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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Física do estado sólido


A física do estado sólido é o estudo de como os átomos estão organizados em sólidos e quais propriedades esses sólidos exibem como resultado de seu arranjo atômico. Este campo fundamental da física tenta explicar como as propriedades macroscópicas de um sólido surgem de seus componentes microscópicos. Muitos avanços tecnológicos modernos, como semicondutores, lasers e materiais magnéticos, são baseados nos princípios da física do estado sólido.

Estrutura dos sólidos

Uma das primeiras coisas a entender sobre os sólidos é a sua estrutura. Quando os átomos se unem para formar sólidos, frequentemente se organizam em um padrão ordenado chamado de rede cristalina.

Uma rede cristalina pode ser vista como uma organização tridimensional de átomos, íons ou moléculas que ocorre em um padrão repetitivo. A menor unidade repetitiva, frequentemente chamada de paralelepípedo, é conhecida como uma célula unitária. Alguns tipos comuns de células unitárias são os seguintes:

  • Cubo: Todos os lados de um cubo são iguais e todos os ângulos são de 90 graus.
  • Quadrilátero: Dois lados são iguais e os ângulos são de 90 graus.
  • Ortorrômbico: Todos os lados são desiguais, mas os ângulos são de 90 graus.
Cube

Forças de ligação nos sólidos

O tipo de ligação química que mantém a rede unida pode afetar significativamente as propriedades de um sólido. Existem vários tipos de ligação:

  • Ligação iônica: atração entre íons positivos e negativos. Exemplo: cloreto de sódio (NaCl).
  • Ligação covalente: pares de elétrons compartilhados entre átomos. Exemplo: diamante.
  • Ligação metálica: Os elétrons são livres para se mover em um "mar de elétrons". Exemplo: cobre.
  • Força de Van der Waals: Força fraca devido a dipolos permanentes ou induzidos. Exemplo: grafite.

Propriedades térmicas dos sólidos

Como a temperatura afeta a vibração dos átomos, afeta significativamente a expansão térmica, capacidade calorífica e outras propriedades térmicas dos sólidos.

O calor específico de um sólido está relacionado à energia necessária para aumentar sua temperatura. Um modelo importante para descrever o calor específico dos sólidos é a lei de Dulong-Petit. Ela aproxima a capacidade calorífica molar de muitos sólidos como 3R, onde R é a constante dos gases ideais.

Propriedades elétricas e magnéticas

Os sólidos são classificados em condutores, isolantes e semicondutores com base em sua condutividade elétrica. Esta classificação depende muito da estrutura de bandas eletrônicas, que descreve os níveis de energia que os elétrons podem ocupar em um sólido.

A lei de Ohm é importante para entender a condução elétrica:

V = IR

Esta equação relaciona a tensão V, corrente I e resistência R

Teoria de bandas dos sólidos

A teoria de bandas explica a natureza de condutores elétricos, isolantes e semicondutores. De acordo com esta teoria, os níveis de energia dos elétrons em um sólido não são claramente definidos como em um átomo, mas estão espalhados por bandas contínuas.

  • Banda de condução: A banda de energia mais alta em que os elétrons estão livres para conduzir eletricidade.
  • Banda de valência: Banda de energia preenchida por elétrons de valência.
  • Gap de banda: A diferença de energia entre a banda de condução e a banda de valência. Grandes gaps de banda são característicos de isolantes, gaps pequenos ou ausentes são característicos de condutores, e gaps de banda intermediários são característicos de semicondutores.
band gap conduction band valence band

Semicondutores

Os semicondutores tiveram um impacto significativo na tecnologia moderna. Eles têm condutividade elétrica entre metais e isolantes. Sua condutividade pode ser controlada pela adição de impurezas através de um processo chamado dopagem.

  • Tipo N: Elétrons extras são adicionados à estrutura. Isso é geralmente feito adicionando-se elementos como fósforo ou arsênio.
  • Tipo p: lacunas (ausência de elétrons) são formadas pela adição de elementos como boro ou gálio.

Propriedades magnéticas dos sólidos

As propriedades magnéticas dos sólidos são determinadas pelos momentos magnéticos dos átomos e pela ordem desses momentos. Existem diferentes tipos de ordem magnética:

  • Diamagnetismo: Todos os spins eletrônicos são emparelhados, e o sólido é fracamente repelido por um campo magnético.
  • Paramagnetismo: Um material sólido é fracamente atraído por um campo magnético devido a alguns spins eletrônicos desemparelhados.
  • Ferromagnetismo: Os spins estão alinhados paralelamente em um grande domínio, criando um forte campo magnético líquido. Exemplo: Ferro.
  • Antiferromagnetismo: spins adjacentes estão alinhados antiparalelamente, cancelando uns aos outros. Exemplo: óxido de manganês.

Supercondutividade

Finalmente, a supercondutividade é um fenômeno em que um material exibe resistência elétrica zero abaixo de uma certa temperatura crítica. Isso permite o fluxo livre e desimpedido de elétrons.

Efeito Josephson: Fenômeno mecânico quântico no qual a corrente pode fluir entre dois supercondutores separados por uma fina camada isolante.


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