Condução elétrica
Corrente, velocidade de deriva, resistividade, semicondutores, díodos e efeito Hall.
A lâmpada acende rapidamente, mas os eletrões no fio têm uma velocidade média de deriva pequena. O campo eletromagnético estabelece-se ao longo do circuito; não é preciso um eletrão percorrer todo o fio para a energia chegar à lâmpada.
Corrente e deriva
A corrente convencional conta carga positiva por segundo, . Num metal, os eletrões movem-se em média no sentido oposto. Para portadores com densidade numérica , carga e velocidade de deriva , . Num fio uniforme de secção , para a orientação escolhida. As velocidades microscópicas individuais variam; é apenas a média que resta ao somar o movimento dos portadores.
Lei de Ohm microscópica
Num material óhmico, linear e isotrópico,
é a condutividade, em ; é a resistividade, em . Para um fio homogéneo de comprimento e secção constante ,
Se o fio tiver secção variável, usa nas condições de corrente aproximadamente unidimensional. Num fio com corrente estacionária, cargas superficiais distribuem-se para criar o campo que orienta a corrente. A condição só se aplica ao equilíbrio eletrostático.
Exemplo: fio de cobre
Tomamos , e . Então .
Mantemos este fio e fazemos passar . A corrente distribui-se uniformemente pela secção, logo
O campo aponta no sentido da corrente convencional. Ao percorrer o fio nesse sentido, o potencial diminui: a queda entre os extremos é .
A potência dissipada pode verificar-se a duas escalas:
| Cálculo | Resultado |
|---|---|
| Circuito: | |
| Local: | |
| Local integrado: |
A concordância mostra como a lei microscópica recupera o resultado do circuito.
Com e portadores , o módulo da deriva é . Este cálculo distingue transporte de carga de propagação do sinal.
Modelo de colisões
No modelo de Drude, a aceleração elétrica entre colisões tem média que dá , onde é o tempo médio de relaxação. Logo . Este modelo ajuda a relacionar deriva e condutividade, mas não descreve toda a física quântica de um metal. Em particular, não confundas com a distância microscópica típica percorrida entre colisões: esta depende da velocidade microscópica, muito maior que a deriva.
Condutores, isoladores e semicondutores
A condução depende dos estados de energia acessíveis aos eletrões. Nos metais há estados disponíveis junto dos ocupados; num isolante, a separação para estados de condução é grande. Num semicondutor, temperatura e dopagem alteram a quantidade de portadores. Podem participar eletrões e lacunas, estas descritas como portadores positivos.
A resistência de muitos metais cresce aproximadamente como num intervalo limitado. Semicondutores podem apresentar comportamento diferente. A lei de Ohm não se aplica automaticamente a todo o material ou a qualquer temperatura.
Um supercondutor, abaixo de condições críticas de temperatura, campo e corrente, pode ter resistência contínua nula e expulsar campo magnético do seu interior no estado de Meissner. Não é apenas um metal com resistividade pequena; o comportamento magnético também muda.
Díodos e fontes
Um díodo semicondutor tem uma relação não linear entre corrente e tensão. Um modelo simplificado é
A orientação direta favorece a corrente; a inversa limita-a até outros mecanismos, como a rotura, se tornarem relevantes. Uma queda fixa de é uma aproximação de certos díodos de silício, não uma lei universal. Num LED, a recombinação pode emitir luz; o material determina a energia e a cor dos fotões.
Uma fonte de força eletromotriz fornece trabalho por carga através de processos químicos, mecânicos ou outros. A força eletromotriz tem unidade volt, apesar do nome. Uma pilha real com resistência interna fornece tensão terminal quando entrega corrente.
Díodo em série com uma resistência
Liga uma fonte , uma resistência e um díodo em série, medindo do ânodo para o cátodo. Kirchhoff e o modelo exponencial dão
A tensão no díodo fica definida por esta equação implícita: não é uma fração constante da tensão da fonte. Para uma fonte constante , , e , a solução é aproximadamente . A corrente é . Somar a queda resistiva à tensão no díodo recupera a fonte.
A função é estritamente crescente, porque . Neste modelo, cada tensão da fonte tem uma única tensão no díodo. Isso permite procurar a raiz numericamente, mas não torna o sistema linear.
Duplicar a fonte para dá cerca de no díodo, e não . A lei exponencial não respeita homogeneidade. Neste modelo, a corrente inversa tende para . Se a aproximares por zero em polarização inversa, nesse ramo , mas o ramo direto continua não linear.
Emissão e modulação de luz nos ecrãs
Num CRT, um feixe de eletrões varre um ecrã com fósforo e cada ponto emite luz quando é atingido. Num plasma, descargas em pequenas células excitam fósforos. Nos dois casos há emissão de luz nos pontos da imagem, mas o mecanismo de excitação é diferente.
Num LCD, a tensão controla a transmissão de luz através de cristais líquidos e polarizadores. A luz vem de uma fonte por trás do painel. Para representar preto, o painel tenta bloquear essa luz; a qualidade do bloqueio e o controlo da retroiluminação limitam o resultado.
Num ecrã emissivo de LED ou OLED, cada píxel produz luz por recombinação nos díodos e pode deixar de emitir localmente. Isso dispensa a modulação de uma fonte de luz comum. Um painel LCD com retroiluminação LED continua, porém, a ser LCD: a palavra LED pode identificar apenas a fonte de luz por trás. Antes de comparar dois ecrãs, identifica qual destes mecanismos forma a imagem.
Efeito Hall
Um campo magnético perpendicular à corrente desvia portadores. A acumulação lateral de carga cria um campo elétrico que pode equilibrar a força magnética: .
Fixa a fita com corrente para , campo para e contactos nas faces e . Com eletrões, exige deriva para . Então aponta para , mas a carga negativa inverte a força para .
| Portador | Deriva | Força | Carga em −y |
|---|---|---|---|
| Eletrões | −x | −y | Negativa |
| Lacunas | +x | −y | Positiva |
Os portadores acumulam-se na mesma face nos dois casos: ao trocar o sinal de , a deriva também troca de sentido. O que inverte é a polaridade. Para os mesmos contactos, com eletrões e com lacunas. O campo de Hall aponta para no primeiro caso e para no segundo, como confirma .
Para um único tipo de portador, corrente , campo perpendicular e espessura na direção do campo,
A fórmula do módulo não determina a polaridade sem referências. O modelo também deixa de bastar quando vários tipos de portador contribuem significativamente para a condução.
Exercícios
Da geometria à dissipação num fio
Um fio homogéneo e óhmico tem , comprimento e secção . Transporta corrente uniforme de .
Calcula a resistência, a densidade de corrente, o campo e a queda de potencial. Verifica a potência total por e por vezes o volume.
Pista
Usa a mesma secção para corrente e volume. A potência por volume ainda não é a potência do fio.
Solução
A secção é , logo . A densidade de corrente é e .
A queda de potencial no sentido da corrente é , também igual a . Há campo no interior: o fio conduz corrente e não está em equilíbrio eletrostático.
Nos terminais, . Localmente, . O volume é ; multiplicar recupera .
Confere a tua resposta:
- Converte a secção e obtém R = 0,017 Ω.
- Obtém J = 2 × 10⁶ A/m², E = 0,034 V/m e queda 0,034 V.
- Confirma potência 0,068 W localmente e nos terminais.
Desenhar o sentido de Hall antes da fórmula
Uma fita conduz corrente para com para e contactos nas faces e . Para o mesmo e o mesmo , onde se acumulam eletrões e onde se acumulariam lacunas? O que revela a polaridade sobre o sinal dos portadores?
Pista
Fixa para obter o sentido da deriva em cada caso.
Solução
Eletrões têm deriva para : aponta para e aponta para , acumulando carga negativa na face . Lacunas têm deriva para : a força aponta também para , acumulando carga positiva na mesma face . A face fica positiva com eletrões e negativa com lacunas, por isso troca de sinal com .
Confere a tua resposta:
- Declara eixos: corrente +x, B +z, contactos em +y e -y.
- Deriva a força para cada sinal de portador e nomeia a face -y.
- Lê o sinal de q na polaridade entre os mesmos contactos.
Erros frequentes
Dizer que os portadores positivos se acumulam na face oposta ignora que a deriva também inverte; o que muda de lado é a polaridade, porque a carga acumulada na mesma face tem sinal oposto.
A resistência limita a corrente do díodo
Uma fonte constante alimenta uma resistência e um díodo em série. A saída é a tensão do ânodo para o cátodo. Usa , com e .
Obtém a equação que define . Mostra que a solução é única neste modelo. Para , verifica que é uma aproximação e calcula a corrente. O valor seria a saída para ?
Pista
A tensão da fonte reparte-se entre resistência e díodo. Testa a duplicação na equação completa.
Solução
Kirchhoff dá , logo , com tensões em volts. O segundo membro tem derivada e tende para e nos extremos: há uma única solução para cada real.
Com , o segundo membro vale aproximadamente ; a diferença resulta do arredondamento da aproximação. A corrente calculada pela resistência é . Pela exponencial, dá aproximadamente , compatível com esse arredondamento.
Duplicar essa saída para faria o segundo membro ultrapassar , não dar . Resolver a equação para a nova fonte dá cerca de . A transformação não respeita homogeneidade e portanto não é linear.
Confere a tua resposta:
- Obtém x = y + RI0 (exp(y/u0) − 1).
- Mostra unicidade pela derivada positiva.
- Verifica y ≈ 0,5995 V e corrente ≈ 0,4005 mA, e refuta homogeneidade.