Aula 20 – Condução de Eletricidade nos Sólidoskelifisica.com.br/wp-content/uploads/2018/08/aula20_2018.pdf · Descobrindo o Núcleo; Algumas Propriedades Nucleares; Profa. Keli

Aula 20 – Condução de Eletricidade nos Sólidos

Física 4

Ref. Halliday – Volume4

Profa. Keli F. Seidel

Sumário Capítulo 41 – Condução Elétrica nos Sólidos

Transistores; Supercondutores;

Capítulo 42 – Física Nuclear Descobrindo o Núcleo; Algumas Propriedades Nucleares;


Transistores


Existem várias diferentes estruturas de transistores, como por exemplo:

Transistor bipolar, Tranistor PNP (ou NPN), Transistor de base-metálica, transistor de base-permeável, transistor de efeito de campo (FET, MOSFET, MISFET, OFET, VOFET, etc), transistor de filme fino (TFT), etc, etc;

São dispositivos eletrônicos com três terminais e são usados, por exemplo, como amplificadores de sinais, armazenamento de memória, etc;

Transistores


Transistor de Efeito de Campo “tradicional” (FET - field effect transistor ou OFET – organic field effect transistor)

Transistores


Transistor de Efeito de Campo Convencional (FET)

Transistores


MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)

Transistores


Representação esquemática do Transistor pnp ou npn;

n np

Emissor Base Coletor

Modo de operação de base-comum

Transistores



n np

Emissor Base Coletor

Polarização Inversa Polarização Direta

n p

Transistores



Modo de operação de base-comum

Polarização direta – diminui V0;

Polarização inversa – aumenta V0;

n p n

Supercondutores


Já vimos que, a medida que reduzimos a temperatura de um condutor, a resistividade torna-se menor;

O que acontece quando diminuímos a temperatura de um condutor para próximo do zero absoluto????

Lembre-se que, de acordo com a teoria quântica, os átomos retêm um dado nível mínimo de movimento vibratório, mesmo a zero absoluto;

Muitos materiais apresentam um tipo de comportamento bem específico (supercondutividade), porém, isso não ocorre com todos os condutores em que a temperatura é diminuída para o (ou próximo do) zero absoluto (T=0 K);

Supercondutores


Em 1911, o físico holandês Kammerlingh Onnes, estava estudando a resistividade do mercúrio a baixas temperaturas (~ 4K), e percebeu que ocorria um comportamento incomum onde o mercúrio subitamente perde toda a sua resistividade e torna-se um condutor “perfeito”, chamado supercondutor;

A resistividade de um supercondutor não é apenas muito pequena, é nula! Cuidado com esta informação → não tente usá-la em equações de física clássica poque isto não estará correto. O comportamento em supercondutores são descritos pela física quântica;

A temperatura na qual o material se torna supercondutor é chamada de sua temperatura crítica Tc;

Esse fenômeno não ocorre para todos os condutores. Por exemplo, não foi observado nos melhores condutores metálicos como o (Cu, Ag e Au);

Supercondutores


Comportamento de alguns condutores (e supercondutores) em relação à variação da temperatura

Supercondutores


Esses resultados sugerem que os mecanismos que geram a supercondutividade diferem dos mecanismos que causam a condutividade nos metais (supercondutividade não se explica por estrutura de bandas de energia);

Estudos sobre supercondutores ainda não são totalmente conclusivos, pois muitos fenômenos observados experimentalmente ainda não são explicados. Como será apresentado, a supercondutividade resulta da forte união entre os elétrons de condução e a rede;

Quando um elétron movimenta-se numa rede, atrai núcleos de íons positivos em sua direção e altera a densidade de carga em sua vizinhança;

A Teoria da Supercondutividade BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer, 1957, com prêmio Nobel em 1972) mostra que o sistema eletrônico contém a menor energia possível se os elétrons são ligados juntos aos pares, chamados de pares de Cooper (comporta-se - spin inteiro - Bóson);

Supercondutores


A supercondutividade é um fenômeno coletivo. Se alguns pares de Cooper forem formados, a redução da energia que acontece para o próximo par é maior do que seria se nenhum par tivesse sido anteriormente formado;

A mudança do estado normal para o supercondutor é muito brusca;

Mais recentemente (~1986) uma nova classe de supercondutores foi descoberta. Supercondutores de altas* temperaturas como, por exemplo, o óxido de cobre em combinação com outros diversos elementos;

Porém, para esta nova classe, a teoria BCS não consegue explicar o mecanismo de supercondutividade;

* temperaturas próximas a aproximadamente -20o C (~252K) são consideradas altas quando comparadas à ~4 Kelvin!

Supercondutores Efeito Meissner

Ao atingir a temperatura crítica os supercondutores não apenas tem sua resistividade nula mas também comportam-se como materiais diamagnéticos (Diamagnetismo é o termo utilizado para designar o comportamento dos materiais serem ligeiramente repelidos na presença de campos magnéticos fortes)

Há uma repulsão do campo magnético!

Vídeo sobre levitação magnéticahttps://www.youtube.com/watch?v=Z4XEQVnIFmQ

Supercondutores


Possíveis Aplicações

A energia poderia ser transportada em fios elétricos sem perdas resistivas;

Eletroímãs Supercondutores – são capazes de produzir maiores correntes e gerar maiores campos magnéticos (utilizados em trens de levitação magnética e ímãs de flexão para feixes de partículas em grandes aceleradores)

**As partes dos componentes eletrônicos formados por supercondutores em circuitos eletrônicos não gerariam aquecimento Joule (miniaturização ao circuitos);

Supercondutores


Possíveis Aplicações

Efeito Meissner → Trens de levitação magnética (Maglev)o único atrito seria entre o trem e o ar → (velocidades > 650 km/h tornam-se realidade!)

Maglev em Xangai

Assista: ilustração - https://www.youtube.com/watch?v=JOLFXkeC8L4https://www.theguardian.com/technology/2018/may/29/maglev-magnetic-levitation-domestic-travel

https://www.youtube.com/watch?v=JOLFXkeC8L4

Física Nuclear


Capítulo 42 – Física Nuclear

Física Nuclear


O núcleo ocupa apenas 10-15 do volume do átomo, mas é responsável pela maior parte de sua massa, assim como a força que o mantém coeso;

Agora nosso objetivo é compreender a estrutura do núcleo e a subestrutura dos seus componentes;

Assim como (elétrons n)os átomos, os núcleos têm estados excitados que podem decair para o estado fundamental através da emissão de fótons (raios gama);

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A Descoberta do Núcleo

Foi Rutherford, em 1911, que interpretando alguns experimentos desenvolvidos em seu laboratório, concluiu que a carga positiva do átomo estava densamente concentrada no centro do átomo (núcleo atômico);

Dois anos mais tarde, Niels Bohr utilizou o conceito semiclássico de átomo nuclear para descrever a estrutura atômica;

Mas como foi que Rutherford chegou a essa conclusão???

Física Nuclear


Rutherford observou um experimento proposto por Hans Geiger (o famoso, homenageado com o contador Geiger) e Ernest Marsden (um estudando de 20 anos que não tinha se graduado);

Em sua análise, lançou partículas alfa energéticas através de uma fina folha-alvo e mediu como as partículas eram defletidas à medida que passavam a folha;

Partículas alfa têm cerca de 7300 vezes mais massa do que os elétrons, transportam uma carga de +2e e são emitidas espontaneamente (com energias em torno de MeV) por diversos materiais radioativos (partícula alfa é composta por dois prótons e dois nêutrons); Veja Figura...

Física Nuclear



Física Nuclear



Física Nuclear


Analisando os dados, Rutherford concluiu que as dimensões do núcleo devem ser menores do que o diâmetro de um átomo segundo um fator de 104;

O átomo é, em sua grade parte, um espaço vazio!!!

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Exemplo 42-1

Uma partícula alfa () de 5,30 MeV desloca-se diretamente em direção ao núcleo de um átomo de ouro (Z=79). A que distância ela se aproxima antes de atingir momentaneamente o repouso e inverter o sentido do movimento? Despreze o retrocesso do núcleo de ouro (relativamente de massa maior).

Resolvam ….

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Propriedades dos Núcleos

Onde X representa o símbolo químico do elemento.

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Quando estamos interessados nas propriedades dessas partículas como espécies nucleares (e não como parte do átomo), elas são chamadas de Nuclídeos;

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Isótopos do Hidrogênio

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Lembrando que a ordem de grandeza das distâncias atômicas era de ~10-12 m

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A Força Nuclear

A força que controla a estrutura eletrônica e as propriedades do átomo é a familiar força de Coulomb;

Porém, para manter o núcleo coeso, é necessário que exista uma força de atração forte de natureza “nova” agindo entre nêutrons e prótons, denominada Força Forte;

A Força Forte tem o mesmo caráter entre qualquer par de constituintes nucleares, sejam eles nêutrons ou prótons;

A Força Forte tem um alcance pequeno (~10 -15 m). Assim, a atração entre pares de núcleons cai rapidamente a zero para uma separação entre núcleons maior do que um determinado valor crítico;

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A figura abaixo mostra que os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha de (Z=N)

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A figura abaixo mostra que os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha de (Z=N)

Os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha (Z=N);

Já os nuclídeos estáveis pesados ficam situados bem abaixo desta linha (tem muito mais nêutrons do que prótons);

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