Materiais Elétricos

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PLANO DE ENSINO.docx
		
		Universidade Federal do Amazonas
		
		
		Faculdade de Tecnologia
Plano de Ensino
		
IDENTIFICAÇÃO
		Professor(a):
		Verônica Etchebehere
		
		Departamento:
		Eletricidade
		Unidade:
		FT
		
		Disciplina:
		Materiais Elétricos
		
		Código:
		FTE040
		
		Nº de créditos:
		4.4.0
		
		Carga Teórica Semanal (h):
		4
		
		Carga Prática Semanal (h):
		0
		
		Semestre:
		segundo
		
		Ano:
		2015
		
		Turma(s):
		01
		
		Curso(s) para o(s) qual(is) está sendo oferecida
		Engenharia elétrica (eletrônica, eletrotécnica e telecomunicações)
EMENTA
		Conceitos básicos de mecânica quântica e de ligações químicas; Modelo de elétron livre em metais; Modelos genéricos de bandas de energia de elétrons em materiais sólidos: isolantes, semicondutores e condutores; Conceitos de cristalografia e defeitos em cristais; Materiais semicondutores: propriedade dos portadores, semicondutores extrínsecos, distribuição de estados e portadores, concentração de portadores em equilíbrio, variação do nível de Fermi com dopagem e temperatura, ação de portadores, equações de estado, comprimento de difusão e níveis de quase Fermi; Caracterização e aplicações de semicondutores; Propriedades ópticas de semicondutores; Conceitos de magnetismo: magnetização e histerese, classificação quanto à permeabilidade, perdas por histerese e correntes parasitas; Núcleos magnéticos laminados ou compactados; Materiais magnéticos: ferro, diagrama de fase do ferro, carbeto de ferro, ligas de ferro-silício, imãs permanentes e ligas ferromagnéticas diversas. 
OBJETIVOS
		Conhecer os conceitos básicos, modelos e propriedades elétricas, magnéticas e ópticas dos principais materiais isolantes, semicondutores e condutores utilizados atualmente na engenharia elétrica e eletrônica assim como na indústria eletroeletrônica global, incentivando a pesquisa constante acerca do uso de novos materiais.
CRONOGRAMA
		HORÁRIO
		SEGUNDA
		TERÇA
		QUARTA
		QUINTA
		SEXTA 
		SÁBADO
		08/09
		
		Aula
		
		Aula 
		
		
		09/10
		
		Aula 
		
		Aula 
		
		
		10/11
		
		
		
		Atendimento 
		
		
		11/12
		
		
		
		Atendimento 
		
		
		14/15
		Preparação de aulas
		
		Preparação de aulas
		
		
		
		15/16
		Preparação de aulas 
		
		Preparação de aulas
		
		
		
		16/17
		
		
		
		
		
		
		17/18
		
		
		
		
		
		
Distribuição do conteúdo programático no semestre
		Carga Horária
		Avaliação
		Conteúdo
		20
		
		- Introdução:
 - Aplicação dos materiais no Sistema de Engenharia Elétrica; 
 - Histórico.
-Materiais condutores:
 - Modelo de elétron livre em metais;
 - Modelos genéricos de bandas de energia de elétrons em materiais sólidos: isolantes, semicondutores e condutores; 
 - Conceitos de cristalografia e defeitos em cristais; 
		
		AV1
		Data prevista: 22/10/2015
		20
		
		- Materiais semicondutores: propriedade dos portadores, semicondutores extrínsecos, distribuição de estados e portadores, concentração de portadores em equilíbrio, variação do nível de Fermi com dopagem e temperatura, ação de portadores, equações de estado, comprimento de difusão e níveis de quase Fermi; 
- Caracterização e aplicações de semicondutores;
- Propriedades ópticas de semicondutores; 
		
		AV2
		Data prevista: 17/11/2015
		20
		
		- Conceitos de magnetismo: magnetização e histerese, classificação quanto à permeabilidade, perdas por histerese e correntes parasitas;
 - Núcleos magnéticos laminados ou compactados;
 - Materiais magnéticos: ferro, diagrama de fase do ferro, carbeto de ferro, ligas de ferro-silício, imãs permanentes e ligas ferromagnéticas diversas. 
		
		AV3
		Data prevista:17/12/2015
		
		PROVA FINAL
		19/01/2015
METODOLOGIA
		Aulas expositivas ministradas pelo professor com resolução de exercícios em sala de aula.
RECURSOS DIDÁTICO
		Projetor multimedia, quadro branco
AVALIAÇÃO
		Serão realizadas 3 avaliações escritas (com ou sem seminário) com nota máxima igual a 10,0 (dez), para fins de obtenção das notas parciais, todas com peso 1. A prova final contemplará todo o conteúdo da disciplina e também terá nota máxima 10,0 (dez). 
A média será calculada da seguinte maneira:
 
Serão aprovados alunos com média final superior a 5,0 (cinco).
Uma avaliação substitutiva é prevista para substituir a menor nota ou como prova de segunda chamada.
REFERÊNCIAS
		[1]	SCHMIDT, Walfredo. Materiais elétricos. São Paulo: E. Blücher, c1979. 2 v.
[2]	HAYT, William Hart; BUCK, John A. Eletromagnetismo. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, c2003 339 p. ISBN 85-216-1365-2 
[3]	Materiais Elétricos - Walfred Schmidt. v. 1, 13 ex, e v.2, 09 ex.
[4]	POPOVIC, R. S. Hall effect devices: magnetics sensors and characterization of semiconductors. Bristol; Philadelphia: Adam Hilger, c1991. 307 p. ISBN 0-7503-0096-5 
[5]	TURNER, L.W. Circuitos e dispositivos eletrônicos: semicondutores, opto-eletrônica, microeletrônica. Curitiba, PR: Hemus, c2004. 1 v. (paginação irregular) (Biblioteca profissionalizante de eletrônica ;2) ISBN 85-289-0011-8. Classificação: 621.38 T948c 2004 Ac.88977 
[6]	GRAY, Paul E.; SEARLE, Campbell L. Princípios de Eletrônica vol. 1. 1 ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Cientificos, 1976. 
[7]	ANÁLISE de falha em materiais utilizados em equipamentos elétricos. Rio de Janeiro: CEPEL, 2008. v. ISBN 9788599714041 (v.2). 
[8]	SCHMIDT, Walfredo. Materiais elétricos: isolantes e magnéticos. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1994. v. 2 (166 p.) ISBN 8521200889 
DATA:____ /____ /____
______________________________
Assinatura do Professor
		Aprovado em Reunião Departamental de
_____/_____/_____
Chefe
		Homologado em Reunião do Colegiado de
_____/_____/_____
Coordenador
Ciente dos Alunos com relação ao Plano de Ensino da Disciplina Conversão de Energia.
Av. Rodrigo Otávio, 3200, Coroado. Campus Universitário Senador Artur Virgílio Filho, Setor Norte. CEP 69077-000 Manaus – AM.
2. Materiais metálicos.pdf
MATERIAIS METÁLICOS 
Tabela Periódica 
Metais 
• Sólidos cristalinos formados por uma disposição regular 
de seus átomos 
• Alcalinos 
• Lítio, sódio e potássio 
 
• Nobres 
• Cobre, prata, ouro e platina 
 
• Bivalentes 
• Berílio, estrôncio, cálcio e bário 
 
• De transição 
• Ferro, níquel, cobalto e tunguistênio 
 
Ligações Metálicas 
Ligações Metálicas 
https://www.youtube.com/watch?v=ZFnEdCpEU6E 
Densidade 
http://lucianeselingardi.blogspot.com.br/2011_05_01_archive.html 
Empacotamento dos átomos em metais 
• Estrutura cristalina – grade cristalina 
Empacotamento compacto 
HEXAGONAL COMPACTO 
http://pt.slideshare.net/leandrobarbosadasilva547/estrutura-cristalina-16558324 
Empacotamento compacto 
CUBICO DE FACE CENTRADA 
Empacotamento não compacto 
CUBICO DE CORPO CENTRADO 
http://automoveiseletricos.blogspot.com.br/2013/06/investigando-as-reacoes-quimicas-em-uma.html 
Célula unitária 
Reticulado Cristalino
Energia coesiva 
Capacidade de deformação e moldagem 
• Maleabilidade 
Capacidade de deformação e moldagem 
• Ductilidade 
Rigidez x Resistencia 
Imperfeições cristalinas 
Imperfeições cristalinas 
Imperfeições cristalinas 
Titanio puro (200x aumento) 
Liga Ti6Al4V (200x aumento) 
Discordância cristalina 
Discordância Cristalina 
Manipulação da resistência 
Imperfeições cristalinas 
Titanio puro (200x aumento) 
Liga Ti6Al4V (200x aumento) 
Encruamento 
Fratura tenaz “dúctil” 
Propriedades térmicas 
Propriedades térmicas 
Propriedades térmicas 
Propriedades térmicas 
Liberdade dos elétrons 
Propriedades elétricas 
• Resistividade elétrica 
𝜌 = 𝑅 ∙
𝐴
𝑙
[Ω𝑐𝑚] 
𝜌 – resistividade elétrica do material [Ω𝑐𝑚] 
𝑅 – resistência elétrica [Ω] 
𝐴 – seção transversal [𝑐𝑚2] 
𝑙 – comprimento do corpo condutor 𝑐𝑚 
 
 
 
 
𝑉 𝜄 𝐴 𝜌 
𝐼 
+ 
- 
Materiais condutores 10−2 a 10 [Ω𝑐𝑚] 
Materiais semicondutores 10 a 1012[Ω𝑐𝑚] 
Materiais isolantes 1012a 1024[Ω𝑐𝑚] 
A condutividade 𝜎 é simplesmente o inverso da resistividade. Suas unidades 
são Siemens por metro (S/m) ou Ω𝑚 −1 
Condutividade térmica e resistividade 
elétrica 
Coeficiente de temperatura e condutividade 
térmica em relação a resistência 
Este trecho tem inclinação dada por: 
𝑡𝑔 𝛼 =
∆𝑅
∆𝑇
 
 
A relação 𝑡𝑔𝛼/𝑅 é chamada 
coeficiente de temperatura da 
resistência e indicado por 𝛼𝑇1 
Normalmente a temperatura inicial de 
referencia é 20° ou 25°C 
𝛼𝑇1 = 𝛼20 
𝑅𝑇2 = 𝑅20[1 + 𝛼20(𝑇2 − 20) 
Valores de resistividade e coeficiente de 
temperatura 
Variação da resistividade e do coeficiente de 
temperatura, em função da composição Ni-Cu 
Condutividade térmica de metais e suas 
ligas 
Aumento da resistividade 
Resistencia e resistividade elétrica 
Propriedades óticas 
Propriedades óticas 
Durabilidade 
• Inflamabilidade 
 
• Mecanismos de oxidação 
Processamento e solidificação de ligas 
duplas 
• Ligas 
• Ligas com formação eutética 
100% de 
Chumbo 
100% de 
antimônio 
Em 13% de antimônio a liga se solidifica a 247°C como se fosse metal puro . 
Essa forma é caracterizada como um ligação eutética 
Processamento e solidificação de ligas 
duplas 
• Ligas 
• Ligas com formação eutética 
• Ligas com estruturas cristalinas mistas 
Materiais condutores 
• Materiais de elevada condutividade 
 
 
 
 
 
• Materiais de elevada resistividade 
Materiais condutores com elevada 
condutividade elétrica 
Cobre e suas ligas 
Cobre e suas ligas 
𝜎𝑍 
Influência da presença de elementos sobre a resistividade 
a tração das ligas de cobre 
64 
48 
32 
16 
Alumínio e suas ligas 
Comparação entre dimensões externas de condutores de cobre e 
alumínio 
Alumínio e suas ligas 
Alumínio e suas ligas 
Variação da condutividade elétrica 𝛾 em função da 
presença de elementos estranhos ao alumínio recozido 
Alumínio e suas ligas 
http://www.ebanataw.com.br/raios/pargalvanico.htm 
Prata 
Ouro, Platina e Mercurio 
Materiais condutores com reduzida 
condutividade elétrica 
 
Referências 
Ashby, Michael; Shercliff, H.; Cebon, D. “Materiais – 
engenharia, ciência, processamento e projeto”. Elsevier. 
Trad. da 2ª ed. americana. 
 
Schmidt, Walfredo; “Materiais elétricos – Volume 1: 
Condutores e semicondutores”. Blucher. 3ª edição. 
1. Materiais em geral.pdf
MATERIAIS EM GERAL 
Histórico 
Engenheiros 
 fazem coisas 
Coisas são compostas 
de Materiais 
Materiais 
Suportam cargas 
Isolar ou conduzir calor/eletricidade 
Aceitar ou rejeitar fluxo magnético 
Transmitir ou refletir luz 
Ambientação 
Envronmentally friendly 
Custo compatível 
Algumas propriedades dos materiais 
• Propriedades mecânicas 
• Propriedades térmicas 
• Propriedades elétricas 
• Propriedades magnéticas 
• Propriedades óticas 
• Propriedades químicas 
Propriedades mecânicas 
• Elasticidade (rigidez elástica) 
• Módulo de elasticidade, 𝐸 
 
• Resistência 
• Tensão de escoamento, 𝜎𝑦 
 
• Tenacidade a fratura 𝑘𝑐 
 
• Densidade 𝜌 
 
 
 
 
Propriedades térmicas 
• Temperatura de serviço 
máxima, 𝑇𝑚𝑎𝑥 
• Coeficiente de expansão 
térmica 𝛼 
• Condutividade térmica 𝜆 e 
Capacidade térmica 𝐶𝑝 
• Difusidade térmica, 𝑎 
Propriedades elétricas 
• Condução e isolamento elétrico 
• Resistividade 𝜌 e a condutividade 𝑔 
• Propriedades dielétricas dos materiais 
• Constante dielétrica 𝜀𝐷 
 
Propriedades magnéticas 
 
 
 
• Remanência 
• Magnetização de saturação 
 
Eletricidade Magnetismo 
Propriedades óticas 
• Opacos e translúcidos 
Propriedades químicas 
Propriedades que limitam o projeto 
• O desempenho do componente está limitado a certas 
propriedades dos materiais de que este é feito 
• Para a curvatura de uma aeronave a rigidez, e resistência 
e a tenacidades do material limitam o projeto – se 
qualquer uma delas for baixa o avião não voará 
Materiais são escolhidos mediante a identificação das propriedades que 
limitam o projeto e aplicação de limites a eles, o que resulta na triagem e 
eliminação dos materiais que não cumprem os limites 
Árvores de famílias 
• Organização de materiais e processos 
Árvores de famílias 
METAIS CERÂNICAS VIDROS POLÍMEROS Elastômetros 
Rigidez (E) 
 
Resistencia 
(𝝈𝒚) 
Tenacidade a 
Fratura (𝑲𝟏𝒄) 
Condução 
térmica (𝝀) 
Condução 
elétrica (𝑮) 
 
Propriedades 
químicas 
Exemplos 
 
 
 
Alta 
Baixa 
(quando puros) 
Alta 
Rígidos 
Bom condutor 
Bom condutor 
Reativos 
Aço, ferro 
fundido, ligas 
de AL, Cu, Zn 
Ti 
 
Alta 
Alta 
Baixa 
frágeis 
Mal condutor 
Isolante 
Mal condutor 
Isolante 
Resistentes a 
corrosão 
Porcelana e 
alumina 
 
Alta 
Alta 
Resistentes a 
corrosão 
Mal condutor 
Isolante 
Mal condutor 
Isolante 
Baixa 
frágeis 
Cal de soda e 
de 
borocilicatos 
(pirex) 
 
Baixa 
Podem ser 
resistentes 
 
Depende da 
temperatura 
 
Mal condutor 
Isolante 
Mal condutor 
Isolante 
Resistentes a 
corrosão 
Resistentes a 
corrosão 
Plásticos em 
geral 
Material de fitas 
elásticas e dos 
tênis de corrida 
 
Extremamente 
baixa 
 
Podem ser 
resistentes 
 
Podem ser 
rijos 
 Mal condutor 
Isolante 
Mal condutor 
Isolante 
Processos 
• O que pode acontecer com as propriedades dos materiais
após processamento 
Necessidades dos materiais modernos 
Notas de Aula Profa. Nora Dias - 
UNIOESTE 
Referências 
Ashby, Michael;Shercliff, H.; Cebon,David. Materiais – 
Engenharia, Ciência, Processamento e Projeto. Elsevier. 
Trad. 2ªediçãoamericana. 2012.