Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA 1....

Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA

1. Introdução

2. O Nascimento da Eletrônica

3. A Era da Eletrônica

4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do

Estado Sólido

5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica

Quântica


Eletrônica


1. INTRODUÇÃO

a) Comportamento macroscópico dos elétrons nos dispositivos.



Eletrônica

1. INTRODUÇÃO

Orbital s Orbital p

Orbital d

b) Comportamento microscópico dos elétrons nos dispositivos.



Eletrônica

1. INTRODUÇÃO

c) Dispositivos de retificação, amplificação e chaveamento de sinais elétricos.

Diodos

Transistores bipolares Transistor MOSFET em uma placa-mãe.


Circuitos de Retificação


1. INTRODUÇÃO

a) Retificação de Meia-Onda.


Circuitos de Retificação


1. INTRODUÇÃO

b) Retificação de Onda Completa.


Circuitos de Amplificação


1. INTRODUÇÃO

a) Transistor com Emissor Comum.



Circuitos de Amplificação

1. INTRODUÇÃO

b) Transistor com Base Comum.


Circuito de Chaveamento


1. INTRODUÇÃO

a) Circuito.



Circuito de Chaveamento

1. INTRODUÇÃO

b) Sinal de Saída.


Mecânica Quântica


1. INTRODUÇÃO

a) ferramenta teórica para este tratamento microscópico;

b) modelo microscópico da Natureza;

c) projeto de novos dispositivos com propriedades inovadoras e surpreendentes;

d) desenvolvimento por engenheiros e cientistas de uma série de produtos e dispositivos largamente utilizados em nossos dias.


Aplicações


1. INTRODUÇÃO

Fotografia de um circuito integrado construído no Brasil, nos laboratórios da Escola Politécnica da USP em 1988.

a) Micro-eletrônica: CIRCUITOS INTEGRADOS.


Aplicações


1. INTRODUÇÃO

b) Opto-eletrônica: LASER DE DIODO.


Aplicações


1. INTRODUÇÃO

c) Novos materiais: NANOTECNOLOGIA.



1. Introdução




Estado Sólido


Quântica


John Ambrose Fleming (1847-1945):


2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA



John Ambrose Fleming


Thomas Alva Edison (1847-1931)

Emissão termoiônica,

descoberta por Edison em 1883.

Experimentos com o Efeito Edison (emissão termoiônica) ainda no século XIX.



John Ambrose Fleming


Em 1905 Fleming patenteou a válvula diodo.



Esquema de uma Válvula Diodo


Filamento e uma placa metálica dentro de um bulbo de vidro, com muito do ar bombeado para fora para obter um vácuo parcial.


Válvula Diodo



Retificador converte um sinal AC em um sinal DC.


Válvula Diodo



Detector obtém sinal a partir de uma onda portadora modulada.


Válvula Diodo



Circuito de operação com fonte + válvula diodo.


Válvula Diodo



pI I V

I: corrente elétrica que circula pela válvula

Vp : tensão de polarização da válvula.

Curva característica da válvula diodo.

Modelo físico de funcionamento.



Válvula Diodo

0

ˆS

qE n da

0

rE

Teorema

de Gauss


0 = 8,8510-12 C2/Nm2: permissividade elétrica do vácuo

q: quantidade de carga

: densidade de carga

Aplica-se a Lei de Gauss numa superfície gaussiana que envolve o cátodo e um ponto a uma distância x dele.



Válvula Diodo

V E dl

2

0

rV r


E V

Utiliza-se a definição de potencial eletrostático V.



Válvula Diodo

2

20

d V x x

dx


22

2

d V xV r

dx

Considera-se o movimento dos elétrons como ocorrendo em apenas uma dimensão (direção x).



Válvula Diodo

2

20

d V x e n x

dx


x n x e

n: concentração de elétrons (número de elétrons por unidade de

volume).

Considera-se que os elétrons tenham carga elementar e = -1,610-19 C.



Válvula Diodo

2

20

d V x J

dx v x


J e n x v x J: densidade de corrente de elétrons

(corrente elétrica por unidade de área).

J é constante, depende apenas do material do qual é feito o filamento

e da temperatura à qual ele é submetido.

v: velocidade dos elétrons.

Expressa-se a concentração de elétrons em termos da densidade de corrente J.



Válvula Diodo

2

0 0

0 0

1

2 e

K x

U x

K x m v x

U x e V x


0 0 0E K x U x K x U x

K: energia cinética dos elétrons

U: energia potencial dos elétrons.

me = 9,110-31 kg : massa do elétron 1/ 2

2

e

ev x V x

m

Utiliza-se o Princípio da Conservação da Energia para determinar a velocidade no ponto x.



Válvula Diodo

1/ 22

1/ 22

02e

d V x m JV x

dx e


Obtém-se uma equação diferencial que rege o movimento dos elétrons na válvula.



Válvula Diodo

bV x B x


B e b: constantes a serem determinadas.

Caso B e b existam, a solução proposta acima é ÚNICA (Teorema da Unicidade).

2

22

1 bd V xb b B x

dx

Propõe-se a seguinte solução para V(x):



Válvula Diodo


1/ 2

2 1/ 2 / 2

0

12

b bem Jb b B x B x

e

42

2 3

bb b

Determinação de b.



Válvula Diodo


1/ 2

2 1/ 2 / 2

0

12

b bem Jb b B x B x

e

1/ 2

1/ 2

0

12em J

b b B Be

2/31/ 2

0

9.

4 2em J

Be

Determinação de B.



Válvula Diodo

2/31/ 2

4 /3

0

9.

4 2em J

V x xe


x d pV Vd: distância entre o cátodo e o ânodo

Vp: tensão de polarização da válvula

Expressão final para V(x):



Válvula DiodoCurva característica da válvula diodo:

1/ 2

3/ 202

4 2

9p pe

A eI V V

d m


d: distância entre o cátodo e o ânodo

A: área de seção transversal dos eletrodos da válvula

6 3/ 22

2,32 10p p

AI V V SI

d

IJ

A




3/ 2I VVálvula

Ideal

Válvulas reais 5U4 e 1V2


Lee DeForest (1873-1961)



Desenvolveu a válvula triodo em 1906.


Válvula Triodo



Introdução de uma grade à válvula diodo, colocada entre o cátodo e o ânodo.


Válvula Triodo



Funcionamento da válvula triodo.


Válvula Triodo



Curvas características.


Válvulas



Desvantagens:

1) O seu tamanho a miniaturização dos dispositivos fica comprometida.

2) A sua fragilidade seu invólucro é feito de vidro.

3) Aquecimento em operação.


Válvulas



Desvantagens:

4) A vida curta, se comparada ao transistor.

5) A sua fabricação dispendiosa (baixa escala).

6) Dificuldades técnicas alto ruído e instabilidade em algumas faixas de freqüência (microondas).


Válvulas



Vantagens:

2) O transistor trabalha em uma faixa limitada de potência, enquanto que a válvula trabalha em potências desde W até milhares de W.

3) Vantagem técnica adicional desempenho é melhor em altas freqüências, se comparada com a de um transistor.

1) Uso em situações onde sejam necessárias maiores quantidades de potência.


Válvulas



Guglielmo Marconi John Logie Baird

Agradecimentos:

1) Projeto e desenvolvimento dos grandes sistemas de comunicação do século XX rádio (Guglielmo Marconi, em 1901) e TV (John Logie Baird, em 1926).


Válvulas


Composto por 17.468 válvulas, ocupava um galpão imenso. Processava apenas 5.000 adições, 357 multiplicações e 38 divisões por segundo, bem menos até do que uma calculadora de bolso atual, das mais simples.


Agradecimentos:

Projeto e desenvolvimento do primeiro computador eletrônico (valvulado) ENIAC – ELECTRONIC NUMERICAL INTEGRATOR AND CALCULATOR, em 1946).



1. Introdução




Estado Sólido


Quântica


Aspectos Históricos


3. A ERA DA ELETRÔNICA

Antes da 2a Guerra Mundial estudo de contatos retificadores para circuitos de rádio-comunicação.

Coesor de Branly





John Bardeen Walter Brattain

Descoberta do efeito transistor em 1948 por John Bardeen (1908-1991) e Walter Brattain (1902-1987).

Início de uma nova era, tanto na pesquisa em semicondutores como no desenvolvimento tecnológico.


Transistor



Primeiro transistor utilizado por Bardeen e Brattain.


Transistor



William Schockley

Configuração atual do transistor bipolar: contribuição de William Schockley (1910-1989).


Efeito Transistor



1) “Triodo semicondutor” analogia à válvula triodo que apresentava a mesma característica de amplificação.

2) Transistor transfer resistor (transferência de corrente de um circuito a outro).

3) A descoberta do transistor ocorreu em Dezembro de 1947, e não em Junho de 1948; a divulgação das pesquisas foi retardada durante estes sete meses por problemas relativos à patente.


Conseqüências



1) Repercussão não foi grandiosa não se discutia a substituição das válvulas pelos transistores.

2) Dispositivo construído por Bardeen e Brattain problemas com a estabilidade e reprodutibilidade dos contatos elétricos.

3) Shockley (Bell Labs - 1949) aperfeiçoou o transistor de contato de ponto utilizando materiais semicondutores que apresentavam dopagem (impurezas).


O Funcionamento do Transistor



a) Uma corrente elétrica de controle é aplicada entre o emissor e a base.





b) Os elétrons são injetados na base através da junção com o emissor (devido a Vbe).





c) Elétrons fluem através da junção com o coletor para o circuito externo (devido a Vce).





d) Quando a voltagem na base varia, a corrente elétrica no circuito externo varia proporcionalmente.


Transistor, e a vida segue....



1) Bardeen, Brattain e Shockley Prêmio Nobel de Física (1956) pela descoberta e aperfeiçoamento do transistor.

2) Bardeen e Brattain continuaram seu trabalho na pesquisa básica da Física do Estado Sólido.

3) Shockley voltou-se para a indústria, criando a empresa Shockley Semiconductor Company, que posteriormente deu origem à Intel.



1. Introdução




Estado Sólido


Quântica




4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO

1) Antes do transistor, a eletrônica estava centrada na válvula, que é um dispositivo à vácuo.

2) Após a invenção do transistor houve uma ênfase no desenvolvimento de dispositivos de Estado Sólido.

3) Com isso, houve uma mudança no paradigma do desenvolvimento científico e tecnológico.





Antes do transistor 2a Guerra Mundial Bomba Atômica Tecnologia Nuclear.





Grande parte do financiamento à pesquisa foi destinado à compreensão da Física Nuclear....





E à construção de reatores nucleares...




Pensem nas crianças mudas telepáticas Pensem nas meninas cegas inexatas, Pensem nas mulheres rotas alteradas,

Pensem nas feridas como rosas cálidas, Mas não se esqueçam da rosa da rosa, Da rosa de Hiroxima a rosa hereditária, A rosa radioativa estúpida e inválida,

A rosa com cirrose a anti-rosa atômica, Sem cor nem perfume sem rosa sem nada.

Rosa de Hiroxima

Vinícius de Morais


E ..... ao desenvolvimento da bomba atômica Guerra Fria.





Após o transistor revolução da Eletrônica tecnologia em Novos Materiais.

a) Materiais metálicos: ligas metálicas leves.

b) Materiais cerâmicos: cerâmica de alto desempenho.

c) Materiais poliméricos: plásticos.

d) Materiais compósitos.





1) Materiais Metálicos.


ALUMINA




2) Materiais Cerâmicos.





3) Materiais Poliméricos.





4) Materiais Compósitos.



O que estes materiais têm em comum?


1) Todos foram obtidos a partir de um melhor conhecimento da estrutura dos ÁTOMOS que os constituem.

2) Hegemonia da Física Atômica como base para a Física do Estado Sólido.

3) Necessidade de uma ferramenta teórica para melhor compreender o ÁTOMO MECÂNICA QUÂNTICA.



Evolução Histórica


1) Década de 1940 (1946) Invenção do TRANSISTOR.





Jack Kilby Robert Noyce

Fotografia do primeiro circuito

integrado (CI) fabricado pelas

Texas Instrument

Fotografia de um CI moderno.

2) Década de 1950 (1958, Jack Kilby e Robert Noyce, Texas Instrument) Miniaturização (Circuitos Integrados).





Theodore Maiman

Esquema de funcionamento de um laser de rubi.

3) Década de 1960 Invenção do LASER (LASER de RUBI, por Theodore Maiman em 1960).





Robert Hall

Comparação entre o tamanho de um laser de diodo e

uma moeda de US$ 0,05.

Laser de diodo de alta potência.

4) Década de 1960 Desenvolvimento do LASER DE DIODO (Robert Hall, 1962).




Uma pirâmide nada faraônica - Em crescimento por epitaxia por feixes moleculares (MBE – Molecular Beam Epitaxy), átomos de germânio auto-organizaram espontaneamente sobre uma base de silício para formar essa nanopirâmide.


5) Década de 1970 Desenvolvimento de novas tecnologias de obtenção de materiais eletrônicos.





6) Década de 1980 Desenvolvimento da fibra óptica e a conseqüente nova área das telecomunicações.




Engenharia na escala atômica - Em 1990, 35 átomos de xenônio foram arranjados sobre uma superfície de níquel para compor o logotipo da IBM. Com manipulação nessa escala, moléculas podem ser fabricadas, ou modificadas, átomo por átomo.


7) Década de 1990 Controle sobre os átomos (Engenharia Atômica).




Nanotubo de carbono - Folhas de arranjos hexagonais de átomos de carbono se enrolam para formar tubos longos, mas com diâmetro tipicamente entre 1 e 2 nanômetros. As extremidades, não mostradas na figura, são compostas de átomos em arranjo pentagonal. Essa surpreendente "macromolécula" é uma das vedetes da Nanociência & Nanotecnologia.


8) Década de 2000 Hegemonia da Nanociência e da Nanotecnologia.



1. Introdução




Estado Sólido


Quântica



De que são feitas as coisas?

5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA

Modelo atômico de Thomson (pudim

de passas).Modelo atômico de Rutherford (modelo

planetário).

ÁTOMOS!!!!!!!!

O que é um ÁTOMO????




Modelo atômico de Bohr.

Modelo quântico (orbitais atômicos)

Orbital s. Orbital p.

De que são feitas as coisas?

ÁTOMOS!!!!!!!!

O que é um ÁTOMO????



Como os ÁTOMOS estão organizados?


1) GÁS quase nenhuma interação entre os átomos.

Vapor d’água.





2) LÍQUIDO pouca interação entre os átomos.

Água líquida.





3) SÓLIDO grande interação entre os átomos.

Água sólida (gelo).



Como compreender os átomos para poder controlar as suas propriedades?

H it


MECÂNICA QUÂNTICA nele!

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