Medidas e Materiais Elétricos - Tipos de Ligações, Deformação Plástica, Expansão Térmica, Condutividade e Resistividade Elétrica, Polarizações em Materiais Dielétricos

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MEDIDAS E MATERIAIS 
ELÉTRICOS
2019
Prof.ª Vanessa Galdino Mendes de Farias Machado
GABARITO DAS 
AUTOATIVIDADES
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MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS
UNIDADE 1
TÓPICO 1
1	 No	estudo	do	Tópico	1,	vimos	que	a	base	para	a	classificação	dos	
materiais	é	encontrada	na	essência	de	suas	ligações	atômicas.	Dessa	
forma,	discuta	brevemente	a	respeito	dos	tipos	de	ligações	químicas	
do	material.
R.: As ligações atômicas são divididas em duas áreas principais: ligação 
primária e ligação secundária. Na primeira, encontram-se as ligações iônica, 
metálica e covalente, que apresentam junção forte entre átomos adjacentes, 
além da possibilidade de compartilhamento de elétrons. Na segunda estão às 
ligações de Van der Walls, com fracas conexões entre os átomos e ausência 
de compartilhamento de elétrons. A ligação iônica ocorre basicamente entre 
elementos metálicos que tendem a perder elétrons e não-metálicos que 
tendem a ganhar. A ligação covalente ocorre por meio do compartilhamento 
de elétrons de átomos adjacentes, comumente não-metais, com semelhantes 
e elevadas eletronegatividades. As ligações metálicas possuem átomos 
eletropositivos que doam seus elétrons da camada de valência e estes 
formam uma nuvem de elétrons em torno dele. E a ligação de Van der Wall 
ou secundária é fraca se comparada à força das ligações primárias que 
discutimos nos pontos anteriores, isto porque não há compartilhamento ou 
transferência de elétrons nesta ligação.
2	 Um	material	metálico	sujeito	a	um	teste	de	tração	pode	apresentar	
deformações	 elásticas	 ou	 plásticas.	 Se	 um	material	 deformado	
plasticamente for submetido a uma fonte de calor, qual efeito será 
observado	no	material?	Leia	atentamente	as	proposições	e	assinale	
a alternativa CORRETA.
a) ( ) O material é submetido a algumas etapas de deformação plástica antes 
da ruptura. Inicialmente a deformação cresce, em seguida diminui e se 
torna constante.
b) ( ) O material é submetido a algumas etapas antes da ruptura. Inicialmente 
a deformação decresce, em seguida se torna constante e elástica.
c) (x) Inicialmente é deformado elasticamente e depois é submetido 
a	estágios	de	deformação	plástica	antes	da	ruptura.	A	deformação	
decresce,	em	seguida	se	torna	constante	e	volta	a	crescer.	
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MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS
d) ( ) Inicialmente é deformado elasticamente e depois é submetido a dois 
estágios de deformação plástica antes da ruptura. A deformação cresce 
e em seguida se torna constante.
e) ( ) O material é submetido inicialmente às etapas de deformação crescente 
e decrescente e, em seguida, é deformado elasticamente.
3	 Defina	expansão	térmica	e	discuta	os	principais	efeitos	ao	material.
R.: Expansão térmica corresponde a um aumento da dimensão do material 
e é resultante de uma maior distância entre os átomos vizinhos. Esse 
distanciamento ocorre devido ao aumento da vibração térmica dos átomos, 
ocasionada pela elevação da temperatura. A partir de um ponto de vista 
atômico, a expansão térmica é refletida pelo aumento da distância entre os 
átomos.
TÓPICO 2
1		 Com	base	no	estudo	do	Tópico	2,	defina	condutividade	e	resistividade	
elétrica.
R.: A condutividade elétrica corresponde à facilidade com que a corrente pode 
circular em um material sujeito a uma diferença de potencial. Ela depende 
de características microscópicas do material e é independente da geometria 
dele. Resistividade elétrica é uma grandeza característica do material com 
que é feito o condutor, que só depende da temperatura, não dependendo da 
forma ou dimensão do condutor.
 
2		 Discuta	brevemente	a	relação	entre	resistência	e	temperatura	para	
materiais	condutores.
R.: Quando um condutor é submetido a uma temperatura elevada, as 
partículas começam a vibrar e interferem no movimento dos elétrons, 
ocasionando perdas em seu deslocamento e consequentemente aquecimento 
do corpo condutor. Nos metais, quanto maior for à temperatura, maior será 
resistência do condutor.
3		 Com	base	 nas	 características	 de	materiais	 condutores,	 calcule	
a resistência elétrica de um condutor de cobre com 5 cm de 
comprimento	e	com	uma	área	de	seção	transversal	igual	a	3	cm2.
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MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS
TÓPICO 1
1		 Estudamos	que	há	três	principais	tipos	de	polarização	em	materiais	
dielétricos.	Discuta	brevemente	essas	polarizações.
R.: Os três tipos principais de polarização são: eletrônica, iônica e por 
orientação dos dipolos.
• A polarização eletrônica ocorre em todas as moléculas por causa do 
deslocamento da nuvem de elétrons em relação aos núcleos atômicos. Ou 
seja, acontece devido a um rápido deslocamento dos elétrons em volta do 
núcleo em direção ao eletrodo positivo, e do núcleo em direção ao eletrodo 
negativo. Os centros da carga não coincidem e formam pequenos dipolos.
• A polarização iônica corresponde ao deslocamento de íons positivos e 
negativos submetidos a um campo elétrico, principalmente em materiais 
cerâmicos.
• A polarização por orientação ocorre em materiais que possuem dipolos 
permanentes que são resultado da estrutura original do material. Pode 
desestruturar os cristais e por esse motivo não é interessante para materiais 
cerâmicos. No entanto, é importante para os polímeros.
2		 Conhecer	as	principais	características	do	dielétrico	é	importante	na	
escolha	do	material	 adequado.	Com	base	no	comportamento	dos	
dielétricos	em	serviço,	leia	atentamente	as	proposições	e	assinale	a	
alternativa CORRETA.
( ) A resistência de isolamento mensura a facilidade a passagem da corrente 
elétrica em um dielétrico e a resistência superficial mede a resistência no 
caminho superficial formado por poeira e umidade.
(x) A rigidez dielétrica é o valor do campo no momento em que ocorre a 
ruptura e a ruptura dielétrica ocorre quando o campo aplicado está 
acima	de	um	valor	de	referência.
UNIDADE 2
R.: De acordo com a tabela 3 a resistividade do cobre equivale a 1, 67 x 10-8. 
R= (1, 67 x 10-8 x 5)/3 = 2, 78 x 10-3
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MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS
( ) A resistência de isolamento mensura a facilidade da passagem da corrente 
elétrica em um dielétrico e a ruptura dielétrica não ocasiona efeitos no 
ponto em que ocorre.
( ) O fator de perdas é característico de dielétricos submetidos à corrente 
contínua. 
( ) Nos capacitores de placa paralela a desorientação dos dipolos no interior 
dos dielétricos produz densidade de carga. 
TÓPICO 2
1		 Discuta	brevemente	as	características	da	semicondução	intrínseca	
e	extrínseca.
R.: A semicondução intrínseca é uma propriedade do material puro, ou seja, o 
comportamento elétrico dos materiais semicondutores intrínsecos é baseado 
na estrutura específica do material. A semicondução extrínseca resulta da 
adição de impurezas, conhecidas como dopantes. Praticamente todos os 
semicondutores comerciais são extrínsecos, isto é, o comportamento elétrico 
é determinado por impurezas que, quando presentes em concentrações 
mínimas, introduzem excesso de elétrons ou buracos.
2		 Discuta	a	condução	dos	semicondutores	em	bandas	eletrônicas.	
R.: Os elétrons conhecidos como livres são aqueles que possuem energia 
superior à de Fermi e podem participar do processo de condução. Apenas 
esses podem ser agitados quando submetidos a um campo elétrico. Outra 
carga eletrônica é a lacuna, conhecida também como buraco, presente em 
materiais isolantes e semicondutores e que possui energia inferior à de Fermi, 
mas também participa do processo de condução.
A principal diferença entre os materiais condutores e não condutores 
(semicondutores e isolantes) está no número de elétrons e lacunas que 
possuem, pois a condutividade é diretamente relacionada ao número de 
cargas livres. 
Para que um elétron se torne livre precisará ser excitado e deslocado para um 
estado de energia disponível, acima da energia de Fermi (Ef). Em materiais 
condutores, inicialmente há estados disponíveis acima da energia de Fermi. 
Então, um elétron é excitado e deslocado da banda com estados ocupados 
para um estado vazio na banda de estadosdiponíveis. Esse processo é 
diferente do que ocorre em materiais semicondutores.
Nos materiais semicondutores há uma banda de lacuna na estrutura de 
banda, não há estados vazios adjacentes a banda de valência e, dessa forma, 
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MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS
o elétron que está localizado na banda de valência é excitado e se desloca 
por meio da banda de lacuna até a banda de condução onde há estados 
disponíveis. Ao ser deslocado, o elétron deixa uma lacuna ou buraco na 
banda de valência e ocupa um estado, que antes estava vazio, na banda de 
condução. Isso só é possível porque é direcionado ao elétron uma diferença 
de energia entre os dois estados que é aproximadamente equivalente à 
energia de lacuna, cuja fonte pode ser elétrica, o calor e a luz.
TÓPICO 3
1		 Com	base	no	estudo	do	Tópico	3,	defina	indução,	permeabilidade	e	
susceptibilidade	magnética.
R.: A indução magnética pode ser explicada por meio de uma solenoide, por 
exemplo: considere que uma corrente i passa por meio de duas solenoides, 
o campo se tornará mais intenso com a iserção de uma barra de ferro em 
uma delas, isso ocorre porque o campo magnético gerado é resultante da 
sobreposição dos campos da solenoide e do exterior da barra magnetizada. 
O campo magnético adicional pode ser definido como indução magnética 
ou densidade de fluxo (B) que correspode a soma entre o campo aplicado e 
o campo externo gerado pela magnetização da barra. Quando um material 
como o ferro é colocado em um meio com um campo magnético aplicado, 
ocorre um aumento da intensidade de campo magnético, sendo esse 
crescimento da magnetização medido pela permeabilidade magnética. Em 
um material magnético, a permeabilidade magnética pode ser mensurada 
pela permeabilidade inicial ou máxima. Esses materiais são facilmente 
magnetizados e, consequentemente, possuem elevadas permeabilidades.
A susceptibilidade magnética é um fator de proporcionalidade dado que a 
magnetização de um material magnético é proporcional ao campo aplicado.
2		 Discuta	as	principais	características	dos	materiais	diamagnéticos,	
paramagnéticos,	 ferromagnéticos	 e	 ferrimagnéticos.	 Cite	 seus	
principais	elementos.
R.: O diamagnetismo corresponde a uma forma fraca de magnetismo cujas 
propriedades permanecem apenas enquanto o campo está sendo aplicado. 
A magnitude da magnetização é bem reduzida e em sentido oposto ao do 
campo aplicado. Desse modo, a susceptibilidade é negativa, o que implica 
que o campo B no vácuo é maior que em um material sólido diamagnético. 
E a permeabilidade relativa é menor que um. O efeito de diamagnetismo 
ocorre em todos os materiais, mas por ser fraco é percebido apenas quando 
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MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS
os demais tipos de magnetismo não estão presentes.
O paramagnetismo é resultante do alinhamento de átomos no sentido do 
campo aplicado, mas o efeito desaparece quando o campo é retirado. Ou seja, 
os momentos ou dipolos magnéticos passam a se orientar aleatoriamente.
Os materiais ferromagnéticos apresentam a importante propriedade de se 
manterem magnetizados mesmo na ausência de um campo elétrico externo, 
ou seja, o efeito magnético é permanente. Por exemplo, o ferro, o cobalto 
e o níquel.
Nos materiais cerâmicos os íons possuem diferentes momentos magnéticos, 
então alguns dipolos podem se alinhar no sentido do campo e outros podem se 
opor. Os materiais ferrimagnéticos mais conhecidos são as ferrites, a maioria 
são cerâmicos e apresentam baixa condutividade. As perdas por corrente 
parasita são menores que em materiais ferromagnéticos e por esse motivo 
podem ser utilizadas em aplicações de alta frequência.
3	 Discuta	a	supercondutividade	e	suas	principais	aplicações.
R.: A supercondutividade é um fenômeno elétrico, mas possui várias 
características magnéticas e são utilizados principalmente em ímãs que 
geram elevados campos.
A condutividade em metais aumenta quando a temperatura diminui mesmo 
abaixo da temperatura ambiente. No entanto, os metais típicos apresentam 
condutividade finita ao atingirem determinado valor de temperatura. 
Alguns materiais atuam como exceção: o mercúrio, por exemplo, ao atingir 
uma temperatura crítica tem sua resistividade conduzida a zero e se torna um 
supercondutor. Ele foi o primeiro material a apresentar esse comportamento 
quando o cientista H. Karmerlingh Onnes, em 1911, realizava pesquisas 
sobre liquefação e solidificação do hélio. Após essa descoberta outros 
materiais apresentaram propriedades semelhantes, tais como o nióbio (Nb) 
e o chumbo (Pb).
O efeito de supercondutividade é resultante da atração entre pares de elétrons 
condutores. O movimento desses elétrons interligados se torna coordenado de 
modo que vibrações térmicas ou mesmo impurezas não dissipam o fenômeno. 
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MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS
UNIDADE 3
TÓPICO 1
1	 Com	base	nos	conceitos	fundamentais	de	medida,	defina	precisão	e	
exatidão.
R.: A precisão está relacionada com a dispersão dos resultados de medidas. É 
quantificada como o desvio padrão de um conjunto de medidas. E a exatidão 
corresponde à aproximação do valor verdadeiro e pode ser expressa como 
desvio de um valor conhecido.
2 Após o estudo sobre as técnicas de arredondamento discutidas, 
arredonde os seguintes valores com duas casas decimais após a 
vírgula:
a) 4, 12157 
R.: 4,12
b) 5,12956
R.: 5,13
c) 3, 44500
R.: 3, 44
TÓPICO 2
1	 Discuta	brevemente	sobre	pelo	menos	três	exemplos	de	grandezas	
elétricas.	
Resposta esperada: A grandeza tensão elétrica corresponde à diferença de 
potencial (ddp) entre dois pontos de um circuito. Essa diferença permitirá que 
os elétrons se movimentem entre um ponto e outro e que a corrente elétrica 
seja formada. Quanto maior for à ddp, maior será o número de elétrons que 
se movimentam entre as extremidades do circuito e, consequentemente, 
maior será a intensidade da corrente. 
A grandeza corrente elétrica corresponde à quantidade de carga elétrica que 
percorre a superfície transversal de um condutor.
A grandeza potência elétrica é a quantidade de energia elétrica que é 
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MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS
convertida para outra forma de energia em um determinado intervalo de 
tempo ou, de maneira mais formal, a taxa de variação de energia elétrica em 
um bipolo em relação ao tempo. 
2	 Quais	 as	 formas	de	 classificação	dos	 instrumentos	de	medidas	
elétricas?
Resposta esperada: Os instrumentos podem ser classificados quanto a 
grandeza a ser medida, forma de apresentação de resultados, capacidade 
de armazenamento das leituras, princípio físico utilizado para a medida, 
finalidade de utilização e portabilidade.