Semicondutores & Supercondutores

Semicondutores

Os semicondutores são conhecidos como materiais que apresentam propriedades de condução elétrica intermediária entre aquelas aos isolantes e aos condutores.

A característica mais interessante do material semicondutor, e que o torna atrativo do ponto de vista da fabricação de componentes eletrônicos, é a possibilidade de se poder variar substancialmente sua condutividade elétrica pela alteração controlada de sua composição química ou estrutura cristalina. Essa característica atribuída aos semicondutores se dá através de um processor denominado: dopagem. A dopagem pode ser então definida, como um método de adição de pequenas quantidades de átomos de “impurezas” ao semicondutor, podendo este assim ter sua resistividade controlada.

Um exemplo de semicondutor amplamente utilizado é o silício, que possui uma resistividade tão alta que se comporta como um isolante e, portanto, não tem muita utilidade em circuitos eletrônicos. Na tabela abaixo é possível perceber o quanto a dopagem pode interferir nos valores obtidos referente a resistividade.

MATERIAL	RESISTIVIDADE (Ω.m)
Silício puro	2,5 x 103
Silíciob tipo n	8,7 x 10-4
Silícioc tipo p	2,8 x 10-3

^bSilício dopado com 10²³ m^-3 de fósforo
^cSilício dopado com 10²³ m^-3 de alumínio

Um exemplo típico de elemento químico que pode formar materiais exibindo características elétricas distintas é o carbono. Dependendo da forma com que os átomos de carbono se interligam, o material formado pode tornar-se um isolante ou um semicondutor:

Diamante: uma das formas naturais de matéria formada por átomos de carbono arranjados ordenadamente em uma estrutura cristalina (eletricamente isolante).
Grafite: os átomos de carbono podem também arranjar-se naturalmente em uma estrutura amorfa ou não cristalina, dando origem a um material semicondutor.

 

Semicondutores: http://www.feg.unesp.br/~jmarcelo/restrito/arquivos_downloads/apostilas/eb2/semicondut_v1.pdf

Por que o grafite conduz a corrente elétrica e o diamante não?

O diamante e o grafite são variedades alotrópicas naturais do elemento químico carbono. Porém, esses dois materiais possuem características e propriedades distintas. Uma diferença mais destacada entre o grafite e o diamante é o fato de o grafite conduzir corrente elétrica (e até ser usado como eletrodo em algumas reações de oxirredução, como em eletrólises) e o diamante não.

Como eles podem ser tão diferentes se ambos são feitos somente de carbono? E o que explica o fato de o grafite conduzir corrente elétrica e o diamante não?

A resposta está no tipo de ligação existente entre os carbonos e no arranjo cristalino dos átomos no espaço.
No caso do grafite, os átomos de carbono formam anéis hexagonais contidos num mesmo espaço plano, formando lâminas que se mantêm juntas por forças de atração mútua. Essas lâminas se sobrepõem umas às outras, permitindo uma espécie de deslizamento ou deslocamento dos planos. Isso explica por que o grafite possui pouca dureza, pois essa propriedade facilita o desgaste do sólido. Em virtude dessa propriedade, o grafite é usado como lubrificante em engrenagens e rolamentos. Veja a seguir a sua estrutura:

Observe os anéis hexagonais formados. Neles está a resposta de por que o grafite conduz eletricidade: nos anéis hexagonais existem duplas ligações, ou ligações pi, conjugadas, que permitem a migração dos elétrons. Além disso, os carbonos assumem uma hibridização sp² (plana), formando, como já dito, folhas superpostas como "colmeias", isto é, que estão paralelas; e ligações em planos diferentes, que são mais fracas, permitindo a movimentação de elétrons entre os planos, ou seja, ocorre a transferência da eletricidade.

Já no caso do diamante, cada átomo de carbono está ligado a outros quatro átomos desse mesmo elemento químico, não contidos em um mesmo plano:

Observe que o diamante não possui ligações duplas, mas os seus carbonos possuem hibridização sp³ (tetraédrica), portanto seus cristais são arranjos desses tetraedros, cuja conformação atômica dificulta o trânsito dos elétrons de modo linear e, portanto, torna o diamante um mal condutor de eletricidade.

Outro ponto é que, visto que o diamante tem uma estrutura com poucas falhas e muito bem "amarrada", por assim dizer, ele conduz a energia cinética – expressa pelo calor – com uma velocidade muito alta; por isso, ele é um bom condutor térmico e mal condutor elétrico.

Fonte: http://www.mundoeducacao.com/quimica/por-que-grafite-conduz-corrente-eletrica-diamante-nao.htm

Supercondutividade

 

            O fenômeno da supercondutividade foi descoberto em 1911 por Kammerlingh Onnes, em Leiden, Holanda. Ele foi o primeiro a conseguir a liquefação do gás hélio, que acontece em 4,2 K (aproximadamente -268 °C). Onnes estava pesquisando as propriedades de diversos metais em temperaturas extremamente baixas, colocando o material no banho de hélio líqüido. A descoberta da supercondutividade aconteceu por acaso, quando, em um desses experimentos, Onnes observou que a resistência do metal mercúrio caía inesperadamente a zero perto da temperatura de 4 K. Com essa descoberta, uma nova classe de condutores foi desenvolvida: os materiais supercondutores. A supercondutividade se converteria assim em um dos fenômenos físicos mais fascinantes e desafiadores do século XX. Kammerlingh Onnes ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1913.

            Até pouco mais de uma década atrás, a supercondutividade ocorria apenas em temperaturas muito baixas, da ordem de 25 K (ou -248 °C). Entretanto, a descoberta de novos materiais supercondutores, como os óxidos cerâmicos, os fullerenos, os borocarbetos e o composto intermetálico MgB2, tem despertado um enorme interesse na comunidade científica mundial, em razão do seu potencial tecnológico em termos de dispositivos (máquinas, sensores, detectores etc.) e pela contribuição que a compreensão dos seus mecanismos poderá trazer no campo da física básica.

            Um material supercondutor é aquele que apresenta, simultaneamente, duas propriedades: baixíssima (quase nula) resistência à passagem de corrente elétrica e diamagnetismo perfeito.

 

Aplicações

As aplicações tecnológicas dos materiais supercondutores estão relacionadas basicamente com as quatro vantagens que eles têm sobre os condutores normais:

• conduzem eletricidade sem perda de energia, permitindo assim criar mecanismos com rendimentos extraordinários;

• não dissipam calor, implicando na redução expressiva dos circuitos elétricos;

• têm grande capacidade de gerar campos magnéticos muito intensos;

 

            As aplicações mais fascinantes dos supercondutores podem ser agrupadas em dois tipos: pequena e grande escala. Muitas dessas aplicações estão relacionadas com equipamentos que utilizam altos valores de campo magnético. No primeiro grupo estão as aplicações em biomedicina, metrologia, geofísica, processamento digital e dispositivos (sensores e detectores). No segundo grupo, o de aplicações em grande escala, encontramos magnetos multifilamentares para diversas aplicações em física de altas energias, imagens por ressonância magnética (MRI), reatores de fusão nuclear, geradores de magnetohidrodinâmica (MHD), usinas de armazenamento de energia e magnetos para separação magnética. Há importantes aplicações sendo desenvolvidas em termos de máquinas, motores elétricos e cabos/linhas de transmissão. Entretanto, as aplicações da supercondutividade que mais estimulam a nossa imaginação com o seu fascínio são aquelas relacionadas com veículos que levitam, como por exemplo, o trem chamado de MAGLEV (da sigla em inglês magnetic levitation).

 

Na seção vídeos, vocês encontram um vídeo superinteressante sobre a supercondutividade. O vídeo refere-se ao efeito Meissner, levitação e suspensão magmática e o aprisionamento das linhas de fluxo magnético de uma maneira surpreendente. Confiram!

 

 

Fonte:

O fascinante mundo dos materiais supercondutores:  http://www.univerciencia.ufscar.br/n_2_a1/super.pdf