Fisica3 (Eletromagnetismo)

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148 CAPÍTULO 26
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Temperatura (K)
Figura 26-14 A resistência do
mercútio desaparece totalmente quando
o metal é resfriado abaixo de 4 K
aplicado ao condutor. O campo elétrico não só libera esses elétrons, mas também f;
com que se movam ao longo do fio; em outras palavras, um campo elétrico prod
uma corrente nos materiais condutores.
Nos isolantes, a energia necessária para liberar elétrons dos átomos da rede
cristalina é muito grande. A energia térmica não é suficiente para que isso ocorra:
um campo elétrico de valor razoável também não é suficiente. Assim, não existem
elétrons disponíveis e o material não conduz corrente elétrica, mesmo na presen,
de um campo elétrico.
Um semicondutor tem as mesmas propriedades que um isolante, exceto pelo fat
de que a energia necessária para liberar alguns elétrons é um pouco menor. O mais
importante, porém, é que a dopagem pode fornecer elétrons ou buracos (déficits de
elétrons que se comportam como portadores de carga positivos) que estão fracamente
presos aos átomos e, por isso, conduzem corrente com facilidade. Através da dopagem,
podemos controlar a concentração dos portadores de carga e assim modificar as
propriedades elétricas dos semicondutores. Quase todos os dispositivos semicondutores,
como transistores e diodos, são produzidos a partir da dopagem de diferent
regiões de um substrato de silício com diferentes tipos de impurezas.
Considere novamente a Eq. 26-25, usada para calcular a resistividade de uIC.
condutor:
m
p=-­
e2nT '
(26-29
em que n é o número de portadores de carga por unidade de volume e T é o tem
médio entre colisões dos portadores de carga. (Essa equação foi deduzida para
caso dos condutores, mas também se aplica aos semicondutores.) Vejamos como
variáveis n e T se comportam quando a temperatura aumenta.
Nos condutores, n tem um valor elevado, que varia muito pouco com atemperatura.
O aumento da resistividade com o aumento da temperatura nos metais (Fi~
26-10) se deve ao aumento das colisões dos portadores de carga com os átomos ct:_
rede cristalina, que se manifesta na Eq. 26-29 como uma redução de T , o tempo médio
entre colisões.
Nos semicondutores, n é pequeno, mas aumenta rapidamente com a temperatura.
já que a agitação térmica faz com que haja um maior número de portadores disponíveis.
Isso resulta em uma redução da resistividade com o aumento da temperatura..
como indica o valor negativo do coeficiente de temperatura da resistividade para
silício na Tabela 26-2. O mesmo aumento do número de colisões que é observadc
no caso dos metais também acontece nos semicondutores, mas é mais do que compensado
pelo rápido aumento do número de portadores de carga.
Um ímã em forma de disco é levitado
por um material supercondutor resfriado
com nitrogênio líquido. O aquário com
o peixinho é parte da demonstração.
(Cortesia do Shoji Tonakallnternational
Superconductivity Technology Center,
Tóquio, Japão)
26-9 Supercondutores
Em 1911, o físico holandês Kamerlingh Onnes descobriu que a resistividade
mercúrio desaparece totalmente quando o metal é resfriado abaixo de 4 K (Fig
26-14 ). Este fenômeno, conhecido como supercondutividade, é de grande interes 2
tecnológico porque significa que as cargas podem circular em supercondutor se
perder energia na forma de calor. Correntes criadas em anéis supercondutores, po.
exemplo, persistiram durante vários anos sem perdas; é preciso uma fonte de energia
para produzir a corrente inicial, mas depois disso, mesmo que a fonte seja removida.
a corrente continua a circular indefinidamente.
Antes de 1986, as aplicações tecnológicas da supercondutividade eram limitadas
pelo custo de produzir as temperaturas extremamente baixas necessárias para
que o efeito se manifestasse. Em 1986, porém, foram descobertos materiais cerâmicos
que se tornam supercondutores em temperaturas bem mais altas (e, portanto,
mais fáceis e baratas de obter), embora menores que a temperatura ambiente.
No futuro, talvez seja possível operar dispositivos supercondutores à temperatura
ambiente.