Unidade 2 - Materiais Elétricos e Aplicações

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MATERIAIS 
ELÉTRICOS 
Marcos Antônio Abdalla Júnior
Materiais elétricos 
e aplicações
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste capítulo, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
� Classificar os materiais em função de suas propriedades.
� Descrever os conceitos de condutividade e resistividade.
� Relacionar os materiais elétricos segundo a aplicação.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar materiais elétricos, uma das matérias 
básicas no escopo de um curso de engenharia elétrica. É pré-requisito 
para o estudo de disciplinas como instalações elétricas, máquinas elétricas, 
eletrônica dentre outras. O objetivo deste estudo é fornecer informação 
na área de equipamentos e componentes, e de sua função e atuação 
no sistema. Os materiais elétricos podem ser divididos em três grandes 
grupos: 1) materiais condutores; 2) materiais semicondutores e 3) materiais 
isolantes.
Sabe-se que a corrente elétrica é a taxa de variação da carga em 
relação ao tempo (i = dq/dt). As cargas elétricas se deslocam na forma de 
uma corrente através das diferentes substâncias e de diferentes formas.
Materiais condutores
Materiais condutores são aqueles materiais nos quais a corrente elétrica tem 
baixa resistência em sua passagem. Os materiais condutores podem ser clas-
sificados em dois grupos:
� materiais de grande condutividade;
� materiais de elevada resistividade.
Os materiais de grande condutividade são aqueles nos quais a corrente deve 
passar com maior facilidade, gerando as menores perdas possíveis (R.i2). É 
o caso dos elementos de conexão entre aparelhos ou que devem dar origem a 
uma segunda forma de energia por transformação, como bobinas em trans-
formadores ou em máquinas elétricas.
Os materiais de elevada resistividade destinam-se à transformação da 
energia elétrica em energia térmica, como nos chuveiros elétricos ou fornos 
elétricos.
De forma geral, os materiais condutores são formados por metais. Os prin-
cipais materiais de elevada condutividade elétrica são os metais nobres, além 
de alguns metais de outros grupos químicos e de ligas metálicas. No entanto, 
a escolha de um material condutor nem sempre recai naquele metal ou liga 
com característica elétrica mais vantajosa, mas sim em outro metal ou liga que 
satisfaça as demais condições de utilização, como o custo. Do ponto de vista 
econômico, os metais de maior condutividade elétrica mais utilizados são:
 � cobre;
 � alumínio;
 � prata;
 � chumbo;
 � platina;
 � mercúrio;
 � ouro.
Com relação ao cobre, sabe-se que apresenta baixa resistividade, boas 
características mecânicas, baixa oxidação e é fácil de ser moldado a quente.
Com relação ao alumínio, é o segundo metal mais utilizado, vindo após 
o cobre, por apresentar características elétricas e mecânicas piores que o 
cobre, mas com um custo menor. Já a prata e o ouro são metais caros, mas 
que apresentam grande resistência à oxidação e são utilizados principalmente 
em peças de contato.
Materiais elétricos e aplicações2
Materiais semicondutores
A condutividade de um material semicondutor é influenciada por perturbações 
em sua estrutura, em especial pela presença de impurezas. Os semicondu-
tores são sólidos cristalinos de condutividade intermediária. Atualmente, os 
materiais mais utilizados como semicondutores são o germânio e o silício. 
Uma característica dos semicondutores é que eles são tetravalentes, ou seja, 
apresentam 4 elétrons livres na camada de valência, que é a camada mais 
externa do átomo. Assim, para obter a estabilidade (8 elétrons na camada de 
valência) os átomos tetravalentes precisam compartilhar mais 4 elétrons. Um 
cristal de silício (Si) puro ou intrínseco é considerado um material isolante, pois 
o átomo de silício pode se ligar a mais quatro átomos e adquirir estabilidade. 
Podemos também considerar novamente o cristal de silício, mas, dessa vez, 
o cristal dopado. A dopagem pode ser feita de duas maneiras:
1. por átomos trivalentes, com 3 átomos livres na camada de valência;
2. por átomos pentavalentes, com 5 átomos livres na camada de valência.
Se o cristal for dopado com átomos trivalentes, a estabilidade do cristal 
será desfeita. Nesse elemento, alguns átomos de silício ficaram sem a quarta 
e última ligação necessária para se tornarem-se estáveis. Nesse caso, a falta 
de elétrons cria a chamada lacuna no cristal. Olhando de forma geral, o cristal 
com falta de elétrons tem uma característica positiva; por isso, é chamado de 
elemento Tipo P. 
Se o cristal for dopado com átomos pentavalentes, a estabilidade do cristal 
também será desfeita. No elemento resultante, os átomos de silício obterão 
estabilidade, mas como o átomo pentavalente apresenta 5 elétrons livres, 1 
desses 5 elétrons ficará livre. Assim, de forma geral o cristal dopado com 
átomos pentavalentes assume uma característica negativa, o que confere a 
ele o nome de elemento Tipo N. 
Materiais isolantes ou dielétricos
São considerados materiais isolantes ou dielétricos aqueles materiais que ofe-
recem resistência à passagem de cargas (corrente elétrica). Como exemplos de 
matérias isolantes temos a borracha, o silicone, o vidro, a cerâmica e o papel.
3Materiais elétricos e aplicações
O que torna o material um dielétrico é a ausência de elétrons livres. O 
processo comum para qualquer dielétrico que ocorre quando é submetido a uma 
diferença de potência (tensão) é a polarização do dielétrico, um deslocamento 
de parte das cargas ou a orientação de moléculas dipolares. A propriedade 
isolante de determinado material é mantida até o momento em que determi-
nado nível de tensão é aplicado ao material. Caso a diferença de potencial seja 
muito grande, o isolante passa a agir como um condutor. A unidade que mede 
a tensão máxima a ser aplicada a um material é chamada de rigidez dielétrica.
A polarização de um dielétrico pode ser exemplificada a partir do fun-
cionamento de um capacitor (componente eletrônico passivo que armazena 
energia no campo elétrico). No geral, o capacitor é constituído por duas placas 
condutores, separadas por um meio dielétrico (papel, óleo, cerâmica, etc). A 
Figura 1 mostra de forma simplificada um capacitor.
Figura 1. Exemplo simplificado de um capacitor composto 
por duas placas condutoras, separadas por um meio dielétrico.
Condutor
Condutor
Dielétrico
Materiais elétricos e aplicações4
Se for aplicada uma tensão (U) nos terminais condutores desse capacitor, 
o campo elétrico fará com que surja uma polarização do dielétrico, conforme 
a Figura 2.
Figura 2. Aplicação de uma diferença de potencial (U) em um capa-
citor para formar um dielétrico polarizado. A polarização do capacitor 
permanecerá até que a tensão (U) seja retirada.
U (v)
A carga em um capacitor genérico é dada por:
Q = C × U (1)
onde C é a capacitância do capacitor e U é a diferença de potencial. 
Em um dielétrico real, tem-se na verdade uma mistura de estruturas die-
létricas que podem assumir diferentes formas de polarização. 
Uma característica muito importante de um dielétrico é a sua permissividade 
relativa ou constante dielétrica (ε). A constante dielétrica é dada pela razão 
entre a carga Q, quando o capacitor é submetido a determinada tensão (U), 
e a carga Q0, que é a carga obtida por um capacitor de mesma área quando 
existe vácuo entre os terminais condutores.
ε =
Q
Q0
Qd
Q0
= 1 + (2)
5Materiais elétricos e aplicações
Efeito Corona e o rompimento do dielétrico
Supondo dois condutores elétricos, separados por um meio dielétrico (ar): se 
a diferença de potencial ao redor das superfícies for muito grande, surgirá 
um campo elétrico que fará com que o gás ou ar entre os condutores seja 
ionizado. Nesse caso, a ionização poderá ser vista a olho nu na forma de uma 
luz azulada e com cheiro de ozônio. Esse fenômeno é conhecido como efeito 
Corona (Figura 3).
Figura 3. O efeito Corona é comum em linhas de transmissão de tensão (230, 500, 750 KV).
Fonte: Eletrônica geral (2016).
Se a distância entre os condutores não for muito grande,a ionização do ar 
pode chegar ao ponto de estabelecer-se um caminho ionizado entre os dois 
condutores. Nesse momento, as cargas elétricas deixam de encontrar resistência 
a sua passagem, fluindo em grande quantidade de um condutor para outro na 
forma de um arco elétrico, chamado de descarga elétrica (Figura 4).
Materiais elétricos e aplicações6
Figura 4. O efeito Corona é comum em linhas de transmissão de tensão (230, 500, 750 KV).
Fonte: Lehrer/Shutterstock.com.
A escolha de material condutor para ser empregado na eletricidade não pode depender 
apenas de suas qualidades elétricas. Um fator muito importante é o custo associado 
ao uso de determinados condutores.
Condutividade elétrica ou resistividade
A capacidade de um material conduzir ou transmitir a corrente elétrica é 
chamada de condutividade elétrica. A resistividade de um material é uma 
relação entre sua resistência (capacidade resistir à passagem da corrente) [Ω], 
sua área transversal [mm2] e o comprimento do material [m].
ρ = R × Al
Ω mm2
m ou [Ω ∙ cm][ ] (3)
7Materiais elétricos e aplicações
onde:
 � ρ é a resistividade elétrica do material (Ω ∙ cm);
 � R é resistência elétrica (Ω);
 � A é a seção transversal (cm2);
 � l é o comprimento do condutor (m).
A Tabela 1 mostra a resistividade de alguns materiais:
Fonte: Adaptada de Alexander e Sadiku (2013).
Material Resistividade (Ω.m) Emprego
Prata 1,64 x 10-8 Condutor
Cobre 1,72 x 10-8 Condutor
Alumínio 2,80 x 10-8 Condutor
Ouro 2,45 x 10-8 Condutor
Carbono 4,00 x 10-5 Semicondutor
Germânio 47 x 10-2 Semicondutor
Silício 6,4 x 102 Semicondutor
Papel 1010 Isolante
Mica 5 x 1011 Isolante
Vidro 1012 Isolante
Teflon 3 x 1012 Isolante
Tabela 1. Resistividade de materiais comuns
Com base na Equação 3, define-se a resistência de um material como:
R = ρ lA [Ω] (4)
A Figura 5 representa um pedaço de material condutor de comprimento l, 
seção transversal A e ligado a uma bateria com tensão U.
Materiais elétricos e aplicações8
Figura 5. Condutor de comprimento l, área de seção transversal A e uma 
bateria de U volts.
Se nesse material houver N elétrons livres dentro do volume do material, 
movendo-se a uma velocidade de vd através da seção A e os elétrons possuírem 
uma carga e, a corrente elétrica que circulará pelo material será:
I = N × e × vd × A (5)
Como esse material está submetido a uma tensão U, a intensidade de campo 
elétrico será dada por:
E =
U
I (6)
Se µ é a mobilidade dos elétrons do material, então:
vd = E =
U
I (7)
Substituindo (7) em (5), tem-se que:
I =
N × e × μ × U
I × A
 (8)
9Materiais elétricos e aplicações
Se lançarmos mão da Lei de Ohm, que estabelece que U = R ∙ I, temos que:
=
N × e × μ × U
I × A
U
R (9)
Isolando o R na equação (9), tem-se que:
R =
1
N × e × μ ×
l
A
 (10) 
Ao compararmos a equação (10) com a equação (4), conclui-se que:
= ρ
1
N × e × μ
 (11)
Essa é a resistividade elétrica do material.
Como apresentado na seção sobre semicondutores, a combinação de compostos 
Tipo-P e Tipo-N é a base para a formação de transistores. Por exemplo, um micropro-
cessador como o presente no console Xbox One X produzido pela Microsoft e AMD 
possui 7 ∙ 109 transistores. 
Fonte: Leadbetter (2017).
Materiais elétricos segundo sua aplicação 
O objetivo desta seção é relacionar os materiais elétricos de acordo com a sua 
aplicação como material condutor, semicondutor e isolante.
Materiais condutores
Cobre (Cu)
O cobre é um metal que apresenta vantagens que lhe garantem uma posição 
de destaque entre os condutores.
Materiais elétricos e aplicações10
De acordo com a Tabela 1, o cobre tem uma das menores resistividades, 
ficando atrás apenas do ouro e da prata, materiais caros que, por esse motivo, 
não podem ser usando em grande escala.
 � boas características mecânicas;
 � oxida lentamente, mesmo em condições em que o ambiente é úmido;
 � fácil de ser moldado a quente.
Devido às suas propriedades, o cobre possui diversas aplicações. No estado 
duro (encruado), o cobre é utilizado em casos que exigem dureza, resistência 
à tração e a pequenos desgastes quando está ao ar livre, como por exemplo 
em linhas aéreas de cabo nú, para fios telefônicos e peças de contato, como 
anéis coletores em motores. O cobre recozido ou mole é aplicado em fios 
encapados, bobinas, barramentos e indutores. 
Quando o cobre puro não apresenta as características elétricas desejadas, 
ligas podem ser utilizadas, como o bronze, que tem como componentes prin-
cipais o cobre e o estanho. Essa liga apresenta resistência ao desgaste devido 
ao atrito e boas características mecânicas. É empregada em rolamentos, partes 
de máquinas, trilhos de contato e fios.
Alumínio (Al)
Com relação à aplicação em eletricidade, o alumínio é o segundo metal mais 
utilizado. Devido a seu valor, existe uma preocupação na forma de substituir 
cada vez mais o cobre pelo alumínio. Sobre o alumínio:
 � apresenta preço mais atrativo, quando comparado ao cobre;
 � as peças de alumínio, para serem empregadas no lugar do cobre, precisar 
ser maiores; no entanto, o peso da peça pode chegar a ser 50% mais 
leve do que a original em cobre;
 � o Brasil possui várias jazidas de alumínio, já parte do cobre utilizado 
no país é importado;
 � o alumínio apresenta problemas de fragilidade mecânica, além de oxidar 
mais rápido.
Devido a sua fragilidade mecânica o alumínio puro é utilizado em aplica-
ções onde os esforços são pequenos, como em fios finos isolados e nas barras 
condutoras presentes nas ranhuras do rotor tipo gaiola de esquilo (Figura 6). 
11Materiais elétricos e aplicações
Quando usado com diferentes componentes (Cu, Mg, Mn, Si), o alumínio 
forma ligas com as mais variadas aplicações: redes aéreas, fios de bobinas de 
motores e transformadores, terminais elétricos, luminárias.
Figura 6. Rotor Gaiola de Esquilo com barras condutoras em alumínio.
Fonte: Richard z/Shutterstock.com.
Chumbo (Pb)
O chumbo é um metal de coloração cinza e brilho metálico, mole e plástico. Em 
equipamentos elétricos é encontrado na forma de chapas finas para blindagem 
de condutores com isolamento de papel.
Estanho (Sn)
O estanho é um metal de cor branca, mole (menos que o chumbo) e de alta 
resistividade (que dá a característica de aquecimento quando percorrido por 
corrente). É utilizado como material de solda ou para isolação.
Materiais elétricos e aplicações12
Prata (Ag)
Com base em aplicações industriais, a prata é o metal nobre mais utilizado. 
Apresenta alta resistência à oxidação, dando-lhe importante papel em partes 
de contato que não podem oxidar; também é utilizada na forma de liga para 
fazer eletrodos de eletroencefalografia (EEG).
Ouro (Au)
O ouro é um metal nobre de altíssima condutividade elétrica, apresenta alta 
resistência a oxidação. Suas características mecânicas são muito boas com 
relação a sua aplicação na eletricidade, porém o preço é muito alto. O ouro 
é encontrado principalmente em peças de contato, nas quais a oxidação, por 
menor que seja, pode interromper o funcionamento do dispositivo, como em 
contatos de microprocessadores e equipamentos de telecomunicação.
Platina (Pt)
A platina, assim como o ouro, é um metal nobre de baixa oxidação. É empregada 
principalmente em termorresistências como a Pt-100.
Mercúrio (Hg)
O mercúrio em temperatura ambiente é o único metal líquido. É utilizado em 
relógios e retificadores, e seu vapor é utilizado em lâmpadas.
Materiais semicondutores
Conforme visto neste capítulo a respeito dos elementos semicondutores, os 
principais elementos estão presentes na família 4A da tabela periódica. Esses 
elementos apresentam 4 elétrons livres na sua camada de valência.
O primeiro elemento da família 4A é o Carbono (C), que, apesar de apre-
sentar características semicondutoras, é na verdade um elemento que apresenta 
características condutoras e resistivas. Com aplicações em escovadas de 
13Materiais elétricos e aplicações
máquinas de corrente contínua, máquinas síncronas e de induçãocom rotor 
bobinado, o carbono também é utilizado em microfones e em resistores.
Silício (Si)
O silício é um dos elementos básicos na construção de componentes semicon-
dutores; utiliza-se a técnica de dopagem para a criação de elementos Tipo-P e 
Tipo-N. O silício é o segundo elemento químico mais facilmente encontrado 
na natureza, ficando atrás apenas do hidrogênio. É encontrado em rochas e 
em minérios como o quartzo e a mica.
Germânio (Ge)
O germânio é um dos semicondutores mais antigos. Assim como o silício, 
é encontrado junto de outros elementos, como o zinco, e na água do mar. O 
germânio utilizado em semicondutores deve ser de elevada pureza. Tal condição 
é obtida por processos de purificação a altas temperaturas.
De forma geral, os semicondutores são aplicados na construção de compo-
nentes eletrônicos como diodos, diodos retificadores, transistores, varistores 
e fototransistores.
Materiais isolantes 
Nesta seção serão apresentados alguns materiais isolantes empregados em 
maior escala principalmente na indústria. 
 � Isolantes gasosos:
 ■ Ar — O ar é utilizado principalmente na isolação de condutores 
sem isolamento, como nas linhas de transmissão de alta tensão. O 
ar, quando seco, apresenta em temperatura ambiente uma rigidez 
dielétrica de 45kV/mm, que decai rapidamente com o aumento da 
umidade.
 ■ Hexafluoreto de enxofre — é um gás transparente, inodoro e não 
inflamável. Sua aplicação está em transformadores em subestações 
e como extintor de arcos elétricos.
Materiais elétricos e aplicações14
 � Isolantes líquidos:
 ■ Óleo mineral — Composto por metana, nafta e pela combinação dos 
dois. Após um processo de purificação o uso dos óleos de minerais 
como isoladores se dá no interior de transformadores, capacitores 
e chaves a óleo. 
 ■ Askarel — É um líquido quimicamente composto por pentaclorodi-
fenil. Devido à presença do cloro em sua composição, o askarel é um 
elemento que precisa de certos cuidados. Em determinadas situações 
onde a temperatura pode ser muito alta, o askarel decomposto pode 
liberar cloro na forma de gás. O askarel vem sendo substituído pelo 
óleo de silicone.
 ■ Óleos de silicone — são líquidos incolores e transparentes com uma 
grande gama de viscosidade e pontos de ebulição. O preço do óleo 
de silicone é maior do que o do óleo mineral. 
 � Isolantes sólidos, pastosos e ceras:
 ■ Parafina — material pastoso de aparência branca. A sua constante 
dielétrica se reduz bastante com o aumento da temperatura. É indi-
cado como elemento de recobrimento de outros isoladores.
 ■ Pasta de silicone — Semelhante à estrutura do óleo de silicone, a pasta 
de silicone é aplicada na proteção de partes de contatos e articulações 
condutoras e para o recobrimento de partes isolantes expostas.
 ■ Verniz — É um líquido que se solidifica depois de aplicado, passando 
para a fase sólida. Exemplo de aplicação de verniz ne eletricidade 
é a isolação de fios condutores em bobinas ou no recobrimento de 
trilhas condutoras em circuitos impressos.
 ■ Papel — matéria-prima da celulose, é empregado em capacitores 
junto do óleo mineral.
 ■ Cerâmica —a porcelana pode ser utilizada em isoladores, capacitores 
e porosos:
 – Porcelana de isoladores: destinada à fabricação de isoladores de 
linhas aéreas de baixa, média ou alta tensão, em transformadores 
ou em quadros de comando.
 – Porcelana em capacitores: devido ao alto valor de sua constante 
dielétrica, a porcelana pode ser utilizada em capacitores de baixa 
ou alta tensão.
 – Porcelana porosa: utilizada para receber os fios resistivos desti-
nados a fornos elétricos, muflas e câmaras de extinção.
15Materiais elétricos e aplicações
 ■ Vidro — Com aplicações semelhantes às cerâmicas, o vidro ainda 
pode ser utilizado na forma de fibra de vidro, que apresenta baixa 
condutividade térmica. 
Material Rigidez Dielétrica (V/m)
Ar 3 × 106
Neoprene 12 × 106
Nylon 14 × 106
Papel 16 × 106
Vidro Pyrex 14 × 106
Poliestireno 24 × 106
Quartzo 8 × 106
Óleo Silicone 15 × 106
Teflon 60 × 106
Tabela 2. Rigidez Dielétrica dos materiais
Para saber mais sobre isoladores, leia o artigo “Estado da arte de isoladores tipo suporte 
para aplicação em subestações classe 800 kV em corrente alternada”, publicado no 
Sistema Web de Gerenciamento de Eventos, e, para aprender mais sobre barramento 
pente, assista no YouTube o vídeo “Barramento pente! O que é e como usar?”, publicado 
no canal Mundo da Elétrica. 
Materiais elétricos e aplicações16
ALEXANDER, C.; SADIKU, M. N. O. Fundamentos de circuitos elétricos. 5. ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2013.
ELETRÔNICA GERAL. Efeito corona. 2016. Disponível em: <http://eletronicassim.blo-
gspot.com/2016/05/efeito-corona.html>. Acesso em: 13 jun. 2018.
LEADBETTER, R. Inside the next Xbox: Project Scorpio tech revealed. 2017. Disponível 
em: <https://www.eurogamer.net/articles/digitalfoundry-2017-project-scorpio-tech- 
revealed>. Acesso em: 13 jun. 2018.
Leituras recomendadas
FINK, D. G.; BEATY, H. W. Standart handbook for electrical engineers. 12. ed. New York: 
McGraw Hill, 1987.
SCHMIDT, W. Materiais elétricos: aplicações. São Paulo: Blucher, 2011. v. 3.
SCHMIDT, W. Materiais elétricos: condutores e semicondutores. 3. ed. rev. ampl. São 
Paulo: Blucher, 2010. v. 1. 
SCHMIDT, W. Materiais elétricos: isolantes e magnéticos. 3. ed. São Paulo: Blucher, 
2010. v. 2.
17Materiais elétricos e aplicações