física experimental vi 4300314

Física Experimental VI – 4300314

2º Semestre de 2017

Instituto de Física Universidade de São Paulo

Professor: Antonio Domingues dos Santos E-mail: [email protected] Fone: 3091.6886

09 de agosto

Propriedades Elétricas

Lei de Ohm V RI

Resistividade

RA VA

l Il

Condutividade

1

J E

Metais = ~107 (m)-1

Isolantes = 10-10 ~10-20 (m)-1

Semicondutores = 10-6 ~104 (m)-1

Física dos Materiais – 4300502 1º Semestre de 2014 Física Experimental VI – 4300314 2º Semestre de 2017


Estrutura de bandas em sólidos

Metais Isolantes Semicondutores

Nível de Fermi

Banda de valência

Banda de condução

Física dos Materiais – 4300502 1º Semestre de 2014

Átomos isolados

Física Experimental VI – 4300314 2º Semestre de 2017


Metais

Isolantes e Semicondutores

Física dos Materiais – 4300502 1º Semestre de 2014 Física Experimental VI – 4300314 2º Semestre de 2017

n e

Semicondutores

Condutividade intrínsica

e bn e p e

Por elétrons e buracos

Física dos Materiais – 4300502 1º Semestre de 2014

e b


Semicondutores extrínsicos

Tipo n Condutividade

e bn e p e



Semicondutores extrínsicos

Tipo p Condutividade

e bn e p e



Dispositivos Semicondutores

Região de depleção

p nQ Q

Junção p-n

Diodos



Região de depleção

Junção p-n

Diodos

Corrente elétrica em

um diodo



Transístor p-n-p

Transístor bipolar

Corrente elétrica em

um transístor

Correntes na região de depleção

Esquema elétrico


Dispositivos Semicondutores Transístor MOS-FET

Distribuição de carga no capacitor MOS


Circuitos integrados

Processo de Litografia

Transistores de efeito de campo


Amplificadores Operacionais Amplificadores constituem-se nos mais importantes blocos usados em eletrônica analógica.

Malha aberta

out

in

VA

V

Malha fechada

Amp. Op. Modelo 741

Ganho A~105 (ideal= ∞)

Impedância 2MΩ (ideal= ∞)

Corrente interna 0,1μA (ideal= 0)

V offset 2mV (ideal= 0)

Rampeamento 0,5V/ μs

Resposta em frequência =>

( )outV A V V


Uso de Amplificadores Operacionais

Amplificador inversor

,

,

( )

out

e V V

V A e

f

out in

RV V

R

/

1/ 1/ 1/ 1/ 1/ 1/

i inout

f f f f

i V RV

R AR AR R AR AR

1

,

1

,

i f

in

outf

f

i i i

V ei

R

e Vi

R

Idealmente: (A= ∞ , ii= 0)

f

v

RG

R





Protoboard


Montagem do



Protoboard

+V

-V

Primeiro passo:

1) Colocar o Amplificador

Operacional no protoboard.

2) Ligar a sua alimentação, +V

(pino 7) e –V (pino 4), na

fonte de tensão.

+V

-V


Montagem do



+V

-V

+V

-V

Segundo passo:

1) Colocar os resistores.

2) Definir o nível de referência de tensão

(0V e Terra).

3) Conectar a entrada de sinal, do gerador

de funções.

Terceiro passo:

1) Ligar a fonte com +12V, 0V e -12V.

2) Ligar o gerador de funções em senoidal,

~500 Hz, Amplitude 1V.

3) Ligar o osciloscópio e monitorar o sinal

do gerador de funções e da saída

(pino6) do Amplificador Operacional.


Montagem do



+V

-V

Código de cores para identificação

de resistores:

Alguns usos de Amplificadores Operacionais


Amplificador somador inversor

1 2 3

1 2 3

f f f

out

R R RV V V V

R R R

1 2 3

11

1

,...

i i i i

Vi

R

Amplificador não inversor

,

2

1

( ) ~ 0

(1 )

in B

B out

e V V

V V

RV V

R

2

1

(1 )out in

RV V

R


1/

in

out

R A

R A

com

,

,

( )

out

e V V

V A e

1

,

1

,

i f

in

outf

f

i i i

V ei

R

e Vi

R


Seguidor de voltagem

out inV V

1/

in

out

R A

R A

com


Fonte de corrente constante

1 2

2 2B in

i i

V V R i

1

2

inVi

R


+V

-V

Alguns usos de Amplificadores Operacionais Idealmente: (A= ∞ , ii= 0) Amplificador de diferença

(Amplificador diferencial)

22

1 2

1

1 2

out

RV V V

R R

V VV V

R R

22 1

1

( )out

RV V V

R


Conversor corrente em voltagem

out f inV R I

+V

-V


integrador

0

1t

out in

f

V V dtRC


1 2

2

0

1

in

t

out

f

Vi i

R

V i dtC

Para sinal senoidal:

inout

f

VV

RC

Filtro passa-baixas

diferenciador

inout f

dVV R C

dt


out f inV RC V

Filtro passa-altas


+V

-V



Amplificador não linear

1 2

exp( )in out

i i

V VB

R

Para um diodo: 2 exp( )outVi B

ln( )inout

VV

RB

Para um diodo: 1 exp iVi = B

α

2outV

i =R

1 2i = i

exp iout

VV = RB

α




Amplificador não linear

ln( )inout

VV

RB

?

Multiplicador !!!

exp iout

VV = RB

α


Alguns exemplos

Computador analógico !!!

3 31

1 2

5 51

4 6

out

R RV x y

R R

R RV V z

R R


Um exemplo – Sistema massa-mola


2

2

0

2

0

( )

2

d x b dx k F tx

dt m dt m m

b

m

k

m

p/ k= 5 N/m

e m= 200 g

Se ζ = 1,

k/m = 25 (K2 = 25),

ω0 = 5 rad/s (f=0,8 Hz),

b/m = 10 (K1= 10)

Filtros

integrador


inout

f

VV

RC

Filtro passa-baixas

diferenciador


out f inV RC V

Filtro passa-altas

Combinação de filtros

Filtro passa-banda

Filtro rejeita-banda


Resposta em frequência (vista espectral)

Filtro passa-baixas

Para um sinal non-senoidal

de frequência fo

(série de Fourier)

n= 1

n= 3

n= 5

0

1

cos(2 ) sin(2 )n o n o

n

v A A nf t B nf t

sin(2 )4 o

n impar

nf tAv

n

1+3

1+3+5

Métodos Experimentais em Física dos Materiais – 4302503 2º Semestre de 2014 Física Experimental VI – 4300314 2º Semestre de 2017


Filtro passa-baixas

Fasor

0

0 0

exp[ (2 )]

cos(2 ) sin(2 )

V v j ft

v ft jv ft

0 exp[ (2 )]

2

1 1

2

C c c

cc c

cc

c

V v j ft

dVI C j fCV

dt

VZ

I j fC j C

( )in c

out c

cout in

c

V R Z I

V Z I

ZV V

R Z

1

1 /out in

r

V Vj



Filtro passa-baixas

1 exp( )

sin( / 2)( )exp( / 2)

/ 2

r

t

out r in

t T

rout in r

r

V T v j t dt

TV V t j T

T

1

1 /out in

r

V Vj



Filtro passa-baixas

1 exp( )

sin( / 2)( )exp( / 2)

/ 2

r

t

out r in

t T

rout in r

r

V T v j t dt

TV V t j T

T


Eficiência dos Filtros

Filtro Ressonante (passa-banda estreito)


Filtros

integrador


inout

f

VV

RC

Filtro passa-baixas

diferenciador


out f inV RC V

Filtro passa-altas

Combinação de filtros

Filtro passa-banda


+V

-V

2) Projetos de Experimentos

- Laboratórios didáticos

experimentos com Lock-in (foto-elétrico, Franck-Hertz, Lei de Malus, efeito

Hall e resistividade, efeito Faraday/Kerr, curva I-V de diodo, efeito

magnetoótico, …)

experimentos com controladores de processos PID

- Espaço InovaLab

- Experimentos Clássicos


3) Elaboração dos Projetos

- Título e Proponentes

- Resumo

- Introdução e motivação

(relevância e estado da arte no tema, vantagens/desvantagens, …

( O que fazer? Porquê fazer? Como fazer? ) )

- Justificativa tecnico-científica

(facilidade de operação, melhores resultados, flexibilidade, …)

- Detalhamento do projeto

- Orçamento


Sites interessantes

http://www.explainthatstuff.com/great-physics-experiments.html

http://www.schoolphysics.co.uk/age16-

19/Wave%20properties/Wave%20properties/text/Speed_of%20light/

index.html

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_experiments

http://www.nytimes.com/2002/09/24/science/here-they-are-science-s-

10-most-beautiful-experiments.html?pagewanted=all

https://www.quora.com/What-are-some-of-the-most-important-

experiments-in-physics

http://www.explainthatstuff.com/nanotechnologyforkids.html

http://www.explainthatstuff.com/articles_materials.html

- EUROPEAN JOURNAL OF PHYSICS

- AMERICAN JOURNAL OF PHYSICS


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