Graduação
  1. Mecânica clássica  1.1. dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. movimento de projétil  1.1.4. Velocidade relativa  1.1.5. Movimento circular uniforme  1.1.6. Movimento circular não uniforme  1.1.7. Sistemas de referência e transformações  1.2. Leis de Newton do Movimento  1.2.1. Primeira lei do movimento  1.2.2. Segunda lei do movimento  1.2.3. Terceira Lei do Movimento  1.2.4. Aplicações das Leis de Newton  1.2.5. Atrito e seus tipos  1.2.6. Diagrama de Corpo Livre  1.2.7. Restrições e pseudo-forças  1.3. Trabalho e Energia  1.3.1. trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema trabalho–energia  1.3.3. Energia Cinética  1.3.4. Energia potencial na mecânica clássica  1.3.5. Forças conservativas e não conservativas  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.4. Velocidade e colisões  1.4.1. Momento linear  1.4.2. Conservação do Momento  1.4.3. Impulso e força de impacto  1.4.4. Colisão elástica e inelástica  1.4.5. Centro de massa e velocidade  1.4.6. Propulsão de Foguetes  1.5. Movimento rotacional  1.5.1. Torque e Momento Angular  1.5.2. Momento de inércia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energia Rotacional  1.5.5. Movimento de Rolamento  1.5.6. Precessão e movimento giroscópico  1.6. Força gravitacional  1.6.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.6.2. Energia potencial gravitacional  1.6.3. Mecânica orbital  1.6.4. Leis do movimento planetário de Kepler  1.6.5. Campo gravitacional e potencial  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Pressão e Princípio de Pascal  1.7.2. Flutuabilidade e o Princípio de Arquimedes  1.7.3. Dinâmica dos Fluidos e Princípio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidade e Lei de Poiseuille  1.7.5. Tensão superficial e capilaridade  1.8. Oscilações e ondas  1.8.1. Movimento Harmônico Simples  1.8.2. Oscilações amortecidas e forçadas  1.8.3. Oscilações acopladas e modos comuns  1.8.4. Propriedades e tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras e o Efeito Doppler  1.8.6. Interferência de ondas e superposição
  2. Eletromagnetismo  2.1. Eletrostática  2.1.1. Carga elétrica e propriedades  2.1.2. Lei de Coulomb  2.1.3. Campo elétrico e potencial elétrico  2.1.4. Lei de Gauss  2.1.5. Capacitância e Dielétrico  2.1.6. Dipolo elétrico e energia potencial  2.2. Circuitos Elétricos  2.2.1. Corrente e Resistência  2.2.2. Lei de Ohm  2.2.3. Leis de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuits de CA e Reatância  2.2.6. Energia e potência elétrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos e Forças Magnéticas  2.3.2. Lei de Ampère  2.3.3. Momento de dipolo magnético  2.3.4. Lei de Biot-Savart  2.3.5. Materiais Magnéticos e Histerese  2.4. Indução eletromagnética  2.4.1. Lei de Faraday  2.4.2. Lei de Lenz  2.4.3. Autoindução e indução mútua  2.4.4. Transformadores e circuitos indutivos  2.5. Equações de Maxwell  2.5.1. Lei de Gauss para eletricidade  2.5.2. Lei de Gauss para o magnetismo  2.5.3. Lei da indução de Faraday  2.5.4. Lei de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas eletromagnéticas
  3. Termodinâmica  3.1. Leis da Termodinâmica  3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica  3.1.2. Primeira lei da termodinâmica  3.1.3. Segunda Lei  3.1.4. Terceira Lei  3.2. Calor e trabalho  3.2.1. Transferência de calor (condução, convecção, radiação)  3.2.2. Expansão térmica  3.2.3. Motores térmicos e refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot e eficiência  3.3. Mecânica estatística  3.3.1. Distribuição de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropia e Probabilidade  3.3.3. Função de partição  3.3.4. Estatísticas de Fermi–Dirac e Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexão e Refração  4.1.2. Espelhos e lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. Princípio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferência em óptica de ondas  4.2.2. Difração  4.2.3. Polarização  4.2.4. Coerência e holografia
  5. Mecânica quântica  5.1. Dualidade onda-partícula  5.1.1. Radiação de corpo negro na dualidade onda-partícula em mecânica quântica  5.1.2. Efeito Fotoelétrico  5.1.3. Espalhamento Compton  5.1.4. Comprimento de onda de De Broglie  5.2. Equação de Schrödinger  5.2.1. Equação de Schrödinger independente do tempo  5.2.2. Partícula em uma caixa  5.2.3. Túnel Quântico  5.2.4. Poços e barreiras de potencial  5.3. Estados Quânticos  5.3.1. Função de onda  5.3.2. Operadores quânticos  5.3.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  5.3.4. Momento angular e spin
  6. Relatividade  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Transformações de Lorentz  6.1.2. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.3. Energia relativística e momento  6.2. Relatividade Geral  6.2.1. Princípio da Equivalência  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionais  6.2.4. Buracos negros e horizontes de eventos
  7. Física do estado sólido  7.1. Estrutura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difração de raios X  7.1.3. Teoria das bandas  7.1.4. Fónons e vibrações da rede  7.2. Propriedades Elétricas e Magnéticas  7.2.1. Condutores, Semicondutores e Isolantes  7.2.2. Supercondutividade  7.2.3. Efeito Hall
  8. Física nuclear e de partículas  8.1. Estrutura Atômica  8.1.1. Modelo Atômico  8.1.2. Energia de ligação nuclear  8.2. Radioatividade  8.2.1. Decaimento alfa, beta, gama  8.2.2. Meia-vida  8.2.3. Fissão e Fusão Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Padrão  8.3.2. Quarks e Léptons  8.3.3. antimatéria  8.3.4. Interações fundamentais
  9. Astrofísica e cosmologia  9.1. Evolução estelar  9.1.1. Formação estelar  9.1.2. Buracos negros e estrelas de nêutrons  9.1.3. Anãs brancas e supernovas  9.2. Cosmologia  9.2.1. The Big Bang Theory  9.2.2. Matéria escura e energia escura  9.2.3. Fundo cósmico de micro-ondas

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Condutores, Semicondutores e Isolantes


No campo da física do estado sólido, a classificação dos materiais em condutores, semicondutores e isolantes é fundamental. Essas três categorias refletem a capacidade dos materiais em conduzir corrente elétrica. Os princípios subjacentes que regem essas propriedades estão ligados ao comportamento dos elétrons na matéria sólida. Compreender essas classificações envolve descobrir como os elétrons se movem através dos materiais, a estrutura dos materiais ao nível atômico e a aplicação desses princípios em várias tecnologias.

Condutor elétrico

Os condutores elétricos são materiais que permitem que os elétrons fluam livremente em suas estruturas atômicas. Essa propriedade torna os condutores altamente eficientes na transmissão de correntes elétricas. Metais como cobre, alumínio e prata são exemplos clássicos de condutores. Vamos entender a física por trás dessa propriedade.

Banda de condução e banda de valência

Nos condutores, a banda de condução, onde os elétrons podem se mover livremente, se sobrepõe à banda de valência, que está preenchida com elétrons de valência. Essa sobreposição significa que mesmo uma ligeira aplicação de energia pode fazer os elétrons fluírem, contribuindo para a condução da eletricidade.

E = hf − φ

A equação acima descreve o efeito fotoelétrico, onde E é a energia do elétron, h é a constante de Planck e φ é a função trabalho do material.

Pense nos elétrons como trabalhadores de uma fábrica sempre prontos para se mover de um lugar para outro, compartilhando suas tarefas entre si. Aqui está um diagrama simples mostrando a condução nos metais:

banda de valência banda de condução Fluxo de Elétrons

Exemplo de condutor: cobre

Fios de cobre são frequentemente usados em cabos elétricos e linhas de energia porque têm baixa resistividade e alta condutividade. Quando a voltagem é aplicada, os elétrons externos mantidos frouxamente nos átomos de cobre conseguem se mover livremente, permitindo que a corrente passe com resistência mínima.

Semicondutores

Os semicondutores são materiais que têm condutividade entre condutores e isolantes. Silício e germânio são os materiais semicondutores mais comuns. Sua capacidade de conduzir corrente elétrica pode ser melhorada adicionando impurezas, um processo conhecido como doping.

Lacuna de banda

A principal diferença entre condutores e semicondutores está na lacuna de banda - a diferença de energia entre a banda de valência e a banda de condução. Nos semicondutores, essa lacuna é tão pequena que os elétrons podem ser excitados para atravessá-la à temperatura ambiente.

E_gap < 3 eV

Essa pequena lacuna de banda permite que os elétrons pulem para a banda de condução quando fornecidos com uma quantidade suficiente de energia, como calor ou luz.

banda de condução banda de valência lacuna de banda

Exemplo de um semicondutor: silício

O silício, a espinha dorsal da eletrônica moderna, torna-se mais condutivo quando dopado com elementos como fósforo (doping tipo n) ou boro (doping tipo p). Essa modificação ajusta seu fluxo líquido de elétrons, tornando-o essencial para dispositivos como transistores e diodos.

Nos semicondutores, podemos aumentar a condutividade aumentando a temperatura ou fornecendo energia aos elétrons usando luz, empurrando-os ainda mais pela lacuna de banda.

Isolante

Isolantes são materiais que não permitem que a corrente elétrica flua facilmente. Eles têm alta resistência e uma grande lacuna de banda, o que significa que é difícil para os elétrons alcançarem a banda de condução. Exemplos incluem materiais como borracha, vidro e a maioria dos plásticos.

Lacuna de banda maior

Os isolantes têm uma lacuna de banda tão grande que os elétrons não conseguem atravessá-la facilmente sem uma entrada significativa de energia, impedindo o fluxo adequado de corrente elétrica em condições normais.

E_gap > 3 eV

Isso significa que os elétrons permanecem na banda de valência e, assim, a condutividade elétrica é muito baixa.

banda de condução banda de valência Lacuna de banda maior

Exemplo de um isolante: borracha

A borracha é frequentemente usada para isolar fios elétricos para protegê-los de choques acidentais. Os elétrons na estrutura atômica da borracha estão fortemente ligados, criando uma grande lacuna de banda que os elétrons não podem atravessar facilmente com forças padrão.

Comparação e aplicações

Compreender essas categorias é importante para o desenvolvimento e uso de vários dispositivos eletrônicos. Vamos explorar algumas das aplicações e ver como elas são incorporadas à tecnologia.

Aplicações de condutores

  • Fiação elétrica: Condutores como o cobre são usados extensivamente em fiação elétrica para tornar o fluxo de corrente elétrica eficiente.
  • Enrolamentos de motores: Metais usados em motores para converter energia elétrica em trabalho mecânico.

Aplicações de semicondutores

  • Transistores: Usados em amplificadores e dispositivos de comutação, os semicondutores controlam o fluxo de corrente.
  • Células solares: Convertem luz em energia elétrica usando o efeito fotovoltaico em materiais semicondutores.

Aplicações de isolantes

  • Revestimentos: Isolantes têm revestimentos em fios e cabos para evitar vazamentos acidentais.
  • Equipamento de proteção: Usado na fabricação de luvas e outros equipamentos de proteção contra riscos elétricos.

Em conclusão, a compreensão de condutores, semicondutores e isolantes é um dos pilares do avanço da física e tecnologia. Essa classificação capacita cientistas e engenheiros a manipular materiais para atender às propriedades eletrônicas desejadas, impulsionando a inovação nos setores de eletrônica, comunicação, computação e energia.


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Condutores, Semicondutores e Isolantes

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