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Apostila de física do estado sólido desenvolvido pela Universidade Virtual da África para formação de professores de física. O material é um guia de estudo para aprendizagem e ensino da física do estado sólido com links para vídeos, textos complementares, também contém exercícios de verificação da aprendizagem. Se não aprender o básico com este guia, não aprende com mais nada.
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Este documento é publicado sob as condições de uma Criação Conjunta http://en.wikipedia.org/wiki/Crative_Commons Atribuição http: creativecommons.org/licenses/by/2.5/License (abbreviated “cc-by”, Version2.5.
Este módulo tem quarto secções principais.
A primeira é a secção da Introdução, que consiste em cinco partes:
Título – O título do módulo está claramente descrito.
Conhecimentos prévios – Nesta secção recebe a informação exacta sobre os pré-requisitos em termos de conhecimentos e habilidades de que necessita para iniciar o módulo. Preste atenção a estes requisitos, pois ajudá-lo ão a decidir se precisa ou não de fazer uma revisão.
Tempo necessário – Dá-lhe o tempo total (em horas) de que precisa para concluir o módulo. Todos os testes de auto-avaliação, actividades e avaliações devem ser concluídos no tempo especificado.
Material necessário – Aqui encontrará a lista de material de que precisa para concluir o módulo. Algum material é parte do pacote do curso que receberá em CD ou vai aceder através da internet. O Material recomendado para fazer experiências pode ser obtido na instituição em que está matriculado (que é membro de AVU) ou poderá adquiri-lo por outros meios.
Racionalidade do módulo – Nesta secção obterá as respostas para perguntas como “Porque devo estudar este módulo estando num curso de formação de professores? Qual é a sua relevância na minha carreira?”
A segunda é a secção de Conteúdo, que consiste em três partes:
Resumo: O conteúdo do módulo é apresentado duma forma breve. Nesta secção encontrará um ficheiro de vídeo (um filme de QuickTime ) onde o autor deste módulo é entrevistado acerca do mesmo. O parágrafo resumo do módulo é seguido da listagem dos conteúdos, incluindo o tempo aproximado necessário para completar cada secção. Estes três elementos vão ajudá-lo a figurar como o conteúdo está organizado no módulo.
Objectivos Gerais – Objectivos claros, descritivos, são providenciados para lhe dar a expectativa sobre que conhecimento, habilidade e atitudes adquirirá depois de estudar o módulo.
Objectivos Específicos de Aprendizagem (Objectivos Instrucionais): – O foco de cada actividade de aprendizagem está em cada um dos objectivos
Lista compilada de links úteis: É apresentada uma lista de pelo menos 10 web sites que o ajudam a entender os tópicos. Cada link é acompanhado de uma referência completa (Título do site, URL), ecrã capturado de cada link , assim como 50 palavras para a descrição do link.
Síntese do Módulo: É providenciado um sumário do módulo.
Avaliação Sumativa: É apresentada uma avaliação no final do módulo.
Tenha prazer no seu trabalho com este módulo.
Por Sam Kinyera Obwoya Kyambogo, Universidade de Uganda
O pré-requisito básico para este módulo é a física escolar que o estudante aprendeu. Em particular, é essencial o conhecimento dos conteúos que a seguir se enumeram para a compreensão e seguimento efectivo do módulo. Um dos conteúdos é o de electricidade e magnetismo. O conceito da lei e da força de Coulomb é essencial quando se aprende a estrutura atómica. Um conhecimento profundo sobre calor e termodinâmica. Precisa de fazer revisão sobre capacidade de calor ao volume constante e à pressão constante. Para além disto, precisa de rever tópicos como: entropia, entalpia, e funções termodinâmicas. Os cálculos em matemática são um requisito essencial para este módulo.
Este módulo pode ser estudado em 120h.
Os materiais necessários para o módulo incluem o acesso a um computador, mas o mais importante é que é necessária uma conexão estável da internet. A internet providenciará muitas das referências essenciais e recursos multimédia. Estes multimédia são importantes pois em alguns casos servem como docentes virtuais e fontes de equipamento a ser usado para fazer experiências virtuais. Não obstante, alguns CDs serão disponibilizados para suplementar o uso da internet. Outros materiais incluem leituras e recursos obrigatórios que podem estar disponíveis na escola ou livraria mais próxima.
Este módulo tenciona providenciar os fundamentos básicos de física para os estudantes. Isto vai habilitar os estudantes a apreender os conteúdos da matéria, tendo em vista explicar as propriedades térmicas, eléctricas e ópticas dos sólidos. O módulo está estruturado de tal sorte que o estudante deve fazer as actividades tal como prescritas para o máximo rendimento. O módulo em geral
Na primeira unidade ou actividade, isto é, introdução à física do estado sólido, espera-se que o estudante explique a estrutura atómica, descreva as várias ligações atómicas, tais como as ligações iónicas e ligações covalentes. A aprendizagem exigirá também que o estudante distinga entre sólidos cristalinos e amorfos; sólidos policristalinos e amorfos, e explique a produção e o uso da difracção dos raios X. Na segunda unidade, isto é, defeitos de cristal e propriedades mecânicas, a aprendizagem inclui a distinção entre os diferentes tipos de defeitos de cristal: os pontos de defeitos (lacunas, intersticiais, e substitucionais) e deslocações (rotacionais e das pontas). Aqui, os estudantes aprendem que os pontos de defeitos estão bem localizados e são do tamanho atómico, enquanto a deslocação é uma desordem que se estende para além do volume de um ou dois átomos. Os efeitos dos defeitos nas propriedades mecânicas, e eléctricas integram as aprendizagens que vão ocorrer. Na unidade três os resultados de aprendizagem incluem a definição de capacidade de calor e explicações da variação de capacidade de calor com a temperatura, com base no modelo clássico, no modelo de Einstein e no modelo de Debye. Aos estudantes vai exigir-se o uso da teoria do electrão livre para explicar as altas condutividades térmicas e eléctricas dos metais. Também devem ser capazes de derivar e aplicar a lei de Wiedermann-Frantz. Finalmente, na actividade quatro, a esperada aprendizagem deve habilitar os estudantes a usar a teoria de banda para explicar a diferença entre condutores, semicondutores e isoladores; explicar a diferença entre semicondutores intrínsecos e extrínsecos em relação ao papel de doping. No fim de tudo os estudantes usam os conceitos de interacção de ondas electromagnéticas (luz) com materiais para explicar a absorção óptica, reflexividade e transmissibilidade.
6.2 Sumário
Este curso consiste em quatro actividades: introdução à Física do Estado Sólido; Defeitos dos cristais e propriedades mecânicas; Propriedades Térmicas e Eléctricas; e Teoria de banda & propriedades ópticas. As componentes de cada actividade estão alistados como segue:
Introdução à Física do Estado Sólido (40 horas)
Revisão da estrutura atómica cristalina
Sólidos policristalinos e Amorfos
Difracção dos raios X, lei de Bragg e aplicações
Defeitos dos Cristais e Propriedades Mecânicas (20 horas)
Lacunas, Intersticiais, Deslocações
Propriedades Mecânicas
Propriedades Térmicas e Eléctricas (40 horas)
Capacidade de calor: modelo clássico
Modelo de Einstein e Modelo de Debye
Condutividade Eléctrica e condutividade térmica
A teoria do electrão livre
Teoria de Banda & Propriedades Ópticas (20 horas)
Metais
Semicondutores (intrínsecos e extrínsecos)
Isoladores
Propriedades ópticas
6.3 Organização gráfica
C. Propriedades térmicas e eléctricas
A. Introdução à Física do Estado Sólido Capacidade de calor: modelo clássico, modelo de Einstein e modelo de Debye Condutividade eléctrica e condutividade térmica Teoria de electrão livre
Revisão da estrutura atómica Sólidos cristalinos, policristalinos e amorfos Difracção dos raios X, lei de Bragg e aplicações
Física do Estado Sólido D. Teoria de Banda & Propriedades Ópticas
B. Defeitos dos cristais e propriedades mecânicas Metais, Semicondutores (intrínsecos e extrínsecos), Isoladores Absorção, Reflectividade e Transmissibilidade
Vacâncias, Intersticiais e Deslocações Propriedades mecânicas
Semicondutores (intrínsecos e extrínsecos) Isoladores Propriedades ópticas
Explicar, baseado na interacção das ondas de electromagnética (luz) com a matéria a absorção, a reflectividade e transmissibilidade.
Está preparado para fazer este módulo?
Título da Avaliação Diagnóstica: Física do Estado Sólido
Racional: A avaliação diagnóstica aqui apresentada foi desenhada de modo a determinar o quanto os estudantes sabem acerca da física do estado sólido. A avaliação diagnóstica ajuda a identificar claramente o que os estudantes sabem e o que precisam de saber, por isso serve para motivar os estudantes para estarem mais envolvidos e atentos à experiência de instrução e aprendizagem. As questões apresentadas têm também como objectivo alertar os estudantes acerca do que podem esperar alcançar, caso não consigam dar nenhuma resposta à questão. Isto vai elevar adequadamente o nível de preocupação dos estudantes por lhes indicar o que precisam de aprender.
Questões
Auto Avaliação
(A) lacunas (B) intersticiais (C) Substitucionais (D) deslocações
(A) rotação (B) canto (C) sanduíche (D) inútil
(A) ( )
axbxc
bxc
axbxc
axc
a bxc
bxc
b bxc
bxc
O diagrama acima representa a porção de lacuna 2D. Quais das representações não representa uma célula primitiva.
(A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4
(A) 4 (B) 6 (C) 8 (D) 12
(A) 24.6o^ (B) 36.0 o^ (C) 56.4 o^ (D) 54.8 o
(A) 0.8 (B) 0.48 (C) 7.2 (D) 1.
(A) A ligação metálica tem a característica não – direccional.
(B) A ligação metálica consiste de um mar de electrões livres que circundam o ião positivo.
(C) Uma das características que contribui para as propriedades do sólido metálico é possuir superfícies finas.
vão para os níveis mais baixos de estados de energia disponíveis e constituem o “mar de Fermi” de estados de energia dos electrões.
(C) O nível de Fermi é a superfície desse mar ao zero absoluto onde electrões têm energia suficiente para irem acima da superfície. Por isso o nível de Fermi está localizado na banda de diferença.
(D) Num condutor, o nível de Fermi está dentro da banda de condução, de tal sorte que a banda está meio cheia com electrões. Neste caso, somente uma pequena porção de energia é necessária para os electrões se deslocarem a um outro estado livre e, deste modo, a corrente flui.
(i) Existem no total três graus de liberdade rotacional, correspondendo cada um a um dos eixos do espaço tridimensional.
(ii) Apenas dois graus de liberdade rotacional para moléculas lineares são considerados na prática, porque o momento de inércia em torno do eixo internuclear é desprezível em relação aos outros momentos de inércia na molécula.
(iii) O mecanicamente quantos , o intervalo entre sucessivas energias rotacionais, eigenstate, é directamente proporcional ao momento de inércia em torno desse eixo.
(A) A condutividade eléctrica é mais ou menos fortemente dependente da temperatura.
(B) Nos metais a condutividade eléctrica diminui com o aumento da temperatura.
(C) Em semicondutores, a condutividade eléctrica aumenta com o aumento da temperatura.
(D) Em vasta escala de variação de temperatura, a condutividade eléctrica pode aproximadamente ser considerada como sendo directamente proporcional à temperatura.
V
V T
V
V T
P
P
Onde:
CV e CP são capacidades de calor ao volume constante e à pressão constante, respectivamente.
Q - é a quantidade infinitesimal de calor adicionado.
T - é a subsequente variação da temperatura. U - é a mudança na energia interna. H - é a mudança na entalpia.
(A) Em sólidos cristalinos átomos interagem com a vizinhança, e os níveis de energia de electrões em átomos isolados tornam-se bandas.
(B) Electrões num sólido preenchem a energia das bandas até um certo nível, chamado energia de Fermi.
(C) Bandas que estão completamente cheios de electrões podem conduzir electricidade porque não existe um estado vizinho de energia para o qual podem saltar.
(D) Em alguns casos, contudo, a teoria de banda não funciona e materiais previstos como condutores pela teoria de banda tornam-se em isoladores. Os Isoladores Mott e isoladores de transferência de carga são as tais duas classes de isoladores.
(A) A condutividade térmica do material depende da sua estrutura.
(B) A condutividade térmica do material depende da temperatura.
(C) As substâncias cristalinas puras exibem uma condutividade térmica altamente variável ao longo dos diferentes eixos do cristal, devido à diferença na combinação em fonões ao longo de uma dada dimensão do cristal.
Explicar a estrutura atómica
Descrever as várias ligações atómicas
Distinguir entre sólidos cristalinos e amorfos; sólidos policristalinos e amorfos e explicar a ocorrência e uso da difracção dos raios X
Resumo da actividade de aprendizagem
Os resultados de aprendizagem incluem saber que um átomo é o resultado da combinação de três tipos de partículas: electrões, protões e neutrões, e que a constante de Avogadro é a quantidade que contém 6,02.10 23 partículas por mole. A discussão e aprendizagem também incluem similaridades e diferenças dos quatro tipos de ligação. Esta actividade também inclui a aprendizagem sobre a estrutura dos cristais policristalinos e sólidos amorfos, para os quais a maior parte é dedicada à identificação de planos usando os índices de Miller. O progresso na aprendizagem inclui como a densidade de empacotamento é calculada, como é derivada a lei de Bragg e o subsequente uso da construção da esfera de Ewald para determinar planos responsáveis pela difracção dos raios X.
Lista das leituras obrigatórias
Leitura 1: Estrutura cristalina
Referência completa
De: Wikipedia
URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_structure
Consultado em 20 de Abril de 2007
Resumo: Este material de leitura descreve sumariamente a unidade célula, classificação dos cristais pela simetria, propriedades físicas do cristal e links para vários sites são providenciados dentro de wikipedia e outros sites.
Racional: Este material providencia uma discussão elaborada dos conteúdos da primeira actividade do módulo.
Leitura 2: Estrutura cristalina
Referência completa
De: Universidade de Exeter
URL: http://newton.ex.ac.uk/teaching/resources/rjh/phy2009/
Consultado em 20 de Abril de 2007
Resumo: Neste artigo, a estrutura cristalina é descrita com diagramas bem ilustrados. Os exercícios no artigo ajudam o leitor a consolidar os tópicos aprendidos.
Racional: Este artigo dá uma outra forma de olhar para as estruturas de cristal. Mais ainda, o teste de amostra e exercícios dados no fim providenciam boa oportunidade para exercitar teorias e princípios de diferentes perspectivas.
Lista dos Relevantes Recursos Multimédia
Recurso # 1
Título: A estrutura cristalina respeitante a Cu-Zn
URL: http://video.google.com/videoplay?docid=5897475989157955721&q=crystal+ structure&hl=en
Descrição: São providenciadas explicações e ilustrações adequadas.
Data de consulta: 20/05/
Recurso # 2
Título: As esferas do vidro
URL: http://video.google.com/videoplay?docid=2134572208219565504&q=polycrys taline+solid&hl=en
Descrição: Providencia um bom recurso de aprendizagem.
Data de consulta: 20/05/
Recurso # 3
Título: Rede Bidimensional: Real e Recíproca
URL: http://solidstate.physics.sunysb.edu/teach/intlearn/lattice/lattice.html
Descrição: Este site providencia muito bom material de aprendizagem.
Data de consulta: 16/11/
