1. Processos Eletrônicos e Mgnéticos
Os campos eletromagnéticos podem interagir com partículas carregadas em materiais, produzindo,
entre outros, os seguintes fenômenos: condutividade, polarização dielétrica e características
magnéticas. Esses fenômenos, que são controláveis, são de grande utilidade na engenharia, pois
possibilitam projetar-se circuitos elétricos para suprimentos de força, comunicações e
equipamentos de controle.
- A ação dos campos elétricos e magnéticos nos materiais
As partículas carregadas nos materiais, os íon e elétrons, normalmente apresentam movimentos
vibratórios, de caráter ondulatório. Os campos elétricos e magnéticos superpõem forças direcionais
de 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, podem
ser 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 eletrônico
O conhecimento dessas relações permite a previsão das propriedades elétricas e magnéticas de
um material, o que facilita muito no projeto e seleção do material adequado para aplicações desta
natureza. Na aplicação de semicondutores para equipamentos, por exemplo, tais como transistores
e baterias solares, tiveram origem na previsão teórica do comportamento dos elétrons nos
chamados materiais de grau eletrônico.
- Condutividade Elétrica
Podemos entender a condutividade elétrica, como o movimento de cargas elétricas, de uma
posição para outra. Na prática, normalmente utiliza-se também a resistividade elétrica, que pode
ser entendida como o recíproco (ou inverso) da condutividade elétrica. Como a carga elétrica tem
que ser carregada por íons ou elétrons, os chamados “portadores de carga”, cuja mobilidade varia
para os diferentes materiais, existe uma gama (“espectro”) de condutividades, ou de resistividades,
desde os metais altamente condutores, até os isolantes quase perfeitos, como se encontra
esquematizado no quadro da figura abaixo, em função das resistividades correspondentes:
Fig. 1- Faixa de variação (“espectro”) da condutividade elétrica
a) Tipos de condutividade elétrica
A condutividade elétrica pode ser classificada, ou dividida em dois tipos fundamentais:
Condutividade Iônica e Condutividade Eletrônica. Na condutividade iônica, os portadores de
carga podem ter tanto cátions como ânions, enquanto que na condutividade eletrônica, os
portadores são elétrons ou “buracos” eletrônicos.
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2. A carga por elétron é 1,6 x 10-19 Coulomb (ou ampères-segundos). Como os íons contêm ou uma
deficiência ou um excesso de elétrons, a carga por íon é sempre um múltiplo inteiro de
1,6 x 10-19 Coulomb.
b) Equação da condutividade elétrica
A 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 vezes
ohms, o balanço de unidades é verificado na equação acima.
- Condutividade Iônica
Os átomos e íons podem se mover de um ponto para outro de uma rede cristalina, como
esquematizado 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 para
superar a barreira de energia correspondente. Os íons têm maiores oportunidades de superar essa
barreira, se submetidos a um campo elétrico. Essa maior probabilidade resulta do fato de que o íon
é 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 (ou
movimento) estiver em uma direção (ou sentido) desfavorável, de forma que a probabilidade de um
salto do íon na direção reversa (ou sentido contrário) é pequena. O resultado é um movimento
efetivo dos íons numa dada direção e num certo sentido, do que resulta a condutividade iônica.
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3. a) Condutividade Iônica em materiais sólidos e em líquidos
As condutividades iônicas nos sólidos são naturalmente baixas, pois existe apenas uma pequena
probabilidade 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 nos
sólidos 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 nas
várias direções, como ilustra a figura abaixo:
Fig.3- Movimento de íons positivos: (a) Na ausência de um campo elétrico externo, os movimentos dos íons
são ao acaso; (b) A presença de um campo elétrico externo resulta em um movimento efetivo dos íons
positivos, na direção (e sentido) do eletrodo negativo.
b) Influência da Temperatura na Condutividade Iônica
A condutividade iônica aumenta em temperatura mais elevadas, pois a mobilidade dos íons é
aumentada, devido ao aumento das velocidades de difusão. Como é de se esperar, há uma
relação 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 iônica
Podemos 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 na
direção 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).
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4. b) Condutividade Eletrônica em Materiais Metálicos
A figura abaixo esquematiza os possíveis movimentos dos elétrons de valência entre átomos
metálicos de uma estrutura cristalina:
Fig. 4- Movimento dos elétrons nos metais. (a) Quando não há campo elétrico externo, o movimento dos
elétrons em um metal se dá ao acaso. (b) Dentro de um campo elétrico externo, os elétrons são acelerados
quando se movem na direção do pólo positivo, e desacelerados quando se movem na direção do pólo
negativo. 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 energia
desses elétrons permite que os mesmos se movam entre os átomos, em todas as direções da
estrutura cristalina, com a mesma velocidade (Fig. 4-(a)). Entretanto, se um campo elétrico é
aplicado ao material, os elétrons que se movem na direção (e sentido) do pólo positivo recebem
energia 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 negativo
consome energia e, portanto, a velocidade nesta direção é diminuída. O efeito total é um
movimento 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 dos
elétrons e íons em uma dada direção, e desacelera na direção oposta, um movimento efetivo de elétrons é
obtido. Por convenção, o sentido da corrente é considerado como o oposto daquele dos elétrons.
- Percurso Livre Médio
Em virtude da sua pequena massa por unidade de carga, um elétron apresenta mudanças
significativas e rápidas na velocidade, ao responder ao campo elétrico aplicado. O fator limitante da
mobilidade eletrônica é o número de desvios ou reflexões que ocorre, o que determina o seu
Percurso Livre Médio. Entre duas mudanças de direção sucessivas, os percursos livres médios
maiores permitem acelerações e desacelerações também maiores e, portanto, a velocidade efetiva
e a mobilidade eletrônica aumentam. Certos fatores físico-químicos, tais como agitação térmica,
impurezas e deformação plástica, reduzem a condutividade de um metal, pois essas imperfeições
indicam que há irregularidades nos campos elétricos do interior de um metal.
As irregularidades reduzem, desta forma, o percurso livre médio dos elétrons, a mobilidade
eletrônica e, consequentemente, a condutividade do metal.
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