Graduação
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Propriedades elétricas e magnéticas


Compreender as propriedades elétricas e magnéticas dos materiais é muito importante na química do estado sólido, especialmente ao lidar com compostos inorgânicos. Essas propriedades muitas vezes determinam a utilidade e a funcionalidade dos materiais em várias aplicações, como semicondutores, ímãs e condutores elétricos. Neste documento, exploraremos a natureza dessas propriedades, suas origens e as implicações para o campo da química inorgânica.

Propriedades elétricas dos sólidos

As propriedades elétricas dos sólidos refletem principalmente quão bem um material pode conduzir eletricidade. Isso depende da disponibilidade de portadores de carga—elétrons e lacunas. As propriedades elétricas dos materiais podem ser classificadas em três categorias diferentes: condutores, semicondutores e isolantes.

Condutor

Condutores são materiais que permitem o fluxo de carga elétrica devido à presença de elétrons livres. Metais como cobre (Cu) e alumínio (Al) são condutores bem conhecidos. A condutividade nesses materiais deve-se à sobreposição de suas bandas de condução e valência, permitindo que os elétrons se movam livremente.

banda de condução banda de valência Sobreposição

O exemplo acima mostra como as bandas de condução e valência em condutores se sobrepõem, facilitando o movimento de elétrons livres.

Isolante

Em contraste, os isolantes têm uma lacuna de banda significativa, que impede os elétrons de se moverem da banda de valência para a banda de condução, tornando-os maus condutores de eletricidade. Materiais como vidro ou borracha se enquadram nesta categoria.

banda de condução banda de valência lacuna de banda

Este diagrama mostra a ampla lacuna de banda em isolantes, o que impede o fluxo de elétrons.

Semicondutores

Os semicondutores têm lacunas de banda menores do que os isolantes, permitindo que os elétrons cruzem a lacuna com uma entrada mínima de energia, como calor ou luz. Silício (Si) e germânio (Ge) são os materiais semicondutores clássicos.

banda de condução banda de valência lacuna de banda

Conforme mostrado acima, a pequena lacuna de banda em semicondutores permite transições de elétrons mais fáceis com entrada de energia.

Fatores que afetam a condutividade

A condutividade elétrica dos materiais depende de uma variedade de fatores, incluindo temperatura, impurezas e defeitos estruturais.

Temperatura

Para metais, o aumento da temperatura diminui a condutividade elétrica porque as vibrações da rede aumentam, o que dispersa os elétrons. Em contraste, o aumento da temperatura em semicondutores pode aumentar a condutividade porque mais elétrons ganham energia suficiente para se mover na lacuna de banda.

Impurezas

A adição de impurezas a um semicondutor (chamado dopagem) pode afetar significativamente sua condutividade. Considere o seguinte exemplo:

Mistura de silício com fósforo:

        Si + P → semicondutor tipo-n

Aqui, a adição de um elétron extra ao fósforo (P) resulta na formação de um semicondutor tipo-n (tipo negativo) contribuindo com os elétrons extras como portadores de carga.

Defeitos estruturais

Defeitos estruturais, como lacunas ou espaços, também podem afetar a condutividade, interrompendo o arranjo ordenado dos átomos e levando a mais eventos de dispersão ou sites de recombinação não radiativa.

Propriedades magnéticas dos sólidos

As propriedades magnéticas surgem do movimento dos elétrons e seu spin. Dependendo de seu comportamento magnético, os materiais podem ser classificados em várias categorias, incluindo diamagnético, paramagnético, ferromagnético, antiferromagnético e ferrimagnético.

Diamagnetismo

Materiais diamagnéticos são aqueles que criam um campo magnético induzido na direção oposta ao campo magnético aplicado. Esta fraca repulsão de um campo magnético é uma propriedade universal que todos os materiais experimentam em algum grau, embora em muitos materiais seja tão fraca que passa despercebida. Um exemplo de material diamagnético é o bismuto (Bi).

Paramagnetismo

Materiais paramagnéticos têm elétrons desemparelhados, resultando em dipolos magnéticos que estão orientados aleatoriamente. Quando expostos a um campo magnético externo, os dipolos se alinham com o campo, produzindo uma fraca atração. Exemplos incluem alumínio (Al) e oxigênio (O2).

Antes do campo Depois do campo

A figura acima mostra como os dipolos magnéticos em materiais paramagnéticos se alinham com o campo magnético externo.

Ferromagnetismo

Materiais ferromagnéticos exibem magnetismo forte e permanente devido ao alinhamento paralelo dos dipolos magnéticos em um domínio. Materiais ferromagnéticos comuns incluem ferro (Fe) e níquel (Ni).

Antiferromagnetismo

Materiais antiferromagnéticos têm números iguais de dipolos magnéticos alinhados em direções opostas, que efetivamente se anulam, resultando em ausência de magnetismo macroscópico. Exemplos incluem óxido de manganês (MnO).

Alinhamento antiferromagnético

Esta visão mostra o alinhamento oposto de spins em materiais antiferromagnéticos.

Ferrimagnetismo

Materiais ferrimagnéticos têm dipolos magnéticos opostos desiguais, resultando em um momento magnético líquido. Ferrites são materiais ferrimagnéticos comuns.

Implicações e aplicações

Compreender as propriedades elétricas e magnéticas dos materiais tem um grande impacto em aplicações tecnológicas e industriais. Essas propriedades ajudam a projetar semicondutores melhores para dispositivos eletrônicos, mídias de armazenamento magnético eficientes e materiais avançados para inovação em tecnologia.

Equipamentos técnicos

Dispositivos semicondutores, como diodos, transistores e circuitos integrados, dependem fortemente de materiais com propriedades elétricas precisas. Tecnologias baseadas em silício dominam, embora alternativas como o arseneto de gálio (GaAs) sejam usadas em aplicações de nicho como telefones móveis e satélites.

Armazenamento magnético

As propriedades magnéticas são essenciais nas tecnologias de armazenamento de dados, onde materiais ferromagnéticos formam a base dos discos rígidos. O alinhamento e a organização dos domínios magnéticos permitem o armazenamento de dados binários.

Conclusão

As propriedades elétricas e magnéticas dos sólidos formam a base de muitos avanços tecnológicos modernos. Compreender essas propriedades nos níveis atômico e molecular permite que químicos e cientistas manipulem e usem materiais para uma variedade de aplicações práticas, mudando radicalmente nosso cenário tecnológico.


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