Ciência dos Materiais: Propriedades Elétricas

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E

TECNOLOGIA DO CEARÁ – IFCE.

CURSO DE ENGENHARIA DE MECATRÔNICA

PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS.

BÁRBARA BARROS

FLAVIENNE SOARES

FRANCISCO ADAILTON

MARIA RAYANNE

MATHEUS ALBUQUERQUE

NILTON ALENCAR

ABORDAGEM EXPLICATIVA SOBRE O CONTEÚDO DE


Fortaleza – CE

Maio/ 2014

BÁRBARA BARROS

FLAVIENNE SOARES

FRANCISCO ADAILTON

MARIA RAYANNE

MATHEUS ALBUQUERQUE

NILTON ALENCAR

ABORDAGEM EXPLICATIVA SOBRE O CONTEÚDO DE


Texto sobre as propriedades elétricas dos

materiais com o intuito de desenvolver uma

teoria sobre o assunto em destaque, sendo

requisito parcial para a disciplina de Ciências

dos Materiais do curso de Engenharia de

Mecatrônica – Instituto Federal de Educação

Ciência e Tecnologia do Ceará.

Orientador: Prof. Dr. Eloy Macedo.

Fortaleza - CE

Maio / 2014

2

Sumário

1. Introdução

2. Lei de Ohm, Condutividade Elétrica e Condução Eletrônica e Iônica.

3. Condução Eletrônica e Iônica

4. Estruturas da Banda de Energia nos Sólidos

5. Condução em Termos de Bandas e Modelos de Ligação Atômica

6. Mobilidade Eletrônica

7. Resistividade Elétrica dos Metais

8. Características Elétricas de Ligas Comerciais

9. Semicondução Intrínseca

10.Semicondução Extrínseca

11.A Variação da Condutividade e da Concentração de Portadores com

a Temperatura

12.O Efeito Hall

13.Dispositivos Semicondutores

14.Condução nos Materiais Iônicos

15.Propriedades Elétricas dos Polímeros

16.Capacitância

17.Vetores de Campo e Polarização

18.Tipos de Polarização

19.Dependência da Constante Dielétrica em Relação à Frequência

20.Materiais Dielétricos

21.Resistência Dielétrica

22.Ferroeletricidade

23.Piezoeletricidade

24.Conclusão

25.Referências Bibliográficas

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1. Introdução

O comportamento elétrico normalmente é um fator crítico na seleção

de materiais. Os comportamentos elétricos dos diferentes materiais são

diversos. O principal objetivo desse trabalho é explorar as propriedades

elétricas dos materiais, isto é, as suas respostas à aplicação de um campo

elétrico.

A condução elétrica é o resultado do movimento de portadores de

carga (como os elétrons) dentro do material, encontrando assim uma

manifestação do conceito de que a estrutura atômica e microscópica leva às

propriedades.

A facilidade ou dificuldade de condução elétrica em um material pode

ser entendida retornando-se ao conceito de níveis de energia. Nos materiais

sólidos, níveis de energia discretos dão caminho às bandas de energia,

pois, é o espaçamento relativo dessas bandas que determina a magnitude

da condutividade.

Os metais, com grandes valores de condutividade. Cerâmicas, vidros

e polímeros, com pequenos valores de condutividade, são chamados de

isolantes. Semicondutores, com valores intermediários de condutividade,

são mais bem definidos pela natureza ímpar de sua condução elétrica.

2. Lei de Ohm, Condutividade Elétrica e Condução Eletrônica e Iônica

Iniciamos o estudo das propriedades elétricas falando sobre

correntes elétricas, isto é, cargas em movimento. Embora uma corrente

elétrica seja um fluxo de cargas em movimento, nem todas as cargas em

movimento constituem uma corrente elétrica. Quando dizemos que uma

corrente elétrica passa através de uma determinada superfície, é porque

deve existir um fluxo líquido de cargas através daquela superfície.

A condução elétrica é o resultado do movimento de portadores de

carga (como os elétrons) dentro do material.

Uma das características elétricas mais importantes do de um material

é a facilidade com que ele transmite uma corrente elétrica. A característica

do condutor, relevante na situação, é a sua resistência. A resistência de um

condutor é determinada por :

4

R = Vi

(A Primeira Lei de Ohm)

onde V é a diferença de potencial entre aquelas superfícies e i é a corrente.

A resistência é medida em ohm (Ω). Um condutor cuja função num circuito é

fornecer uma resistência específica é chamado de resistor. A resistência R

de um fio condutor de comprimento L e seção transversal uniforme é

R =ρ LA

(A Segunda Lei de Ohm)

em que A é a área da seção transversal.

A resistividade é definida pela suposição que os elétrons de

condução num metal são livres para moverem-se do mesmo modo que as

moléculas de um gás. A resistividade ρ do material, em vez de tratarmos da

corrente i através do resistor, tratamos da densidade de corrente J,

definindo como:

ρ = EJ

ou ρ = me ²nt

( Fórmulas da Resistividade)

E condutividade elétrica como:

𝜎 = 1ρ

(Condutividade Elétrica)

Um resistor é um condutor com uma resistência específica. A Lei de

Ohm afirma que a corrente fluindo através de um dispositivo é diretamente

proporcional à diferença de potencial aplicada ao dispositivo. Um

dispositivo condutor obedece à lei quando uma resistência é independente

do valor e da polaridade da diferença de potencial aplicada.

A Segunda Lei de Ohm pode ser expressa como

J = σ E (Segunda Lei de Ohm)

5

em que J é a densidade de corrente e E é a intensidade do campo elétrico,

ou a diferença de voltagem entre dois pontos dividida pela distância que os

separa, ou seja,

E = Vl

( Campo Elétrico)

Uma forma de classificar os materiais sólidos é de acordo com a

facilidade pela qual eles conduzem uma corrente elétrica; nesse esquema

de classificação, existem três grupos: condutores, semicondutores e

isolantes.

Os condutores são materiais nos quais as cargas elétricas se

movem com mais facilidade em seu interior, como os metais. Os não-

condutores, ou isolantes, são materiais nos quais as cargas não podem se

mover, como os plásticos, a borracha e o vidro. Os semi-condutores são

materiais com propriedades elétricas intermediarias entre as dos

condutores e as dos semi-condutores, como o silício e o germânio.

Uma corrente elétrica resulta do movimento de partículas

eletricamente carregadas em resposta a forças que atuam sobre elas a

partir de um campo elétrico externamente aplicado. As partículas

carregadas positivamente são aceleradas na direção do campo, enquanto

as partículas carregadas negativamente são aceleradas na direção oposta.

Na maioria dos materiais sólidos, uma corrente tem origem a partir do fluxo

de elétrons, o que é denominado condução eletrônica. Nos materiais

iônicos, é possível haver um movimento resultante de íons carregados, o

que produz uma corrente; esse fenômeno é denominado condução iônica.

3. Estruturas da Banda de Energia nos Sólidos

Para definirmos as bandas de energia é necessário,

primeiramente, relembramos alguns conceitos da distribuição eletrônica

dos átomos. Cada elétron ocupa uma “posição” dentro do átomo que

está ligada ao seu estado energético. A caracterização de cada elétron

inclui, basicamente, a sua camada, a subcamada, o estado dentro de

6

cada subcamada e o seu spin. Em geral, os elétrons tendem a estar

sempre no estado de menor energia possível dentro do átomo e, se há

dois átomos dentro do mesmo estado, esses têm que ter spins opostos.

Agora, suponhamos um arranjo de átomos, de um determinado

metal. Pegando o sódio como exemplo, os subníveis de menos energia

permanecerão, praticamente, inalterados. Porém a camada mais externa

de elétrons (no caso, o nível 3s) é influenciada fortemente pelo conjunto

de átomos existente, principalmente devido ao fato de, nos metais, os

elétrons mais externos estarem “livres” (formando uma “nuvem

eletrônica”) na ligação metálica.

Essa influencia que cada elétron de valência sofre faz surgir

vários estados energéticos na camada mais externa, formando uma

banda de energia extremamente estreita, que corresponde à camada de

valência dos átomos de sódio. Vale ressaltar que essa banda de energia

é tida como diversos estados discretos (ou seja, descontínuos) de

energia, porém com uma separação muito pequena de uma para a

outra.

Fig. 1 – Nível de energia das bandas e ampliação dos diversos estados energéticos.

4. Condução em Termos de Bandas e Modelos de Ligação Atômica

O estudo dessas bandas de energia (que influenciam diretamente

nas propriedades elétricas do material) é feito, em geral, à temperatura

7

de zero absoluto (0 K). A essa temperatura, a energia do estado

preenchido mais alto é denominada energia (ou nível) de Fermi,

simbolizado por Ef. Abaixo, tem-se uma figura representando as bandas

de energia possíveis para os sólidos a 0 K.

A partir da energia de Fermi podemos definir o conceito de

elétrons livres, que serão os elétrons utilizados durante o processo de

condução do material. Porém, somente os elétrons que podem ser

acelerados por um campo elétrico (ou seja, os que possuem energia

maior que a Ef) são denominados de elétrons livres. Assim os elétrons

só precisam atingir o nível energético de um dos estados de energia

vazios acima da energia de Fermi.

Nos metais, a energia necessária para promover um elétron para

o estado vazio de energia mais próximo ao Ef é muito pequena gerando,

assim, um grande número de elétrons livres. Logo, pode-se concluir que,

com uma elevada quantidade de elétrons livres, os metais possuem uma

elevada condutividade.

Já nos semicondutores e isolantes, a condutividade pode ser

influenciada por três fatores: espaçamento entre as bandas (de valência

e de condução), temperatura e modelo de ligação atômica. Nesses

materiais, os elétrons têm que ser levado da banda de valência

preenchida até a vazia. Para isso é necessário que seja fornecido um

valor energético ao elétron de, aproximadamente, o valor da energia do

espaçamento entre as bandas (denominado Ee ou Eg). Assim, o valor

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energético necessário para que um elétron seja levado para a banda

vazia é bastante elevado, ocasionando uma baixa condutividade.

Analisando a temperatura temos que, com o aumento da

temperatura há um aumento energético disponível para os elétrons,

ocasionando em uma maior quantidade de elétrons podendo chegar a

banda de condução (ou vazia). Quanto ao tipo de ligação, os

semicondutores têm como característica possuir uma ligação do tipo

covalente, onde os elétrons estão parcialmente presos aos átomos,

tendo uma relativa mobilidade. Já nos isolantes que possuem ligação

iônica ou fortemente covalente, os elétrons estão praticamente presos

ao material, não estando livres. Assim, os elétrons se movem mais

facilmente nos semicondutores que nos isolantes.

5. Mobilidade Eletrônica

Os elétrons livres de um material, ao serem submetidos a um

campo elétrico, são acelerados e geram uma corrente. Porém, o

movimento desses elétrons livres é influenciado por diversos fatores que

servem como “forças de atrito”. Essas forças aparecem devido ao

espalhamento dos elétrons e são ocasionadas pelas imperfeições do

retículo (átomos de impurezas, lacunas, discordâncias).

Mas mesmo com essa força contrária ao movimento dos elétrons

livres, esses ainda se movem na direção da aceleração gerada pelo

9

campo (no que podemos chamas de deslocamento líquido). A descrição

desse espalhamento (que funciona como uma medida da resistência do

material à passagem de corrente elétrica) pode ser feito através da

velocidade de arraste (υa) como sendo:

υa=μe×E

onde μe é o valor da mobilidade eletrônica. Já a condutividade (σ ) do

material é dada por:

σ=n×e×μe

onde n é o número de elétrons livres por unidade de volume e e indica o

valor da carga elétrica elementar.

6. Resistividade Elétrica dos Metais

A resistividade é definida como sendo o inverso da condutividade,

como já foi dito anteriormente. Logo, é adequado o estudo da condução

elétrica do ponto de vista da resistividade do material. Como já foi

discutido anteriormente, as imperfeições cristalinas geram o

espalhamento dos elétrons livres, onde as imperfeições são

influenciadas pela temperatura, composição e grau de deformação a frio

da amostra. Através de experimentos descobriu-se que a resistividade

de um material pode ser dada a partir da soma das resistividades das

vibrações térmicas, das impurezas e da deformação plástica

individualmente. Podemos descrever esse fato através da regra de

Matthiessen:

ρtotal= ρt+ρi+ρd

onde ρt, ρi e ρd representam, respectivamente, a resistividade térmica,

das impurezas e da deformação.

A influência da temperatura na resistividade é usada com

bastante frequência já que foi descoberta experimentalmente a

10

dependência linear da resistividade com o valor da temperatura como

sendo:

ρt=ρrt [1+α (T−T rt ) ]

onde ρrt é a resistividade do material à temperatura ambiente, α o

coeficiente de temperatura da resistividade (característico do material), T

a temperatura a qual se quer calcular a resistividade e T rt o valor da

temperatura ambiente. Pode-se justificar esse aumento da resistividade

devido ao fato de aumentar as vibrações térmicas do material.

A influencia das impurezas em um material é analisada a partir de

uma equação dependente apenas da concentração da impureza (c i) e é

dada por

ρi=A ci (1−ci )

e A é uma constante que independe da concentração de impureza.

Dessa equação podemos perceber que a resistividade possui um valor

máximo para um determinado valor de concentração de impureza, nunca

extrapolando esse valor, independente da concentração. Já a

deformação plástica não há um cálculo específico para sua influência na

resistividade sabendo-se, apenas, que este fator irá aumentar o valor da

resistividade do material.

7. Características Elétricas de Ligas Comerciais

Algumas ligas apresentam características elétricas específicas,

adequando-se a determinadas condições de uso. Por exemplo, em

circuitos elétricos, com o intuito de diminuir dissipação de energia, são

utilizados materiais que possuem uma alta condutividade elétrica. As

ligas fabricadas a partir do cobre são as mais utilizadas em diversas

aplicações elétricas. O alumínio também pode ser usado para a

condução elétrica, no entanto, sua condutividade é aproximadamente

metade da do cobre. A prata possui condutividade bem mais elevada

que os metais anteriormente mencionados. Porém, por ser um metal

nobre, o custo para a sua aplicação é muito alto.

11

Para determinados propósitos, é necessário manter as

propriedades de alta condutividade ao mesmo tempo em que a

resistência mecânica é aumentada. Tal resistência pode ser aumentada

a partir de uma deformação plástica à frio ou pela formação de solução

sólida. Ambas as técnicas acarretam em uma perda de condutividade.

Dessa maneira, um equilíbrio entre as duas propriedades, condutividade

elétrica e resistência mecânica, deve ser encontrado dependendo da

aplicação.

Outra aplicação de ligas comerciais tem relação com

componentes de aquecimento. Nesse caso, materiais que possuem

elevada resistividade devem ser empregados. Isso porque quanto maior

a resistividade, maior será a energia dissipada em forma de calor nesse

componente. Além disso, propriedades como resistência à oxidação e

elevados pontos de fusão são requeridas.

8. Semicondução Intrínseca

Os semicondutores possuem características intermediárias, em

relação à condutividade elétrica, em comparação aos condutores e aos

isolantes. Eles são classificados, basicamente, em dois grupos: os

semicondutores intrínsecos e os extrínsecos. A diferenciação é simples:

nos intrínsecos, as características de semicondutividade é definida pela

configuração eletrônica do metal puro. Já no outro subgrupo, o dos

condutores extrínsecos, sua semicondutividade é estabelecida de

acordo com o número de impurezas presentes no material.

Os semicondutores apresentam uma configuração eletrônica

peculiar. Existe a camada de valência dos átomos, camada mais externa

que possui valores de energia elevados. O elétron presente nesse

camada necessita ser excitado para se tornar um elétron livre. No

entanto, entre a camada de valência e a zona de condução, existe uma

zona proibida que tais elétrons devem ultrapassar. A dimensão dessa

zona é bem inferior nos semicondutores do que nos materiais isolantes.

O germânio (Ge) e o silício são os materiais semicondutores

típicos, ambos possuem ligações químicas covalentes e pertencem ao

grupo IV A da tabela periódica. Outros materiais compostos também

12

possuem características de semicondutividade, tais como: arsenato de

gálio (GaAs), antimoneto de índio (InSb), sulfeto de cádmio (CdS) e o

telureto de zinco (ZnTe).

A tabela a seguir apresenta algumas características de alguns

materiais semicondutores:

Material Espaçamento

entre Bandas

(eV)

Condutividad

e Elétrica

[1/(Ω-m)]

Mobilidade

do Elétron

(m²/V-s)

Mobilidade

do Buraco

(m²/V-s)

Si 1,11 0,0004 0,14 0,05

Ge 0,67 2,2 0,38 0,18

GaP 2,25 - 0,05 0,002

GaAs 1,42 0,001 0,85 0,45

InSb 0,17 20000 7,7 0,07

CdS 2,40 - 0,03 -

Zn Te 2,26 - 0,03 0,01

Tabela – Energias dos Espaçamentos entre Bandas, Mobilidade dos Elétrons e dos Buracos, e

Condutividades Elétricas Intrínsecas e Extrínsecas à Temperatura Ambiente para Materiais

Semicondutores

Analisando-se a tabela, percebe-se que a condutividade elétrica

do germânio (Ge) é consideravelmente superior a do silício. Esse fato

está relacionado com as dimensões dos espaçamentos entre bandas de

energia e outras propriedades como a mobilidade do elétron e do

buraco.

O conceito desse termo específico, buraco, apresenta bastante

importância na teoria dos semicondutores. Nesse tipo de material,

quando um elétron é ,de alguma forma, excitado para uma banda de

energia superior, acaba sendo criada uma espécie de lacuna no lugar

onde tal elétron estava anteriormente.

Na presença de um campo elétrico, os elétrons de maior nível de

energia tendem a ser acelerados no sentido oposto ao do campo. Se

considerarmos o buraco como sendo um região carregado

13

positivamente, pode-se considerar que o buraco se move no mesmo

sentido do campo elétrico.

Tem-se uma representação desse processo abaixo:

Figura 1. Modelo de configuração eletrônica para a condução elétrica no silício intrínseco.

Portanto, existem dois portadores de cargas, os elétrons e os

buracos. Dessa forma, pode-se apresentar uma expressão que determine a

condutividade elétrica em semicondutores, levando-se em consideração

ambos os portadores:

σ=n .|e|. μe+ p .|e|. μp

Nesse caso, “n” e “p” são os números de elétrons e buracos,

respectivamente. E a letra grega “µ” representa a mobilidade desses

portadores.

No caso específico dos semicondutores intrínsecos, todo elétron que

é excitado e se move na direção aposta ao do campo elétrico forma um

buraco, assim, n=p. Rearranjando-se a expressão anterior, obtém-se:

σ=n .|e|.( μe+μ p )=p .|e|.( μe+μp )

14

9. Semicondução Extrínseca

(Digite (cole) seu texto aqui)

10.A Variação da Condutividade e da Concentração de Portadores com

a Temperatura


11.O Efeito Hall


12.Dispositivos Semicondutores


13.Condução nos Materiais Iônicos


14.Propriedades Elétricas dos Polímeros


15.Capacitância


16.Vetores de Campo e Polarização


17.Tipos de Polarização

15


18.Dependência da Constante Dielétrica em Relação à Frequência


19.Materiais Dielétricos

Os materiais dielétricos são materiais eletricamente isolantes, ou

seja, são materiais com baixa condutividade, nenhuma carga pode se

mover livremente. Conforme a tabela a seguir percebe-se uma diferença

de condutividade de cerca de 20 ordens de grandeza entre os materiais

condutores e isolantes, isso é o resultado dos espaçamentos entre as

bandas de energia maiores que 2 eV.

Tabela 1. Condutividades elétricas de alguns materiais em temperatura ambiente.

Esses materiais com baixa condutividade são aplicados

intensamente na indústria eletrônica. Uma variedade de materiais

cerâmicos e de polímeros é utilizada em isolantes e/ou em capacitores.

O uso industrial dominante das cerâmicas eletrônicas inclui suas

16

aplicações baseadas no comportamento magnético intimamente

associado.

Muitos dos materiais cerâmicos, incluindo o vidro, a porcelana, a

esteatita e a mica, possuem constantes dielétricas dentro da faixa de 6 a

10. Pode-se observar na tabela seguinte.

Tabela 2. Constantes e resistências dielétricas para alguns materiais dielétricos

Esses materiais também se caracterizam por exibirem um elevado

grau de estabilidade dimensional e de resistência mecânica. Dentre suas

aplicações típicas incluem-se o isolamento elétrico e de linhas de

energia, bases de interruptores e bocais de lâmpadas. A titânia (TiO2) e

as cerâmicas à base de titanato, tais como o titanato de bário (BaTiO3),

podem ser fabricadas com constantes dielétricas extremamente

elevadas, o que as torna especialmente úteis para algumas aplicações

em capacitores.

Para os isolantes a densidade de elétrons é extremamente

pequena, devido ao grande espaçamento entre as bandas. Em muitos

casos, o pequeno grau de condutividade nos isolantes não é o resultado

da promoção térmica dos elétrons através da separação entre as

bandas. Em vez disso, a pequena condutividade pode ser devida a

elétrons associados a impurezas no material. Ela também pode resultar

da condução iônica.

17

Figura 2. Um capacitor de placas paralelas envolve um isolante, ou dielétrico,

entre dois eletrodos metálicos. O acúmulo de uma densidade de carga na

superfície do capacitor está relacionado à constante dielétrica do material.

A Figura anterior mostra o acúmulo de cargas em uma aplicação

típica usando um isolante, ou dielétrico, um capacitor de placas

paralelas; a carga líquida de um capacitor é sempre nula, pois, para

cada carga positiva em uma placa existe uma carga negativa na placa

oposta, portanto, o capacitor acumula energia e não carga elétrica. Na

escala atômica, o acúmulo de cargas corresponde ao alinhamento dos

dipolos elétricos no interior do dielétrico. Esse conceito é explorado com

detalhes em conjunto com a discussão sobre os materiais ferroelétricos

e piezoelétricos. Uma densidade de carga, D (em C/m²), é produzida e é

diretamente proporcional à intensidade do campo elétrico, E (em V/m),

D=ϵE

Onde a constante de proporcionalidade, ϵ , é chamada de permissividade

elétrica do dielétrico e possui unidades de C/(V.m); permissividade

elétrica é a constante de proporcionalidade entre o deslocamento

dielétrico D e o campo elétrico E. Para determinado dielétrico, existe

uma diferença de potencial-limite, chamada de rigidez dielétrica, em que

ocorre um fluxo (ou rompimento) de corrente apreciável e o dielétrico

falha.

18

20.Resistência Dielétrica

Quando são aplicados campos elétricos muito altos através de

materiais dielétricos, grandes números de elétrons podem

repentinamente ser excitados para energias dentro da banda de

condução. Como resultados, a corrente através do dielétrico devido ao

movimento desses elétrons aumenta drasticamente; algumas vezes,

uma fusão, queima ou vaporização localizada produz uma degradação

irreversível, e talvez até mesmo a falha do material. Esse fenômeno é

conhecido por ruptura do dielétrico, algumas vezes, uma fusão, queima

ou vaporização localizada produz uma degradação irreversível, e talvez

até mesmo a falha do material. Esse fenômeno é conhecido por ruptura

do dielétrico, algumas vezes chamada de resistência de ruptura,

representa a magnitude de um campo elétrico que é necessário para

produzir uma ruptura, portanto, na ruptura do dielétrico a magnitude de

um campo elétrico necessária para provocar a passagem de uma

corrente significativa através de um material dielétrico.

21.Ferroeletricidade

O material ferroelétrico é caracterizado por ser um dielétrico que

pode exibir polarização na ausência de um campo elétrico. Esses

materiais são análogos aos materiais ferromagnéticos. Nos materiais

ferroelétricos existem dipolos elétricos cuja origem é explicada para o

titanato de bário, um dos materiais ferroelétricos mais comuns. Para o

BaTiO3 a estrutura cúbica é encontrada acima dos 120°C, esse

composto sob o resfriamento logo abaixo de 120°C sofre uma

transformação de fase para uma modificação tetragonal. A temperatura

de transformação (120°C) é chamada de temperatura crítica. O titanato

de bátio é considerado ferroelétrico abaixo de Tc. A estrutura tetragonal

em temperatura ambiente do bátio é assimétrica. Como resultado, o

centro global da carga positiva da distribuição de cátions dentro da

célula unitária é separado do centro global da carga negativa da

distribuição de ânions. Essa estrutura é equivalente ao dipolo elétrico

permanente na célula unitária tetragonal do BaTiO3. Ao contrário de um

19

material cúbico, a estrutura de dipolo da célula unitária tetragonal

permite uma grande polarização do material em resposta a um campo

elétrico aplicado.

Figura 3. (a) Vista frontal da estrutura cúbica do BaTiO3. (b) Abaixo de 120°C,

ocorre uma mudança tetragonal na estrutura. O resultado líquido é um

deslocamento para cima dos cátions e um deslocamento para baixo dos ânions.

O material ferroelétrico pode ter polarização nula na ausência de

campo aplicado devido a uma orientação aleatória de domínios

microscópicos, regiões onde o eixo c de células unitárias adjacentes

possuem uma direção comum. Sob um campo aplicado, as orientações

de dipolos da célula unitária aproximadamente paralelas à direção do

campo aplicado são favorecidas. Nesse caso, domínios com tais

orientações crescem à custa de outros, menos favoravelmente

orientados. O mecanismo específico de movimento das paredes dos

domínios é simplesmente o pequeno deslocamento das posições dos

íons dentro das células unitárias, resultando na mudança de orientação

líquida do eixo tetragonal c. Esse movimento das paredes dos domínios

resulta em uma polarização espontânea. Por outro lado, o material com

célula unitária simétrica é paraelétrico e apenas uma pequena

polarização é possível, uma vez que o campo elétrico aplicado produz

um pequeno dipolo induzido.

20

Figura 4. Um material paraelétrico exibe apenas um modesto nível de polarização

com campos aplicados. Em contraste, um material ferroelétrico exibe polarização

espontânea onde domínios de células unitárias orientadas de modo semelhante

crescem sob campos crescentes de orientação semelhante.

Quando se aplica um campo elétrico alternado ocorre o ciclo de

histerese, ou seja, uma corrente elétrica alternada é aplicada e assim o

campo elétrico é repetidamente variado. Como se pode ver no gráfico a

seguir.

21

Figura 5. Uma linha tracejada indica a polarização espontânea inicial. A

polarização de saturação (Ps) é o resultado do crescimento máximo dos

domínios (extrapolado até o campo nulo). Sob a remoção do campo, alguma

polarização remanescente (Pr) permanece. Um campo coercivo (Ec) é exigido

para alcançar a polarização nula (volumes iguais de domínios opostos).

Diversos parâmetros-chave quantificam o ciclo de histerese. A

polarização de saturação, Ps, é a polarização ocasionada pelo

crescimento máximo dos domínios. Ps é extrapolado para o campo nulo

(E=0) para corrigir a polarização induzida não devida à reorientação dos

domínios. A polarização remanescente, Pr, é a que permanece após a

remoção do campo real. A redução de E até zero não leva a estrutura de

domínios de volta a volumes iguais de polarizações opostas. É

necessário reverter o campo para um nível Ec (o campo coercivo) para

conseguir esse resultado. É o ciclo de histerese característico que dá

nome à ferroeletricidade.

22

22.Piezoeletricidade

A piezoeletricidade é uma propriedade não usual exibida por

poucos materiais cerâmicos, ou seja, a eletricidade pela pressão: a

polarização é induzida e um campo elétrico é estabelecido através de

uma amostra pela aplicação de forças externas. A reversão do sinal de

uma força externa (isto é, de tração para compressão) inverte a direção

do campo. Na figura a seguir é possível ver o efeito piezoelétrico.

Figura 6. (a) Dipolos no interior de um material piezoelétrico. (b) Quando o

material é submetido a uma tensão de compressão, é gerada uma tensão.

Os materiais piezoelétricos são utilizados em transdutores,

dispositivos que convertem energia elétrica em deformações mecânicas,

ou vice-versa. Dentre as aplicações dos materiais piezoelétricos

incluem-se as agulhas de fonógrafos, os microfones, os geradores

ultrassônicos, os medidores de deformação e os detectores por sonar.

Os materiais piezoelétricos incluem os tiatanatos de bário e

chumbo, o zinconato de chumbo (PbZrO3), o diidrogênio fosfato de

amônio (NH4H2PO4) e o quartzo. Essa propriedade é característica dos

materiais que possuem estruturas cristalinas complicadas com um baixo

grau de simetria. O comportamento piezoelétrico de uma amostra

policristalina pode ser melhoradopelo aquecimento acima de sua

23

temperatura Curie e em seguida pelo resfriamento à temperatura

ambiente em um campo elétrico forte.

23.Conclusão

Com base no que foi abordado, conclui-se que duas

características importantes de um material são sua condutividade e sua

resistividade elétrica. Assim, em relação a essas características um

material sólido pode ser classificado como um dielétrico, semicondutor

ou um metal.

Uma corrente elétrica é o resultado do movimento das cargas

elétricas, as quais são aplicadas a um campo elétrico a fim de serem

aceleradas. O número dessas cargas (elétrons lIvres) depende da

estrutura da de energia eletrônica do material. Logo, existe um tipo

distinto de estrutura de banda para os metais, para os semicondutores e

para os isolantes (dielétricos).

Dentre as propriedades evidenciadas para os materiais metálicos,

destaca-se que a resistividade elétrica aumenta com a temperatura, o

teor de impurezas e a deformação plástica.

Os condutores podem ser classificados como intrínsecos ou

extrínsecos. Sendo que os últimos podem ser do tipo n ou p. A

condutividade elétrica de materiais semicondutores é sensível ao tipo e

teor de impurezas, bem como à temperatura.

Existe uma variedade de dispositivos semicondutores que

emprega a característica elétrica única exibida por esses materiais de

executar funções eletrônicas específicas. Entre esses dispositivos

destacam-se a junção retificadora p-n e os transistores de junção e o

MOSFET. Os transistores são usados para a amplificação de sinais

elétricos, bem como para dispositivos comutadores em circuitos de

computadores.

Já os materiais dielétricos são isolantes elétricos, no entanto são

suscetíveis à polarização na presença de um campo elétrico. Esse

fenômeno de polarização na presença de um campo elétrico é

empregado em capacitores.

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Em suma, dois outros fenômenos foram discutidos: a

ferroeletricidade e a piezoeletricidade. Os materiais ferroelétricos são

aqueles que podem exibir polarização espontaneamente, na ausência de

qualquer campo elétrico externo. A piezoeletricidade é o fenômeno

segundo o qual a polarização é induzida em um material pela imposição

de forças externas.

Logo, as propriedades elétricas são de extrema importância para

a alta empregabilidade na eletrônica e em outros meios, desenvolvendo

e proporcionando materiais com características elétricas bem definidas.

24.Referências Bibliográficas

- JR., William D. Callister. Ciência e Engenharia de Materiais:

Uma Introdução, 5ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2002.

- Shackelford, James F. Ciência dos Materiais, 6ª edição. São

Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008.

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Ciência dos Materiais: Propriedades Elétricas

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