Propriedades Elétricas dos Materiais

Publicado por Materiais Júnior em março 26, 2020março 26, 2020

Diversos utensílios e equipamentos que são indispensáveis em nossas vidas dependem das propriedades elétricas dos materiais utilizados, como é o caso de chips de memória, feitos de silício, um semicondutor. O entendimento do comportamento elétrico dos materiais é fundamental para qualquer projeto de engenharia. Ao entender a diferença entre um material condutor e isolante, é possível se adequar a qualquer necessidade.

Materiais Condutores

Os metais são a principal classe de materiais condutores, ou seja, são excelentes para conduzir eletricidade pois possuem uma baixa resistividade elétrica. Isso se deve à estrutura de bandas de energia (união dos estados eletrônicos dos átomos) típica dos metais. As suas bandas de valência são semi ou parcialmente preenchidas por elétrons, existindo estados de energia vazios adjacentes, o que significa que pouca energia é necessária para excitar os elétrons e torna-los livres, permitindo a condução. Destaca-se que a presença de impurezas, defeitos e discordâncias, assim como o aumento da temperatura, diminuem a condutividade dos metais, pois dificultam a mobilidade eletrônica.

Como condutores elétricos, temos o cobre, alumínio e prata. A prata tem a melhor condutividade dos metais, porém tem seu uso restrito devido ao custo. Muitas vezes é necessário aumentar a resistência mecânica de ligas que são utilizadas para conduzir eletricidade, porém, os métodos comuns diminuem drasticamente a condutividade. Muitas vezes, opta-se por implementar uma segunda fase que não aumente tanto a resistividade, como é o caso das ligas cobre-berílio.

No aquecimento de fornos, é ideal materiais com alta resistividade (perda de energia dos elétrons é dissipada como energia térmica) e boa resistência à oxidação. Para isso, é muito comum a utilização de ligas níquel-cromo.

Semicondutores e Isolantes

Nos materiais semicondutores e isolantes, não há um estado vazio adjacente aos estados preenchidos como nos metais. Para os elétrons se tornarem livres, eles devem ser excitados através do espaçamento entre as bandas de energia. Esse espaçamento (‘gap’) é estreito para os semicondutores e largo para os isolantes, o que explica suas propriedades elétricas.

Os semicondutores não apresentam condutividade tão elevada quanto a dos metais, mas contêm características elétricas especiais que os tornam úteis em diversas aplicações.

Os semicondutores intrínsecos são representados pelo Silício (Si) e Germânio (Ge), e também arseneto de gálio (GaAs), antimoneto de índio (InSb), sulfeto de cádmio (CdS) e telureto de zinco (ZnTe). Nessa classe, os elétrons excitados deixam um buraco, que se movimenta de forma oposta ao elétron, o que se pode interpretar como se o buraco fosse uma carga positiva. Logo, há dois portadores de carga que participam da condução nesses materiais.

Os semicondutores extrínsecos tem seu comportamento elétrico ditado pela presença de impurezas em sua composição. Os do tipo-n são caracterizados por um elétron adicional, que não está fazendo parte de nenhuma ligação (Si-família 5A, por exemplo), o que caracteriza um estado doador de elétrons à banda de condução. Já nos do tipo-p, há a deficiência de um elétron na ligação (Si-família 3ª, por exemplo), levando um excesso de buracos, que atua de maneira análoga ao tipo-p, só que como um estado receptor de elétrons.

Por essas propriedades, o avanço da eletrônica permitiu a utilização de semicondutores em componentes essenciais de equipamentos. Destaca-se os transistors, diodos e diversos outras peças usadas em circuitos, computadores, drives de memória, etc.

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