Processos..[1]

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Processos..[1]

  1. 1. Processos Eletrônicos e MgnéticosOs campos eletromagnéticos podem interagir com partículas carregadas em materiais, produzindo,entre outros, os seguintes fenômenos: condutividade, polarização dielétrica e característicasmagnéticas. Esses fenômenos, que são controláveis, são de grande utilidade na engenharia, poispossibilitam projetar-se circuitos elétricos para suprimentos de força, comunicações eequipamentos de controle.- A ação dos campos elétricos e magnéticos nos materiaisAs partículas carregadas nos materiais, os íon e elétrons, normalmente apresentam movimentosvibratórios, de caráter ondulatório. Os campos elétricos e magnéticos superpõem forças direcionaisde atração a esses movimentos, orientando-os, de forma a não ficarem mais ao acaso.A extensão, na qual o comportamento elétrico, magnético e a condutividade dos materiais, podemser variados, é afetada, principalmente pelas seguintes características físico-químicas:- as energias dos elétrons na camada de valência- o “spin” dos elétrons nos átomos - a estrutura do material, cristalina ou amorfa.- Aplicações dos materiais de grau eletrônicoO conhecimento dessas relações permite a previsão das propriedades elétricas e magnéticas deum material, o que facilita muito no projeto e seleção do material adequado para aplicações destanatureza. Na aplicação de semicondutores para equipamentos, por exemplo, tais como transistorese baterias solares, tiveram origem na previsão teórica do comportamento dos elétrons noschamados materiais de grau eletrônico.- Condutividade ElétricaPodemos entender a condutividade elétrica, como o movimento de cargas elétricas, de umaposição para outra. Na prática, normalmente utiliza-se também a resistividade elétrica, que podeser entendida como o recíproco (ou inverso) da condutividade elétrica. Como a carga elétrica temque ser carregada por íons ou elétrons, os chamados “portadores de carga”, cuja mobilidade variapara os diferentes materiais, existe uma gama (“espectro”) de condutividades, ou de resistividades,desde os metais altamente condutores, até os isolantes quase perfeitos, como se encontraesquematizado no quadro da figura abaixo, em função das resistividades correspondentes: Fig. 1- Faixa de variação (“espectro”) da condutividade elétricaa) Tipos de condutividade elétricaA condutividade elétrica pode ser classificada, ou dividida em dois tipos fundamentais:Condutividade Iônica e Condutividade Eletrônica. Na condutividade iônica, os portadores decarga podem ter tanto cátions como ânions, enquanto que na condutividade eletrônica, osportadores são elétrons ou “buracos” eletrônicos. 1
  2. 2. A carga por elétron é 1,6 x 10-19 Coulomb (ou ampères-segundos). Como os íons contêm ou umadeficiência ou um excesso de elétrons, a carga por íon é sempre um múltiplo inteiro de1,6 x 10-19 Coulomb.b) Equação da condutividade elétricaA condutividade pode ser expressa como um produto dos seguintes fatores: número de transportadores de carga no material, por unidade de volume, carga elétrica carregada por cada um desses transportadores, mobilidade dos transportadores, ( a mobilidade de um transportador é a sua velocidade efetiva por unidade de gradiente de potencial)A equação resultante é dada por = (1)onde as unidades correspondentes são (2)Como coulombs são iguais a ampères vezes segundos e volts são iguais a ampères vezesohms, o balanço de unidades é verificado na equação acima.- Condutividade IônicaOs átomos e íons podem se mover de um ponto para outro de uma rede cristalina, comoesquematizado na figura abaixo:Fig. 2 - Movimentos atômicos: (a) Mecanismo de vazios. (b) Mecanismo intersticial. Necessita-se de energia, tanto para aumentar quanto para diminuir a distância interatômica. A probabilidade de ocorrer esse movimento é baixa, a menos que a temperatura seja alta.Em temperaturas elevadas, uma pequena fração dos átomos pode possuir energia suficiente parasuperar a barreira de energia correspondente. Os íons têm maiores oportunidades de superar essabarreira, se submetidos a um campo elétrico. Essa maior probabilidade resulta do fato de que o íoné acelerado, e recebe mais energia, se estiver vibrando (ou se movimentando) em uma direção(e sentido) favorável ao campo elétrico. Por outro lado, é desacelerado se a sua vibração (oumovimento) estiver em uma direção (ou sentido) desfavorável, de forma que a probabilidade de umsalto do íon na direção reversa (ou sentido contrário) é pequena. O resultado é um movimentoefetivo dos íons numa dada direção e num certo sentido, do que resulta a condutividade iônica. 2
  3. 3. a) Condutividade Iônica em materiais sólidos e em líquidosAs condutividades iônicas nos sólidos são naturalmente baixas, pois existe apenas uma pequenaprobabilidade que a energia disponível para os íons seja suficiente para os saltos.No caso dos materiais líquidos, a condutividade iônica é mais elevada, por razões que são auto-explicativas, já que a localização dos átomos vizinhos não é tão rígida nos líquidos como nossólidos e, consequentemente, é necessária uma energia menor para os movimentos iônicos.Quer nos sólidos, quer nos líquidos, a condutividade é um balanço estatístico dos movimentos nasvárias direções, como ilustra a figura abaixo:Fig.3- Movimento de íons positivos: (a) Na ausência de um campo elétrico externo, os movimentos dos íonssão ao acaso; (b) A presença de um campo elétrico externo resulta em um movimento efetivo dos íonspositivos, na direção (e sentido) do eletrodo negativo.b) Influência da Temperatura na Condutividade IônicaA condutividade iônica aumenta em temperatura mais elevadas, pois a mobilidade dos íons éaumentada, devido ao aumento das velocidades de difusão. Como é de se esperar, há umarelação entre a mobilidade iônica, , e o coeficiente de difusão, D, conforme a equação abaixo: (3)onde é a carga elétrica, é a constante de Boltzmann e é a temperatura absoluta.As unidades correspondentes são: (4)Para um balanço final de unidades é necessário lembrar que 1 erg = 10-7 J (10-7 volt.amp.s).- Condutividade Eletrônica a) Semelhanças com a condutividade iônicaPodemos fazer certas comparações entre a condutividade eletrônica e a iônica: - em ambos os casos, uma carga (unitária ou múltipla) de 1,6 x 10-19 coulomb está envolvida;- essa carga é acelerada ao se mover em uma direção no campo elétrico e desacelerada nadireção inversa.- tanto o íon como o elétron têm uma mobilidade, a qual foi definida como a velocidade efetiva(cm/s) que provém de um gradiente específico de potencial (volt/cm). 3
  4. 4. b) Condutividade Eletrônica em Materiais MetálicosA figura abaixo esquematiza os possíveis movimentos dos elétrons de valência entre átomosmetálicos de uma estrutura cristalina:Fig. 4- Movimento dos elétrons nos metais. (a) Quando não há campo elétrico externo, o movimento doselétrons em um metal se dá ao acaso. (b) Dentro de um campo elétrico externo, os elétrons são aceleradosquando se movem na direção do pólo positivo, e desacelerados quando se movem na direção do pólonegativo. O movimento efetivo dos elétrons é na direção do pólo positivo.Como os elétrons de valência nos metais não estão ligados a nenhum átomo específico, a energiadesses elétrons permite que os mesmos se movam entre os átomos, em todas as direções daestrutura cristalina, com a mesma velocidade (Fig. 4-(a)). Entretanto, se um campo elétrico éaplicado ao material, os elétrons que se movem na direção (e sentido) do pólo positivo recebemenergia e são acelerados (Fig. 4-(b)). Os elétrons que se movem nesta direção (e sentido)encontrarão, mais cedo ou mais tarde, os campos elétricos locais em torno dos átomos e serão,por isso, desviados ou refletidos. Qualquer movimento na direção (e sentido) do eletrodo negativoconsome energia e, portanto, a velocidade nesta direção é diminuída. O efeito total é ummovimento eletrônico na direção do pólo positivo, como mostrado no esquema da próxima figura:Fig. 5- Corrente elétrica em condutores metálicos: Como um campo elétrico acelera o movimento doselétrons e íons em uma dada direção, e desacelera na direção oposta, um movimento efetivo de elétrons éobtido. Por convenção, o sentido da corrente é considerado como o oposto daquele dos elétrons.- Percurso Livre MédioEm virtude da sua pequena massa por unidade de carga, um elétron apresenta mudançassignificativas e rápidas na velocidade, ao responder ao campo elétrico aplicado. O fator limitante damobilidade eletrônica é o número de desvios ou reflexões que ocorre, o que determina o seuPercurso Livre Médio. Entre duas mudanças de direção sucessivas, os percursos livres médiosmaiores permitem acelerações e desacelerações também maiores e, portanto, a velocidade efetivae a mobilidade eletrônica aumentam. Certos fatores físico-químicos, tais como agitação térmica,impurezas e deformação plástica, reduzem a condutividade de um metal, pois essas imperfeiçõesindicam que há irregularidades nos campos elétricos do interior de um metal.As irregularidades reduzem, desta forma, o percurso livre médio dos elétrons, a mobilidadeeletrônica e, consequentemente, a condutividade do metal. 4

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