AULA 2 - Eletricidade Básica - FIC

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ELETROSTÁTICA

A compreensão dos fenômenos elétricos se inicia com o entendimento acerca das cargas elétricas estáticas, e suas interações.

A esta área do conhecimento dá-se o nome de Eletrostática.

O termo eletricidade origina-se do termo elektron, nome grego do âmbar.

Em meados de VI a.C.,Tales de Mileto, filósofo e matemático grego, iniciou os estudos de eletrostática, após ter atritado um pedaço de âmbar (resina fossilizada) com pele de animal, verificou que o 1º passou a atrair objetos leves como uma pena.

MOLÉCULAS E ÁTOMOS

Todo corpo, toda matéria, todo organismo é composto por moléculas, as quais, por sua vez, são compostas por átomos, que também são compostos por partículas e subpartículas carregadas eletricamente.

Molécula complexa (fármaco Omeprazol)

Modelo de átomo (fármaco Omeprazol)

CARGA ELÉTRICA

É uma propriedade ligada à natureza de um corpo responsável pela interação elétrica entre os corpos, ou seja, de atração e repulsão. Nos átomos, as partículas portadoras de carga elétrica são:

• Elétrons (e-) - também conhecidas como cargas negativas do átomo;
• Prótons (p) - também conhecidas como cargas positivas do átomo.

Os elétrons possuem carga negativa, massa muito pequena e se movem em órbitas ao redor do núcleo atômico e são fracamente ligados ao átomo.

O núcleo atômico está localizado no centro do átomo e é constituído por prótons,que são partículas de carga positiva, cuja massa é aproximadamente 2.000 vezes superior a massa do elétron, e por nêutrons, partículas sem carga e com massa ligeiramente superior à dos prótons.

As cargas do elétron e do próton são opostas e convencionou-se atribuir ao elétron carga negativa e ao próton, carga positiva. Essas cargas têm o mesmo módulo, mas sinais diferentes.

Carga elementar

A carga elementar do elétron e do próton tem como símbolo e, e valor, em módulo e=1,6.10^-19 C , onde o coulomb (C) é a unidade de carga elétrica no sistema internacional (SI).

Ou seja:

• carga do próton: +1,6.10^-19 C = + 0,00000000000000000016 C
• carga do elétron: - 1,6.10^-19 C = - 0,00000000000000000016 C

OBS: Isso implicaria em afirmar que a carga elementar é a menor quantidade de carga encontrada na natureza, 
mas, de acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são mais considerados partículas elementares.  Eles seriam formados de três partículas ainda menores, os quarks. 

Num átomo NEUTRO, o número de prótons é igual ao número de elétrons.

Portanto, quando a matéria é, ou está, estável, o número de elétrons e prótons (que identifica o número atômico daquela substância) é o mesmo, isto é: # elétrons = # prótons.

Ou seja, a carga total naquela substância é nula, = 0 , porque as cargas positivas anulam as cargas negativas do átomo, como na figura acima.

Importante:

Submúltiplos do coulomb (C):

• 1 mC (milicoulomb) = 10^-3 C

• 1 μC (microcoulomb)= 10^-6 C

• 1 nC (nanocoulomb)= 10^-9C

• 1 pC (picocoulomb)=10^-12C

Para entender melhor >> NIVELAMENTO MATEMÁTICO - prefixos e notação científica

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Para aprender mais sobre o átomo:

1. Vídeo sobre o Átomo
2. Filme sobre Física Quântica - O Ponto de mutação

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Íons

Como os elétrons são fracamente presos ao átomo e como estão nas camadas externas do átomo são eles que se deslocam.

Condições como temperatura, campos elétricos, campos magnéticos e aceleração aumentam a atividade eletrônica, fazendo com que estes "pulem" de uma camada para outra, ou mesmo para fora da órbita eletrônica daquele átomo. 

Assim, muito frequentemente, os átomos perdem ou ganham elétrons para outras substâncias.

Nesta circunstância, passam a ser chamados de íons

O átomo neutro que ganhou elétrons passa a ser eletrizado com carga negativa (# elétrons > # prótons) e é denominado íon negativo, ou ânion. 

O átomo neutro que perdeu elétrons passa a ser eletrizado com carga positiva (# elétrons < # prótons) e é denominado íon positivo, ou cátion.

A figura abaixo ilustra o exemplo do cátion de Cloro (Cl-) e do ânion de Sódio (Na+).

O Cloro tem número atômico 17 e, portanto, tem também 17 elétrons, distribuídos em 3 camadas. Na última camada, também chamada de Camada de valência, ele fica com apenas 7 elétrons, dos 8 que poderia ter. Este potencial de receber mais um elétron na camada de valência qualifica-o como ânio, por ficar com carga negativa (-18 + 17 = -1).

Já o Sódio tem número atômico 11 e, portanto, tem apenas 1 elétron na terceira camada (de valência). Este elétron pode facilmente ser atraído por um ânion e, neste caso, o sódio transforma-se em cátion, por ficar com carga positiva (-10 + 11 = +1).

Assim, se o Cloro tende a receber um elétron na camada de valência, e o Sódio, de ceder este elétron, facilmente os dois íons vão se combinar, se estiverem em contato, formando o composto Cloreto de Sódio (sal de cozinha).

Naturalmente, cátions são atraídos por ânions, e vice-versa.

CARGA TOTAL EM UM CORPO

Com exceção dos gases nobres, raramente, uma substância encontra-se neutra. E é justamente por isto que se formam as moléculas, pela atração entre os íons de cargas diferentes, formando estruturas, ligações atômicas.

Além disto, não só as substâncias, mas o tempo todo os corpos físicos, constituídos destas matérias, também são submetidos a situações de eletrificação (as quais vamos estudar na sequência), que fazem com que ganhem ou percam elétrons para o meio, ou para outros corpos.

Se um corpo contiver em si exatamente o mesmo número de cargas positivas e negativas, vai ser um corpo eletricamente NEUTRO.

Caso contrário, estará carregado eletricamente, segundo duas condições possíveis:

• corpo carregado POSITIVAMENTE - quando tiver um ou mais prótons A MAIS, que o número de elétrons;
• corpo carregado NEGATIVAMENTE- quando tiver um ou mais prótons A MENOS, que o número de elétrons.

Em resumo, o que determina se um CORPO está carregado, é sempre o número de partículas EM EXCESSO, não o número total de partículas que ele contém.

A carga elétrica total Q de um corpo é uma grandeza quantizada, ou seja, ela é sempre múltiplo inteiro da carga elétrica elementar │e│=1,6.10^-19C:

Q = n. e

onde n é o número de partículas, prótons ou elétrons que o corpo tem EM EXCESSO.

Por exemplo, se um corpo contiver, no total, um bilhão de elétrons e um bilhão de prótons, sua carga total é ZERO, nula. Mas se, por qualquer razão, este corpo perder 2 de seus elétrons, sua carga total passa a ser, então:

 Q = n. e 
   = 2. -1,6.10-19 C
   = -3,2. 10-19 C 
   = - 0,00000000000000000032 C

Outro exemplo:

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Exercícios

ELETRIZAÇÃO

Quando há um desequilíbrio entre o número de elétrons e o número de prótons, o corpo está eletrizado.

Em outras palavras, a carga total Q deste corpo é diferente de zero.

Para que um corpo esteja carregado positivamente, é necessário que seus prótons estejam em maior número que os seus elétrons.

Para que um corpo esteja carregado negativamente é necessário que os seus elétrons estejam em maior número que seus prótons.

Para que um corpo seja considerado neutro, seu número elétrons deve ser igual ao seu número de prótons.

Existem vários processos que podem provocar a transferência de íons, de um corpo a outro, como:

Eletrização por atrito

Quando duas substâncias são atritadas, ocorre uma migração de elétrons de uma para outra.

A que recebe elé­trons adquire carga elétrica negativa e a outra, perdendo elétrons, adquire carga elétrica positiva.

Vídeo sobre eletrização por atrito: Me Salva! ELT05 - Eletrostática - Eletrização por atrito

Por exemplo, ao se atritar uma barra de vidro num pano de lã, elétrons passam do vidro para a lã. Em consequência, a barra de vidro adquire carga elétrica positiva (perde elétrons) e o pano de lã adquire carga elétrica negativa (recebe elétrons).

Se, em vez da barra de vidro, atritarmos com a lã uma barra de resina, haverá a transferência de elétrons da lã para a resina. Então, a barra de resina adquire carga elétrica negativa (recebe elétrons) e o pano de lã adquire carga elétrica positiva (perde elétrons). Os esquemas seguintes ilustram o que acontece.

Série Triboelétrica

Para determinar que tipo de carga (positiva ou negativa) um corpo ficará após ter passado por um processo de eletrização por atrito.

É uma lista onde encontramos alguns materiais em ordem que obedece à propriedade de doar ou receber elétrons.

Quando a eletrização ocorre por atrito, os corpos envolvidos estão inicialmente neutros, porém, no final do processo, adquirem cargas com sinais opostos.

Ex: Lã – tendência de doar elétrons para quem está abaixo dele na lista. Se atritarmos lã e cobre, o cobre ficará carregado negativamente e a lã positivamente.

Eletrização por Indução

Quando um corpo neutro é colocado próximo de um corpo eletrizado, sem que haja contato entre eles, o corpo neutro se eletriza. Esse fenômeno é chamado indução eletrostática.

A Eletrização por Indução acontece com a presença de um corpo Indutor (com carga positiva ou negativa) e um corpo Induzido ( com carga neutra).

Neste processo não há contato entre os corpos e ainda assim o corpo induzido vai adquirir uma carga contrária à do indutor.

Outro detalhe é que a eletrização por indução só pode ser feita através de um FIO TERRA, que escoa elétrons de um dos corpos.

Vídeo sobre indução eletrostática: [1].

Eletrização por Contato

Quando um corpo neutro é colocado em contato com um corpo eletrizado, por meio de um fio condutor, o corpo neutro se eletriza.

No início, pelo menos um deles deve estar carregado.

No final , os corpos envolvidos possuem a mesma carga e de mesmo sinal.

Vídeo sobre eletrização por contato: [2]

A eletrização por contato pode ser extremamente danosa na indústria de eletroeletrônicos:

Considere duas esferas condutoras A e B, uma eletrizada (A) e outra neutra (B). Ao colocarmos a esfera A, positivamente carregada, em contato com a esfera B, aquela atrai parte dos elétrons de B. Assim, A continua eletrizada positivamente, mas com uma carga menor, e B, que estava neutra, fica eletrizada com carga positiva.

Essa é a maneira mais simples de se eletrizar um corpo. Quando dois corpos são encostados ou ligados por fios, pode haver a passagem de elétrons de um para o outro. Para que se realize esse tipo de eletrização, os corpos e os fios devem ser condutores, e nunca isolantes.

Podemos dizer então que, se um corpo eletrizado negativamente (com excesso de elétrons) é encostado em outro, neutro, parte de seus elétrons passará para este, que também ficará eletrizado negativamente.

Se o primeiro corpo estivesse carregado positivamente (com falta de elétrons), ele retiraria elétrons do corpo neutro, de maneira que ambos ficariam com falta de elétrons e, portanto, eletrizados positivamente.

De acordo com o princípio da conservação das cargas elétricas, a soma algébrica das cargas elétricas negativas e das cargas positivas, supondo estar o sistema eletricamente isolado, é constante. Por exemplo: Suponhamos que dois corpos A e B, isolados de qualquer influência externa, possuam inicialmente as cargas QA e QB, respectivamente.

Se eles forem colocados em contato, haverá uma troca de cargas elétricas entre eles, de modo que, após algum tempo, as cargas respectivas serão QA' e QB'.

De acordo com o princípio da conservação das cargas, podemos escrever:

QA + QB = QA' + QB'

Na eletrização por contato, a troca das cargas depende das dimensões dos condutores.

Se considerarmos que os corpos têm as mesmas dimensões e a mesma forma, sendo, por exemplo, esferas de mesmo raio, após o contato apresentarão cargas iguais.

A equação matemática que representa o equilíbrio de cargas, em condutores idênticos, é:

Q = (QA + QB)/2

Onde Q é a carga do equilíbrio eletrostático, ou seja, a carga comum aos dois corpos, após o contato.

Exemplos:

Em todos os casos a seguir as esferas são idênticas, e após colocadas em contato são separadas e cada uma delas ficará com carga Q’:

a) QA=0 e QB=-8μC

 Q’=(QA + QB)/2=(0 – 8μ)/2
 Q’= -4μC

b) QA= 2C e QB=-6C

 Q’=(QA + QB)/2=(2 – 6)/2
 Q’= -2C

c) QA=6μC, QB=-8 μC e QC= 12 μC

 Q’=(QA + QB + QC)/3=(6 μ -8 μ + 12 μ)/3
 Q’=(10/3) μC

Outros processos de eletrização

Por aquecimento

Certos corpos, quando aquecidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários em dois pontos diametralmente opostos. O fenômeno é chamado fenômeno piroelétrico.

É mais comum em cristais, como por exemplo na turmalina.

Por pressão

Certos corpos, quando comprimidos, eletrizam-se, apresentando eletricidades de nomes contrários nas extremidades. O fenômeno é chamado fenômeno piezoelétrico.

Também é mais comum em cristais, como por exemplo, turmalina, calcita e quartzo.

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Exercícios:

Exercícios sobre eletrização

CONDUTIVIDADE DOS MATERIAIS

O comportamento elétrico dos materiais está diretamente relacionado ao número atômico de cada substância, e ao Diagrama de Pauling!

Vale dar uma olhada na Tabela Periódica para entender:

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Condutores

O que caracteriza um material como condutor é a camada de valência dos átomos, que é a última camada de distribuição dos átomos. Em razão da grande distância entre essa última camada e o núcleo, os elétrons ficam fracamente ligados com o núcleo, podendo, dessa forma, abandonar o átomo em virtude das forças a que estiverem submetidos externamente (campo elétrico, campo magnético, LUZ, temperatura, etc).

Desta forma, Condutores são materiais que apresentam portadores de cargas elétricas (elétrons ou íons) quase livres, o que facilita a mobilidade dos mesmos em seu interior.

São considerados bons condutores elétricos, materiais com alto número de portadores de cargas elétricas livres e que apresentam alta mobilidade desses portadores de cargas elétricas.

Os condutores de eletricidade são meios materiais que permitem facilmente a passagem de cargas elétricas.

Exemplos de bons condutores:

• Metais (como o cobre, alumínio, ferro, etc.) e algumas ligas metálicas;

• Grafite

• Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido sulfúrico. etc.)

• Água da torneira, água salgada, água ionizada (como, por exemplo as das piscinas);

• Corpo humano;

• Ar úmido.

Os materiais condutores têm larga utilização no dia-a-dia. São utilizados, por exemplo, nos fios condutores de eletricidade e na indústria de eletroeletrônicos, entre muitas outras utilizações.

 

 

 

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Isolantes

Os materiais isolantes, ou dielétricos fazem o papel contrário dos condutores, eles são materiais nos quais não há facilidade de movimentação de cargas elétricas.

Esses materiais são assim caracterizados porque os elétrons da camada de valência estão fortemente ligados ao núcleo, não permitindo dessa forma que ocorra a fuga dos mesmos.

Os materiais isolantes são largamente utilizados, assim como os materiais condutores. São utilizados, por exemplo, na parte externa dos fios, encapando-os para evitar que haja contato elétrico entre diferentes fios (isolação), ou mesmo choque elétrico.

Os materiais isolantes se caracterizam por não apresentar portadores de cargas elétricas livres para movimentação.

Exemplos de bons isolantes (maus condutores):

• Borracha, madeira, cortiça;

• Vidro, porcelana;

• Plástico;

• Têxteis (lã, seda, etc.);

• Ar seco;

• Água pura (desionizada).... Hããã??????

Afinal, a água conduz, ou não, eletricidade??? 

Nesses materiais, a mobilidade dos portadores de cargas elétricas é praticamente nula, ficando os mesmos praticamente fixos no seu interior.

 

 

 

 

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Semicondutores

Materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores são chamados de semicondutores.

Certos materiais, tais como o germânio e o silício, distinguem-se por não serem bons condutores, nem bons isolantes.

Esses materiais recaem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina pura.

Porém, quando submetidos a um processo chamado de dopagem, no qual, à ordem de apenas um átomo em 10 milhões seja substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina, nesta circunstância, os materiais semicondutores tornam-se excelentes condutores.

Materiais do tipo P são dopados com substâncias, como Boro (B), Alumínio (Al) e o Gálio (Ga), que possuem apenas 3 elétrons na camada de valência. Cada um destes três se combina com outros três e- do silício, em ligações covalentes. Porém, obviamente fica faltando um e- de silício, que não consegue se combinar com ninguém. Este é o fenômeno que gera as "lacunas" positivas, nas moléculas de silício + impureza.

Materiais do tipo N são dopados com substâncias como o Arsênio (As), Antimônio (Sb) e o Fósforo (P), que possuem 5 elétrons na camada de valência, o que vai gerar um e- livres, em cada ligação com átomos de silício.

O principal fenômeno físico que permite o comportamento semicondutor chama-se Efeito Hall.

Ao se ligar fisicamente dois materiais semicondutores "dopados", um com lacunas, e o outro com elétrons livres, e na presença de um campo elétrico direto, se criará o efeito em uma Junção PN que permitirá a ambos conduzirem:

JUNÇÃO PN polarizada reversamente

JUNÇÃO PN polarizada diretamente

Para entender melhor, leia o material do Prof. MSc. Thiago Ribeiro de Oliveira, IFMG, no meu material da disciplina de Eletrônica Geral: Eletrônica Geral 1 - Junção PN e diodo

Vídeo sobre materiais semicondutores: Dopagem

Para saber mais sobre semicondutores: [3]

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Supercondutores

A corrente elétrica durante o processo de transporte, que vai das usinas geradoras até os centros consumidores, sofre significativa perda de energia. Essa perda ocorre em razão da resistência elétrica dos fios condutores de eletricidade. Ocorre que boa parte da energia elétrica é transformada em energia térmica, sendo dessa forma dissipada para o meio ambiente.

Como forma de diminuir essa perda de energia usa-se fios condutores com baixa resistência, como o cobre, por exemplo, que tem uma alta condutividade (~44 m/(Ω·mm²) a 20 ºC). Mesmo assim, em distâncias que ultrapassam 400 km, as perdas ainda acontecem, podendo chegar até 20%.

Em virtude disso, muitos cientistas buscam conseguir os chamados condutores ideais, aqueles que conduzem energia elétrica sem que ocorram perdas para o meio ambiente.

Será possível conseguir esse tipo de condutor?

Notavelmente, a temperaturas suficientemente baixas, determinadas materiais adquirem resistência quase nula (ou condutividade "infinita"), ao fluxo de carga.

Esses são os materiais supercondutores.

A supercondutividade é uma propriedade física que certos materiais, como o Nióbio (Nb), apresentam quando são resfriados a temperaturas extremamente baixas, podendo conduzir corrente elétrica praticamente sem resistência e perdas de energia.

A supercondutividade em metais próximos ao zero absoluto foi descoberta em 1911, pelo físico holandês Heike Kamerlingh-Onnes, quando observou que a resistência elétrica do mercúrio desaparecia ao ser resfriado a 4K (~ – 269,15 °C). Dessa forma, ele acabou verificando a propriedade de supercondutividade do mercúrio, e depois, também para outros metais. No entanto, a supercondutividade não se mostrou aplicável à maioria dos metais, pois seria necessário um resfriamento extremo e muito caro.

Os físicos americanos Jonh Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer, em 1972, explicaram o fenômeno da supercondutividade, fato que deu a eles o prêmio Nobel da física naquele ano. Eles mostrarem que esse fenômeno não está ligado somente à diminuição da agitação térmica dos átomos e moléculas de um material, quando esse está sob baixas temperaturas. Dessa forma, surgiu a ideia da possibilidade da existência desse fenômeno com temperaturas muito elevadas, mas as experiências com condutores metálicos relacionadas a essa possibilidade não deram resultados.

Em 1987, foi a descoberta a supercondutividade em "altas" temperaturas (acima de 100 K = -173,15 ºC) em um composto não-metálico.

Atualmente, estão sendo objeto de intensas pesquisas materiais que são supercondutores, tanto em baixas, como em altas temperaturas. As aplicações potenciais incluem transmissão de energia sem perdas a grandes distâncias, e veículos de alta velocidade magneticamente levitados, para substituir os trens atuais, que rodam sobre trilhos.

Vídeo dos trens Maglev: O trem mais rápido já construído - 600 km/h

A supercondutividade também é aplicada em:

1. Na construção de magnetos supercondutores que geram campo magnético extremamente forte, os quais possibilitam a construção dos chamados aceleradores de partículas;
2. Nos aparelhos eletrônicos que funcionam à base de eletricidade, diminuindo o seu tamanho e o gasto de energia dos mesmos;
3. Nos fios supercondutores utilizados em computadores, permitindo que os chips sejam cada vez menores e mais rápidos no processamento de dados;
4. Em ímãs, permitindo que eles possam flutuar sobre a superfície de um material supercondutor.
5. etc.

Para saber mais sobre supercondutores:

1. Scielo [4]
2. Material da UFRJ [5]

TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

Características Quânticas da Luz

O efeito fotovoltaico é a geração de uma corrente elétrica – energia – em um material semicondutor quando exposto à luz, seja ela do sol ou de qualquer outra fonte.

A luz é uma onda eletromagnética que se propaga com velocidade de 3.10⁸ m/s no vácuo e no ar e carrega energia.

• Características ondulatórias: reflexão, refração e dispersão;
• É policromática, ou seja, pode ser separada em diferentes comprimentos de onda(λ);
• É composta por fótons, que são partículas elementares, pequenas quantidades de luz. Os fótons não possuem massa, mas transportam energia.

Os fótons são as partículas que compõem a luz e que carregam energia, podendo ser definidos como pequenos “pacotes” de energia.

Dessa forma, a luz é tanto onda quanto partícula (Einstein), pois apresenta características de onda (refração, dispersão e polarização) e é composta por partículas (os fótons). Einstein provou que o fóton é a quantidade elementar (quantum) da luz e a base para os cálculos de grandeza das ondas eletromagnéticas.

Cada fóton possui uma quantidade fixa de energia, que pode ser calculada pela equação desenvolvida por Einstein:

 E = h.f 

, na qual E é a energia do fóton, f é a frequência da radiação eletromagnética (Hz) e h é a constante de Planck, que é igual a 6,62607015 × 10^-34 m² kg / s.

Pela equação percebe-se que a energia do fóton está diretamente relacionada com a frequência de onda da radiação eletromagnética.

Quanto mais alta a frequência, maior a energia do fóton.

Quanto menor o comprimento de onda, maior a energia da radiação.

Por exemplo, quantos fótons são necessários para aquecer uma xícara de café?

Depende da frequência, assim como da cor.

A frequência do vermelho é 350 THz e a do azul 750 THz.

Então, a energia de um fóton azul é:

E = (6,62x10-34)x(750x1012) ≈ 10-18 joule

 1 joule ≈ 1018 fótons azuis

Ora, a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de um grama de água líquida de 14,5 para 15,5 °C, conhecida como caloria, corresponde a 4.1855 joules.

Então, para aumentar a temperatura de 10 cm³ de café em 50 °C, são necessários cerca de 100x50x10¹⁸ ou 10²¹ fótons azuis e 10²² fótons vermelhos!!!!

Um fóton surge a partir do deslocamento de um elétron de um átomo entre duas camadas (estados) de energia diferentes.

Ao ser energizado, o elétron transita de uma camada interna para uma externa e, ao voltar para o seu estado (camada) original, emite a energia (fóton) correspondente a essa diferença.

Efeito da luz sobre os materiais semicondutores

A energia de cada elétron depende de sua órbita.

Elétrons mais afastados do núcleo possuem mais energia que os elétrons mais próximos do núcleo.

O átomo de silício tem 14 elétrons, porém, somente os 4 últimos da camada de valência podem ser compartilhados. Estes quatro últimos elétrons apresentam um papel importante no efeito fotovoltaico.

Os elétrons livres da banda de valência estão normalmente presos às ligações covalentes da rede cristalina. Mas, ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará sobrando, fracamente ligado a seu átomo de origem.

Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para a banda de condução.

Assim, os elétrons da banda de condução são livres para circular no material.

Ainda, se por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede.

Esta falta de elétron é denominado buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque.

À temperatura ambiente, existe energia térmica suficiente para que praticamente todos os elétrons em excesso dos átomos de fósforo estejam livres, bem como que os buracos criados pelos átomos de boro possam se deslocar.

Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade e átomos de fósforo na outra, será formado o que se chama de JUNÇÃO PN.

O que ocorre nesta junção é que os elétrons livres do lado N passam ao lado P, onde encontram os buracos que os capturam.

Isto causa um acúmulo de elétrons no lado P, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado N, que o torna eletricamente positivo.

Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado N para o lado P.

Este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado N.

Porém, a banda de valência é cheia de elétrons (ligações covalentes); e a de condução, parcialmente vazia, enquanto o “gap” entre elas é de 1 elétron-volt (eV).

O efeito fotovoltaico ocorre, então, quando os elétrons da banda de valência do semicondutor recebem fótons com energia suficiente para que consigam saltar o “gap” até a banda de condução, criando a corrente elétrica.

É um processo que ocorre quando um fóton cuja energia coincide com a diferença entre níveis de energia de transição em questão, colide com um átomo em no estado inferior. Essa interação entre o elétron na banda inferior faz com ele acelere e absorva energia suficiente para ir para a banda superior.

Esse salto ocorre quando a energia do fóton é maior ou igual a energia do “gap”, que é o que fica no meio, entre a energia máxima da banda de valência e a mínima da banda de condução, ou seja, a diferença entre elas.

Se uma junção pn, como o da figura acima, for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico.

Esse efeito foi observado pela primeira vez em 1839 pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel.

Foi somente após mais de um século de sua descoberta que o fenômeno passou a ser usado para geração de energia a partir do sol, com as células fotovoltaicas.

A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade através do efeito fotovoltaico.

Existem na natureza materiais classificados como semicondutores, que se caracterizam por possuírem uma banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de condução totalmente vazia à temperaturas muito baixas. A figura 4 ilustra a formação de uma célula fotovoltaica. A separação entre as duas bandas de energia permitida nos semicondutores (gap de energia) é da ordem de 1eV, o que os diferencia dos isolantes onde o gap é de vários eVs. Isto faz com que os semicondutores apresentem várias características interessantes. Uma delas é o aumento de sua condutividade com a temperatura, devido à excitação térmica de portadores da banda de valência para a banda de condução. Uma propriedade fundamental para as células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons, na faixa do visível, com energia superior ao gap do material, excitarem elétrons à banda de condução. Este efeito, que pode ser observado em semicondutores puros, também chamados de intrínsecos , não garante por si só o funcionamento de células fotovoltaicas. Para obtê-las é necessário uma estrutura apropriada para que os elétrons excitados possam ser coletados, gerando uma corrente útil.

A luz que enxergamos é denominada cientificamente de onda eletromagnética, uma combinação de campos elétricos e magnéticos variáveis que se propaga pelo espaço carregando energia.

Os fótons são as partículas que compõem a luz e que carregam essa energia, podendo ser definidos como pequenos “pacotes” de energia.

Dessa forma, a luz é tanto onda quanto partícula, pois apresenta características de onda (refração, dispersão e polarização) e é composta por partículas (os fótons).

Segundo explicado por Einstein, o fóton é a quantidade elementar (quantum) da luz e a base para os cálculos de grandeza das ondas eletromagnéticas.

Cada fóton possui uma quantidade fixa de energia, que pode ser calculada pela equação desenvolvida por Einstein (E = h.f), na qual E é a energia do fóton, f é a frequência da radiação eletromagnética (Hz) e h é a constante de Planck.

Vemos, então, que a energia do fóton está diretamente relacionada com a frequência de onda da radiação eletromagnética. Quanto mais alta a frequência, maior a energia do fóton.

Um fóton surge a partir do deslocamento de um elétron de um átomo entre duas camadas (estados) de energia diferentes. Ao ser energizado, o elétron transita de uma camada interna para uma externa e, ao voltar para o seu estado (camada) original, emite a energia (fóton) correspondente a essa diferença.

Ambos os efeitos, fotovoltaico e fotoelétrico, são originados pela energia dos fótons de luz de determinada frequência da onda eletromagnética.

REFERÊNCIAS

Portal Solar - https://www.portalsolar.com.br/efeito-fotovoltaico-x-efeito-fotoeletrico-o-que-sao-quais-diferencas

Prof. Dr. Eduardo Parente Ribeiro Departamento de Engenharia Elétrica - UFPR https://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/2000/luischan/comofunciona.htm

Profa Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas GEPEA – Grupo de Energia Escola Politécnica Universidade de São Paulo Energia Solar Fotovoltaica : Fundamentos, Conversão e Viabilidade técnico-econômica

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