1

Semicondutores Semicondutores 1010-6-6 ≤ ≤ ≤ 10 ≤ 104 4 (Ω.m)(Ω.m)-1-1

Isolantes Isolantes 10 10-10-10 ≤ ≤ ≤ 10 ≤ 10-20 -20 (Ω.m)(Ω.m)-1-1

A resistividade elétrica nos materiais A resistividade elétrica nos materiais

Metais Metais ≈10 ≈10-2 -2 aa 10 (Ω.m)10 (Ω.m)

Semicondutores Semicondutores 10 ≤ 10 ≤ ≤ 10 ≤ 1012 12 (Ω.m)(Ω.m)

Isolantes Isolantes 10 101212 ≤ ≤ ≤ 10 ≤ 1024 24 (Ω.m)(Ω.m)

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O O valor numérico davalor numérico da condutividadecondutividade é uma característica definida é uma característica definida e intermediaria entre e intermediaria entre condutores e isolantescondutores e isolantes, e, e também define o também define o comportamento funcional dos materiais. comportamento funcional dos materiais.

A A condutividade elétrica de um semicondutorcondutividade elétrica de um semicondutor é é sensivelmente sensivelmente influenciadainfluenciada também por eventuais também por eventuais perturbações da estrutura perturbações da estrutura cristalinacristalina, o que, por sua vez, tem , o que, por sua vez, tem fundamental importânciafundamental importância nos nos próprios processos de próprios processos de fabricação dos semicondutores. fabricação dos semicondutores.

Tais perturbaçõesTais perturbações podem ser provocadas tanto por podem ser provocadas tanto por irregularidades na estrutura cristalinairregularidades na estrutura cristalina, pela , pela presença presença proposital ou acidental de impurezas proposital ou acidental de impurezas ((intrínseco e extrínsecosintrínseco e extrínsecos)). .

Esse Esse grau de purezagrau de pureza deve atingir a deve atingir a níveis superiores a 10níveis superiores a 10-4-4 impurezasimpurezas por átomo de metal de base, o que bem demonstra a por átomo de metal de base, o que bem demonstra a elevada tecnologia necessária na fabricação destes componentes. elevada tecnologia necessária na fabricação destes componentes.

6.3 – Comportamento dos semicondutores 6.3 – Comportamento dos semicondutores


153

O Na tabela periódica, os principais elementos estão situados O Na tabela periódica, os principais elementos estão situados na família na família 4A4A Carbono (C), germânio (Ge)Carbono (C), germânio (Ge) e, sendo o mais e, sendo o mais utilizado, o utilizado, o silício (Si).silício (Si).

Os outros elementos podem ser utilizados como semicondutores Os outros elementos podem ser utilizados como semicondutores se encontram nas colunasse encontram nas colunas 3A, 5A e 6A3A, 5A e 6A da Tabela Periódica da Tabela Periódica

6.4 – Estrutura dos semicondutores 6.4 – Estrutura dos semicondutores


154

Exemplos: Silício (Si), silício-germânio (SiGe), arseneto de gálio Exemplos: Silício (Si), silício-germânio (SiGe), arseneto de gálio (GaAs), sulfeto de cádmio (CdS) (GaAs), sulfeto de cádmio (CdS) (liga binária).(liga binária).

Podem ser formados até por Podem ser formados até por ligas ternárias ou quaternáriasligas ternárias ou quaternárias: : AlGaAs, InGaAsP.AlGaAs, InGaAsP.



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A maioria dos semicondutores são:A maioria dos semicondutores são:

Cristalinos, Cristalinos,

mas existem entretanto alguns sólidos amorfos com mas existem entretanto alguns sólidos amorfos com comportamentos semicondutor.comportamentos semicondutor.

Maioria possui estrutura igual à do diamante.Maioria possui estrutura igual à do diamante.

Ligações covalentes e iônicas.Ligações covalentes e iônicas.



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A maneira com que os A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo do átomo não é aleatóriatorno do núcleo do átomo não é aleatória. Segue . Segue regras bem regras bem definidasdefinidas, que são as mesmas para todos os elementos. , que são as mesmas para todos os elementos.

Conforme a Teoria Quântica os Conforme a Teoria Quântica os estados da matériaestados da matéria não não variamvariam continuamente, mas sim em continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, pequenos intervalos discretos, chamados chamados quantaquanta..

Um elétron em Um elétron em órbitaórbita tem uma tem uma energia potencialenergia potencial que depende que depende da sua distância até o núcleoda sua distância até o núcleo e uma e uma energia cinéticaenergia cinética que depende que depende da sua velocidadeda sua velocidade. A soma de ambas é a . A soma de ambas é a energia total do elétronenergia total do elétron. .

Assim, a Assim, a energia total dos elétronenergia total dos elétron ocupa determinadas órbitas ocupa determinadas órbitas ou níveis de energia determinada por 4 números quânticos.ou níveis de energia determinada por 4 números quânticos.

6.5 – Níveis de energia6.5 – Níveis de energia


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Números quânticos: Números quânticos: é o conjunto de 4 números que identificam um é o conjunto de 4 números que identificam um elétron de um átomo. Os números quânticos indicam a energia elétron de um átomo. Os números quânticos indicam a energia do elétron no átomo e a região de máxima probabilidade de se do elétron no átomo e a região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron.encontrar o elétron.

1. 1. Número quântico principal (n): Número quântico principal (n): Identifica o nível de energia do Identifica o nível de energia do elétron;elétron;

• A eletrosfera é A eletrosfera é dividida em 7dividida em 7 partes chamada camadas partes chamada camadas eletrônicas ou eletrônicas ou níveis de energianíveis de energia ;

• Do núcleo para fora estas camadas são representadas pelas Do núcleo para fora estas camadas são representadas pelas letras letras K, L, M, N, O, P e Q.K, L, M, N, O, P e Q.

6.6. Números quânticos 6.6. Números quânticos

•Os elétrons de um Os elétrons de um

átomo são colocados, átomo são colocados,

inicialmente, nas inicialmente, nas

camadas mais próximas camadas mais próximas

do núcleo do núcleo


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Período ou series:Período ou series: O número do período corresponde à O número do período corresponde à quantidade de níveis (7 camadas) que os elementos químicos quantidade de níveis (7 camadas) que os elementos químicos apresentam.apresentam.



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•Atualmente, esses níveis são identificados pelo chamado Atualmente, esses níveis são identificados pelo chamado número número quântico principal (n) que é um numero inteiro (varia de 1 a 7).quântico principal (n) que é um numero inteiro (varia de 1 a 7).

2. Número quântico secundário (l): 2. Número quântico secundário (l): Identifica o subnível de energia Identifica o subnível de energia do elétron.do elétron.

•Os subníveis são preenchidos sucessivamente, na ordem crescente de Os subníveis são preenchidos sucessivamente, na ordem crescente de energia, com o número máximo de elétrons possível em cada subnível; energia, com o número máximo de elétrons possível em cada subnível;

•Esses subníveis são identificados pelo chamado Esses subníveis são identificados pelo chamado numero quântico numero quântico secundário ou azimutal (l) que assume valores de 0,1,2,3secundário ou azimutal (l) que assume valores de 0,1,2,3 que são que são designados pelas letras s, p, d, e f respectivamentedesignados pelas letras s, p, d, e f respectivamente..



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3. Número quântico magnético (m): 3. Número quântico magnético (m): Identifica o orbital (orientação Identifica o orbital (orientação no espaço) do elétron.no espaço) do elétron.

• É a região do espaço onde é máxima a probabilidade de se encontrar É a região do espaço onde é máxima a probabilidade de se encontrar um determinado elétron. Nesse diagrama, cada orbital e representado um determinado elétron. Nesse diagrama, cada orbital e representado simbolicamente por um quadradinho. Através que os subníveis s,p,d,f simbolicamente por um quadradinho. Através que os subníveis s,p,d,f contêm sucessivamente 1,3,5,7 orbitais;contêm sucessivamente 1,3,5,7 orbitais;

• Essas orbitais nessas condições são identificados pelo chamado Essas orbitais nessas condições são identificados pelo chamado número quântico magnético (m) e são exemplificados comonúmero quântico magnético (m) e são exemplificados como: :



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3.1 Princípio de exclusão de Pauli: 3.1 Princípio de exclusão de Pauli:

• Em um mesmo orbital encontraremos, no máximo, 2 elétrons com Em um mesmo orbital encontraremos, no máximo, 2 elétrons com spins opostos;spins opostos;

• Em um mesmo átomo, não existem dois elétrons com quatro números Em um mesmo átomo, não existem dois elétrons com quatro números quânticos iguais;quânticos iguais;

Em um mesmo orbital os elétrons possuem SPINS opostosEm um mesmo orbital os elétrons possuem SPINS opostos

3.2 Regra de Hund:3.2 Regra de Hund:

• Coloca-se um elétron em cada orbital, da esquerda para a direita e, Coloca-se um elétron em cada orbital, da esquerda para a direita e,

quando todos os orbitais tiverem recebido o primeiro elétron é que quando todos os orbitais tiverem recebido o primeiro elétron é que

colocamos o segundo elétron, com sentido oposto colocamos o segundo elétron, com sentido oposto



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4. Número quântico de spin (s): 4. Número quântico de spin (s): Identifica o spin (rotação do Identifica o spin (rotação do elétron)elétron)

• Cálculos matemáticos provaram que um orbital comporta, no Cálculos matemáticos provaram que um orbital comporta, no máximo, dois elétrons;máximo, dois elétrons;

• Os elétrons podem girar no mesmo sentido ou em sentidos Os elétrons podem girar no mesmo sentido ou em sentidos opostos criando campos magnéticos que repelem ou atraem. opostos criando campos magnéticos que repelem ou atraem.

• Essa rotação é chamada de número quântico spin (s) cujos Essa rotação é chamada de número quântico spin (s) cujos valores são:valores são:



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Estudos sobre as energias dos subníveis, mostram que:Estudos sobre as energias dos subníveis, mostram que:

• O cientista LINUS PAULING criou uma representação gráfica O cientista LINUS PAULING criou uma representação gráfica para mostrar a ordem CRESCENTE de energia dos subníveis;para mostrar a ordem CRESCENTE de energia dos subníveis;

• Esta representação ficou conhecida como DIAGRAMA DE LINUS Esta representação ficou conhecida como DIAGRAMA DE LINUS PAULINGPAULING



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Diagrama de Linus Pauling Diagrama de Linus Pauling



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Designa-se valênciaDesigna-se valência é um número que indica a capacidade que um é um número que indica a capacidade que um átomo de de um um elemento tem de se combinar com outros átomos, capacidade essa que é tem de se combinar com outros átomos, capacidade essa que é medida pelo número de medida pelo número de elétrons que um átomo pode dar, receber, ou compartilhar que um átomo pode dar, receber, ou compartilhar de forma a constituir uma de forma a constituir uma ligação química..

Seja o exemplo a seguir da distribuição dos elétrons em um Seja o exemplo a seguir da distribuição dos elétrons em um átomo de átomo de GermânioGermânio, número atômico , número atômico 3232. O nível mais externo (. O nível mais externo (44, neste exemplo) é , neste exemplo) é denominado denominado nível de valêncianível de valência e os elétrons presentes nele são os e os elétrons presentes nele são os elétrons de elétrons de valênciavalência..

Nível = 1 2 3 4 Subnível = s s p s p d s p Elétrons = 2 2 6 2 6 10 2 2Nível = 1 2 3 4 Subnível = s s p s p d s p Elétrons = 2 2 6 2 6 10 2 2

O número de elétrons de valência é um fator importante do elemento. Ele define a O número de elétrons de valência é um fator importante do elemento. Ele define a capacidade do átomo de ganhar ou perder elétrons e de se combinar com outros capacidade do átomo de ganhar ou perder elétrons e de se combinar com outros elementos elementos originando uma banda designada banda de valência do sólido. originando uma banda designada banda de valência do sólido. Esta é a banda que possui maior energia.Esta é a banda que possui maior energia.

A convenção adotada para a representação gráfica da distribuição de elétrons no A convenção adotada para a representação gráfica da distribuição de elétrons no átomo do elemento é a indicação seqüencial do níveis e respectivos sub-níveis, com átomo do elemento é a indicação seqüencial do níveis e respectivos sub-níveis, com o número de elétrons de cada subnível na forma de expoente. Para esse caso do o número de elétrons de cada subnível na forma de expoente. Para esse caso do germânio:germânio: k L M N camada de Valencia = 4 elétrons k L M N camada de Valencia = 4 elétrons

1s1s2 2 2s2s2 2 2p2p6 6 3s3s2 2 3p3p6 6 3d3d10 10 4s4s2 2 4p4p2b2b

6.7 – Valência 6.7 – Valência


Banda de Banda de conduçãocondução

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Átomo isolado (germânio Z = 32)

Orbitais de Orbitais de ValenciaValencia

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A capacidade de um átomo de se combinar com outros depende A capacidade de um átomo de se combinar com outros depende do número de elétrons de valência. do número de elétrons de valência.

A combinação só é possível quando este é menor que 8. A combinação só é possível quando este é menor que 8. Elementos com 8 elétrons de valência não se combinam. São Elementos com 8 elétrons de valência não se combinam. São estáveis e inertes.estáveis e inertes.

Considera-se agora o silício, que é o semicondutor mais usado, Considera-se agora o silício, que é o semicondutor mais usado, dispondo de 4 elétrons de valência.dispondo de 4 elétrons de valência.

No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos forma No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos forma a chamada ligação covalente, de modo que cada átomo fica no a chamada ligação covalente, de modo que cada átomo fica no estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa. estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa.

6.7 – Valência6.7 – Valência


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Designa-se por Designa-se por banda de energiabanda de energia o o conjunto dos níveis de conjunto dos níveis de energiaenergia que os elétrons num sólido podem possuir. que os elétrons num sólido podem possuir.

Num cristal, em que um grande número de átomos se Num cristal, em que um grande número de átomos se encontram ligados muito próximos uns dos outros, formando uma encontram ligados muito próximos uns dos outros, formando uma rede, os rede, os elétrons são influenciados por um determinado número elétrons são influenciados por um determinado número de núcleos adjacentes e os níveis de energia dos átomos de núcleos adjacentes e os níveis de energia dos átomos transformam-se em bandas de energia permitidastransformam-se em bandas de energia permitidas. .

Esta Esta aproximação aos níveis de energiaaproximação aos níveis de energia nos sólidos é muitas nos sólidos é muitas vezes conhecida por vezes conhecida por teoria das bandasteoria das bandas..

Segundo esta teoria, cada banda representa um grande número Segundo esta teoria, cada banda representa um grande número de estados quânticos de estados quânticos permitidospermitidos e existem algumas denominadas e existem algumas denominadas proibidasproibidas..

Os Os elétrons de valênciaelétrons de valência “mais externos” originam uma banda “mais externos” originam uma banda designada designada banda de valência do sólidobanda de valência do sólido. Esta é a banda que possui . Esta é a banda que possui maior energia.maior energia.

6.8 – Banda de energia6.8 – Banda de energia


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A estrutura das bandas dos sólidos explica as suas propriedades A estrutura das bandas dos sólidos explica as suas propriedades elétricas.elétricas.

Deste modo, com o Deste modo, com o objetivo de se movimentaremobjetivo de se movimentarem através do através do sólido, os sólido, os elétrons têm de passar de um estado quântico para elétrons têm de passar de um estado quântico para outrooutro, o que acontece se existirem , o que acontece se existirem estados quânticos vaziosestados quânticos vazios com com a mesma energia.a mesma energia.

Regra geral, os Regra geral, os elétrons não podem mudarelétrons não podem mudar para um novo estado para um novo estado quântico da mesma banda quântico da mesma banda se a banda de valência se encontra se a banda de valência se encontra totalmente preenchida.totalmente preenchida.

Para que ocorra a passagem da corrente elétrica, é necessário Para que ocorra a passagem da corrente elétrica, é necessário que os elétrons se encontrem numa que os elétrons se encontrem numa banda não completabanda não completa, , designada por designada por banda de condução.banda de condução.



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Os Os metaismetais são bons condutores da corrente elétrica não só são bons condutores da corrente elétrica não só porque a banda de valência e a banda de condução se encontram porque a banda de valência e a banda de condução se encontram semi-preenchidas, mas também porque a banda de condução se semi-preenchidas, mas também porque a banda de condução se sobrepõe à banda de valência.sobrepõe à banda de valência.

No caso dos No caso dos isolantesisolantes, as bandas de condução e de valência , as bandas de condução e de valência encontram-se separadas por uma larga zona energética proibida encontram-se separadas por uma larga zona energética proibida e, deste modo, os elétrons não possuem energia suficiente para e, deste modo, os elétrons não possuem energia suficiente para transitar de uma para outra.transitar de uma para outra.

No caso dos No caso dos semicondutoressemicondutores, o nível de energia que separa a , o nível de energia que separa a banda de energia superior completamente ocupada possui uma banda de energia superior completamente ocupada possui uma largura muito pequena relativamente à banda imediatamente largura muito pequena relativamente à banda imediatamente superior desocupada, bastando um pequeno acréscimo de energia superior desocupada, bastando um pequeno acréscimo de energia para fazer passar os elétrons para a banda desocupada, para fazer passar os elétrons para a banda desocupada, possibilitando assim a condução de correntes elétricas. possibilitando assim a condução de correntes elétricas.



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Os semicondutores são divididos de acordo com sua pureza e Os semicondutores são divididos de acordo com sua pureza e estrutura em:estrutura em:

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS:SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS: são aqueles cujo são aqueles cujo comportamento elétrico depende basicamente da estrutura comportamento elétrico depende basicamente da estrutura eletrônica do material puro. Sua condutividade elétrica eletrônica do material puro. Sua condutividade elétrica geralmente é pequena e varia muito com a temperatura.geralmente é pequena e varia muito com a temperatura.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS:SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS: são aqueles cujo são aqueles cujo comportamento elétrico depende fortemente do tipo e da comportamento elétrico depende fortemente do tipo e da concentração dos átomos de impurezas. A adição de impurezas concentração dos átomos de impurezas. A adição de impurezas para a moldagem do comportamento elétrico dos semicondutores para a moldagem do comportamento elétrico dos semicondutores é chamada de DOPAGEM.é chamada de DOPAGEM.

A maioria dos semicondutores comerciais elementares são A maioria dos semicondutores comerciais elementares são extrínsecos; o mais importante exemplo é o Si, mas também estão extrínsecos; o mais importante exemplo é o Si, mas também estão nesta categoria o Ge e o Sn. nesta categoria o Ge e o Sn.

É a possibilidade de adicionar impurezas diversas ao material É a possibilidade de adicionar impurezas diversas ao material puro que permite a fabricação de uma variedade de dispositivos puro que permite a fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos a partir do mesmo material semicondutor.eletrônicos a partir do mesmo material semicondutor.

6.9 – Tipos de semicondutores6.9 – Tipos de semicondutores


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SEMICONDUTORES INTRÍNSECOSSEMICONDUTORES INTRÍNSECOS: : Um semicondutor intrínseco é Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. um semicondutor no estado puro.

À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos elétrons de valência deixem a ligação para que alguns dos elétrons de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns elétrons livres no semicondutor.alguns elétrons livres no semicondutor.



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SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS: : Um semicondutor se torna Um semicondutor se torna extrínseco quando são adicionadas impurezas a um semicondutor extrínseco quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco).puro (intrínseco).

As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas de átomos intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas de átomos doadores e impurezas de átomos receptores.doadores e impurezas de átomos receptores.

Se o semicondutor for adicionado por impurezas doadores é Se o semicondutor for adicionado por impurezas doadores é chamado de semicondutor tipo N e se for adicionado por chamado de semicondutor tipo N e se for adicionado por impurezas receptoras é chamado de semicondutor tipo Pimpurezas receptoras é chamado de semicondutor tipo P

Átomos doadores têm cinco elétrons de valência (são penta Átomos doadores têm cinco elétrons de valência (são penta valentes): Arsênio (AS), Fósforo (P) ou Antimônio (Sb).valentes): Arsênio (AS), Fósforo (P) ou Antimônio (Sb).

Átomos receptores têm três elétrons de valência (são Átomos receptores têm três elétrons de valência (são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al).trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al).



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SEMICONDUTORES TIPO NSEMICONDUTORES TIPO N: : A introdução de átomos penta A introdução de átomos penta valentes (como o Arsênio) num semicondutor puro (intrínseco) faz valentes (como o Arsênio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam elétrons livres no seu interior. com que apareçam elétrons livres no seu interior.

Como esses átomos fornecem (doam) elétrons ao cristal Como esses átomos fornecem (doam) elétrons ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas doadoras ou semicondutor eles recebem o nome de impurezas doadoras ou átomos doadores. átomos doadores.

Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas doadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, doadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do elétrons).referindo-se à carga do elétrons).



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SEMICONDUTORES TIPO PSEMICONDUTORES TIPO P: : A introdução de átomos trivalentes A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. apareçam lacunas livres no seu interior.

Como esses átomos recebem (ou aceitam) elétrons eles são Como esses átomos recebem (ou aceitam) elétrons eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores.

Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do eletros).de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do eletros).



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A condutividade elétrica dos materiais semicondutores pode condutividade elétrica dos materiais semicondutores pode ser representada pela equação:ser representada pela equação:

A condutividade elétrica dos semicondutores intrínsecos A condutividade elétrica dos semicondutores intrínsecos aumenta à medida que a temperatura aumenta.aumenta à medida que a temperatura aumenta.



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A dopagem pode ser feita em quatro situações, conforme A dopagem pode ser feita em quatro situações, conforme discriminamos a seguir: discriminamos a seguir:

Durante o crescimento do cristalDurante o crescimento do cristal: :

o material de base sofre um aquecimento até se transformar em o material de base sofre um aquecimento até se transformar em massa cristalina fundente, estado em que se efetua o acréscimo massa cristalina fundente, estado em que se efetua o acréscimo do material de dopagem, durante esse processo térmico, do material de dopagem, durante esse processo térmico,

o cristal vai "crescendo“ posicionando-se os átomos da o cristal vai "crescendo“ posicionando-se os átomos da dopagem na própria cadeia cristalina que se forma. dopagem na própria cadeia cristalina que se forma.

Por ligaPor liga: :

o material de base é levado a fusão conjuntamente com o de o material de base é levado a fusão conjuntamente com o de acréscimo, formando-se assim uma liga.acréscimo, formando-se assim uma liga.

apos essa formação e esfriamento, os dois materiais estão apos essa formação e esfriamento, os dois materiais estão agregados entre si. agregados entre si.

7.0 – Técnicas de dopagem7.0 – Técnicas de dopagem


184

Por implantação iônica: Por implantação iônica:

átomos eletricamente carregados (com íons) de material átomos eletricamente carregados (com íons) de material dopante em estado gasoso são acelerados por um campo elétrico dopante em estado gasoso são acelerados por um campo elétrico

I njetados na cadeia cristalina do semicondutor. I njetados na cadeia cristalina do semicondutor.

método da implantação iônica é o mais preciso e o mais método da implantação iônica é o mais preciso e o mais sofisticado entre os mencionados, permitindo um ótimo controle sofisticado entre os mencionados, permitindo um ótimo controle tanto de posicionamento quanto de concentração da dopagem tanto de posicionamento quanto de concentração da dopagem feita.feita.

Por difusãoPor difusão::

nesse processo, vários discos de metal tetravalente básico são nesse processo, vários discos de metal tetravalente básico são elevados a temperaturas da ordem de 1000°C e, nessas elevados a temperaturas da ordem de 1000°C e, nessas condições, colocados na presença de metais em estado gasoso condições, colocados na presença de metais em estado gasoso (por exemplo, boro).(por exemplo, boro).

os átomos de metal em estado gasoso se difundem no cristal os átomos de metal em estado gasoso se difundem no cristal sólido. Sendo o material sólido do tipo N, cria-se, assim, uma zona sólido. Sendo o material sólido do tipo N, cria-se, assim, uma zona P. P.

7.0 – Técnicas de dopagem7.0 – Técnicas de dopagem


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Destilação e Sublimação: Destilação e Sublimação: a acentuada influencia das impurezas a acentuada influencia das impurezas sobre as características elétricas do semicondutor, leva em sobre as características elétricas do semicondutor, leva em muitos casos a exigência de se repetir o processo de purificação muitos casos a exigência de se repetir o processo de purificação sobre a matéria prima fornecida pela industria química, antes de sobre a matéria prima fornecida pela industria química, antes de manufaturá-la. manufaturá-la.

A diferença entre destilação e sublimação, é que na sublimação A diferença entre destilação e sublimação, é que na sublimação as modificações do estado físico eliminam o estado liquido, o que as modificações do estado físico eliminam o estado liquido, o que traz dificuldades de fracionamento dos materiais envolvidos, traz dificuldades de fracionamento dos materiais envolvidos, precipitando-se freqüentemente muito próximos entre si os precipitando-se freqüentemente muito próximos entre si os elementos, facilmente e dificilmente sublimáveis. elementos, facilmente e dificilmente sublimáveis.

A vantagem da sublimação esta na facilidade dos meios A vantagem da sublimação esta na facilidade dos meios necessários a sua obtenção. necessários a sua obtenção.

7.1 – Método de purificação7.1 – Método de purificação


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EletroliseEletrolise: a purificação eletrolítica das matérias primas básicas : a purificação eletrolítica das matérias primas básicas pode levar a graus de pureza bastante elevados, se esta for pode levar a graus de pureza bastante elevados, se esta for realizada com cuidados especiais e eventualmente repetida dado realizada com cuidados especiais e eventualmente repetida dado numero de vezes. numero de vezes.

Através da eletrolise, um metal pode ser separado de outros Através da eletrolise, um metal pode ser separado de outros metais menos nobres e de partículas insolúveis no eletrólito, a metais menos nobres e de partículas insolúveis no eletrólito, a eficiência da separação ou eliminação simultânea de diversos eficiência da separação ou eliminação simultânea de diversos metais, depende da relação dos potenciais destes metais em metais, depende da relação dos potenciais destes metais em relação à solução (eletrólito) utilizada, e menos da grandeza da relação à solução (eletrólito) utilizada, e menos da grandeza da correntecorrente. .



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Fusão ZonalFusão Zonal: o necessário e elevado grau de purificação faz com : o necessário e elevado grau de purificação faz com que, para os semicondutores, os métodos anteriores, via de que, para os semicondutores, os métodos anteriores, via de regra, não tragam o resultado final desejado. regra, não tragam o resultado final desejado.

A fusão zonal utiliza-se do fato de que, num sistema de dois A fusão zonal utiliza-se do fato de que, num sistema de dois elementos em condição de equilíbrio entre a fase sólida e liquida, elementos em condição de equilíbrio entre a fase sólida e liquida, a composição de ambas a fase é geralmente diferente e que, no a composição de ambas a fase é geralmente diferente e que, no limite do diagrama de estado, as curvas liquida e sólida limite do diagrama de estado, as curvas liquida e sólida encontram-se segundo um ângulo definido, isto significa que encontram-se segundo um ângulo definido, isto significa que mesmo no caso de uma concentração mínima de um elemento no mesmo no caso de uma concentração mínima de um elemento no outro, apresenta-se uma diferença de concentrações na passagem outro, apresenta-se uma diferença de concentrações na passagem do estado liquido para o sólido. do estado liquido para o sólido.



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Nem todos os elementos classificados como semicondutores Nem todos os elementos classificados como semicondutores pela Tabela Periódica dos Elementos, permitem uma fácil e pela Tabela Periódica dos Elementos, permitem uma fácil e precisa verificação dessa propriedade; em algum desses precisa verificação dessa propriedade; em algum desses elementos a semi-condutância ainda não pode ser determinada elementos a semi-condutância ainda não pode ser determinada com segurança ou, então, a característica não se apresenta com segurança ou, então, a característica não se apresenta estável a temperatura ambiente. estável a temperatura ambiente.

Conseqüentemente existe uma família de materiais Conseqüentemente existe uma família de materiais semicondutores de uso industrial, a família central dos materiais semicondutores de uso industrial, a família central dos materiais semicondutores é encontrada nos materiais de Valencia IV, o semicondutores é encontrada nos materiais de Valencia IV, o primeiro elemento é: primeiro elemento é:

Carbono:Carbono: apesar de apresentar características semicondutoras, o apesar de apresentar características semicondutoras, o carbono é antes utilizado como condutor em alguns casos, em carbono é antes utilizado como condutor em alguns casos, em outros casos, como material resistivo ou como componente capaz outros casos, como material resistivo ou como componente capaz de suportar determinadas condições térmicas ou químicas. de suportar determinadas condições térmicas ou químicas.

7.2 – Elementos7.2 – Elementos


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GermânioGermânio: é um dos materiais semicondutores mais antigos; é : é um dos materiais semicondutores mais antigos; é encontrado em pequenas quantidades em minérios de zinco, pó encontrado em pequenas quantidades em minérios de zinco, pó de carvão e mesmo nas águas do mar, em face disso, a extração de carvão e mesmo nas águas do mar, em face disso, a extração do germânio é extremamente difícil e onerosa, é uma substancia do germânio é extremamente difícil e onerosa, é uma substancia dura porem quebradiça não suportando qualquer tipo de esforço dura porem quebradiça não suportando qualquer tipo de esforço mecânico, oxida-se na presença do ar, formando uma finíssima mecânico, oxida-se na presença do ar, formando uma finíssima película de oxido, é usado para a fabricação de componentes película de oxido, é usado para a fabricação de componentes semicondutores. semicondutores.

Silício:Silício: é termicamente mais estável do que o germânio, podendo é termicamente mais estável do que o germânio, podendo por isso ser usado a temperaturas ambientes de até 150°C, por isso ser usado a temperaturas ambientes de até 150°C, permite reduzir a corrente inversa, o que reduz as perdas, fato permite reduzir a corrente inversa, o que reduz as perdas, fato esse que eleva o rendimento e simplifica os métodos de esse que eleva o rendimento e simplifica os métodos de refrigeração. refrigeração.

O silício é o elemento mais freqüentemente encontrado na O silício é o elemento mais freqüentemente encontrado na natureza, após o hidrogênio, na forma natural, é encontrado nas natureza, após o hidrogênio, na forma natural, é encontrado nas rochas e em minérios. rochas e em minérios.

7.2 – Elementos7.2 – Elementos


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O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os dispositivos que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em dispositivos que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos. todo tipo de circuitos.

Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o transistor e os dispositivos fotossensíveis, conforme transistor e os dispositivos fotossensíveis, conforme discriminamos abaixo: discriminamos abaixo:

Diodo semicondutorDiodo semicondutor: é formado pela junção p e n e tem como : é formado pela junção p e n e tem como utilidade básica permitir o fluxo de corrente elétrica apenas em utilidade básica permitir o fluxo de corrente elétrica apenas em um sentido (o sentido de polarização direta) um sentido (o sentido de polarização direta)

TransistorTransistor: é formado pela inserção de um semicondutor tipo p : é formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do entre dois semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do meio é chamado meio é chamado base base e os outros, e os outros, emissor emissor e e coletor. coletor. O transistor O transistor funciona basicamente como um amplificador de corrente se esta funciona basicamente como um amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um interruptor de corrente se for alta (ligeiramente alta) ou como um interruptor de corrente se esta for próxima de zero. esta for próxima de zero.

Dispositivos fotossensíveisDispositivos fotossensíveis: dividem-se em Células : dividem-se em Células fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e Células fotovoltaicas. Células fotovoltaicas.

7.3 – 7.3 – Aplicações dos Materiais SemicondutoresAplicações dos Materiais Semicondutores


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As Células fotocondutivas funcionam da seguinte formaAs Células fotocondutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo : Quando um fluxo luminoso incide sobre o material semicondutor, os fótons podem fornecer luminoso incide sobre o material semicondutor, os fótons podem fornecer aos elétrons energia suficiente para produzir a ruptura de ligações aos elétrons energia suficiente para produzir a ruptura de ligações covalentes. A ação dos fótons ocasiona a produção de par elétron-lacuna, covalentes. A ação dos fótons ocasiona a produção de par elétron-lacuna, o que provoca um aumento da condutividade do semicondutor. Esse o que provoca um aumento da condutividade do semicondutor. Esse fenômeno é conhecido como fotocondutividade.fenômeno é conhecido como fotocondutividade.

Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica, tais células Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica, tais células produzem uma tensão elétrica quando submetidas à ação de um fluxo produzem uma tensão elétrica quando submetidas à ação de um fluxo luminoso. Sua utilidade se estende na busca por energia alternativa. luminoso. Sua utilidade se estende na busca por energia alternativa.

MicroeletrônicaMicroeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis : O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente avanços tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente oriundo das necessidades inerentes ao programa espacial americano com oriundo das necessidades inerentes ao programa espacial americano com relação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As relação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes casos eram impossíveis de serem satisfeitas restrições impostas nestes casos eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando componentes discretos. com os circuitos convencionais, usando componentes discretos.

Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos Circuitos Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos Circuitos Integrados (CIs). Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de Integrados (CIs). Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de silício, onde estão agrupados circuitos microscópicos que podem conter silício, onde estão agrupados circuitos microscópicos que podem conter milhões de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, milhões de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, transistores, etc. transistores, etc.

7.3 – 7.3 – Aplicações dos Materiais SemicondutoresAplicações dos Materiais Semicondutores


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1) Responda:1) Responda:

a) O que é um material isolante ou dielétrico?a) O que é um material isolante ou dielétrico?b) Explique o processo de polarização em materiais dielétricos e mostre quais são os b) Explique o processo de polarização em materiais dielétricos e mostre quais são os

dois tipos de polarizaçãodois tipos de polarizaçãoc) O que é capacitância ?c) O que é capacitância ?d) O que é Constante dielétrica?d) O que é Constante dielétrica?e) O que é Rigidez dielétrica ? e) O que é Rigidez dielétrica ?

2) Um capacitor cerâmico convencional consegue armazenar 2,1.102) Um capacitor cerâmico convencional consegue armazenar 2,1.10-10-10C de carga C de carga elétrica, possui uma constante dielétrica relativa de 6,0 e está posicionado elétrica, possui uma constante dielétrica relativa de 6,0 e está posicionado dentro da região entre placas a uma tensão de 30V. Calcule a capacitância e a dentro da região entre placas a uma tensão de 30V. Calcule a capacitância e a permissibilidade (constante dielétrica) do meio dielétrico.permissibilidade (constante dielétrica) do meio dielétrico.

: : 0 = 8,85.100 = 8,85.10-12-12 F/m. F/m.

Lista 2Lista 2


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3) Considere um capacitor de placas paralelas que possui uma área de 6,45.103) Considere um capacitor de placas paralelas que possui uma área de 6,45.10-4-4mm22 e e que apresenta uma separação entre placas de 2.10que apresenta uma separação entre placas de 2.10-3-3m, através da qual um m, através da qual um potencial de 10V é aplicado. Se o material que possui uma constante dielétrica potencial de 10V é aplicado. Se o material que possui uma constante dielétrica relativa de 6,0 for posicionado dentro da região entre placas, calcule a relativa de 6,0 for posicionado dentro da região entre placas, calcule a capacitância.capacitância.

: : 0 = 8,85.100 = 8,85.10-12-12 F/m. F/m.

4) Pretende-se construir um capacitor simples de placas paralelas para armazenar 4) Pretende-se construir um capacitor simples de placas paralelas para armazenar 5,0.105,0.10-6-6C a um potencial de 8kV. A distancia de separação entre as placas é de C a um potencial de 8kV. A distancia de separação entre as placas é de 0,30mm. Calcule a área em m0,30mm. Calcule a área em m22 que as placas devem ter, se o dielétrico entre que as placas devem ter, se o dielétrico entre elas for a) vácuo ( elas for a) vácuo ( = 1) = 1)

b) alumina (b) alumina ( = 9) = 9)

Lista 2Lista 2


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5)5) Qual a definição de um semicondutor, e seu emprego é muito utilizada em qual Qual a definição de um semicondutor, e seu emprego é muito utilizada em qual ramo da indústria eletrônica.ramo da indústria eletrônica.

6) Que tipos de perturbações um semicondutor pode receber para ter uma influencia 6) Que tipos de perturbações um semicondutor pode receber para ter uma influencia na condutividade elétrica? na condutividade elétrica?

7) Demonstre através da distribuição eletrônica de Linnus Pauling o 4 números 7) Demonstre através da distribuição eletrônica de Linnus Pauling o 4 números quânticos (nível, subnível, orbital e rotação dos elétrons) e mostre também a quânticos (nível, subnível, orbital e rotação dos elétrons) e mostre também a representação da banda de Valencia em termo de orbitais dos seguintes representação da banda de Valencia em termo de orbitais dos seguintes elementos semicondutores:elementos semicondutores:

Si (Z = 14)Si (Z = 14)Ge ( Z= 32):Ge ( Z= 32):

8) Como que funciona a teoria de bandas de energia de um condutor, isolante e um 8) Como que funciona a teoria de bandas de energia de um condutor, isolante e um semicondutor?semicondutor?

9) Explique o que é um semicondutor intrínseco, extrínseco tipo P e extrínseco tipo 9) Explique o que é um semicondutor intrínseco, extrínseco tipo P e extrínseco tipo N?N?

10)10) Para o silício intrínseco, a condutividade elétrica à temperatura ambiente é de Para o silício intrínseco, a condutividade elétrica à temperatura ambiente é de 4.104.10-4-4 ( (.m).m)-1-1 ; as mobilidades de elétrons e buracos são respectivamente, de ; as mobilidades de elétrons e buracos são respectivamente, de 0,14 e 0,048 m0,14 e 0,048 m22/V.s. Calcule as concentrações de elétrons livres à temperatura /V.s. Calcule as concentrações de elétrons livres à temperatura ambiente. ambiente.

: e = carga do elétron = 1,6.10: e = carga do elétron = 1,6.10-19-19CC

Lista 2Lista 2


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11) Qual são os tipos de técnicas de dopagem de um semicondutor:11) Qual são os tipos de técnicas de dopagem de um semicondutor:

a) Durante o crescimento boreal, Por fusão, Por implantação iônica, Eletrolise a) Durante o crescimento boreal, Por fusão, Por implantação iônica, Eletrolise b) Eletrodeposição, Blindagem iônica, Por liga, nitretação iônica.b) Eletrodeposição, Blindagem iônica, Por liga, nitretação iônica.c) Durante o crescimento do cristal, Por liga, Por implantação iônica, Por difusãoc) Durante o crescimento do cristal, Por liga, Por implantação iônica, Por difusãod) Eletrodeposição eletrólise Valência, liga silício-Germânio d) Eletrodeposição eletrólise Valência, liga silício-Germânio e) Durante o crescimento do cristal, eletrodeposição, Por implantação iônica, fusão e) Durante o crescimento do cristal, eletrodeposição, Por implantação iônica, fusão

zonalzonal

12) Dê um exemplo de um semicondutor que você utiliza em seu trabalho?12) Dê um exemplo de um semicondutor que você utiliza em seu trabalho?

Lista 2Lista 2


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B2
