comportamento elétrico dos cerâmicos

Comportamento elétrico dos materiais cerâmicos – Condutividade

iônica

Estudar o comportamento elétrico e iônico dos materiais cerâmicos

Ver exemplos das aplicações das cerâmicas

ionicamente condutoras.

Objetivos:

Comportamento Elétrico das Cerâmicas

Comportamento Elétrico das Cerâmicas

EXISTE UMA GRANDE DIVERSIDADE DOS MATERIAIS CERÂMICOS :

Maioria são Isolantes; Alguns são semi-condutores;

Poucos são condutores.

Condutividade Elétrica ( )

Condutividade Elétrica ( )

É determinada pelo número de transportadores de cargas (“n”), carga

transportada por cada carregador (“q”) e a mobilidade das espécies transportadoras

(“”), ou “carregadores”.

Condutores Elétricos


A maioria dos metais, alguns cerâmicos e poucos polímeros (orgânicos) recaem na categoria de CONDUTORES ELÉTRICOS.

A maioria dos materiais CERÂMICOS são

ISOLANTES ELÉTRICOS, bem como os

materiais poliméricos.


Alguns materiais cerâmicos apresentam comportamento intermediário e possuem um

nível moderado de condutividade e são chamados de

SEMI-CONDUTORES.A maioria deles são CERÂMICAS

COVALENTES

Condutores ElétricosMaterial Resistividade (ohm.cm)

Condutor metálicoCobre 1,7 . 10-6

Ferro 10 . 10-6

Tungstênio 5,5 . 10-6

Semi-condutoresSiC 10B4C 0Ge 40Fe3O4 10-2

IsolantesSiO2 > 1014

Porcelana (Steatita) > 1014

Al2O3 > 1014

Si3N4 > 1014

Teflon 1016

Nylon 1014

Condutividade Eletrônica


Banda de energia está vazia ou cheia a condutividade eletrônica é ZERO.

Banda parcialmente preenchida é chamada

de BANDA DE CONDUÇÃO.


Acontece predominantemente nos metais onde os transportadores são elétrons que se movem através da BANDA DE CONDUÇÃO.

Excitação de um elétron (por um campo elétrico pex.) para a banda de condução


A condutividade eletrônica também aparece em alguns cerâmicos óxidos de metais de

transição (ReO3, CrO

2, TiO e VO) que

possuem uma superposição de orbitais incompletos “d” e “ f” formando a banda de

condução.


Nos isolantes e semi-condutores existe um “GAP” de energia entre a camada mais

externa preeenchida por elétrons (BANDA DE VALÊNCIA COMPLETA) e banda vazia adjacente (BANDA DE CONDUÇÃO).


Nesses materiais esse “GAP” impede o fluxo de elétrons entre a banda de valência e

de condução, não havendo condução eletrônica.

Para um isolante ou mesmo um semicondutor a energia

necessária para excitar um elétron é muito grande normalmente vindo de calor ou luz


ISOLANTES: O “GAP” é muito grande e os elétrons não saltam.

SEMI-CONDUTORES: O “GAP” é pequeno e

os elétrons podem saltar em alta temperatura

e alta voltagem.


SEMI-CONDUTORES: São materiais covalentes em geral do grupo IV (Si, Ge) e compostos formados

entre os grupos III e V (GaAs, PbTe, PbS).

Para serem úteis em temperatura ambiente devem

ser DOPADOS (Resistividade entre 10-2 e 102 .cm).


SEMI-CONDUTOR tipo p

Adicionando-se Al3+ ao Si4+ onde cada íon de

alumínio contém uma valência a menos

quando substitui o silício.Como possuem raios atômicos

semelhantes, grande quantidade de alumínio

pode substituir o silício gerando um vazio

eletrônico equivalente a uma carga positiva.


SEMI-CONDUTOR tipo n

Adicionando-se P5+ ao Si4+ resulta em um

elétron extra que fica livre para a condução.


– Exemplos:

– MOSFET

– IGFET

• O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ou transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico. A palavra "metal" no nome é um anacronismo vindo dos primeiros chips, onde as comportas (gates) eram de metal. Os chips modernos usam comportas de polisilício, mas ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor de tipo N ou de tipo P e é chamado respectivamente de NMOSFET ou PMOSFET. Geralmente o semicondutor escolhido é o silício, mas alguns fabricantes, principalmente a IBM, começaram a usar uma mistura de silício e germânio (SiGe) nos canais dos MOSFETs. Infelizmente muitos semicondutores com melhores propriedades elétricas do que o silício, tais como o arsenieto de gálio, não formam bons óxidos nas comportas e portanto não são adequados para os MOSFETs. O IGFET é um termo relacionado que significa Insulated-Gate Field Effect Transistor, e é quase sinônimo de MOSFET, embora ele possa se referir a um FET com comporta isolada por um isolante não óxido.

• O terminal de comporta é uma camada de polisilício (silício policristalino) colocada sobre o canal, mas separada do canal por uma fina camada de dióxido de silício isolante.


– Diodos de

Junção

• Idealmente o díodo comporta-se como um condutor de sentido único:a corrente só pode fluir do ânodo para o cátodo, mas o fluxo de corrente é controlado pela tensão aplicada aos seus terminais

• Os díodos são fabricados com material semicondutor. Tipicamente utiliza-se o silício, embora também se possa utilizar o germânio

• Exemplos de circuitos com díodos:• • Circuitos retificadores• • Circuitos limitadores de tensão• Resultam da junção de silício do tipo-P (silício dopado com

impurezas tri-valentes) com silício do tipo-N (silício dopado com impurezas penta-valentes)

Aplicação dos semicondutores cerâmicos em lâmpadas de LED – Light Emitting Diode

Os LEDs consistem de chips de material semicondutor dopado com impurezas para criar uma junção p-n (diodo). A corrente flui do lado p (anodo) para o lado n (catodo). Elétrons (-) e buracos (+) fluem para a junção com diferentes voltagens (elétrons viajam pela banda de condução e buracos pela banda de valência). Quando um elétron encontra um buraco emite energia na forma de um fóton.

O comprimento de onda da luz emitida, e portanto sua cor, dependem da energia do GAP entre a banda de valência e a de condução


CONCEITO DE ISOLANTE:

Quando a cerâmica não possui elétrons para

a condução (último nível eletrônico está

completo) e um “GAP” muito grande entre a

banda completa e a vazia e tampouco possui

defeitos suficientes (vazios) para possuir

condutividade iônica.


ISOLANTE:

A elevação da temperatura, bem como a

elevação da quantidade de vazios diminui a

resistividade.


ISOLANTE:

Aplicações: isoladores de componentes e

de circuitos elétricos.Como isolantes polarizáveis para

capacitores como: BaTiO3, Al

2O

3, TiO

2

As várias estruturas em forma de bandas possíveis em sólidos


Influência da temperatura:

Com a elevação da temperatura a

condutividade diminui (aumenta a

resistividade), pois com o aumento da

vibração térmica, aumenta o número de

choques entre as partículas. Impurezas e deformações a frio tem efeito

similar.

Condutividade Iônica


O transportador da carga elétrica é o ÍON

Em geral ocorre nas CERÂMICAS LIGADAS

IONICAMENTE.


Os íons estão presos pela rede cristalina e pelas ligações químicas e para moverem-se

necessitam de:

ALTA TEMPERATURA (alta vibração térmica

e defeitos)DEFEITOS DE PONTO (interstícios vazios e

vazios na rede)


Controla-se a condutividade iônica pela adição de íons de tamanho semelhante mas valências diferentes (por exemplo Y+3-Itrio ou Sc+3 -escandio) para criar novos defeitos (vazios) do ion que se quer conduzir.


Por exemplo a adição de CaO em ZrO2.

Onde um íon Ca+2 substitui um íon Zr+4 e

gera um VAZIO de oxigênio.Com isso os oxigênios podem mover-se em

temperaturas baixas quando um campo

elétrico é aplicado.

Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras


Sensores de Oxigênio: consistem de um tubo de ZrO

2 dopado com CaO e um eletrodo

de platina porosa fora e dentro do tubo.

A pressão de oxigênio interna do sensor

(pO2) é conhecida e a externa não.


Sensores de Oxigênio são baseados na equação

Onde E= força eletromotriz, F= cte. de

Faraday, R=cte. Universal dos Gases,

T=temperatura absoluta e pO2 e pO

2' = as

pressões em lados opostos da membrana de

ZrO2.

E=RT4F

⋅ln pO2

pO2 '


Sensores de Oxigênio

Se pO2 = pO

2' então E = 0

Se pO2 ≠ pO

2' então E ≠ 0, quanto maior a

diferença entre as pressões maior a voltagem

medida.


Sensores de Oxigênio

Opera em T>600ºC.Aplicações:

Medidores de nível de impurezas (O2) em

cilindros de gases inertesMedida de teores de oxigênio em

processamento de alimentos e embalagens a

vácuo.


Sensores de Oxigênio para automóveis

Utilizados para reduzir o consumo de

combustível e emissões poluidoras

(combustão completa).

As concentrações de O2, CO, NOx e

hidrocarbonetos no gás de exaustão são

funções da razão AR/COMBUSTÍVEL da

mistura.


Sensores de Oxigênio para automóveis

O controle de emissão ótimo ocorre para uma

razão de AR/COMBUSTÍVEL de

aproximadamente 15, que é a razão

estequiométrica.


Bombas extratoras de oxigênio

Utiliza uma diferença de potencial aplicado

para forçar os íons de oxigênio a se moverem

por uma membrana de ZrO2 dopado e recoberto

com platina porosa. O O2 entra em contato com

o eletrodo poroso e recebe 4 e- para formar

íons O2-.


Bombas extratoras de oxigênio

Pode obter oxigênio com uma pureza de

99,999%; (Célula de Concentração de Oxigênio)Pode ser removido de outro gás como na

purificação final do Nitrogênio ou Argônio.

(Célula de Extração do Oxigênio)Controle das pressões parciais em misturas

de gases.


Purificação de Efluentes Gasosos

Utilizando uma célula de eletrolítica de zircônia

sólida são decompostos os SOx (SO2, SO

3) e os

NOx (NO2, NO

3).



SOx (SO2, SO

3) e os NOx (NO

2, NO

3) são

compostos nocivos ao meio ambiente.



Em uma determinada temperatura e voltagem as

moléculas se decompõem em íons.Os íons de oxigênio são separados das

moléculas conduzidos ionicamente pela

membrana de ZrO2.


Células de Combustível de Óxidos sólidos

Operada em temperaturas entre 900 e 1000ºC.

Grande diferenças de pressão de oxigênio entre o lado

externo (ar - alta) e lado interno (combustível - baixa) da

membrana de ZrO2 dopada.

Os íons de oxigênio difundem pela membrana, deixando

elétrons do lado de fora, e combinam-se com o

hidrogênio do combustível, do outro lado da menbrana.


– Células de Combustível de Óxidos sólidos

– Possuem eficiência

próxima a 80%, contra

25 a 35% dos motores

de combustão interna.

SITES

www.advceramics.com

www.dynacer.com

www.metaltech.com.br - sonda lambda

www.faenquil.br - sonda lambda

www.techmat.com.br

www.ngkntk.com.br

www.ceram.com

www.abceram.org.br

http://www.advceramics.com/

http://www.dynacer.com/

http://www.metaltech.com.br/

http://www.faenquil.br/

http://www.techmat.com.br/

http://www.ngkntk.com.br/

http://www.ceram.com/

http://www.abceram.org.br/

comportamento elétrico dos cerâmicos

Documents