Aula 1 - Cap1

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Ciência e Tecnologia dos 
Materiais Elétricos 
Prof. Marcos Lajovic Carneiro, Dr. 
PUC-GO 
Aula 1 
Capítulo 1 
Propriedades dos Materiais usados em 
Engenharia 
1.1 Introdução 
• Materiais usados em engenharia 
– Características 
– Propriedades 
– Comportamentos 
– Limitações de uso 
 
• Um material dificilmente possui todas as melhores características para uma 
determinada aplicação 
 
• Escolha  Características gerais mais vantajosas 
Tipos de propriedades: 
-Elétricas 
-Magnéticas 
-Mecânicas 
-Físicas 
-Químicas 
 
-Térmicas 
-Ópticas 
-*Custo 
 
1.2 Propriedades Elétricas 
Os materiais quando mergulhados em um campo elétrico podem assumir diferentes comportamentos: 
 Condutor 
 Semicondutor 
 Isolante 
 
1.2.1 Condutividade e Resistividade elétricas 
 
• Condutividade elétrica: quantifica a facilidade de circular corrente elétrica quando 
submetido a uma DDP. 
Definição geral: 
1.2.1 Condutividade e Resistividade elétricas 
Elétrons  presentes em todos materiais 
Lacunas  presentes apenas nos semicondutores 
 
Equação para condutores e isolantes: 
 
 
Resistividade elétrica: oposição que o material faz ao fluxo de elétrons (corrente elétrica) 
 
 
 
 
A resistividade é dependente da temperatura: 
Unidade: 
1.2.1 Condutividade e Resistividade elétricas 
Resistividade elétrica: 
 
Outra forma de cálculo: 
 
• A resistência elétrica R obedece a lei de ohm 
 
• A resistência elétrica R não pode ser cálculada a partir da resistividade no caso de 
corrente alternada devido ao Efeito Pelicular (Cap.3). 
1.2.1 Condutividade e Resistividade elétricas 
Dicas: 
1.2.1 Condutividade e Resistividade elétricas 
1.2 Propriedades Elétricas 
 
• Condutor elétrico  alta concentração de elétrons livres (1022 elétrons 
livres/𝑐𝑚3). 
 
• Elétrons do material se rearranjam quando mergulhados em um campo elétrico 
formando um campo interno de tal forma a anular o campo externo. 
 
• Isolantes possuem uma pequena concentração de 
elétrons livres (106 elétrons livres/𝑐𝑚3). 
* campo elétrico em seu interior não consegue anular 
totalmente um campo externo como nos condutores. 
1.2 Propriedades Elétricas 
1.2.2 Permissividade dielétrica 
 
• Permissividade dielétrica (𝜺): 
– Capacidade do material isolante em reagir ao adensamento de um fluxo de campo 
elétrico por sua estrutura. 
– O quanto os materiais se polarizam quando em presença de um campo elétrico. 
 
• Unidade: F/m (F=Farad) 
 
• Permissividade dielétrica do ar ou vácuo: 𝜺𝟎 = 𝟖, 𝟖𝟓𝟒𝒙𝟏𝟎
−𝟏𝟐 𝑭/𝒎 
• Permissividade relativa (𝜺𝒓): medida em relação à permissividade do ar ou vácuo. 
 
adimensional 
Constante dielétrica K: relação de capacitâncias entre um 
capacitor com um determinado dielétrico e outro capacitor igual 
com dielétrico substituido pelo ar ou vácuo. 
1.2 Propriedades Elétricas 
1.2.2 Permissividade dielétrica 
 
• Permissividade dielétrica (𝜺): 
– Dependente da temperatura e da frequência. 
Tabela para 25 graus e frequência de 60 a 1MHz 
1.2 Propriedades Elétricas 
está 
Dicas: 
1.2 Propriedades Elétricas 
está 
1.2 Propriedades Elétricas 
1.2.3 Rigidez Dielétrica (𝐸𝑚𝑎𝑥) 
- Limite do valor da tensão elétrica por unidade de espessura que um determinado 
material pode suportar sem romper-se. 
 
- Acima deste valor o material deixa bruscamente de se comportar como isolante e 
permite a passagem da corrente elétrica (podendo ser danificado) 
Unidade: 
Propriedade dependente da temperatura 
1.2 Propriedades Elétricas 
• 1.2.3 Rigidez Dielétrica (𝐸𝑚𝑎𝑥) 
1.3 Propriedades Magnéticas 
O magnetismo ou força magnética é fundamental na geração e aproveitamento da 
corrente elétrica. 
Motores, geradores, transformadores, instrumentos elétricos, medidores mecânicos, 
etc, seriam impossíveis sem o domínio dos fenômenos magnéticos. 
1.3 Propriedades Magnéticas 
1.3.1 Permeabilidade e Susceptibilidade Magnéticas 
 
Os materiais podem apresentar diferentes comportamentos na presença de linhas de 
campo magnético, podendo: 
- Concentrar as linha de campo (atrair) 
- Repelir 
- Não sofrer perturbação 
 
Classificação: 
- Ser fracamente atraído (material paramagnético) 
- Ser fracamente repelido ímas (material diamagnético) 
- Ser fortemente atraído (material ferromagnético) 
- Não sofrer nenhuma alteração (material indiferente) 
1.3 Propriedades Magnéticas 
1.3.1 Permeabilidade e Susceptibilidade Magnéticas 
 
Permeabilidade magnética (𝝁): propriedade que descreve a ação do material sobre as 
linhas de campo magnético. 
 
Unidade: H/m (H=Henry) 
 
Permeabilidade magnética do vácuo: 𝝁𝟎 = 𝟒𝝅. 𝟏𝟎
−𝟕𝑯/𝒎 
 
Permeabilidade relativa (𝝁𝒓): permeabilidade do material com relação ao vácuo 
1.3 Propriedades Magnéticas 
1.3.1 Permeabilidade e Susceptibilidade Magnéticas 
 
Tipos de materiais e sua relação com a permeabilidade do ar 
• Materiais indiferentes: 𝝁=𝝁𝒓 = 𝟏 
• Materiais diamagnéticos: 𝝁<𝝁𝟎 ligeiramente menor que 1 
• Materiais paramagnéticos: 𝝁>𝝁𝒓 ligeiramente maior que 1 
• Materiais ferromagnéticos: 𝝁>>𝝁𝒓 muito maiores que 1 
 
Magnetização (M): grau de polarização dos dipolos magnéticos do material quando 
atravessado por um campo magnético H. 
Suscetibilidade magnética 
1.3 Propriedades Magnéticas 
1.3.1 Permeabilidade e Susceptibilidade Magnéticas 
 
Suscetibilidade magnética (𝝌𝟎): 
- Medida da intensidade com que o material pode ser magnetizado. 
- Facilidade com que um material se deixa atravessar pelo fluxo magnético circulante. 
Propriedade dependente da temperatura 
1.3 Propriedades Magnéticas 
1.3.2 Retentividade e Relutividade 
 
Materiais paramagnéticos, diamagnéticos ou indiferentes  Magnetização linear 
Materiais ferromagnéticos 
 Magnetização não-linear 
 Apresentam saturação 
 Apresentam campo magnético residual 
 Permeabilidade não é constante 
1.3 Propriedades Magnéticas 
1.3.2 Retentividade e Relutividade 
 
Retentividade: propriedade do material de reter a magnetização depois de cessado o 
campo magnético externo. 
 
 Indesejável para algumas aplicações: 
– Transformadores elétricos 
– Motores elétricos 
 Desejável para dispositivos de armazenamento de informações: 
– Fitas K7, disquetes, HDs 
 
Relutividade: representa a oposição feita ao estabelecimento de um fluxo magnético. 
* Inverso da permeabilidade magnética (1/ 𝝁) 
** Efeito análogo à resistividade elétrica 
Perdas por histerese 
1.4 Propriedades Físicas 
• Dependem dos átomos e sua estrutura cristalina 
• Foco deste estudo: estado físico e massa específica 
 
1.4.1 Estado Físico 
 
• Depende da distância entre átomos, moléculas e íons. 
• Estados: Sólido, liquido e gasoso 
 
a) Sólido 
 - Forma própria 
 - Volume constante 
 - Átomos e moléculas muito próximos. Não se movimentam, apenas vibram. 
Aplicações: 
• Fabricação de fios, cabos e barramentos (cobre, alumínio e ligas metálicas) 
• Dielétricos em capacitores (mica, cerâmica, plásticos) 
• Isoladores (porcelana, polistireno, vidro, borrachas, PVC) 
• Estruturas de suporte 
• Núcleos magnéticos (ferro e suas ligas) 
 
1.4 Propriedades Físicas 
a) Sólido 
a.1) Sistema cúbico: 
 - Cúbico simples (silício e germânio) 
 - Cúbico de face centrada (cobre, alumínio, prata, ouro, níquel) 
 - Cúbico de corpo centrado (ferro, tungstênio, cromo) 
a.2) Sistema hexagonal 
 Ex: zinco, magnésio, cádmio, berílio 
a.3) Sistema tetragonal 
 Ex: estanho 
 
b) Líquido 
 - Sem forma própria 
 - Volume constante- Átomos e moléculas um pouco mais afastadas entre si com liberdade de movimento. 
Aplicações: 
 - Solução iônica em baterias (eletrólito) 
 - Isolantes em transformadores (óleos minerais, ascarel) 
 - Tintas e vernizes isolantes 
 
1.4 Propriedades Físicas 
c) Gasoso 
 - Sem forma constante 
 - Sem volume constante 
 - Átomos, moléculas ou íons (plasma) muito afastados entre si e sempre em movimento. 
Aplicações: 
 - Lâmpadas (neon, vapor de sódio, vapor de mercúrio) 
 - Meio isolante entre cabos aéreos (ar) 
 - Disjuntores de potência 
 - Cabos subterrâneos 
 
**Lâmpada fluorescente: 
 - Tubo de vidro 
 - Gás argônio (gás inerte) em baixa pressão 
 * Gases se tornam condutores a baixa pressão 
 - Uma gota de mercúrio  quando vaporizado emite luz. 
 
A luz emitida é ultra-violeta. Uma substância chamada fluorescente reveste o tubo de vidro e 
transforma a luz ultra-violeta em luz visível (aumenta o comprimento de onda da luz). 
 
*** Plasma  gás ionizado (quarto estado da matéria) 
 
FIM