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17/04/2017 1 Materiais Condutores(1) Profa. Dra. Juliana Fonseca 1 Introdução 2 17/04/2017 2 Introdução Os materiais condutores são caracterizados por diversas grandezas, dentre as quais se destacam: - condutividade ou resistividade elétrica, - coeficiente de temperatura, - condutividade térmica, - potencial de contato, - comportamento mecânico, etc. 3 Estas grandezas são importantes na escolha adequada dos materiais, uma vez que das mesmas vai depender se estes são capazes de desempenhar as funções que lhe são atribuídas. A escolha do material condutor mais adequado, nem sempre recai naquele de características elétricas mais vantajosas, mas sim, em um outro metal ou uma liga, que, apesar de eletricamente menos vantajoso, satisfaz as demais condições de utilização. Introdução Os principais materiais de elevada condutividade elétrica são os metais nobres, alguns de outros grupos, e de suas ligas. Os metais de alta condutividade se empregam como: Por outro lado, em determinadas aplicações, também há interesse em materiais, normalmente ligas, de alta resistência: 4 Condutores Enrolamentos de máquinas elétricas Transformadores 17/04/2017 3 Introdução 5 Condução Elétrica LEI DE OHM relaciona a corrente com a voltagem aplicada: 𝑉 = 𝐼𝑅 unidades: volt (J/C); ampère (C/s) e ohm (V/A) 6 corrente elétrica resistência voltagem Representação esquemática de um arranjo experimental que permite medir a resistência elétrica de um corpo. 17/04/2017 4 Condução Elétrica Resistividade Elétrica é independente da geometria da amostra, mas está relacionada com R: 𝜌 = 𝑅𝐴 𝑙 unidade: ohm-metro (Ω ∙ 𝑚) Aplicando na Lei de Ohm: 𝜌 = 𝑉𝐴 𝐼𝑙 Obs.: O valor de R é influenciado pela configuração da amostra, e para muitos materiais ele é independente da corrente. 7 resistividade distância entre dois pontos onde a voltagem é medida área da seção transversal perpendicular à corrente Condução Elétrica CONDUTIVIDADE ELÉTRICA 𝝈 especifica a natureza elétrica de um material. 𝜎 = 1 𝜌 é indicativa da facilidade pela qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. unidade: (Ω ∙ 𝑚)−1 A Lei de Ohm também pode ser expressa como: 𝐽 = 𝜎E ou E= 𝑉 𝑙 8 densidade de corrente campo elétrico 17/04/2017 5 Condução Elétrica Os materiais sólidos exibem uma ampla faixa de condutividades elétricas: Metais: são bons condutores, condutividades ~107 Ω ∙ 𝑚 −1 Isolantes: condutividades muito baixas, entre 10−10 𝑒 10−20 Ω ∙ 𝑚 −1 Semicondutores: condutividades intermediárias, 10−6 𝑒 104 Ω ∙ 𝑚 −1 9 Condução Elétrica CONDUÇÃO ELETRÔNICA E IÔNICA Uma corrente elétrica resulta do movimento de partículas eletricamente carregadas em resposta a forças que atuam sobre elas a partir de um campo elétrico externamente aplicado. As partículas carregadas positivamente são aceleradas na direção do campo e as partículas carregadas negativamente são aceleradas na direção oposta. 10 17/04/2017 6 Condução Elétrica 11 Condução Eletrônica Condução Iônica Condução Elétrica 12 17/04/2017 7 Condução Elétrica - No condutores e semicondutores sólidos existe apenas a condução eletrônica. - A magnitude da condutividade elétrica depende do número de elétrons disponível para participar do processo de condução. 13 - Nem todos os elétrons em cada átomo serão acelerados na presença de um campo elétrico. - O número de elétrons disponíveis para a condução elétrica em determinado material depende dos níveis eletrônicos: Condução Elétrica Exemplo – Alumínio 14 17/04/2017 8 Condução Elétrica Considerações Gerais: Sólido - grande número de átomos que se encontram inicialmente separados uns dos outros e que são subsequentemente agrupados e ligados para formar o arranjo atômico ordenado encontrado no material cristalino. 15 Em grandes distâncias de separação, cada átomo é independente dos demais e possui os níveis de energia atômica e configuração eletrônica que teria se estivesse isolado. Condução Elétrica Entretanto – conforme os átomos ficam mais próximos uns dos outros, os elétrons são influenciados pelos elétrons e núcleos dos átomos adjacentes. No sólido, cada estado atômico distinto pode ser dividido em uma série de estados eletrônicos espaçados, mas próximos entre si: Banda de Energia Eletrônica. 16 17/04/2017 9 Condução Elétrica BANDAS DE ENERGIA ELETRÔNICA 17 Representação convencional da estrutura da banda de energia eletrônica para um material sólido na separação interatômica de equilíbrio. Energia eletrônica em função da separação interatômica para um agregado de N átomos – como a estrutura da banda de energia é gerada. Condução Elétrica EXEMPLO 18 17/04/2017 10 Condução Elétrica EXEMPLO 19 Condução Elétrica Estruturas de bandas de energia possíveis para sólidos a 0 K Metais como o Cu (Z = 29,...3d104s1) nos quais se encontram disponíveis, na mesma banda de energia, estados eletrônicos não preenchidos acima e adjacentes a estados eletrônicos preenchidos. Metais como o magnésio (Z = 12,1s22s22p63s2) nos quais ocorre a superposição das bandas de energia mais externas, preenchida e não-preenchida. Isolantes: a banda de valência (banda de energia preenchida) é separada da Banda de condução (banda não preenchida) por um GAP de energia (banda proibida) de largura relativamente grande (> 2 eV). Semicondutores: a estrutura de bandas de energia é semelhante à dos isolantes, mas com gaps de energia de larguras menores (<2eV). 20 17/04/2017 11 Condução Elétrica - A Energia de Fermi, Ef, é uma consequência do caráter estatístico do comportamento dos elétrons e do Princípio de Exclusão de Pauli (para metais a T = 0 K, Ef é definida como a energia máxima dos estados eletrônicos ocupados; para semicondutores e isolantes Ef tem um valor situado na faixa de energias do poço de potencial); - Nos metais, somente elétrons com energia maior que Ef podem ser acelerados na presença de um campo elétrico. Esses elétrons são os que participam do processo de condução e são chamados de elétrons livres; - Em semicondutores e isolantes, os buracos eletrônicos têm energia menor que Ef e também participam do processo de condução; - O processo de condução se origina na mobilidade dos portadores de carga. 21 Condução Elétrica CONDUTIVIDADE ELÉTRICA – METAIS Em metais, um elétron torna-se livre quando passa para um estado de energia disponível e não preenchido acima de Ef; é pequena a energia necessária para tal mudança. 22 A condutividade elétrica dos metais pode ser representada pela equação: 17/04/2017 12 Condução Elétrica CONDUTIVIDADE ELÉTRICA – ISOLANTES E SEMICONDUTORES No caso de isolantes e semicondutores, um elétron torna-se livre quando salta da banda de valência para a banda de condução, atravessando o gap de energia. A energia de excitação necessária para tal mudança é aproximadamente igual à largura da barreira 23 Condução Elétrica MOBILIDADE ELETRÔNICA Quando um campo elétrico é aplicado, uma força atua sobre os elétrons livres, todos eles sofrem aceleração em uma direção oposta à do campo, em virtude de suas cargas negativas. 24 Não existe nenhuma interação entre um elétron em aceleração e os átomos em uma rede cristalina perfeita → todos os elétrons livres devem acelerar enquanto o campo elétrico estiver sendo aplicado, o que deveria gerar uma corrente elétrica continuamente crescente ao longo do tempo. 17/04/2017 13 Condução Elétrica Entretanto: uma corrente atinge um valor constante no instante em que um campo é aplicado, indicandoque existem forças de fricção → se contrapõem a essa aceleração devida ao campo externo. 25 Estrutura perfeita Baixa temperatura Mesma Estrutura Alta temperatura Mesma Estrutura Impurezas Essas forças resultam do espalhamento dos elétrons por imperfeições da rede cristalina, que incluem átomos de impurezas, lacunas, átomos intersticiais, discordâncias e até mesmo vibrações térmicas dos próprios átomos. Cada evento de espalhamento faz com que um elétron perca energia cinética e mude a direção do seu movimento. Condução Elétrica Velocidade de Arraste representa a velocidade média do elétron na direção da força imposta pelo campo elétrico. 𝜐𝑑 = 𝜇𝑒E 𝜇𝑒: mobilidade eletrônica (m2/V.s) Condutividade 𝜎 = 𝑛 𝑒 𝜇𝑒 26 número de elétrons livres carga elétrica de um elétron (1,6x10-19 C) 17/04/2017 14 Resistividade Elétrica Os metais têm altas condutividades devido ao grande número de elétrons livres que foram excitados para os espaços vazios acima do nível de Fermi. Uma vez que os defeitos cristalinos servem como centros de espalhamento para os elétrons de condução nos metais, o aumento de seu número aumenta a resistividade (ou diminui a condutividade). Observa-se experimentalmente que a resistividade total de um metal é a soma das contribuições das vibrações térmicas, das impurezas e da deformação plástica: 𝝆𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝝆𝒕 + 𝝆𝒊 + 𝝆𝒅 27 Condução Elétrica 28 17/04/2017 15 Resistividade Elétrica Representação da variação da resistência R em função da temperatura T 29 De interesse prático é o setor reto da característica (trecho AB), cuja inclinação é dada por: A distribuição uniforme de corrente através da seção de um condutor existe apenas para a corrente contínua. Com o aumento da frequência acontece uma distribuição não-uniforme de corrente (efeito pelicular) → em um condutor circular, a densidade de corrente geralmente aumenta do interior em direção a superfície. Resistência de Contato nos Metais 30 Quando se aplica uma peça metálica sobre outra, com objetivo de contato elétrico, estas ficam na verdade separadas, qualquer que seja a pressão a que sejam submetidas, por uma distância relativamente grande, se comparada às dimensões do átomo. - existem alguns pontos de contato perfeito e o resto dos pontos a distância da ordem de mm, de onde se entende a existência da resistência de contato. A passagem de energia de uma peça a outra se dá por dois modos: - através de uma zona de contato íntimo, ou de condução; - através de uma zona de disrupção, onde o gradiente de potencial pode alcançar valores elevados, muito pouco inferiores a rigidez dielétrica do ar. 17/04/2017 16 Materiais de Elevada Condutividade Cobre e Suas Ligas - Pequena resistividade: Somente a prata tem valor inferior, porém o seu elevado preço não permite seu uso em quantidades grandes; - Características mecânicas favoráveis; - Baixa oxidação para a maioria das aplicações: O cobre oxida bem mais lentamente, perante elevada umidade, que diversos outros metais; esta oxidação entretanto, é bastante rápida quando o metal sofre elevação de temperatura; - Fácil deformação a frio e a quente: é relativamente fácil reduzir a seção transversal do cobre, mesmo para fios com frações de milímetros de diâmetro. 31 Materiais de Elevada Condutividade O cobre tem cor avermelhada característica, o que o distingue de outros metais, que, com exceção do ouro: são geralmente cinzentos, com diversas tonalidades. O valor da condutividade informa sobre o grau de pureza do cobre. A máxima pureza é encontrada no cobre obtido em ambiente sem oxigênio. O cobre resiste bem à ação da água, de fumaças, sulfatos, carbonatos, sendo atacado pelo oxigênio do ar, e em presença deste, ácidos, sais e amoníaco podem corroer o cobre. 32 17/04/2017 17 Materiais de Elevada Condutividade O cobre é obtido em forma eletrolítica, fundido e transformado em lingotes. Transformação aos perfis e peças desejadas: transformação mecânica por laminação e estiramento, primeiramente com um aquecimento do lingote para facilitar a transformação bruta, até cerca de 920-980 °C. 33 Materiais de Elevada Condutividade Em função de suas propriedades, o cobre nas suas diversas formas puras tem determinadas suas aplicações. Cobre Encruado/Duro: - é usado nos casos em que se exige elevada dureza, resistência à tração e pequeno desgaste, como no caso de redes aéreas de cabo nú em tração elétrica, particularmente, para fios telefônicos, para peças de contato e para anéis coletores. Cobre Mole/Recozido: - demais casos, principalmente em enrolamentos, barramentos e cabos isolados. 34 17/04/2017 18 Materiais de Elevada Condutividade Alumínio - é o segundo metal mais usado na eletricidade, havendo nos últimos anos uma preocupação permanente em substituir mais e mais as aplicações do cobre pelo alumínio, por motivos econômicos. Alguns aspectos, baseados principalmente no custo (mesmo levando em conta compensações no dimensionamento das partes condutoras) e produção nacional maior do alumínio, têm levado à crescente preferência pelo alumínio, cujo maior problema é a sua fragilidade mecânica e sua rápida, porém não profunda, oxidação. 35 Materiais de Elevada Condutividade Comparação de características físicas entre cobre e alumínio. 36 17/04/2017 19 Vídeo 37
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