Plastico De Engenharia

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

LOM 3009 – ELETRÔNICA E INSTRUMENTAÇÃO

Prof. Dr. Carlos Yujiro Shigue

POLÍMEROS CONDUTORES

Fundamentos e aplicações

Autora: Mariane Martim Sobrosa Passos de Abreu

Mestre em Engenharia de Materiais

2010

Campus I

Estrada Municipal do Campinho, s/nº - Caixa Postal 116

CEP 12602-810 - Lorena - SP

Tel. [phone]

EEL USP

www.eel.usp.br

Campus II

Pólo Urbo-Industrial AI-6 - Caixa Postal 116

CEP 12602-810 - Lorena - SP

Tel. [phone]

1

1 INTRODUÇÃO

Para se entender como um material pode ou não ser capaz de conduzir energia

elétrica, primeiro é necessário analisar os tipos de ligações químicas existentes, e

consequentemente seu característico modelo de bandas eletrônicas.

1.1 Metais

Os metais são excelentes condutores elétricos, e esta propriedade está baseada na

sua ligação metálica, esta que se caracteriza por ser uma ligação primária, não

direcional, e envolvendo o compartilhamento de elétrons.

Banda de valência ○

(banda pseudocontínua)

Banda de condução ●

(elétrons livres) ↑

Energia

Eg = espaçamento entre bandas de

energia

Eg = 0 (condutor)

Fig. 1. Diagrama de níveis de energia para o sódio

sólido (ligação metálica).

Fig. 2. Preenchimento de níveis de energia

para um material condutor.

Para metais típicos (Fig. 1), os elétrons de valência estão fracamente ligados ao

núcleo do átomo, sendo desta forma considerados elétrons delocalizados; ou seja, eles

têm uma probabilidade igual de estar associados a qualquer um de um grande número

de átomos adjacentes. Essa delocalização está associada ao material todo, levando a

uma nuvem de elétrons.

Em termos do modelo de bandas eletrônicas de um metal (Fig. 2), os orbitais

mais externos (no caso do sódio sólido, é o nível de energia 3s) estão parcialmente

preenchidos, o que leva a formar uma banda de energia pseudocontínua, chamada de

banda de valência. Os elétrons desta banda são facilmente promovidos para níveis de

2

energia superiores desocupados (banda de condução). A disponibilidade de níveis

desocupados em átomos adjacentes gera uma alta mobilidade dos elétrons de condução,

conhecidos como elétrons livres, através do sólido.

1.2 Cerâmicas

As cerâmicas apresentam ligações iônicas fortes e não direcionais, sendo o

resultado de transferências de elétrons de um átomo para outro (Fig. 3). O átomo que

doa elétrons é um cátion (Al3+), e o átomo receptor de elétrons é um ânion (Cl2-).

A ligação iônica é devida à atração coulombiana entre os íons de cargas opostas.

Os átomos têm seu orbital mais externo totalmente preenchido, não disponibilizando

então nenhum elétron livre para a condução elétrica. As cerâmicas são então, em sua

grande maioria, isolantes.

Al2O3

Eletropositivo

Eletronegativo

Al 3+ O 2-

Fig. 3. Ligação iônica entre átomos de alumínio e oxigênio.

1.3 Polímeros

Nos polímeros estão presentes as ligações covalentes, que são altamente

direcionais, e são resultantes do compartilhamento cooperativo dos elétrons de valência

entre dois átomos adjacentes.

No caso do átomo de carbono isolado, a banda de valência corresponde ao nível

de energia híbrido sp3, que está preenchido apenas pela metade. Já para um átomo de

carbono ligado covalentemente com outros átomos adjacentes (Fig. 4), a banda de

valência está totalmente preenchida.

Promover elétrons para níveis de energia acima do nível sp3 em um átomo de

carbono exige que se vá além das regiões de energia proibida. Ou seja, a promoção de

um elétron da banda de valência para a banda de condução só ocorre quando se

3

ultrapassa o espaçamento entre as bandas de energia Eg (Fig. 5). Como para os polímeros o espaçamento entre bandas é maior que 2 eV, não há energia térmica que promova um número significativo de elétrons para a banda de condução, tornando os polímeros isolantes elétricos.

Fig. 4. O diagrama de níveis de energia para os elétrons orbitais em um átomo de C12 ligado covalentemente com átomos adjacentes (elétrons em laranja).

Fig.