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pad, (1833) Polarização de Orientação O terceiro tipo: a polarização de orientação, n a dipoto tn A polarização resulta de uma rotação dos momentos perman camp cado, como estárepresêntado na Figura 18.325: Essa tendência de alinhamento é contraposta pelas vibrações tér- 2 micas dos átomos. de modo tal que a polarização diminui com o aumento da tempe tura, . , A polarização total P de uma: substância é igual à soma das polarizações eletrônica, iônica e de orientação (P,, Pe P, respectivamente). ou é encontrado somente em substâncias que possuem momentos de entes na direção do campo apli- P=PARAP, (18,34) al esteja ausente ou tenha uma magnitu- Possi nais dessas contribuições para a polarização tot | Rn di materiais com ligações de desprezível em relação às outras. Por exemplo, a polarização iônica não irá existir né covalentes, nos quais não existem íons presentes, Porquerobser 18.21 DEPENDÊNCIA DA CONSTANTE DIELÉTRICA EM RELAÇÃO & FREQUÊNCIA “pa elétrico aplicado mu- material dielétrico que 2, Os dipolos tentam e algum tempo finit e da facilidade com que 1 como O inverso desse Em muitas situações práticas, a corrente é alternada (CA); ou-seja, a voltagem ou 0 da de direção com o tempo, como está indicado na Figura 18.234. Agora, considere esteja sujeito à polarização por meio de um campo elétrico CA. Com cada inversão da se reorientar com o campo, como está ilustrado na Figura 18.33, em um processo q Para cada tipo-de polarização, existe um tempo minimo de: Tegrientação, o qual os dipolos específicos são capazes de se realinhar, Uma frequência de relaxação é somad: tempo mínimo de reorientação. ' ir > Riso, i ve manter a mudança na direção de sua orientaç ando e ole senado q da Pg dncia de o e, dessa forma, ele não irá contribuir para a constante RES A dependência de e, em relação à frequência do campo está representada esquematicamente n sia a fa um meio dielétrico que exibe todos os três tipos de polarização; observe que O cixo ds + reqliência est o DE Jogaritmica. Como está indicado na Figura 18.34. quando um mecanismo de polarização pira de funcionar, Cs sência do campo elétrico eo. it qiil EM m tas Orientação Constante dielétrica, e, Eletrônica , Figura 18.33) Orientações do dipolo para (a) uma ; - o É “polaridade de um campo elétrico alienado e (b) pa- ot 108 a e mas polaridade inversa. (De Richard A. Flinn and die função da Figura 18.34. Variação da constante Rico frequência de um campo elétrico alternado. Edo ção contribuições das polarizações eletrônica, iônica € para a constante dielétrica. Paul K. Trojan, Engineering Materials and Their. Applicarions, 4º edition. Copyright O 1990 por John Wiley & Sons, Inc. Adaptado sob permissão. de Joha Wiley & Sons, Inc.) de outra forma, e, é virtualmente independente da frequência. A Fabela valores para a constante dielétrica a 60Hz e | MHz; esses dados dão uma indicação dessa dependén- ão à frequência na extremidade inferior do espectro de fregjiências. A absorção de energia elétrica por um material dielétrico. que está sujeito a um campo elétrico alternado é de- nominada perda dielétrica. Essa perda pode ser importante em frequências do campo elétrico na vi freqiiência de relaxação para cada um dos tipos de dipolo operacionais para um material específico, Descja-se uma baixa perda dielétrica na frequência de utilização. 18.22 RESISTÊNCIA DIELÉTRICA Quando campos elétricos muito grandes são aplicados através de materiais dielétricos, grande número de elétrons pode repentinamente ser excitado para energias dentro da banda de condução, Como resultado, a corrente através do dielétrico, devida ao movimento desses elétrons, aumenta drasticamente; algumas vezes, uma fusão, queima resstênda ou vaporização localizada produz uma deg ele talvez até mesmo a falha do material. Esse fe- dielétrica nômeno é conhecido como ruptura do dielérrico. A resistência dielétrica, algumas vezes chamada de resistência à ruptura, rey a magnitude de um campo elétrico que é necessária para produzir à ruptura. A Tabela: 18.5 | apresenta as resistências dielétricas para vários materiais, 18.23 MATERIAIS DIELÉTRICOS Inúmeros ce râmicos e polímeros são usados como isolantes e/ou em capacitores, Muitos dos cerâmicos, incluin- porcelana, a esteadita e à mica, têm constantes dielétricas dentro da faixa de 6a 10 (Tabela 18.5). ambém exibem um alto grau de estabilidade dimensional e de resistência mecânica. Suas aplica- ções típicas incluem o isolamento elétrico e de linhas de transmissão de energia, bases de interruptores é bocais de lâmpadas. À titânia (TIO, e as cerâmicas à base de titanato, tais como o titanato de bário (BaTiO,). podem ser fabricadas com constantes dielétricas extremamente altas, o que as torna especialmente úteis para algumas apl cações em capácitores. jude da constante dielétrica pará à maioria dos polímeros é menor do que para as cerâmicas, uma vez ltimas podem exibir maiores momentos de dipolo: os valores dee, para os polímeros ficam geralmente entre 25. Esses materiais são usados normalmente para o isolamento de fios. cabos, motores, geradores e assim por diante, 2, além disso, para alguns capacitores. do o vidro. Esses materia Outras Características Elétricas dos Materiais Duas outras características elétricas novas e relativamente importantes que são encontradas em alguns materiais, ejam, a ferroeletricidade e a piezoeletricidade. merecem uma breve menção — quais 1824 FERROELETRICIDADE femelénio O grupo de materiais dielétricos chamado de ferroelétricos exibe polarização espontânea — ou seja, polarização na ausência de um campo elétrico. Eles são os análogos dielétricos aos materiais ferromagnéticos, os quais po- dem exibir um comportamento magnético permanente. Devem existir dipolos elétricos permanentes nos materiais ferroelétricos, cuja origem é explicada para o titanato de bário, um dos pat emroelstriços mais Comuns, A polarização espontânea é consequência do posicionamento. dos fons Ba”*, Ti e O? dentro da célula unitária, : mo está representado na Figura 18,35. Os íons Ba” estão localizados. nos vértices dacélula unitária, a qual possui etria tetragonal (um cubo que foi ligeiramente alongado em uma direção). O momento dipolar resulta dos des- locamentos relativos dos fons O? e Ti** das suas posições simétricas, como está mostrado na vista lateral da célula unitária. Os íons O” estão localizados próximos, porém ligeiramente abaixo, dos centros de cada uma das seis fa- ces, enquanto o fon Ti” está deslocado para cima a partir do centro dacélula unitária. Dessa forma, um momento dipolar iônico permanente está associado a cada célula unitária (Figura doa: Entretanto, quando o titanato de bário é aquecido acima da sua temperatura Curie ferroelétrica [12000 (250), a célula unitária se tora cúbica e todos os íons assumem posições simétricas dentro da célula unitária cúbica; o material possui agora a estrutura cristalina da perovskita (Seção 12.2) e o comportamento ferroelétrico deixa de nro ; , A polarização espontânea desse grupo de materiais resulta como uma: conpeqUência de interações: entre dipolos permanentes adjacentes, que se alinham mutuamente, todas na mesma direção. Por exemplo. com o titanato de rogo —— nn PROPRIEDADES ELÉTRICAS 521 | bário, os deslocamentos relativos dos fons RESUMO | O” e Ti!: são na mesma direção para todas as “E células unitária 5 dentro detia dada reg: io Lei de Ohm dos elétrons livres, os buracos (elétrons ausentes na banda de nenem di Pa e A | Condutividade Elétrica valência) também podem participar no processo de condução, exibem ferroeletricidade: esses incluem o sal | ; e ilétiico. és e] A filidade com que um material é capaz de transmitir uma COM base no comportamento elétrico, os semicondutores são de Rochelle (NaKC/H,0,.4H,0). o di-hidro- geno fosfato de potássio (KH;PO,), o niobato de potássio (KNDO.) e o zirconato-titanato de chumbo (Pb[ZrO,. TO). Os materiai ferroelétricos possuem constantes dielétri- cas extremamente relativamente baixas exemplo, à tempe: e, para O titanáto « vado quanto 5000 capacitores feito: ssificados como intrínsecos ou extrínsecos. No comporta= mento intrínseco, as propriedades elétricas são inerentes ao) material puro e as concentrações de elétrons e de buracos iguais; nos semicondutores extrínsecos, o comportamen- to Ena oia a ni impurezas. Os semicondutores ex- Eae rissónica o rórico mea aa pl aro s 5 buracos. respectivamente, são os portadores de sbintesóndlorde Estruturas das Bandas «e Energia nos Sólidos : E carga prei jantes, Às 5 5 Condução em Termo: “ie Bandas e dos Modelos de 'ga predominantes, As impure; s doadoras introduzem um excesso de elétrons: as impurezas receptoras introduzem um ligação Atômica so de buracos. corrente elétrica resulta do A condutividade elétrica dos materiais semicondutores é par- is são acelerados em respos- ticularmente sensível ao tipo e ao teor de impurezas, assim como. trico. O número desses elétrons à temperatura, A adição de até mesmo concentrações diminutas m termos da condutividade elétrica le. Com base na sua conduti ificado como um metal, comente elétrica é expre: ou doseu inverso, à resi dade, um material sólido pode sere um semicondutor ou um isolante ão ele- pode ser mseguentemente, os Ea esses materiais po- Para a maioria dos ma: nte menores do que movimento de elétrons | partir de outros ma- taà aplicação de um cê to) ” dem ser significatis Figura 18.45 Uma célala unitária de titanato de bário (BaTIO,) (a) em uma PIORSAa O car a ' s camentos dos ça Jor ed pi A gs os lo ieriais dielétrico: livres depende das estrutt:a: das bandas de energia eletrônica. de algumas impurezas melhora drasticamente a condutividade. fons TO" em relação ao centro da face. do material. Uma banda unica é simplesmente uma série de com o aumento da temperatura, à concentração de , ICIDADE estados eletrônicos com camentos próximos uns dos outros — portadores intrínsecos aumenta significativamente. Nos semi- | 18.25 PIEZOELE TRI , emrelação à en (a xistir uma de: condutores extrínsecos, com o aumento do teor de impurezas Uma propriedade não usual exibida por uns poucos materiais í subcamada eletrônica encotada no átomo isolado. Por “estrutura dopantes, a concentração de portadores à temperatura ambiente: | ! cerâmicos é a piezoeletricidade, ou, literalmente; a eletricida- ———— la banda de energia cletr subentende-se a maneira na qual aumenta, enquanto a mobilidade dos portadores diminui. de por pressão: a polarização é induzida e um campo: elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação de for- ças extemas. A reversão do sinal de uma força externa (i.e... de tração para compressão) inverte a direção do campo. O efeito piezoelérrico está demonstrado na Figura 18.36. Esse fenômeno c exemplos de suas aplicações foram dis utidos na Seção Materiais de Importância que seguiu à Seção 13.8. Os materiais piezoelétricos são utilizados em transdutores, oo oo e0/0-0 ta) tb) outras. asbandas mais eternas sº anjadas umas em relação eentão preenchidas :xiste um tipo distinto de es- tnuturade banda para os metais, os semicondutores e os isolantes. Um elétron se torna livre ao ser excitado de um estado preenchido emuma banda para um es» zo disponível acima da energia de Fermi. Energias relativamente pequenas são necessárias para asexcitações eletrônicas nos metais, dando origem a um grande Número de elétrons livres. Energias maiores são necessárias pa- mas excitações eletrônicas nos semicondutores e nos isolantes, mx ons. Dispositivos Semicondutores semicondutores empregam a caracte- rística elétrica única desses materiais para executar funções eletrônicas específicas, Dentre esses dispositivos incluem-se a retificadora p-n eos transistores de junção e MOSFET. tores são usados para a amplificação de sinais elétri- im como em dispositivos comutadores em circuitos de que são dispositivos que convertem energia elótricaemdelor- rigura 18.36 (a) Dj my um material piezoele- nana a | mações mecânicas, ou vice-versa. Algumas outras aplicações trico, (b) Uma voltagem é sorada quando o material SQue é responsável por suas menores concentrações de elétrons SMP ú Familiures que empregam piezoelétricos incluem as agulhas. é submetido a uma tens30 de compressão, (De dc firese menores valores de condutividade, Capacitânci | de fonógrafos. microfones, alto-falantes, alarmes sonoros e Vlack, Lawrence H.y El of Materials Science and a qo a eo paço | as sôni ç i ns. Em uma ing obilidade Eletrônica E | os dispositivos ultra-sônicos de geração de image: Tipos de Polarização | agulha fonográfica, conforme a agulha cruza as ranhuras em um disco, uma variação de pressão é imposta sobre um ma- terial piezoelétrico localizado ma agulha, a qual é então transformada em um ir para o alto-falante. Os materiais piezoelétricos incluem os titanatos de bário e chumbo, o zirconato de chumbo. (Pb drogeno fosfato de amônio (NH.H;PO,) e o quartzo. Essa propriedade é característica de matei estruturas cristalinas complexas e com baixo grau de simetria. O comportamento pic; policristalina pode ser aprimorado pelo aquecimento acima de sua temperatura Curie. mento até a temperatura ambiente na presença de um forte campo elétrico. de Pearson Edu Jersey.) n sinal elétrico e amplificada: antes de Zr0,), 0 dichi- selétrico de uma amostra seguido pelo seu resiras Oselétrons livres movidos por tm campo elétrico são espalhados Pelas imper s da rede cristalina. A magnitude da mobilidade eletrônica é indi de espalha- Ménto. Em muitos materiais, à condutividade elétrica é propor- Siônal 19 produto da concentração de elétrons e da mobilidade. Resistividade Elétrica dos Metais Nos materiais metálicos, a resistividade elétrica aumenta com “ emperatura, com 0 teor de impurezas é com a deformação Plística. A contribuição de cada um desses fatores para a re lividade total é aditiva. gemitondução Intrínseca A poondução Extrinseca. pendência da Concentração de Portadores em ção à Temperatura Es que Afetam a Mobilidade dos Portadores Ossemic, é coma itordutores podem ser tanto elementos (Si e Ge) ou Postos com ligações covalentes. Nesses materiais, além Dependência da Constante Dielétrica em Relação à Fregiiência materiais dielétricos são isolantes elétricos, porém são sus- cetíveis à polarização na presença de um campo elétrico, Esse fenômeno de polarização é responsável pela habilidade de qs dielétricos aumentarem a capacidade de armazenamento de car- ga dos capacitores, cuja eficiência é expressa em termos de uma constante dielétrica. A polarização resulta da indução ou! orientação de dipolos atômicos ou moleculares com 6 campo elétrico; diz-se que um dipolo existe quando há uma separação espacial resultante entre as entidades carregadas positivamente e negativamente. Os tipos de polarização possíveis incluem a eletrônica, a iônica e a de orientação; nem todos os tipos preci- sam estar presentes em um dielétrico específico, Para campos: elétricos alternados, depende da fregtiência se um tipo de po- larização específico contribui ou não para à polarização total é para a constante dielétrica; cada mecanismo de polarização deixa de funcionar quando a frequência do campo elétrico aplicado excede a sua frequência de relixação. 
