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Aula 20 – Condução de Eletricidade nos Sólidos
Física 4
Ref. Halliday – Volume4
Profa. Keli F. Seidel
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Sumário Capítulo 41 – Condução Elétrica nos Sólidos
Transistores; Supercondutores;
Capítulo 42 – Física Nuclear Descobrindo o Núcleo; Algumas Propriedades Nucleares;
Profa. Keli F. Seidel
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Transistores
Profa. Keli F. Seidel
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;
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Transistores
Profa. Keli F. Seidel
Transistor de Efeito de Campo “tradicional” (FET - field effect transistor ou OFET – organic field effect transistor)
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Transistores
Profa. Keli F. Seidel
Transistor de Efeito de Campo Convencional (FET)
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Transistores
Profa. Keli F. Seidel
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)
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Transistores
Profa. Keli F. Seidel
Representação esquemática do Transistor pnp ou npn;
n np
Emissor Base Coletor
Modo de operação de base-comum
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Transistores
Profa. Keli F. Seidel
Representação esquemática do Transistor pnp ou npn;
n np
Emissor Base Coletor
Polarização Inversa Polarização Direta
n p
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Transistores
Profa. Keli F. Seidel
Representação esquemática do Transistor pnp ou npn;
Modo de operação de base-comum
Polarização direta – diminui V0;
Polarização inversa – aumenta V0;
n p n
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Supercondutores
Profa. Keli F. Seidel
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);
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Supercondutores
Profa. Keli F. Seidel
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);
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Supercondutores
Profa. Keli F. Seidel
Comportamento de alguns condutores (e supercondutores) em relação à variação da temperatura
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Supercondutores
Profa. Keli F. Seidel
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);
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Supercondutores
Profa. Keli F. Seidel
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!
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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
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Supercondutores
Profa. Keli F. Seidel
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);
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Supercondutores
Profa. Keli F. Seidel
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
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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
Capítulo 42 – Física Nuclear
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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
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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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
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???
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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
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...
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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
A Descoberta do Núcleo
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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
A Descoberta do Núcleo
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Física Nuclear
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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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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
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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Física Nuclear
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Propriedades dos Núcleos
Onde X representa o símbolo químico do elemento.
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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
Propriedades dos Núcleos
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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Física Nuclear
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Propriedades dos Núcleos
Isótopos do Hidrogênio
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Física Nuclear
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Propriedades dos Núcleos
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Física Nuclear
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Propriedades dos Núcleos
Lembrando que a ordem de grandeza das distâncias atômicas era de ~10-12 m
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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
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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Física Nuclear
Profa. Keli F. Seidel
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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Física Nuclear
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