Condutividade Dos Materiais

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Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia Elétrica Condutividade dos Materiais Condutores, Semicondutores e Isolantes Aluno: Duaymy Bruno Rodrigues Góes Matrícula: 11 020 0005 01 Conceitos Básicos A matéria tem constituição discreta, ou seja, é formada por partículas muito pequenas denominadas de átomos, o qual pode ser subdividido em prótons, dotados de carga positiva, elétrons, de carga negativa, e nêutrons, de carga nula. Enquanto prótons e nêutrons estão fixos no núcleo atômico, os elétrons orbitam em torno deste em uma região denominada eletrosfera, de modo que aqueles situados na camada de valência, a mais afastada do núcleo, têm maior liberdade de interagir com as eletrosferas de outros átomos. Essas interações constituem ligações químicas, as quais podem ser metálicas, iônicas ou covalentes. Em cada tipo de ligação há um maior grau de mobilidade eletrônica, o qual está diretamente relacionado com o comportamento elétrico de um material. Um critério de classificação dos materiais baseia-se no grau de dificuldade apresentado à passagem de corrente elétrica, sendo esta caracterizada por um movimento ordenado de cargas no interior do material, quando este é submetido a um campo elétrico. Esse grau é chamado de resistência elétrica, grandeza dependente das dimensões do material e de um valor denominado resistividade, variável com a temperatura e com a natureza deste. Matematicamente, pode-se escrever: R = ρ L/S onde: R - resistência elétrica L – comprimento S – área ρ – resistividade Quanto menor a resistência apresentada por uma material, maior sua capacidade em conduzir corrente elétrica, definida pela condutividade, de valor inverso ao da resistividade. Podemos, então, utilizar essas grandezas como forma de classificação dos materiais: aqueles de maior condutividade, geralmente metais, são denominados condutores, enquanto os de condutividade desprezível, geralmente não-metais, são denominados isolantes. Existem também os semicondutores, de valores intermediários e variáveis de condutividade. Para melhor compreensão da diferença existente na natureza elétrica dos materiais, é necessário entender de forma mais ampla alguns conceitos relacionados ao posicionamento dos elétrons na eletrosfera, sendo eles o de níveis de energia e o da teoria dos orbitais. Níveis de energia Segundo a teoria atômica de Niels Bohr, um elétron na órbita de um núcleo atômico tem valores discretos de energia aos quais estão relacionados os seus possíveis raios de órbita. Deste modo, são definidas camadas na eletrosfera, definidas como níveis de energia. Uma camada mais afastada do núcleo corresponde a um nível mais energético. Assim para que o elétron salte para uma camada mais externa é necessário o recebimento de energia, normalmente proveniente de luz ou calor. Já o processo inverso determina a emissão energética. É importante o fato de os saltos eletrônicos não se limitarem ao átomo, cujo número de camadas não excede sete. Se um elétron da camada de valência é excitado não há um outro nível pertencente ao átomo ao qual ele possa "saltar", fazendo-o deixar a eletrosfera, podendo tornar-se "livre" ou interagir em uma ligação iônica ou covalente. Nos metais, existe um valor de energia, denominado função trabalho, para o qual o elétron "livre" torna-se capaz de escapar da sua superfície. Este valor de energia deve ser suficiente para vencer a barreira de potencial, onde a energia potencial é máxima. Teoria dos orbitais Esta teoria aplica os modelos da Mecânica Quântica ao átomo de Rutherford-Bohr. Ao considerar a Incerteza de Heisenberg e a consequente impossibilidade de determinar o momento linear e a posição de um elétron, utiliza o conceito de orbital atômico, definido como a região de maior probabilidade de estar posicionado o elétron. Em cada orbital, podem haver no máximo dois elétrons, de spins - número quântico que determina sua orientação – opostos. Quando ocorre uma ligação química, ocorre uma reorganização eletrônica entre os orbitais da camada de valência, dando origem aos orbitais moleculares. A união dos orbitais moleculares uma banda de níveis de energia. As bandas onde existem níveis ocupados por elétrons de valência são chamadas bandas de valência. As bandas onde os níveis são formados por orbitais vazios, nos a entrada de elétrons permite a estes liberdade de movimento, permitindo condução, são chamadas bandas de condução. Quando existe um espaço entre a banda de valência e a de condução, o denominamos de GAP ou banda proibida, constituída por níveis proibidos para o elétron. Critérios de classificação dos materiais quanto ao comportamento elétrico Essencialmente, três critérios podem ser utilizados para se determinar se um material é isolante, semicondutor e condutor, de modo que cada critério complementa o entendimento do outro. São eles: Critério das Cargas Livres (Quantitativo) A condutividade de um material aumenta na proporção direta da concentração de elétrons livres em sua estrutura cristalina. Esta concentração é relativamente alta nos metais, pois em uma ligação metálica, elétrons escapam da eletrosfera e passam a se movimentar de maneira randômica. O estabelecimento de um campo elétrico ocasiona um ordenamento na movimentação destes elétrons livres, originando uma corrente elétrica. Em compostos não-metálicos, nos quais se define uma condutividade menor, os elétrons livres estão em uma concentração muito baixa, de modo que o fluxo eletrônico é muito pequeno. Deste modo, é possível relacionar, de modo quantitativo, a condutividade com a concentração de elétrons livres. Neste sentido, conceitua-se como condutor um material onde esta concentração é da ordem de 1023 elétrons/cm3, de modo que sua condutividade varia de 106 a 108 ( m)-1. Enquanto isso, um material isolante possui de 106 a 107 elétrons livres por cm3, com condutividade variando entre 10-10 e 10-20 ( m)-1. Finalmente, materiais semicondutores apresentam valores intermediários: à temperatura ambiente, atingem concentrações entre 1012 e 1013 elétrons/cm3, com condutividades entre 10-6 e 104 ( m)-1. Critério das Bandas de Energia (Qualitativo) Este critério se nas teorias envolvendo as ideias de orbitais e de níveis de energia. Como exposto anteriormente, existe uma faixa de níveis de energia, a banda de condução, na qual o elétron torna-se capaz de participar de um fluxo, possibilitando a condução. Pode acontecer de esta banda se sobrepor à banda de valência, onde estão os níveis energéticos dos elétrons de valência. Nesta situação, é dito que o material é condutor, pois haverá uma elevada concentração de elétrons livres. E quanto maior for a sobreposição, melhor condutor é o material. Também são condutores aqueles onde a banda de valência é semipreenchida, como acontece nos metais monovalentes. Em outras situações, existe uma barreira, denominada GAP ou banda proibida, entre as bandas de valência e de condução, constituída pelos níveis de energia que não podem ser atingidos pelos elétrons. O tamanho do GAP determina a energia necessária para o elétron ser promovido da banda de valência para a banda de condução. Portanto, quando a banda proibida é muito grande, esta promoção ocorre muito dificilmente, de modo que o material é isolante, pois a concentração de elétrons livres será muito pequena. Entretanto, se o GAP for suficientemente pequeno, a energia térmica pode ser capaz de promover o elétron para a banda de condução, situação na qual o material é um semicondutor intrínseco, cuja condutividade depende da temperatura. Existem também os semicondutores extrínsecos, nos quais são adicionados átomos de outro elemento, ocasionando a introdução de novos níveis de energia, os quais permitem um "caminho alternativo" para a promoção dos elétrons, tornando possível a condutividade. Figura representando as diferentes disposições das bandas de energia em um material: (a) e (b) são condutores, (c) é isolante e (d) é semicondutor. Critério das correntes de condução e de deslocamento A corrente elétrica pode ter duas formas distintas: Corrente de condução: é aquela definida por um fluxo eletrônico produzido por um campo elétrico, onde só há transporte de cargas, mas não deslocamento dos portadores ao longo do condutor. Foi esta a corrente considerada nas conceituações anteriores. Corrente de deslocamento: é aquela na qual o transporte de cargas é feito a nível de partículas, provocando a polarização das moléculas. Somando estas duas formas, obtém-se a corrente total em um meio. É possível estabelecer uma proporção entre os dois tipos de corrente para cada material. Neste sentido, um material é condutor quando sua corrente de condução é muito maior do que a deslocamento, e isolante para a condição inversa. Condutores Materiais condutores apresentam elevados valores de condutividade, podendo atingir o valor de 108 ( m)-1. Os principais exemplos são os metais, onde geralmente há uma sobreposição das bandas de condução e de valência, ou um semipreenchimento da banda de valência, de modo que sua estrutura cristalina é abundante em elétrons livres. Além de serem bons condutores de eletricidade, os metais apresentam outras características que os diferenciam e são comuns à maior parte deles, sendo algumas delas: Boa condução de calor Alta densidade Maleabilidade Ductilidade Boa reflexão de luz quando polidos Os metais têm, portanto, aplicações relacionadas a estas propriedades. Para certos fins práticos, metais diferentes são unidos em ligas metálicas, o que gera alterações nas suas estruturas cristalinas; quando a diferença entre os tamanhos dos átomos dos elementos é grande, um deles fica no interstício da rede cristalina do outro, aumentando significativamente a dureza do material, como ocorre no aço. A tabela abaixo lista os metais de maior utilidade prática e suas respectivas características. A seguir serão apresentados alguns pontos de interesses e aplicações destes e outros metais: Cobre – este elemento apresenta vantagens interessantes em relação aos outros metais, dentre as quais, podemos listar: Baixa resistividade (só maior que a da prata) Características mecânicas favoráveis Lenta oxidação sob baixa temperatura e elevada umidade Facilidade de deformação O cobre é utilizado principalmente em redes aéreas de cabo nu em tração elétrica, particularmente, para fios telefônicos, para peças de contato e para anéis coletores, para os quais se usa o cobre duro, e em enrolamentos, barramentos e cabos isolados, onde se usa o cobre mole ou recozido. A tabela abaixo mostra algumas ligas que podem ser formadas a partir do cobre, das quais se destacam os bronzes. Alumínio – no que se refere às aplicações elétricas só é menos utilizado do que o cobre, mas, por razões de interesse econômico, tende a substituir o uso deste. O alumínio apresenta rápida oxidação, porém este processo cria uma película a qual impede uma corrosão mais profunda. A maior parte das aplicações deste elemento é feita por suas ligas metálicas, as quais apresentam baixo peso específico, sendo utilizadas principalmente em: equipamento portátil partes de equipamento elétrico em movimento peças sujeitas a transporte estruturas de suporte de materiais elétricos (cabos, por exemplo) locais de elevada corrosão, o uso particular de ligas com manganês Ferro – o ferro vem sendo utilizado desde tempos remotos, mas o seu uso em maior escala só veio no século XIX, com a expansão industrial, visto que apresentava algumas características favoráveis: é abundante na superfície terrestre há alto teor de ferro nos minérios baixo ponto de fusão é bom condutor de calor e eletricidade ductilidade e maleabilidade é magnetizável possui boas propriedades mecânicas pode-se alterar suas propriedades através de tratamentos O ferro e suas ligas, sendo a principal o aço, têm aplicações principalmente em materiais estruturais e magnéticos, além de dispositivos de condução elétrica. Zinco – é o metal com maior coeficiente de dilatação. É muito utilizado na forma de ligas e como condutor tem aplicação na pilha de Leclanché. Estanho – em temperatura ambiente, não sofre oxidação, nem é atacado pela água e fracamente por ácidos. É muito utilizado em ligas de cobre e como material de solda. Metais nobres – um aspecto de interesse nestes metais é seu forte poder de redução em relação aos outros. Neste aspecto, destaca-se a platina, utilizada como eletrodo inerte e em peças de contato, por exemplo. Já a prata é utilizada, além de em peças de contato, como revestimento para proteger metais da corrosão. Sua elevada condutividade não é muito aproveitada em materiais elétricos devido ao seu elevado custo. O mesmo vale para o ouro, que mesmo assim pode ser encontrado, na forma pura, em peças utilizadas em circuitos de correntes muito baixas, onde a oxidação poderia interromper seu funcionamento, como nas telecomunicações e na eletrônica. Supercondutores O fenômeno da supercondutividade foi descoberto em 1911 por cientistas. Determinados materiais condutores, quando resfriados até uma temperatura crítica Tc, têm suas resistividades reduzidas a zero, deixando de apresentar resistência à passagem de corrente elétrica. Surgiu, assim, a perspectiva de equipamentos de potência revolucionários e sistemas de transmissão que operariam com eficiência incrível. Gráfico representando a temperatura crítica de supercondutividade de um material Os primeiros supercondutores, contudo, possuíam um valor muito pequeno para Tc, próximo ao zero absoluto. Isto representava uma limitação prática, visto que o resfriamento destes materiais deveria utilizar hélio líquido. Em 1986, porém, iniciou-se a descoberta dos supercondutores "quentes", cuja temperatura crítica era superior a 77K, o que possibilitava o resfriamento com nitrogênio líquido, de mais fácil obtenção. Atualmente, vêm sendo feitas pesquisas que permitam um melhor aproveitamento desta última classe, tendo em vista a constituição cerâmica, e a consequente fragilidade, da maior parte deles. Abaixo, a temperatura crítica de alguns supercondutores: Isolantes São materiais de condutividade extremamente pequena, com valores menores que 10-9 ( cm)-1. Para valores de tensão usuais, a corrente de condução produzida nestas condições é desprezível. Deste modo, em um material isolante predomina o efeito da corrente de deslocamento, o qual se caracteriza pela polarização das partículas de sua constituição, podendo ser de dois tipos: eletrônica, quando elétrons são deslocados dos na molécula, e iônica, quando há reorientação de íons no sentido do campo aplicado. A seguir, estão ilustradas estas duas possibilidades: Polarização eletrônica: Polarização iônica: Materiais isolantes apresentam, portanto, um comportamento dielétrico, ideal para o uso em capacitores. Um dielétrico perfeito seria aquele capaz de restaurar toda a energia fornecida a ele por um campo elétrico, quando este é removido. Esta situação ideal, porém, só se atinge no vácuo. Em situações normais, parte da energia sempre é perdida. As perdas no dielétrico podem ser de três tipos: Perda por efeito Joule: embora seja pequena a intensidade da corrente que passa por um isolante, a resistência é elevada, havendo sempre uma dissipação térmica resultante de obstáculos no movimento eletrônico. A saber, a energia perdida pode ser obtida pela equação: W = R i2 t onde: W – energia dissipada R – resistência elétrica do material i – intensidade da corrente elétrica t – tempo em que ocorre a dissipação Perda por histerese: resulta de um atraso na polarização ou reorientação das moléculas polares do dielétrico. Perda por absorção: as perdas têm origem distinta da polarização, surgindo por efeitos externos a este processo. Capacitância O caráter dielétrico de um isolante está diretamente relacionado à capacidade de armazenagem de um capacitor que o utiliza, denominada de capacitância. Esta grandeza relaciona a carga armazenada com a tensão à qual o material está submetido, definindo-se na seguinte expressão: onde: C – capacitância Q – carga armazenada V – tensão aplicada O valor da capacitância está sempre relacionado com a natureza do material isolante, através de uma propriedade denominada constante dielétrica (k1) ou permissividade relativa ( r). Esta constante é dada pelo quociente entre a capacitância apresentada pelo material e aquela que seria obtida no vácuo. Rigidez dielétrica É a resistência apresentada por um material isolante em sofrer ruptura, ou seja, em se opor a ocorrência de uma descarga elétrica em sua estrutura. Seu valor é medido geralmente em MV/m, indicando o valor do campo elétrico necessário para ocasionar a ruptura. O uso desta unidade no lugar do V/m indica o fato de os valores deste campo sejam consideravelmente elevados. Um exemplo clássico é o campo criado por cargas atmosféricas de forma a romper a rigidez do ar, originando raios. A tabela a seguir lista alguns isolantes e seus respectivos valores de rigidez. Aplicações dos Isolantes No que se refere às aplicações elétricas, o grande interesse nos isolantes está em sistema de proteção. Neste sentido, os principais materiais utilizados são: As borrachas O vidro O papel As cerâmicas Os plásticos As resinas Entre outros As cerâmicas podem apresentar elevado desempenho dielétrico, mas seu emprego é limitado devido à sua fragilidade, não sendo indicado para a aplicações de altas trações. As principais cerâmicas isolantes estão listadas abaixo: Também é importante o uso de óleos, tintas e vernizes especiais, capazes de isolar a superfície dos condutores onde são aplicados. De um modo geral, são utilizados em: Esmaltação de cabos e fios elétricos Isolação de carcaças de motores, geradores e transformadores Adesivos isolantes na colagem ou fixação de componentes Encapsulamento, impregnação ou revestimento de componentes elétricos Semicondutores De um modo geral, os semicondutores são conduzem melhor do que os isolantes e pior do que os condutores, apresentando condutividades intermediárias, entre 10-6 e 104 ( m)-1. A característica de interesse destes materiais está na fácil variabilidade da sua condutividade, podendo ter como causa a temperatura ou o acréscimo de impurezas. Na realidade, podem existir dois tipos de materiais semicondutores: os intrínsecos e os extrínsecos, sendo estes últimos de maior performance e utilidade prática. Semicondutores Intrínsecos São materiais que naturalmente apresentam propriedades semicondutoras, por terem o valor da banda proibida pequeno, inferior a 2 eV na temperatura teórica de 0K. Para estes materiais, a condutividade é função direta da temperatura: em temperaturas baixas, são perfeitos isolantes, e em mais altas, tem o desempenho condutor drasticamente aumentado. Os principais exemplos o Silício e o Germânio. Estes elementos são tetravalentes, ou seja, apresentam quatro elétrons na camada de valência, necessitando, assim, realizar quatro ligações para atingir a estabilidade. Deste modo, cada átomo faz uma ligação simples com cada um de seus vizinhos, como ilustrado na figura abaixo, onde cada traço representa um elétron: Quando em temperaturas favoráveis, alguns elétrons presentes nas ligações são promovidos para a banda de condução, ganhando liberdade de movimento. E para cada elétron livre formado, fica um "buraco" ou lacuna, de carga positiva, devido ao déficit de eletrônico. Esta lacuna também pode se movimentar, atraindo elétrons de outras ligações no sentido contrário ao deste movimento. Deste modo, formam-se dois portadores de carga. Quando o material é submetido a um campo elétrico, os elétrons livres, portadores de carga negativa, são atraídos pelo polo positivo, enquanto as lacunas, portadoras de carga positiva, se movimentam em direção ao polo negativo. Quanto maior a temperatura, mais portadores são formados e portanto mais intensa é a condução. Materiais trivalentes, como o arseneto de gálio (GaAs), ou pentavalentes, como o fosfeto de índio (InP), também podem constituir semicondutores intrínsecos. Semicondutores Extrínsecos Nem sempre a condutividade oferecida por um semicondutor intrínseco para temperaturas apreciáveis tem o valor desejado. Por isso, foram criados métodos de manipulação das propriedades semicondutoras de um material puro através da adição de impurezas. Este processo é denominado dopagem, cujos materiais resultantes são chamados de semicondutores extrínsecos. Dependendo de como é feita a dopagem, podem existir eles podem ser de dois tipos: n e p. Semicondutores do tipo n São originados da adição de impurezas pentavalentes, como o Antimônio, a compostos tetravalentes, como o Silício. Enquanto o Silício tem quatro elétrons de valência, o Antimônio tem cinco. Desta forma, um átomo de Antimônio adicionado ocupa no cristal a posição que seria de um átomo de Silício e assim realiza quatro ligações simples com os vizinhos, restando um elétron "em excesso" na camada de valência, que ganha liberdade de movimento, como mostra a figura abaixo: Numa perspectiva de bandas de energia, a impureza adiciona um novo nível energético na banda GAP, localizado bem próximo da banda de condução, permitindo ao elétron de valência em excesso uma fácil promoção a esta banda. Figura representando a promoção do elétron da impureza para a banda de condução Esta dopagem tem como resultado, então, o aumento da concentração de elétrons livres no material, relacionados diretamente com a capacidade condutiva. Como os portadores de carga que realizarão a condução no material são na maioria negativos, ele será denominado semicondutor do tipo n. Semicondutores do tipo p São originados da adição de impurezas trivalentes, como o Alumínio, a compostos tetravalentes, como o Silício. Enquanto o Silício tem quatro elétrons de valência, o Alumínio tem três. Desta forma, um átomo de Alumínio adicionado ocupa no cristal a posição que seria de um átomo de Silício, localizando-se entre quatro vizinhos, realizando, porém, três ligações simples. Onde deveria estar a quarta ligação, forma-se uma lacuna, que se movimenta atraindo os elétrons de valência dos vizinhos no sentido oposto. Isto é ilustrado na figura abaixo: Numa perspectiva de bandas de energia, a impureza adiciona um novo nível energético na banda GAP, localizado bem próximo da banda de valência, permitindo ao elétron de valência do silício uma fácil promoção a este nível, ocupando a lacuna que adicionou o nível. Figura representando a promoção de um elétron da banda de valência para o nível introduzido pela impureza Esta dopagem tem como resultado, então, o aumento da concentração de lacunas no material, relacionadas diretamente com a capacidade condutiva. Como os portadores de carga que realizarão a condução no material são na maioria positivos, ele será denominado semicondutor do tipo p. Aplicações dos Semicondutores Diodos São dispositivos constituídos da união de um semicondutor tipo n com um tipo p. Os diodos têm a propriedade de só permitirem a condução em um sentido, constituindo assim retificadores. Na região com material do tipo n, teremos uma maior concentração de elétrons livres, enquanto naquela com material tipo p, haverá uma maior concentração de lacunas. Como as cargas destes portadores são opostas, haverá uma atração mútua entre eles: os elétrons se movimentarão em direção à região do tipo p, e as lacunas se deslocarão em direção à região do tipo n. Próximo à junção p-n, portanto, haverá aniquilação entre as cargas, formando uma região denominada zona vazia, como mostra a imagem abaixo. Quando se aplica um campo elétrico ao diodo, dois resultados distintos podem ser obtidos, dependendo da orientação deste. Se o polo negativo for ligado à região do tipo n e o polo positivo à do tipo p, haverá passagem de corrente. Os elétrons da região n serão repelidos pelo polo negativo e atraídos pelo polo positivo, o contrário ocorrendo com as lacunas da região p. Os polos fornecerão, então, um fluxo contínuo de cargas em direção à junção p-n, dissipando a zona vazia. Uma inversão das polaridades, porém, impediria a passagem de corrente, pois as cargas iriam se concentrar nas extremidades, aumentando ainda mais a zona vazia. Como, se ilustra a seguir: LED e OLED O LED (Light Emitting Diode – Diodo Emissor de Luz) é um tipo de diodo capaz de emitir luz quando energizado. Seu funcionamento baseia-se no princípio de que o aniquilamento das cargas na junção p-n libera fótons, que podem ser aproveitados como energia luminosa se tiverem o comprimento de onda adequado. Materiais de utilidade neste sentido são o GaAs e o GaP, ambos sais de gálio. Dependendo da voltagem em que opera o LED, podemos ter um comprimento de onda diferente, permitindo uma composição de cores que vem sendo explorada em equipamentos de vídeo modernos. Um tipo especial de LED é o OLED (Organic Light-Emitting Diode ou Diodo Orgânico Emissor de Luz), o qual tem como principal elemento constituinte o carbono. A frequência emitida por um OLED depende de sua composição química, que utiliza substâncias eletroluminescentes especiais. O grande interesse nos OLES é que podem ser impressos em polímeros, permitindo a produção de painéis de vídeo flexíveis. Transistores São equipamentos, geralmente constituídos de silício, constituídos de três zonas alternadas n e p, podendo ser do tipo p-n-p ou do tipo n-p-n, sendo este último mais eficiente. Cada uma das zonas é dopada de maneira diferente e submetida a uma tensão diferente. Isto faz com que o transistor tenha capacidade de amplificação, podendo aumentar uma corrente em até 50 vezes para os dispositivos típicos. Os dois tipos de transistor são esquematizados na imagem abaixo: Referências Bibliográficas J. D. Lee, "Química Inorgânica Não Tão Concisa", Tradução da 5ª edição inglesa – São Paulo, Ed. Edgard Blücher, 1999. RODRIGUES, César, R. "Materiais Elétricos e Eletrônicos: Materiais Isolantes". ROLIM, Jacqueline. "Materiais Elétricos" – Cap. 3 e 4 – Isolantes e Semicondutores. 2002 SARAIVA, Delcyr Barbosa. "Materiais Elétricos", Editora Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1983 V. Schmidt, "Materiais elétricos: condutores e semicondutores v. 1", São Paulo: Ed. Edgard Blücher, 1979. Algumas imagens foram retiradas do portal How Stuff Works