Aula 3 - Cap1

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Ciência e Tecnologia dos 
Materiais Elétricos 
Prof. Marcos Lajovic Carneiro, Dr. 
PUC-GO 
Aula 3 
 
1.7 Propriedades Químicas 
• Principal reação: Corrosão 
- Metais em geral (exceto os nobres) apresentam tendência a se combinarem 
com metaloides. 
- Principal metaloide: Oxigênio 
- A corrosão produz de óxidos e hidróxidos 
• Causa mudanças estruturais e dimensionais nos materiais 
 
 
 
 
a) corrosão por dissolução: contato com um solvente 
Ex: ácido sulfúrico em contato com zinco. 
b) corrosão por oxidação eletroquímica: remoção de elétrons do material 
 Ex: Oxidação do ferro pela umidade que leva à formação do hidróxido férrico (ferrugem) 
Definição 
Corrosão: alteração por reação química ou eletroquímica, da 
superfície do material em contato com um meio favorável à reação 
1.7 Propriedades Químicas 
• Métodos de controle da corrosão 
A. Proteção por isolamento 
Ex: revestimento do ferro com película de zinco (ferro galvanizado) ou capa de 
alumínio. 
* Zinco e alumínio quando oxidados formam uma fina camada de material isolante resistente à 
corrosão (óxido de zinco e óxido de alumínio). 
 
B. Proteção por passivação: adição de outros materiais na liga metálica. 
Ex: - Aço inoxidável (liga de ferro + carbono + cromo + níquel) 
 - Bronze (liga de cobre e estanho) 
 - Latão (liga de cobre e zinco) 
 
C. Proteção catódica: Utiliza-se metais com maior potencial de oxidação (metal de 
sacrifício) para proteger os de menor potencial. 
Ex: - Aterramento: Lâminas de zinco protegem hastes de cobre. 
 - Carcaças de navio são protegidas com pedaços de magnésio. 
 
D. Outros tipos de controle: Isolação resinosa e neutralização do meio (alcalinização) 
1.7 Propriedades Químicas 
 
• Importante: 
 
1) Eletrólito 
- Soluções básicas (alcalinas), ácidas ou sais. 
- Soluções iônicas  Condutoras 
 
 
2) Portadores de carga: 
- Sólidos  Elétrons 
- Líquidos  Íons (cátions e ânions) 
- Gases ionizados  Elétrons e íons 
 
 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Eletroquímica: estuda o relacionamento entre corrente 
elétrica e reações químicas. 
 
Oxidação  processo químico da óxido-redução 
• Retirada de elétrons do material. 
• Íon positivo flui para o meio iônico 
 
Pilha galvânica 
• Dois metais com potenciais diferentes mergulhados 
em um eletrólito e ligados por um fio condutor. 
  Fio condutor: fluxo de elétrons 
  Eletrólito: fluxo de cátions 
 * Conversão de energia química em energia elétrica 
 
Anodo  sofre oxidação – recebe elétrons - (eletrodo 
negativo) 
Catodo  sofre redução – recebe íons positivos - 
(eletrodo positivo) 
 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
A medida da capacidade de doar elétrons (se oxidar) é 
dada em volts. 
 
Potencial de oxidação depende: 
1) Temperatura 
- Maiores temperaturas provocam maior potencial 
de oxidação. 
 
2) Concentração do eletrólito 
- O aumento da concentração diminui o potencial de 
oxidação 
 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Baterias e pilhas: 
  Fontes de tensão contínuas. 
  Formadas por pares anodo-catodo 
  Ligações em série e em paralelo 
  Se diferenciam pela durabilidade e capacidade de corrente. 
 
Tipos de pilhas/baterias: 
A. PRIMÁRIAS 
 Não recarregáveis 
 Elétrólito formado por pastas absorventes 
 Pilha seca 
 
B. SECUNDÁRIAS 
  Recarregáveis 
  Normalmente menor densidade de energia do que as primárias 
  Maior densidade de potência (maior corrente) 
  Descarga constante 
  Desempenho razoável em baixas temperaturas 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Tipos de pilhas/baterias: 
A. PRIMÁRIAS 
 A.1. Pilha seca ou de Leclanché: 
  AAA, AA, C e D. 
  Todas de 1,5V 
  Recipiente de zinco (ânodo) e barra de grafita cercada de mistura de dióxido 
de manganês e carvão em pó (cátodo). 
  Eletrólito: pasta úmida de cloreto de amônia com cloreto de zinco. 
  Pequena corrente 
  Baixo tempo de vida útil na estocagem 
  Pilha seca do tipo B possui 9V: 6 pilhas em série de 1,5V cada. 
  Aplicações: Flashes, rádios, brinquedos 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Tipos de pilhas/baterias: 
A. PRIMÁRIAS 
A.2. Pilhas alcalinas: 
  Mesmo par anodo catodo das pilhas secas 
  Eletrólito de hidróxido de potássio 
  2 a 10 vezes mais corrente que as secas 
  Maior tempo de estocagem 
  Aplicações: aparelhos com maior necessidade de corrente 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Tipos de pilhas/baterias: 
A. PRIMÁRIAS 
A.3. Pilhas de lítio 
  Lítio como anodo 
  Alta densidade de energia 
  Pouco peso 
  Alta tensão (entre 2V e 3,6V) 
  Descarga constante 
  Tempo de estocagem acima de 5 anos 
  Perigosas quando explodem ! 
  Aplicações: Calculadoras programáveis, relógios, etc. 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Tipos de pilhas/baterias: 
A. PRIMÁRIAS 
A.4. Pilhas de zinco-óxido de mercúrio: 
  Alta capacidade com relação ao volume 
  Descarga constante 
  Boa vida de estocagem 
  Tensão: 1,2V 
  Aplicações: aparelhos de audição, marca-passo, detectores, etc. 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Tipos de pilhas/baterias: 
A. PRIMÁRIAS 
A.5. Pilhas de eletrólito sólido: 
  Pequena potência (microwatts) 
  Vida útil muito grande 
  Tensão: 2,8V 
  Aplicações: marca-passo e circuitos de memória. 
 
 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Tipos de pilhas/baterias: 
 
B. SECUNDÁRIAS 
 B.1 Baterias de chumbo-ácido: 
 - Barata, largamente usada, diversos tamanhos e correntes. 
 - Dióxido de chumbo (positivo), chumbo (negativo), ácido sulfúrico (eletrólito) 
 - Não aceita carga em baixa temperatura, apresenta auto descarga 
 - Aplicações: automóveis, tratores, caminhões, barcos, no breaks, etc. 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Tipos de pilhas/baterias: 
 
B. SECUNDÁRIAS 
 B.2 Bateria de níquel-cádmio 
 - Bateria alcalina 
 - Alta capacidade de energia, ciclo de vida longo 
 - Bom desempenho em baixa temperatura, robustez e confiabilidade. 
 - Óxido de níquel (positivo), Cádmio (negativo), solução alcalina de hidróxido de 
potássio como eletrólito. 
 - Pode ser estocada. 
 - Requer pouca manutenção. 
 - Aplicação: Celulares, iluminação de emergência. 
1.7 Propriedades Químicas 
1.7.1 Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias 
Tipos de pilhas/baterias: 
 
B. SECUNDÁRIAS 
 B.3 Outras baterias 
 - Bateria de Hidreto de níquel metálico (NiMH) 
 - Bateria de ion de lítion (li-ion) 
 
 Aplicações: 
  Pagers 
  Laptops 
  Celulares 
 
  Equipamentos que utilizam bastante energia. 
1.8 Propriedades Ópticas 
 Foco: Funcionamento das fibras óticas. 
 Propriedades principais: reflexão e refração 
Conceito: 
 Raio incide com ângulo 𝜃𝑖 com a normal 
 Raio reflete com ângulo 𝜃𝑟 com a normal 
 𝜃𝑖 = 𝜃𝑟 
 Incide e reflete no mesmo meio 
 
 Problemas de geometria plana 
 
Reflexão especular: 
 Superfície lisa e polida 
 
Reflexão difusa: 
 Superfície com reentrâncias e saliências 
 Luz reflete em todas direções 
1.8 Propriedades Ópticas 
Conceito: 
• Mudança do meio depropagação 
 
 Raio se propaga no meio 1 com velocidade 
v1 
 Incide na superfície de outro material 
(meio 2) com ângulo 𝜃1 com a normal 
 Sofre desvio ou não e passa a propagar no 
outro meio com ângulo 𝜃2 e velocidade v2. 
 
 Se incidir na vertical não muda de direção 
mas muda de velocidade (também é 
refração) 
Dióptro: 
E o conjunto  meio 1 + meio 2 + fronteira 
 
 Problemas de geometria plana 
1.8 Propriedades Ópticas 
Índice de refração absoluto ou refringência do meio (n): 
 Medida quantitativa do fenômeno da refração (adimensional) 
c = velocidade da luz no vácuo 
v = velocidade da luz no meio em questão 
1.8 Propriedades Ópticas 
Lei de Snell – Descartes: 
1) Se n1=n2: 
  Não há mudança de velocidade 
  Não há mudança de ângulo 
  Não há refração 
2) Se n1>n2: 
  𝜃1 < 𝜃2 e v1 < v2 
  O raio se afasta da normal 
  Velocidade do raio aumenta 
 * Ângulo limite 𝜃𝐿: raio refratado sobre a 
superfície. 
 Para ângulo incidente maior que o 
limite ocorre reflexão. 
1.8 Propriedades Ópticas 
3) Se n1<n2: 
  𝜃1 > 𝜃2 e v1 > v2 
  O raio se aproxima da normal 
  Velocidade do raio diminui 
Lei de Snell – Descartes: 
1.8.1 tópico complementar: a fibra ótica 
 Transmissão de grande volume de informações. 
 
 
Constituição: 
 Camada interna (núcleo) mais refringente. 
 Camada externa menos refringente (casca) 
 Capa externa de polímero (proteção mecânica) 
 
Transmissão: 
 Reflexão total pelo dióptro núcleo-casca 
 
Luz utilizada: 
 Luz infravermelha 
• Sofre menos atenuação que a luz visível 
 
 
 
1.8.1 tópico complementar: a fibra ótica 
 Sistema básico de transmissão: 
 Fibra ótica: meio de propagação do sinal ótico 
 Conector: Conexão emissor-fibra e fibra-receptor 
 Transmissor: Converte sinal elétrico em sinal ótico 
• Ex: LED 
 Receptor: Converte sinal ótico em sinal elétrico. 
• Ex: Fotodiodo + amplificador de sinais 
1.8.1 tópico complementar: a fibra ótica 
 Vantagens da fibra ótica: 
1) Baixa atenuação  maiores distâncias 
2) Baixa manutenção 
3) Largura de banda  maior capacidade de transmissão 
4) Imunidade à interferência eletromagnética 
5) Baixo peso  30 g / km 
• Instalada em aviões e carros 
6) Pequena dimensão  diâmetro externo de 125 micrômetros 
7) Sigilo  impossibilidade de retirar ou colocar sinais sem danificar o sistema 
8) Isolação elétrica 
 
Fibra ótica em casa 
Internet 400MB - França 
1.9 O Fator Custo dos Materiais 
• Elaboração e execução do projeto ou produto 
  Especificar propriedades intrínsecas do material com base na finalidade. 
  Propriedades elétricas, magnéticas, físicas, químicas, etc. 
  Produto competitivo qualitativamente 
 
• Economia de mercado 
  Custo e lucro  PARÂMETROS ESSENCIAIS  OTIMIZAR AO MÁXIMO! 
  Quando custo não é limitante  Máxima qualidade 
  Competitividade comercial 
 - Redução de custos 
 - Viabilidade do projeto 
 - Maior lucro 
 - Analisar fator técnico e custo 
  CUSTO NÃO É UMA PROPRIEDADE INTRÍNSECA DO MATERIAL 
 
  Deficiências do material podem ser compensadas pelo baixo custo 
 
1.9 O Fator Custo dos Materiais 
• Exemplos: 
 Ouro e prata 
 - Ótimos condutores 
 - Não são usados como fios e cabos 
 - São pesados (elevada massa específica) 
 - Preço proibitivo 
 - Usados com suas ligas 
 - Grande resistência à corrosão 
 
 Cobre é mais caro que o alumínio 
 - Melhor condutor 
 - Mais fácil de soldar e emendar 
 - Mais usado para instalações de baixa tensão 
 Alumínio 
 - Mais frágil mecanicamente que o cobre 
 - Mais leve e mais barato que o cobre 
  Mais usado em linhas de transmissão 
  Exige menores estruturas de sustentação 
  Menor custo da obra 
 
 
 
FIM cap. 1 
Problemas propostos 
- Grupos de 5 alunos 
- PROBLEMAS 1 – 26 
Questões - Individual 
Dia 26/02/2015