Aula Materiais Eletricos [Modo de Compatibilidade]

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Curso: Engenharia Elétrica
Professor: Phillip Luiz de Mendonça, MSc
Email: phillip.mendonca@fbv.edu.br
Materiais Elétricos
Apresentação Professor-Aluno
1. Formação Acadêmica
• Eletrotécnica – IFPE
• Engenharia Elétrica – UPE
• Especialização em Gestão da Manutenção – UPE
• Mestrado em Engenharia Mecânica – UFPE
• Doutorado em Engenharia Mecânica – UFPE ( Em andamento )
2. Experiência Profissional
• CELPE
• ABB
• Energética Suape II
• ITEP
3. Linha de Pesquisa
• Desempenho de isoladores compósitos em linhas de transmissão, diagnóstico de
sistemas e máquinas por assinatura elétrica, técnicas preditivas de manutenção e
energia solar.
Apresentação da Disciplina
1. Carga Horária
60 horas.
2. Objetivo Geral
Introduzir o estudo da ciência e engenharia dos materiais com ênfase nas suas
propriedades elétricas.
3. Objetivos Específicos
• Classificar os diferentes materiais através das suas propriedades químicas,
mecânicas, elétricas e térmicas para suas diferentes aplicações na engenharia.
• Avaliar as características dos materiais plásticos, metálicos e cerâmicos, através da
sua estrutura atômica, visando a melhoria da aplicação.
• Identificar a capacidade de transporte eletrônico dos diferentes materiais, através da
estrutura atômica, para a análise de condutividade elétrica.
• Planejar estruturas baseadas em materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos com
base nas suas propriedades magnéticas e elétricas.
• Determinar o tipo de magnetismo presente, com base na composição do material e
estrutura cristalina.
Apresentação da Disciplina
4. Conteúdo
• Introdução ao estudo dos materiais: Materiais metálicos, cerâmicos, poliméricos, compósitos e
semicondutores; introdução às propriedades mecânicas e elétricas, estrutura e propriedades
atômicas e ligações químicas;
• Estrutura atômica, número atômico, massa atômica, número de Avogadro, elétrons, prótons e
nêutrons, ligações primárias e secundárias, ligações covalentes, iônicas, metálicas e
secundárias, propriedades x tipo de ligação;
• Estrutura cristalina dos materiais, material cristalino, material não-cristalino/amorfo, modelo
atômico das esferas rígidas, rede cristalina, célula unitária, constantes de rede, os 7 sistemas
cristalinos, as 14 redes de Bravais;
• Fator de empacotamento atômico, cálculos de massa específica, polimorfismo e alotropia,
coordenadas de pontos, direções cristalográficas, planos cristalinos, densidade atômica planar,
densidade atômica linear, difração de raios X;
• Propriedades mecânicas dos metais, tração, compressão, cisalhamento, torção e flexão, ensaios
de tração, ensaios de compressão, deformação elástica, comportamento tensão-deformação,
deformação elástica, anelasticidade;
• Coeficiente de Poisson, deformação plástica, limite de proporcionalidade, limite de escoamento,
limite de resistência à tração, empescoçamento, fratura frágil e fratura dúctil, resiliência e
tenacidade;
• Propriedades Oxidantes e Redutoras, pilhas, pilha de Daniell, potenciais de redução e oxidação,
cálculo de voltagem das pilhas, pilhas comerciais, baterias, corrosão de metais, proteção
catódica e eletrólise;
Apresentação da Disciplina
4. Conteúdo
• Propriedades elétricas dos materiais, materiais condutores, isolantes e semicondutores, lei de
Ohm, resistividade elétrica, condutividade elétrica, condução eletrônica e iônica, materiais de
elevada condutividade;
• Bandas de energia eletrônica, energia de Fermi, condutividade elétrica nos metais, velocidade de
arraste, resistividade elétrica nos metais, regra de Matthiessen, resistência em ligas metálicas,
resistência de contato;
• Semicondutividade, semicondução intrínseca, conceito de buraco e elétron livre, condutividade
em semicondutores, semicondução extrínseca tipo n e tipo p, bandas de condução em
semicondutores, estados doadores e receptores;
• Efeito da temperatura na condutividade de semicondutores, fatores que afetam a mobilidade dos
portadores de carga, efeito Hall, funcionamento dispositivos semicondutores (diodos, LED,
transistores e MOSFET);
• História do magnetismo, magnetita, campo magnético terrestre, inseparabilidade dos polos,
dipolos magnéticos, linhas de força, vetores do campo magnético, intensidade do campo
magnético (H), densidade de fluxo magnético (B);
• Magnetização, suscetibilidade magnética, origens dos momentos magnéticos, momentos
magnéticos de spin, magnéton de Bohr, diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo,
antiferromagnetismo e ferrimagnetismo;
• Influência da temperatura sobre o comportamento magnético, domínios e histereses, remanência,
coercividade, saturação magnética, materiais moles e duros, anisotropia magnética e liga de
ferro-silício.
Apresentação da Disciplina
5. Bibliografia Básica
CATHEY, Jimmie J. Teoria e problemas de dispositivos e circuitos eletrônicos. Porto Alegre, RS:
Bookman©, 2003.
VLACK, Lawrence H Van. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Rio de Janeiro: Campus,
1984.
CALLISTER JR, William D. Ciência e engenharias dos materiais: uma introdução. Rio de Janeiro:
LTC, 2008. 705 p. ISBN 978-85-216-1595-8.
6. Bibliografia Complementar
BOYLESTAD, Robert. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. São Paulo: Saraiva, 2004.
SCHIMIDT, W. Manual de Engenharia Elétrica: condutores e semicondutores. V.1 . São Paulo:
Siemes, 2010.
SCHIMIDT, W. Manual de Engenharia Elétrica: isolantes e magnéticos. V.2 . São Paulo: Siemes,
2010.
PADILHA, Ângelo Fernando. Materiais de engenharia: microestrutura e propriedades. São Paulo:
Hemus livraria, distribuidora e editora, 2007. 349 p. ISBN 978-85-2890-442-0.
SOLYMAR, L.; WALSH, D. Eletrical properties of materials. New York: Oxford, 2010. 443 p. ISBN 978-
9-9956-591-7.
Introdução
Os materiais estão provavelmente mais entranhados na nossa cultura do que a maioria de nós
percebe. Nos transportes, habitação, vestiário, comunicação, recreação e produção de alimentos;
virtualmente todos os seguimentos de nossa vida diária são influenciados em maior ou menor grau
pelos materiais.
Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado intimamente ligados às
habilidades dos seus membros em produzir e manipular os materiais para satisfazer as suas
necessidades. De fato, as civilizações antigas foram designadas de acordo com o seu nível de
desenvolvimento em relação aos materiais (Idade da Pedra, Idade do Bronze).
Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número limitado de materiais, aqueles
presentes na natureza: pedra, madeira, argila, peles, e assim por diante. Com o tempo, esses primeiros
seres humanos descobriram técnicas para a produção de materiais com propriedades superiores
àquelas dos materiais naturais; esses novos materiais incluíram as cerâmicas e vários metais. Além
disso, foi descoberto que as propriedades de um material podiam ser alteradas por meio de
tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias. Naquele ponto, a utilização dos materiais
era um processo totalmente seletivo, isto é, consistia em decidir dentre um conjunto específico e
relativamente limitado de materiais aquele que mais se adequava a uma dada aplicação, em virtude de
suas características.
� Histórico
Introdução
� A Ciência e a Engenharia de Materiais
A disciplina ciência de materiais envolve a investigação das relações entre as estruturas e as
propriedades dos materiais.
Em contraste, a engenharia de materiais consiste, com base nessas correlações estrutura-
propriedade, no projeto ou na engenharia da estrutura de material para produzir um conjunto de
propriedades predeterminadas. Assim, devemos ter atenção para as relações ente as propriedades
dos materiais e os elementos de estrutura.
Estrutura de um material se refere, em geral, ao arranjo dos seus componentes internos.
Aestrutura subatômica envolve os elétrons no interior dos átomos individuais e as interações com
os seus núcleos. Em nível atômico, a estrutura engloba a organização dos átomos ou das moléculas
umas em relação às outras.
Propriedade de um material consiste em uma peculiaridade de um dado material em termos do
tipo e da intensidade da sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. Virtualmente
todas as propriedades dos materiais sólidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes:
Mecânica; Elétrica; Térmica; Magnética; Óptica; ou Deteriorativa.
Introdução
� A Ciência e a Engenharia de Materiais
Introdução
� A Ciência e a Engenharia de Materiais
Cada propriedade apresenta uma resposta diferente para cada tipo característico de estímulo.
Por exemplo:
� Propriedades mecânicas - Deformação por uma carga ou força => módulo de elasticidade e a
resistência.
� Propriedades elétricas – Aplicação de um campo elétrico => condutividade elétrica e a
constante dielétrica.
� Propriedades térmicas – Submissão de variação de temperatura => capacidade calorífica e a
condutividade térmica.
� Propriedades magnéticas – Aplicação de um campos magnético => permeabilidade magnética e
curva de histerese.
� Propriedades ópticas – Radiação eletromagnética ou luminosa => índice de refração e a
refletividade.
� Propriedades deteriorativas – Indicam a reatividade química dos materiais.
Introdução
� A Ciência e a Engenharia de Materiais
Além da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes estão
envolvidos na ciência e na engenharia de materiais, quais sejam, o “processamento” e o
“desempenho”.
Com respeito às relações entre esses quatro componentes; estrutura, propriedades,
processamento e desempenho, a estrutura de um material irá depender da maneira como ele será
processado. Além disso, o desempenho de um material será uma função das suas propriedades.
Assim a inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho é linear.
Introdução
� Tabela periódica
� Tabela Periódica
Introdução
� Classificação dos Materiais
Os materiais sólidos são agrupados convenientemente de acordo com sua composição
química e estrutura atômica, embora existam alguns materiais intermediários.
Introdução
� Classificação dos Materiais
Metais
Materiais metálicos são normalmente combinações de elementos químicos metálicos. Eles
possuem um número grande de elétrons não-localizados, isto é, estes elétrons não estão ligados a
qualquer átomo em particular. Muitas propriedades dos metais são atribuídas diretamente a estes
elétrons. Os metais são extremamente bons condutores de eletricidade e calor (pela boa
mobilidade dos seus elétrons), são opacos à luz visível (os elétrons absorvem a energia dos fótons
de luz) e uma superfície metálica polida possui uma aparência lustrosa. Além disso, os metais são
muito resistentes e ainda assim deformáveis, o que é responsável pelo seu extenso uso em
aplicações estruturais.
Introdução
� Classificação dos Materiais
Metais
Introdução
� Classificação dos Materiais
Cerâmicos
Os materiais cerâmicos são compostos por elementos químicos metálicos e não-metálicos, como
por exemplo, óxidos, nitretos e carbetos. A grande variedade de materiais que se enquadra nesta
classificação inclui cerâmicos que são compostos por minerais argilosos, cimento e vidro. Estes
materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e calor (não possuem elétrons
livres para condução), apresentam boa resistência a altas temperaturas e a ambientes adversos
(alta estabilidade química) e abrasivos – são mais resistentes do que os metais e polímeros. Com
relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são duros, porém muito quebradiços.
Introdução
� Classificação dos Materiais
Cerâmicos
Introdução
� Classificação dos Materiais
Polímeros
Os polímeros incluem os materiais comuns de plástico e borracha que conhecemos. Muitos deles
são compostos orgânicos que têm sua química baseada no carbono, no hidrogênio e em outros
elementos não-metálicos; além disso, eles possuem estruturas moleculares muito grandes.
Tipicamente, esses materiais possuem baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis.
Introdução
� Classificação dos Materiais
Polímeros
Introdução
� Classificação dos Materiais
Compósitos
Os materiais compósitos consistem em combinações de dois ou mais materiais diferentes. Um
grande tipo de materiais compósitos tem sido engenheirado. A fibra de vidro é um exemplo
familiar, onde fibras de vidro são incorporadas no interior de um material polimérico. Um
compósito é projetado para exibir uma combinação das melhores características de cada um dos
materiais componentes. Assim, a fibra de vidro adquire a resistência do vidro e a flexibilidade do
polímero. Muitos dos desenvolvimentos recentes na área de materiais têm envolvido materiais
compósitos.
Introdução
� Classificação dos Materiais
Compósitos
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
M
a
t
e
r
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a
i
s
 
E
A
F
Semicondutores
Biomateriais
Nanomateriais
Inteligentes
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Semicondutores
Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias
entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes. São
compostos por materiais específicos e similares aos de cerâmicas. Além disso, as
características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença de
minúsculas concentrações de átomos de impurezas, concentrações que podem ser
controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas. Os semicondutores
tomaram possível o advento dos dispositivos e circuitos integrados eletrônicos, que
revolucionaram totalmente as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores
(para não mencionar as nossas vidas) ao longo das últimas duas décadas. No caso
do semicondutor de Si, este apresenta também propriedades mecânicas excelentes
que o torna utilizável em dispositivos micromecânicos (micromotores, microinjetores,
microsensores, etc).
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Semicondutores
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Biomateriais
Os biomateriais são empregados em componentes implantados no interior de
seres vivos para a substituição de partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais devem
ser biocompatíveis, ou seja, devem ser compatíveis com os tecidos do corpo, não causando reações
biológicas adversas, e não devem produzir substâncias tóxicas ao organismo. Todos os materiais
citados acima - metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e semicondutores - podem ser usados
como biomateriais. Como exemplos clássicos, temos a obturação e próteses dentárias. Muitos
outros exemplos existem e novos vem sendo desenvolvidos para a medicina, veterinária e mesmo
para biologia de forma geral.
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Biomateriais
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Nanomateriais
Até tempos muito recentes, o procedimento geral utilizado pelos cientistas para
compreender a química e a física dos materiais era partir do estudo de estruturas grandes e
complexas e então investigar os blocos construtivos fundamentais que compõem essas estruturas,
que são menores e mais simples. Essa abordagem é algumas vezes chamada de ciência “de cima
para baixo”. Contudo, com o advento dos microscópios de ponta de prova, que permitem a
observação dos átomos e das moléculas individuais, ficou possível manipular e mover átomos e
moléculas e formar novas estruturas, dessa formadesenhando novos materiais fabricados a partir de
constituintes que são simples ao nível atômico (isto é, construir “materiais por projeto”).
Essa habilidade em se arranjar cuidadosamente os átomos proporciona oportunidades para o
desenvolvimento de propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas e de outras naturezas que não
seriam possíveis de qualquer outra maneira. A isso chamamos de abordagem “de baixo para cima”;
o estudo das propriedades desses materiais é conhecido por “nanotecnologia”, onde o prefixo
“nano” indica que as dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do nanômetro (10-9m) –
como regra, inferiores a 100 nanômetros (o equivalente a aproximadamente 500 diâmetros
atômicos). Um exemplo de material desse tipo é o nonotubo de carbono.
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Nanomateriais
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Nanomateriais
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Materiais Inteligentes
Os materiais inteligentes consistem em um grupo de materiais novos e de última geração
que estão atualmente sendo desenvolvidos e que terão influência significativa sobre muitas das
nossas tecnologias. O adjetivo “inteligente” implica que esses materiais são capazes de
sentirmudanças nos seus ambientes e então responder a essas mudanças de uma maneira
predeterminada, como também ocorre com os organismos vivos. Os componentes de um material
(ou sistema) inteligente incluem algum tipo de sensor (que detecta um sinal de entrada), e um
atuador (que executa uma função de resposta e adaptação). Os atuadores podem ser chamados
para mudar a forma, a posição, a freqüência natural ou as características mecânicas em resposta
as mudanças de temperatura, campos elétricos, e/ou campos magnéticos.
Introdução
� Materiais Engenheirados, Avançados ou do Futuro
Materiais Inteligentes
Introdução
� Ciclo Total dos Materiais 
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Breve Histórico
E a eletricidade??
A radioatividade!!
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Breve Histórico – Modelo de Bohr
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Quando o átomo foi descoberto, os cientistas acreditavam que essa seria a menor partícula em
que a matéria poderia se dividir, e por isso o seu nome ( A = não ; TOMO = divisível). De um modo
geral, para efeito dos estudos em eletricidade, o átomo pode ser dividido em duas partes
distintas : o núcleo e o orbital de elétrons. O núcleo é formado basicamente por partículas
carregadas positivamente ( os prótons ) e por partículas sem carga relevante, também chamadas
neutras ( os neutrons ). O orbital de elétrons ou simplesmente eletrosfera é composta pelos
elétrons que são partículas carregadas negativamente. É basicamente na eletrosfera que está a
diferença entre , por exemplo, um material condutor e um material isolante.
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Modelo completo e Estados energéticos
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Modelo completo e Estados energéticos
a) Níveis Energéticos: São as sete camadas que aparecem no diagrama, com níveis de energia crescente,
denominadas de K, L, M, N, O, P, Q. Atualmente, estes níveis são conhecidos como Número Quântico
Principal.
b) Subníveis Energéticos: Conhecidos como Número Quântico Secundário ou Azimutal (l). São os “degraus”
de cada escada do diagrama. Para todos os átomos conhecidos, l assume os valores de 0, 1, 2 e 3,
designados pelas letras s, p, d e f. O número quântico secundário corresponde às “linhas finas” observadas
por Summerfeld em 1915.
c) Orbitais: Cada subnível comporta um número de orbitais. Os orbitais são identificados como Número
Quântico Magnético (Ml ou m). Devido às orientações espaciais dos orbitais, criam-se momentos
diferentes para os elétrons quando os átomos são expostos ao um mesmo campo magnético. Por esta
razão, recebeu este nome.
d) Spin: Spin é o nome dado à rotação do elétron sobre o seu eixo central. Pela equação de Schrödinger,
pode-se constar que cada orbital suporta no máximo dois elétrons. Como os elétrons possuem carga
negativa, é necessária a atração magnética entre os elétrons. Desta forma, os spins deverão ser opostos.
Este fato ficou conhecido como Princípio da Exclusão de Pauli, e é identificado pelo Número Quântico de
Spin (Ms ou s) cujo os valores são -1/2 e 1/2. Para representá-los no diagrama energético adota-se:
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Distribuição Eletrônica
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Distribuição Eletrônica
Utilizando o diagrama de Pauling e considerando o tungstênio (W) de número atômico (número de prótons)
igual a 74, responda as seguintes questões.
a) Qual a distribuição eletrônica do tungstênio por camadas ou níveis energéticos?
b) Qual a distribuição por subníveis energéticos?
c) Quais os elétrons mais externos?
d) Quais os elétrons com maior energia?
Exemplos:
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Distribuição Eletrônica
Utilizando o diagrama de Pauling e considerando o tungstênio (W) de número atômico (número de prótons)
igual a 74, responda as seguintes questões.
Exemplos:
a) A distribuição por camadas fica; K=2, L=8, M=18,
N=32, O=12, P=2;
b) Por subníveis: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2
4d10 5p6 6s2 4f14 5d4;
c) Os elétrons mais externos ou afastados são os
elétrons do subnível 6s, pois pertencem à camada P;
d) Os elétrons de maior energia são os quatro elétrons
do subnível 5d, pois foi o último subnível preenchido.
Química dos Materiais
� Estrutura Atômica
Distribuição Eletrônica
Exemplos:
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
As atrações, ou simplesmente, ligações interatômicas, forças que mantém os átomos unidos, também
estão relacionadas à estrutura eletrônica dos átomos. De maneira geral, podem ser definidas como uma
força resultante atrativa que existe entre alguns átomos, quando estes se aproximam. Tal força mantém
um conjunto de dois ou mais átomos unidos formando assim os compostos químicos.
A formação destas ligações químicas envolve normalmente só os elétrons do nível mais externo do átomo
e, através da formação de ligações, cada átomo adquire uma configuração eletrônica estável. O arranjo
eletrônico mais estável é a estrutura de um gás nobre, e muitas moléculas possuem essa estrutura. Outro
detalhe decorrente de uma ligação química é que, além de tornarem-se mais estáveis, os átomos que
compõe uma molécula têm seus volumes de espaço vazio que circundam seus núcleos diminuídos.
Os átomos podem adquirir uma configuração eletrônica estável por três maneiras:
-perdendo, recebendo ou compartilhando elétrons. Por isso, os elementos podem ser classificados segundo
a sua eletronegatividade e eletropositividade.
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
• A Força Atrativa entre os átomos mantém os mesmos unidos e são responsáveis pelas ligações
químicas. Essas forças ocorrem devido à atração Coulombiana entre as diferentes espécies de íons de
cargas opostas, criadas nas ligações químicas.
• A Força Repulsiva entre os elétrons de dois átomos, quando estão suficientemente próximos, é
responsável, em conjunto com as forças de atração, pela posição de equilíbrio dos átomos na ligação
química (distância interatômica).
A distância interatômica é a distância de equilíbrio onde as FA e FR são iguais, pois FN = FA +FR
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
• Estado de equilíbrio: FA+FR = 0
• Energia total: EN = ER+EA
• Energia de ligação: E0
• r0 = distância interatômica
• Energia de atração: EA = -A/r
• Energiade repulsão: ER = B/rn
• n ≈ 8
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Tipos de Ligação
� Ligações primárias – ligações fortes, são criadas quando há interação direta entre dois ou mais átomos.
Quanto maior o número de elétrons por átomos que participam do processo, mais forte a conexão entre
os átomos. São de natureza química, onde os átomos estão unidos por forças fortes (iônica, covalente e
metálica).
� Ligações secundárias – ligações fracas, ocorrem devido a interação indireta de elétrons em átomos
adjacentes ou moléculas. Caracterizam-se por forças físicas.
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação Iônica;
� Ligação Covalente;
� Ligação Metálica;
� Ligação Secundárias ou de Van der Waals.
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação Iônica
Formam-se ligações iônicas quando elementos eletropositivos reagem com elementos eletronegativos. Os
compostos iônicos incluem sais, óxidos, hidróxidos, sulfetos e a maioria dos compostos inorgânicos. Os sólidos
iônicos são mantidos pela força de atração eletrostática entre os íons positivos e negativos.
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação Iônica
o Ocorre entre íons + e -;
o Requer transferência de elétrons;
o Requer grande diferença de eletronegatividade entre os elementos;
o Ocorre predominantemente nas cerâmicas;
o Denominada NÃO DIRECIONAL, tem magnitude da ligação é igual em todas as direções; 
o Duros e frágeis e também isolantes elétricos e térmicos;
o São sólidos nas condições ambiente;
o Apresentam altos pontos de fusão e ebulição;
o São condutores de eletricidade quando fundidos ou dissolvidos em água;
o A maioria dos compostos são solúveis em água. 
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação Covalente
A ligação covalente entre átomos ocorre quando dois átomos eletronegativos, por exemplo, reagem entre si,
neste caso ambos têm a tendência de receber elétrons, mas nenhum mostra tendência alguma em ceder
elétrons. Nesse caso os átomos compartilham elétrons para atingir a configuração eletrônica de gás nobre.
Esta tem propriedades direcionais bem definidas, as moléculas das substâncias covalentes têm formas
características que são mantidas mesmo quando essas substâncias sofrem transformações físicas tais como
fusão ou vaporização.
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação Covalente
o Configuração estável devido ao compartilhamento de elétrons de átomos vizinhos;
o Átomos ligados convalentemente contribuem com ao menos um elétron, cada um, para a ligação;
o Os elétrons compartilhados pertencem a ambos os átomos; 
o A ligação é direcional;
o A ligação é feita entre moléculas de metais e não metais e moléculas não metais apenas; 
o Orbitais atômicos semipreenchidos sobrepõem-se para formar ligações;
o O n° total de elétrons não é maior que 2; 
o Energia de ligação podem ser muito fortes (diamante) ou muito fraca (bismuto);
o É possível a existência de ligações interatômicas que são parcialmente iônicas e parcialmente 
covalentes. Muito poucos compostos exibem ligações puramente iônica ou covalentes;
o O grau de cada tipo de ligação depende:
•Posições relativas dos átomos na tabela periódica (eletronegatividade);
•Quanto maior for a separação, mais iônica será a ligação;
•Quanto mais próximo estiverem os átomos, maior será o grau de covalência. 
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação Metálica
A ligação metálica ocorre nos metais sólidos. Nestes, os átomos estão empilhados de uma forma relativamente
compacta com um arranjo sistemático e regular, a estrutura cristalina. Nesta estrutura, os átomos estão
próximos uns dos outros sendo que os elétrons de valência são atraídos para os núcleos dos seus numerosos
átomos vizinhos. Os elétrons de valência não estão, por isso estritamente associado com um determinado núcleo
em particular; pelo contrário, estão distribuídos pelos diversos átomos. Sob a forma de uma nuvem de elétrons
de baixa densidade.
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação Metálica
o A ligação é feita entre metais e suas ligas;
o Retículo de esferas rígidas (cátions) mantidos coesos por elétrons que podem se mover livremente –
elétrons livres (“mar de elétrons”);
o Elétrons mais externos se encontram muito longe do núcleo;
o Os metais possuem baixa energia de ionização – tornam-se cátions facilmente.;
o A força de coesão seria resultante da atração entre os cátions no reticulado e a nuvem eletrônica;
o Energia de ligação podem ser fraca ou forte;
o Materiais metálicos possuem um, dois ou três elétrons de valência. Estes elétrons:
•Não estão ligados a nenhum átomo em particular;
•Estão livres para se movimentar ao longo do metal;
•Nuvens de elétrons. 
o Possuem elevada condutividade térmica e elétrica;
o Possuem maleabilidade e ductibilidade.
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação de Van der Waals
No interior da molécula, os átomos são mantidos unidos por ligações primárias muito fortes, as quais dependem
de forças eletrostáticas relativamente elevadas. Ao mesmo tempo, forças eletrostáticas mais fracas, de
natureza secundária, dão origem a atrações entre uma molécula qualquer e suas vizinhas. Apenas desta maneira
é que se pode explicar o fato de que um gás se condensa para formar um líquido e de que um líquido se cristaliza
para formar um sólido. Propriedades importantes como o ponto de fusão e solubilidade são influenciadas pelas
forças eletrostáticas secundárias que atuam entre as moléculas.
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Classificação das Ligações
� Ligação de Van der Waals
o Forças fracas;
o É formada como resultado da polarização de moléculas ou grupos de átomos;
o Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas;
o Ligação ocorre pela atração coulombiana;
o O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons transferidos;
o As ligações dipolares podem ser entre:
– dipolos permanentes.
– dipolos permanentes e
induzidos.
– dipolos induzidos flutuantes 
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Comparação entre as Ligações
CovalenteIônica Metálica
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Composição das ligações
Química dos Materiais
� Ligações Interatômicas
Eletronegatividade
Elemento eletropositivo – capaz de ceder seus poucos elétrons de valência e se tornar carregado 
positivamente.
Elemento eletronegativo – capazes de receber elétrons e se tornar carregado negativamente, ou 
compartilha elétrons.
Estrutura dos Materiais
Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade segundo a qual
seus átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos outros. Um material cristalino é aquele
em que os átomos estão situados de acordo com uma matriz que se repete, ou que é periódica, ao
longo de grandes distâncias atômicas; isto é, existe ordem de longo alcance, tal que, quando ocorre
um processo de solidificação, os átomos se posicionam de acordo com um padrão tridimensional
repetitivo, onde cada átomo está ligado aos seus átomos vizinhos mais próximos. Todos os metais,
muitos materiais cerâmicos e certos polímeros formam estruturas cristalinas sob condições
normais de solidificação.
Aqueles materiais que não se cristalizam, essa ordem atômica de longo alcance está
ausente; esses materiais são chamados de não-cristalinos ou amorfos. Algumas das propriedades
dossólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a
qual os átomos, íons ou moléculas estão arranjados no espaço. Existe um número extremamente
grande de estruturas cristalinas diferentes, todas elas possuindo uma ordenação atômica de longo
alcance; essas variam desde estruturas relativamente simples, como ocorre para os metais, até
estruturas excessivamente complexas, como as que são exibidas por alguns materiais cerâmicos e
poliméricos. Este capítulo trata de algumas estruturas cristalinas usuais encontradas em metais e
cerâmicas.
Estrutura dos Materiais
Ao descrever as estruturas cristalinas, os átomos (ou íons) são considerados como se
fossem esferas sólidas com diâmetros bem definidos. Isso é conhecido por modelo da esfera
rígida atômica, no qual as esferas que representam os átomos vizinhos mais próximos tocam umas
nas outras.
Estrutura dos Materiais
A ordenação dos átomos nos sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos
formam um padrão repetitivo. Dessa forma, ao descrever as estruturas cristalinas,
frequentemente se torna conveniente subdividir a estrutura em pequenas entidades repetitivas,
chamadas de células unitárias. Para a maioria das estruturas cristalinas, as células unitárias
consistem em paralelepípedos ou prismas com três conjuntos de faces paralelas; uma dessas
células unitárias está desenhada no agregado de esferas (Fig. 2.1c), e nesse caso ela tem o
formato de um cubo.
Uma célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina, onde todas as
posições de átomos no cristal podem ser geradas através de translações das distâncias integrais
da célula unitária ao longo de cada uma das suas arestas. Assim sendo a célula unitária consiste na
unidade estrutural básica ou bloco construtivo básico da estrutura cristalina e define a estrutura
cristalina em virtude da sua geometria e das posições dos átomos no seu interior. Em geral a
conveniência dita que os vértices do paralelepípedo devem coincidir com os centros dos átomos
representados como esferas rígidas. Além disso, mais do que uma única célula unitária pode ser
escolhida para uma estrutura cristalina particular; contudo, em geral usamos a célula unitária com
o mais alto grau de simetria geométrica.
� Célula Unitária
Estrutura dos Materiais
A ligação nesse grupo de material é metálica, e dessa forma sua natureza é não direcional.
Consequentemente, não existem restrições em relação à quantidade e à posição dos átomos
vizinhos mais próximos; isso leva a números relativamente elevados de vizinhos mais próximos,
assim como a empacotamentos compactos dos átomos na maioria das estruturas cristalinas dos
metais. Além disso, no caso dos metais, ao se utilizar o modelo de esferas rígidas para representar
as estruturas cristalinas, cada esfera representa um núcleo iônico.
Existem três estruturas cristalinas relativamente simples para a maioria dos metais mais comuns,
são elas:
1. Cúbica de Faces Centradas (CFC);
2. Cúbica de Corpo Centrado (CCC);
3. Hexagonal Compacta (HC).
� Estrutura Cristalina dos Metais
Estrutura dos Materiais
A estrutura cristalina encontrada em muitos metais possui uma célula unitária com
geometria cúbica, com os átomos localizados em cada um dos vértices e nos centos de todas as
faces do cubo. Essa estrutura é adequadamente chamada de estrutura cristalina cúbica de faces
centradas (CFC). Alguns dos matais mais familiares que possuem essa estrutura cristalina são o
cobre, o alumínio, a prata e o ouro.
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CFC
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CFC
� Cada átomo em um vértice é compartilhado por oito células
unitárias enquanto um átomo localizado no centro de uma face
pertence a apenas duas células;
� Um oitavo de cada um dos oito átomos em vértices, ou um total
de quatro átomos inteiros, pode ser atribuído a uma dada
célula unitária;
� A célula unitária compreende o volume do cubo que é gerado a
partir dos centros dos átomos nos vértices;
� As posições nos vértices e nas faces são na realidade
equivalentes; isto é, uma translação do vértice do cubo de um
átomo originalmente em um vértice para o centro de um átomo
localizado em uma das faces não irá alterar a estrutura da
célula unitária;
� O número de átomos efetivamente dentro da célula unitária é
igual a 4.
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CFC
� Relação entre Parâmetro de Rede(a) e Raio Atômico
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CFC
� Número de Coordenação – N° de átomos vizinhos
mais próximos.
O átomo na face anterior possui como vizinhos mais
próximos:
� Quatro átomos que estão localizados nos vértices ao
seu redor;
� Quatro átomos que estão localizados nas faces que
estão em contato pelo lado de trás;
� Quatro outros átomos de faces equivalentes na
próxima célula unitária, à sua frente.
O número de coordenação para o CFC é 12.
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CFC
� Fator de Empacotamento - Fração do volume de uma célula unitária que corresponde às
esferas sólidas, assumindo o modelo das esferas atômicas rígidas.
O fator de empacotamento para o CFC 0,74.
Estrutura dos Materiais
Uma estrutura cristalina metálica comumente encontrada também possui uma célula
unitária cúbica, com átomos localizados em todos os oito vértices e um único outro átomo
localizado no centro do cubo. Essa estrutura é conhecida por estrutura cristalina cúbica de corpo
centrado (CCC).
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CCC
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CCC
� Dois átomos estão associados a cada célula unitária; o
equivalente a um átomo, distribuído entre os oito vértices do
cubo, onde cada átomo em um vértice é compartilhado por oito
células unitárias;
� O único átomo no centro do cubo, o qual está totalmente
contido dentro da sua célula. Além disso, as posições atômicas
central e no vértice são equivalentes;
� No sistema CCC os átomos se tocam ao
longo da diagonal do cubo;
� O número de átomos efetivamente dentro da célula unitária é
igual a 2.
� (α), Cr, W, V, Nb, Mo cristalizam em CCC.
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CCC
� Relação entre Parâmetro de Rede(a) e Raio Atômico
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CCC
� Número de Coordenação – N° de átomos vizinhos
mais próximos.
O átomo central possui como vizinhos mais próximos:
� Os oito átomos localizados nos vértices do cubo como
seus vizinhos mais próximos.
O número de coordenação para o CCC é 8.
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cúbica de Face Centrada - CCC
� Fator de Empacotamento - Fração do volume de uma célula unitária que corresponde às
esferas sólidas, assumindo o modelo das esferas atômicas rígidas.
O fator de empacotamento para o CCC 0,68.
Estrutura dos Materiais
Nem todos os metais possuem células unitárias com simetria cúbica; a última estrutura
cristalina comumente encontrada nos metais que será vista aqui possui uma célula unitária com
formato hexagonal.
� Estrutura Cristalina dos Metais
Hexagonal Compacta - HC
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Hexagonal Compacta - HC
� As faces superior e inferior da célula unitária são compostas por seis
átomos que formam hexágonos regulares e que se encontramao redor
de um único átomo central;
� Outro plano que contribui com três átomos adicionais para a célula
unitária está localizado entre os planos superior e
inferior. Os átomos localizados nesse plano intermediário possuem como
vizinhos mais próximos átomos em ambos os planos adjacentes;
� O equivalente a seis átomos está contido em cada célula
unitária; um sexto de cada um dos 12 átomos localizados nos vértices
das faces superior e inferior, metade de cada um dos dois átomos no
centro das faces superior e inferior, e todos os três átomos interiores
que compõe o plano intermediário;
� Se a e c representam, respectivamente, as dimensões
menor e maior da célula unitária na figura, a razão c/a deve ser de
1,633; contudo, no caso de alguns metais que apresentam a estrutura
cristalina HC, essa razão apresenta um desvio em relação ao valor ideal.
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Hexagonal Compacta - HC
O número de coordenação e o fator de empacotamento atômico para a estrutura cristalina HC são
os mesmos que para a estrutura cristalina CFC, ou seja: 12 e 0,74, respectivamente. Os metais
HC são o cádmio, o magnésio, o titânio e o zinco.
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cálculo de Densidade dos Metais
Um conhecimento da estrutura cristalina de um sólido metálico permite o cálculo da sua densidade 
teórica, ρ, que é obtida através da seguinte relação: 
Onde:
n = número de átomos associados a cada célula unitária;
A = peso atômico;
VC = volume da célula unitária;
NA = número de Avogrado (6,023 x 1023 átomos/mol). 
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Cálculo de Densidade dos Metais
O cobre possui um raio atômico de 0,128 nm, uma estrutura cristalina CFC, e um peso atômico de
63,5g/mol. Calcular sua densidade teórica e comparar a resposta com sua densidade medida
experimentalmente (8,94g/cm²).
Estrutura dos Materiais
� Estrutura Cristalina dos Metais
Polimorfismo ou Alotropia
Um metal ou não metal pode ter mais do que uma estrutura cristalina. Esta característica é
denominada polimorfismo; o polimorfo é a “forma” ou hábito cristalino do material. A alotropia
corresponde à mudança de estrutura cristalina do sólido elementar devido à mudança de
temperatura ou pressão. Por exemplo, o ferro puro = Fe α (ferrita) CCC na temperatura ambiente
transforma-se em Fe γ (austenita) CFC na temperatura de 912 ºC. Geralmente, os diferentes
polimorfos de um mesmo elemento ou composto têm algumas propriedades físicas distintas, tais
como densidade, expansão térmica etc.
Estrutura dos Materiais
� Sistemas Cristalinos
Através da adoção de valores específicos associados às unidades de medidas nos eixos de
referências, definidos como parâmetros de rede, e aos ângulos entre tais eixos, pode-se obter
células unitárias de diversos tipos. Em meados do século passado, o cientista francês A. Bravais
propôs que o estudo das estruturas cristalinas poderia ser elaborado com a utilização de sete
sistemas cristalinos básicos. Partindo desses sete sistemas cristalinos seria possível descrever 14
células unitárias, as quais englobariam qualquer tipo de estrutura cristalina conhecida.
Estrutura dos Materiais
� Sistemas Cristalinos
Estrutura dos Materiais
� Sistemas Cristalinos
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas: um exemplo é a liga de
alumínio a partir da qual a asa de um avião é construída e o aço no eixo de um automóvel. Em tais
situações, torna-se necessário conhecer as características do material e projetar o membro a
partir do qual ele é feito, de tal maneira que qualquer deformação resultante não seja excessiva e
não ocorra fratura. O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre sua
resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada.
As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de experimentos de
laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições
de serviço. Dentre os fatores a serem considerados incluem-se a natureza da carga aplicada e a
duração da sua aplicação, bem como as condições ambientais. A carga pode ser de tração,
compressiva, ou de cisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então
flutuar continuamente.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Algumas propriedades importantes são:
� Resistência à tração;
� Elasticidade;
� Ductilidade;
� Fluência;
� Fadiga;
� Dureza;
� Tenacidade.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Se uma carga é estática ou se ela se altera de uma maneira relativamente lenta ao longo do
tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um membro, o
comportamento mecânico pode ser verificado mediante um simples ensaio de tensão-
deformação.
Existem três maneiras principais segundo uma carga pode ser aplicada: tração, compressão e
cisalhamento. Em engenharia, muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza
puramente cisalhante.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Formas de deformação
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Tipos de deformação
� Elástica;
� Plástica.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Deformação elástica
O grau ao qual uma estrutura se deforma ou se esforça depende da magnitude da tensão imposta. Para a
maioria dos metais que são submetidos a uma tensão de tração em níveis baixos, são proporcionais entre
si, conforme expressão abaixo:
Esta relação é conhecida por lei de Hooke, e a constante de proporcionalidade E (GPa ou psi) é o módulo
de elasticidade, ou módulo de Young.
O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são proporcionais entre si é chamada de
deformação-elástica.
Porém a lei de Hooke não é válida para todos os valores de deformação, ela é uma aproximação quando a
tensão é relativamente baixa. Também, a deformação elástica não é permanente o que significa que
quando a carga aplicada é liberada, a peça retorna a sua forma original.
Em uma escala atômica, a deformação elástica macroscópica é manifestada como pequenas alterações no
espaçamento interatômico e na extensão das ligações interatômicas. Como conseqüência, a magnitude do
módulo de elasticidade representa uma medida da resistência à separação de átomos adjacentes, isto é,
as forças de ligação interatômicas.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Deformação elástica
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Deformação plástica
Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste até deformações de aproximadamente
0,005. A medida que o material é deformado além desse ponto, a tensão não é mais proporcional à
deformação, ocorrendo então uma deformação permanente não recuperável, ou, deformação plástica. (A
lei de Hooke não é mais válida).
A partir de uma perspectiva atômica, a deformação plástica corresponde à quebra de ligações com os
átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas ligações com novos átomos vizinhos, uma vez
que um grande número de átomos ou moléculas se move em relação uns aos outros; com a remoção da
tensão, eles não retornam as suas posições originais. O mecanismo dessa deformação é diferente para
materiais cristalinos amorfos. No caso de sólidos cristalinos, a deformação ocorre mediante um processo
chamado de escorregamento, que envolve o movimento de discordâncias, que será discutido mais a frente.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Deformação plástica
PropriedadesMecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Diagramas típicos
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Valores nominais ou de engenharia
Também chamados de tensão de engenharia e deformação de engenharia. Quando é feito um
ensaio de tração, as grandezas que são medidas são a força aplicada (carga) e o alongamento da
peça. Para se encontrar a tensão precisa-se levar em conta a área do corpo de prova. O problema
é que durante o ensaio, a seção reta do corpo de prova diminui, devido ao alongamento do mesmo,
dificultando a medição da tensão. Para isso utiliza-se a tensão nominal e deformação nominal. Que
são calculados a partir da área inicial, considerando que ela se mantenha constante durante todo o
ensaio.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Valores nominais ou de engenharia
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Coeficiente de Poisson
Este coeficiente, que caracteriza uma propriedade mecânica intrínseca dos materiais, pode ser
encontrado quando se faz a razão entre as deformações específicas transversais e longitudinais
quando uma barra é submetida a um carregamento axial, como ilustrado abaixo. O sinal negativo
na expressão que define o coeficiente de Poisson, ν, é adotado porque as deformações
transversais e longitudinais tendem a ter sinais contrários.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Coeficiente de Poisson
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Coeficiente de Poisson
Este coeficiente, que caracteriza uma propriedade mecânica intrínseca dos materiais, pode ser
encontrado quando se faz a razão entre as deformações específicas transversais e longitudinais
quando uma barra é submetida a um carregamento axial, como ilustrado abaixo. O sinal negativo
na expressão que define o coeficiente de Poisson, ν, é adotado porque as deformações
transversais e longitudinais tendem a ter sinais contrários.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tensão X Deformação
Tensão de cisalhamento
É a relação entre a força aplicada e a área submetida ao cisalhamento. Esta produz
deslocamento de um plano de átomos em relação ao plano adjacente e pode ser abtida pela
seguinte expressão:
G = módulo de cisalhamento (ou módulo transversal)
γ = deformação de cisalhamento (está relacionada ao
ângulo de torção)
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Materiais Dúcteis X Frágeis
Materiais Dúcteis - Caracterizam-se por apresentarem escoamento a temperaturas normais.
Como exemplo tem-se o aço estrutural e o alumínio.
No ensaio de tração quando o carregamento atinge um valor máximo, a área da seção
transversal começa a diminuir devido a perda da resistência local.( Fenômeno conhecido como
estricção ).
Após iniciada a estricção, um baixo acréscimo de carga é suficiente para manter o corpo de
prova se deformando até que a ruptura se dê.
Materiais Frágeis - Caracterizam-se por não apresentarem escoamento, ou seja, não ocorre
alteração significativa no mecanismo de deformação. São exemplos o ferro fundido e o vidro.
Não existe diferença entre tensão limite de resistência e a tensão de ruptura.
A deformação até a ruptura é muito menor neste tipo de material quando comparado ao dúctil.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Materiais Dúcteis X Frágeis
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Diagrama Tensão X Deformação
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Resistência à Tração
O limite de resistência à tração( LRT ) é a tensão no ponto máximo da curva tensão-
deformação de engenharia. Esta corresponde a tensão máxima que pode ser sustentada por uma
estrutura que se encontra sob tração. Se esta tensão for aplicada e mantida, o resultado será a
fratura.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Ductibilidade e Elasticidade
A ductibilidade representa o grau de deformação plástica que foi suportado quando da
fratura. Um material que sofre uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma é
chamado de frágil.
De forma análoga elasticidade representa o grau de deformação elástica que o material pode
suportar, isto é, o nível de deformação reversível.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Resiliência
A resiliência é a capacidade de o material absorver energia quando ele é deformado
elasticamente, e depois, com o descarregamento, ter esta energia recuperada. Materiais
resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como
os materiais utilizados para molas).
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Tenacidade
A tenacidade representa a habilidade de um material absorber energia até sua fratura.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Dureza
A dureza é uma medida de resistência de um material a uma deformação plástica localizada.
Por exemplo uma pequena impressão ou um risco.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Fluência
É o fenômeno de deformação lenta, sob ação de uma carga constante aplicada durante longo
período de tempo a uma temperatura superior a 0,4 vezes Temperatura de fusão em Kelvin.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
� Fadiga
Fadiga é um processo de redução da capacidade de carga de componentes estruturais pela
ruptura lenta do material, através do avanço quase infinitesimal da trinca a cada ciclo de
carregamento. A fadiga ocorre pela presença de tensões que variam com o tempo, que provocam
deformações plásticas cíclicas localizadas nos pontos mais críticos. Estas deformações levam a
uma deterioração do material que dá origem a uma trinca de fadiga que, com o prosseguimento do
carregamento variável, vai crescendo, até atingir um tamanho suficiente para provocar a ruptura
final.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Introdução
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Introdução
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Materiais Condutores
Os materiais condutores possuem, como único tipo de portador de carga, uma grande quantidade de
elétrons livres dotados de grande liberdade para se movimentarem por entre os íons fixos da estrutura do
material, o que se constitui no chamado gás de elétrons. Sem a aplicação de um campo elétrico no material,
os movimentos destes elétrons são randômicos, com valor médio de corrente resultante nulo no interior do
material.
A corrente eletrônica é proporcional à quantidade de portadores de carga elétrica livres disponível no
material para constituir a corrente. Em eletrotécnica, a qualidade condutora de um material reside na sua
capacidade de conduzir correntes utilizáveis, o que se resume a não considerar como efetivas ou válidas
correntes da ordem de picoampéres ou nanoampéres. A aplicação de um campo elétrico sobre a estrutura
dos materiais condutores determina, então, um movimento preferencial para o gás de elétrons, com
consequente surgimento de uma corrente elétrica, que pode ser bastante substancial devido ao grande
número de elétrons livres e, portanto, utilizável.
Assim, os materiais condutores se caracterizam por uma elevada condutividade elétrica. Alguns, tais como
os metais, possuem também grande capacidade de deformação, moldagem e condutividade térmica. Com
exceções do mercúrio e dos eletrólitos, que são condutores líquidos, e dos plasmas (gases ionizados) que são
gasosos, os materiais condutores são geralmente sólidos e, neste caso, se incluem os metais, suas ligas e o
grafite.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Os materiais condutores se caracterizam por apresentarem uma grande quantidade de elétrons livres
com disponibilidade de se moverem facilmente pelo material. Em temperaturas normais, o movimento
destes elétrons são desordenados e não se constituem num fluxode cargas elétricas resultante em
determinada direção. Para orientar estes elétrons livres é necessário, por exemplo, um campo elétrico
aplicado ao material condutor. O movimento ordenado de portadores de carga (elétrons livres, lacunas ou
íons) é, então, denominado corrente elétrica, sendo o movimento de cargas positivas o chamado sentido
convencional da corrente elétrica.
Correntes elétricas que dependem de um campo elétrico aplicado a um meio qualquer são chamadas
corrente de deriva, de condução ou de campo. Condutividade elétrica é a propriedade que quantifica a
facilidade com que portadores de carga livres podem fluir por um material, quando o mesmo é submetido
a fluxo de campo elétrico, resultado da aplicação de uma diferença de potencial. A condutividade
elétrica define, então, a capacidade do material em conduzir correntes de condução.
Densidade de corrente J (A/m2) é definida como a corrente I (A) que flui por um condutor através da
área A (m2) de sua seção transversal ao fluxo dos portadores. O sentido do vetor densidade de
corrente não depende do sinal do portador de carga porque este tem sempre o mesmo sentido do vetor
campo elétrico.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
� σ= condutividade elétrica (ohm.m)-1
� ρ= resistividade elétrica (ohm.m)
� n= número de portadores de carga por m3
� q= carga carregada pelo portador (coulombs) [q
do elétron= 1,6x10-19 coulombs]
� µ= mobilidade dos portadores de carga (m2/V.s)
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Resistividade Elétrica
Propriedades Elétricas dos Materiais
� A Lei de Ohm
A lei de Ohm afirma que a corrente que se estabelece num corpo condutor é proporcional à voltagem
aplicada neste corpo. Esta lei não é uma lei fundamental como, por exemplo, a lei de Gauss. Ela descreve
apenas o comportamento de uma classe grande de condutores, mas ela não vale para todos os condutores.
Esta lei foi encontrada por Georg Simon Ohm entre 1825 e 1826.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
� A concentração n de portadores de carga livres nos materiais condutores é aproximadamente 1023
elétrons livres/cm3, enquanto que nos isolantes, de 106 a 107 elétrons livres/cm3. Nos
semicondutores ditos puros (intrínsecos), n situa-se entre esses valores (em torno de
1010portadores de carga/cm3);
� A corrente de deslocamento (corrente iônica) também resulta da aplicação de um campo elétrico no
meio material mas é mais evidente em materiais isolantes porque resulta da polarização das
moléculas de sua estrutura. Assim, a corrente total em um meio submetido a uma ddp seria, então, a
soma das correntes de deriva e de deslocamento.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Sabe-se que a concentração de elétrons livres nos materiais condutores é da ordem 1023 cm-3.
Seja, então, um fio condutor de bitola 2,5 mm2 conduzindo uma corrente contínua de 16 A .
Determine a velocidade de deriva dos elétrons neste fio. Comente o resultado.
Exercício
A esta velocidade, um elétron necessitaria de 2500 s, ou aproximadamente 42 min, para percorrer l m de
fio. Assim, a velocidade de deriva é muito pequena comparada com a velocidade da onda de propagação de um
campo elétrico ao longo do fio (propagação de um sinal de tensão), que é de cerca de 3 x 108 m/s.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Os elétrons, movendo-se através da rede cristalina de um
metal, devido à aplicação de um potencial elétrico,
ocasionalmente sofrem colisões com os núcleos positivos.
Essas colisões reduzem a sua velocidade , i.e., a sua
mobilidade.
� O aumento da temperatura origina um aumento da
amplitude das vibrações dos núcleos. Como tal, a
probabilidade de colisão dos transportadores de carga
aumenta, e a sua mobilidade reduz-se.
� A existência de átomos de soluto (substitucionais ou
intersticiais) aumenta probabilidade de colisão dos
transportadores de carga e a sua mobilidade reduz-se.
� Condutividade Elétrica
Mobilidade de cargas
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
A condutividade dos materiais depende da concentração e da mobilidade dos elétrons livres dentro do
material. Em um metal à temperatura ambiente, praticamente todos os elétrons de valência estão
ionizados, isto é, a concentração n de elétrons livres é constante, mas a elevação de temperatura provoca
um aumento na vibração dos elétrons de toda a rede cristalina. Isto acarreta no aumento das colisões
entre os elétrons livres em movimento e os elétrons fixos da rede, ocasionando perda nos deslocamentos
dos elétrons livres, com consequente aquecimento do corpo condutor (Efeito Joule). Logo, há uma
diminuição no livre caminho médio dos elétrons livres, isto é, há uma redução na velocidade e, por
conseguinte, na mobilidade destes portadores. Como a concentração n se mantém constante,
consequentemente, ocorre uma redução da condutividade do metal.
O aumento da temperatura acarreta, assim, no aumento da resistividade do metal e, consequentemente,
de sua resistência elétrica, isto é, esta é dependente da variação de temperatura do metal. Esta variação
é não linear para algumas faixas de temperatura, mas praticamente linear na faixa que compreende a
temperatura ambiente, normalmente considerada como sendo 20 °C, onde são tabelados a resistividade
dos materiais.
Influência da temperatura
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Influência da temperatura
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Influência da temperatura
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Influência da temperatura
Comentários:
� 1) Pela Tab. 3.4.1 pode-se observar que existem basicamente dois tipos de materiais, classificados de
acordo com o valor*do seu coeficientes de variação da resistividade com a temperatura:
o 1.1) positivos (a > 0), conhecidos como tipo PTC, isto é, a resistividade (resistência) elétrica destes
materiais aumenta com o aumento da temperatura. É o caso dos metais puros em geral;
o 1.2) negativos (a < 0), conhecidos como tipo NTC, isto é, a resistividade (resistência) elétrica destes
materiais diminui com o aumento da temperatura. É o caso do grafite, algumas ligas resistivas,
semicondutores puros e dos isolantes. Um uso particular para esta propriedade é compensar elevações
de resistência em um circuito.
� 2) Pela Tab. 3.4.1 nota-se também que as ligas, tal como o Constantan, possuem um coeficiente a menor
em relação aos metais puros. Dependendo da composição, certas ligas podem apresentar até
coeficiente a praticamente nulo, como é o caso da manganina, isto é, a resistividade da mesma é
invariante com a temperatura (termoestável).
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Quando uma corrente contínua percorre um material condutor, a mesma se distribui uniformemente pela
seção transversal ao fluxo da corrente no material. Assim, tomando-se como exemplo um condutor de
seção transversal circular, a densidade de corrente J ocupa toda a área A do condutor. Sendo o valor da
resistência elétrica dependente da área pela qual flui a corrente elétrica. Tal fato, no entanto, é diferente
para o caso de uma corrente alternada.
Quando uma corrente variante no tempo (por exemplo, corrente alternada, dita CA) flui por um material
condutor, a mesma estabelece, em cada instante, um fluxo de campo magnético também variante no tempo,
que envolve o próprio material. Devido às Leis de Faraday e Lenz e fluxo magnético
provoca, então, uma força eletromotriz auto-induzida no próprio material (força contra-eletromotriz -
fcem), que induz uma corrente elétrica em oposiçãoà própria corrente original. Como as linhas de corrente
distribuídas mais internamente à seção transversal do condutor estão sujeitas a um maior enlace de linhas
do campo magnético, estas sofrerão uma maior diminuição na sua intensidade do que as linhas de corrente
distribuídas mais externamente à seção do condutor.
Influência da frequência
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Assim, a densidade de corrente em um condutor percorrido por uma corrente variante no tempo diminui
gradativamente da seção externa para a interna à área transversal ao fluxo de corrente, para um condutor
de seção circular. Este efeito é chamado Efeito Pelicular ou Skin e é, portanto, tanto mais acentuado
quanto maior é a frequência do sinal da corrente variante no tempo (consequência da Lei de Faraday),
Desta forma, devido ao Efeito Pelicular, a área que efetivamente é ocupada por uma corrente alternada é
menor do que a utilizada pela corrente contínua. Como a resistência elétrica depende inversamente da área
pela qual flui a corrente, o Efeito Pelicular acarreta em um aumento da resistência do condutor à
passagem de correntes alternadas, com o consequente aumento no aquecimento do condutor por Efeito
Joule. Logo, devido à desuniformidade da densidade de corrente, a resistência elétrica à passagem de
corrente alternada (RCA) não pode ser calculada tal como feito para a corrente contínua, podendo ser
consideravelmente maior quanto maior for a frequência da corrente.
Influência da frequência
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Influência da frequência
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Influência da frequência
Análises têm demonstrado que, quando a dimensão de uma seção transversal de um condutor é muito maior
que a área efetiva ocupada pela corrente, a densidade de corrente varia exponencialmente a partir da
superfície. Para altas frequências e a partir de certos valores de área de seção transversal, considera-se,
então, que a corrente alternada praticamente se concentra em uma fina película na superfície do material,
cujo alcance, denominado profundidade de penetração ð, corresponde ao decrescimento em 63% da
densidade de corrente em relação à superfície e é dada por:
Onde:
p é a resistividade do material
f é a frequência da corrente alternada que percorre o material
µ é a permeabilidade magnética do material
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� Condutividade Elétrica
Exercício
Seja um cabo constituído de 19 fios de cobre isolados entre si e de seção circular, com 0,1784
cm de diâmetro cada um. Pede-se:
a) a resistência CC por metro, de um fio do cabo, a 20 °C;
b) a resistividade do cobre para a temperatura de 50 °C;
c) a resistência CC por metro, de um fio do cabo, a 50 °C;
d) a resistência CC do cabo por quilómetro, a 50 °C ;
e) a resistência CA do cabo por quilómetro, a 50 °C, para uma corrente CA de frequência l MHz.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Exercício
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Exercício
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Exercício
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� Condutividade Elétrica
Um aumento de resistividade nos materiais ocorre também quando se realiza a liga de dois metais. Assim,
dois metais de determinados valores próprios de resistividade, quando entram na formação de uma liga,
esta apresenta uma resistividade maior que a de seus componentes. Tal fato é devido às alterações na
disposição cristalina do produto resultante, cuja irregularidade dificulta a passagem dos elétrons.
Concluise então que, quanto mais puro o metal, menor será sua resistividade.
É comum a existência de defeitos na rede cristalina de um material, originados no momento da
cristalização ou pela ação de uma energia externa aplicada sobre a estrutura. A atuação de forças
mecânicas, tais como as laminações a frio e a trifílação, levam a deformações cristalinas no material, com
consequentes alterações na resistividade. Esses efeitos alteram ainda as características mecânicas do
material (por exemplo, aumento da dureza), podendo ser amenizados mediante um tratamento térmico
posterior (recozimento). Por exemplo, o cobre fundido apresenta uma resistividade menor que o cobre
laminado a frio e recozido.
Influência do grau de pureza e imperfeições do material
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Condutividade Elétrica
Influência do grau de pureza e imperfeições do material
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Supercondutividade Elétrica
Muitos fatores contribuem para a resistividade elétrica de um sólido, tais como imperfeições
devido a defeitos estruturais, impurezas e vibrações da rede. Alguns materiais, no entanto, quando
submetidos a uma temperatura bem baixa, apresentam o fenómeno da Supercondutividade e são,
então, chamados de supercondutores. Este fenómeno se caracteriza pela transição brusca da
resistividade de um material para um valor imensuravelmente pequeno (condutividade quase infinita)
quando é atingida uma certa temperatura, chamada temperatura crítica Tc do material. Assim, num
material em seu estado supercondutor pode-se manter indefinidamente em circulação uma
determinada corrente sem que se possa detectar seu decaimento.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Supercondutividade Elétrica
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Supercondutividade Elétrica
O estado supercondutor, porém, corresponde a uma mudança de fase e implica propriedades
qualitativamente diferentes para as substâncias e que não podem ser explicadas somente com a hipótcíe
da resistividade nula. Em 1933, Meissner e Oschenfeld descobriram que se uma substância
supercondutora for resfriada abaixo de sua temperatura crítica na presença de um campo magnético
aplicado, a substância expulsa todo e qualquer fluxo magnético em seu interior. Se o campo magnético for
aplicado depois de estabelecido o estado supercondutor na substância, o fluxo magnético é excluído do
mesmo. Ambos os efeitos foram denominados Efeito Meissner. Um supercondutor age, portanto, como um
material diamagnético perfeito.
Se um pequeno imã permanente for colocado sobre uma superfície perfeitamente supercondutora,
flutuará. Se o imã for colocado sobre a superfície que posteriormente é tornada supercondutora, subirá e
flutuará. Assim, uma força repulsiva suficientemente grande para compensar o peso do imã aparece entre
o mesmo e o supercondutor diamagnético, porque este expulsa as linhas de fluxo magnético associadas ao
imã.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Supercondutividade Elétrica
Segundo a Lei de Lenz, quando se varia o fluxo magnético através de um circuito aparece uma corrente
induzida numa direção tal que se oponha a variação do fluxo. Num átomo diamagnético, os elétrons orbitais
modificam seu movimento de rotação de modo a produzir um movimento magnético resultante oposto ao
campo magnético aplicado.
Analogamente, pode-se dizer, então, que um campo magnético não penetra no interior de uma substância
supercondutora porque, nesta, os elétrons de condução, cujos movimentos são tão desimpedidos quanto
num átomo, ajustam seus deslocamentos de maneira a produzir um campo magnético oposto. Dentro desse
prisma, o supercondutor comporta-se como um único átomo diamagnético.
Assim, as duas características principais dos supercondutores, explicitamente, a exclusão do fluxo
magnético e a ausência de resistência a um fluxo de corrente, estão relacionadas entre si. É necessário
haver uma corrente persistente (sem resistência) para manter a exclusão do fluxo enquanto estiver ligado
o campo magnético. Este fato demonstra a incompatibilidadeentre corrente e campo magnético no estado
supercondutor.
Logo, numa superfície supercondutora mergulhada num campo magnético, induz-se em sua superfície
correntes de tal forma a expulsar o campo magnético de seu interior. Quando cessado o campo externo,
estas correntes, por não haver resistência aos seus deslocamentos, continuam a persistir no
supercondutor. Diz-se, então, que o fluxo magnético externo é mantido "preso" pelo supercondutor.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Supercondutividade Elétrica
Para o campo magnético externo, porém, observa-se que há um limite na sua intensidade, denominado
campo crítico Hc , acima do qual o supercondutor passa para o estado normal. O valor desse campo
crítico depende da temperatura do material supercondutor.
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� Fenômenos de Emissão Eletrônica
Os elétrons livres, notadamente nos materiais condutores sólidos (metais), são facilmente acelerados
quando absorvem pequenas quantidades de energia, tais como as fornecidas por campos elétricos para
formar uma corrente de condução. Mais ainda, a energia fornecida a estes elétrons pode ser suficiente
para tirá-los da estrutura física do condutor e movê-los para o meio exterior a sua superfície, o que é
chamado Emissão Eletrônica. No entanto, a energia adicional que o elétron receber precisa ser suficiente
para ultrapassar um "obstáculo" na fronteira do material, chamado Barreira de Potencial de Superfície.
Se a energia recebida for mais que suficiente para vencer esta barreira, então o restante é convertida
em energia cinética e o elétron é ejetado do material com certa velocidade inicial. Essa energia capaz de
"arrancar" um elétron de um material condutor é chamada Função Trabalho de Superfície, expressa em eV,
e representa, por definição, a energia que deve ser fornecida ao elétron mais energético da estrutura do
metal (elétron livre) à temperatura de O K, para que ele possa ultrapassar a barreira de potencial de
superfície e sair do material.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Fenômenos de Emissão Eletrônica
Essa energia pode ser fornecida mais usualmente de duas maneiras: pela luz, através da função trabalho
fotoelétrica (Efeito Fotoelétrico) e pelo calor, através da função trabalho termoiônica (Efeito
Termoiônico). Nos cristais isolantes, em razão da predominância das ligações covalentes rígidas, o valor da
função trabalho é muito superior à dos metais e a energia necessária aos elétrons mais energéticos para
arrancá-los destes materiais é superior aos níveis capazes de danificá-los. Desse modo, não se observam
estes efeitos nestes tipos de materiais.
A emissão eletrônica pode ainda ocorrer através do bombardeamento de elétrons sobre um material
sólido, o que é chamado de Emissão Secundária, ou através de um campo elétrico bastante intenso, a
chamada Emissão de Campo.
Há ainda um outro efeito de deslocamento de elétrons entre dois materiais em contato, chamado
Potencial de Contato, mas que não se constitui propriamente em um fenómeno de emissão eletrônica porque
não ocorre por fornecimento de qualquer tipo de energia aos elétrons do material. Como este efeito é
produzido pelo deslocamento de elétrons livres, não se observa o mesmo em junção de materiais isolantes e
semicondutores puros.
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Fenômenos de Emissão Eletrônica
Barreira de potencial de superfície
Propriedades Elétricas dos Materiais
� Fenômenos de Emissão Eletrônica
Nível de energia de fermi
Onde:
• E (eV) é a energia do nível onde se encontra o elétron
• KB é a constante de Boltzmann (ATB = l ,38 x 10-23 J/K
= 8,62 x 10-5 eV/K)
• T é a temperatura absoluta do material em Kelvins (K),
• Ef (eV) é um nível de energia hipotético, ou Nível de
Energia de Fermi
• ΔE representa, a diferença entre E do elétron e Ef do
material
Semicondutores
A Eletrônica, em seu sentido restrito, é a ciência e tecnologia do movimento de cargas num gás,
vácuo ou semicondutor. Sua história divide-se basicamente em dois períodos: o primeiro referido
como a era dos tubos a vácuo (válvulas) e o segundo como a era dos transistores. Estes últimos são
componentes a base de materiais semicondutores, que são cristais sólidos. Por isso, para
diferenciar da tecnologia dos tubos a vácuo, que consistem basicamente no fenómeno da emissão
termoiônica, a teoria dos semicondutores é conhecida como Física do Estado Sólido. Hoje todo o
âmbito da eletrônica é dominado pelos dispositivos semicondutores, exceto em algumas aplicações
de grande potência e alta tensão. Assim, os tubos a vácuo são praticamente omitidos de todas as
ementas de engenharia eletrotécnica, Os dispositivos semicondutores são os componentes básicos
para processai sinais elétricos nos sistemas de comutação, comunicação, computação e controle.
Desse modo, o estudo dos semicondutores vem se tornando cada vez mais importante, em razão de
seu uso em larga escala no campo da eletro-eletrônica. Componentes como transistores, díodos,
termistores, varistores, fotocondutores, tiristores, transistores de efeito de campo (FETs) e
circuitos integrados baseiam-se em princípios estudados na teoria do estado sólido.
� Introdução
Semicondutores
A propriedade condutividade elétrica dos materiais é proporcional à concentração n de portadores de
carga (elétrons livres). Assim para um bom condutor, n é muito grande (~1022 elétrons livres/cm3) e,
para um isolante, n é muito pequena (~107 elétrons livres/cm3), havendo para este último, portanto,
poucos portadores de carga disponíveis para a condução de corrente.
Os materiais com concentrações de portadores entre a dos condutores e a dos isolantes são
chamados de semicondutores, caracterizados, então, por uma semícondutância. Condutores e isolantes
possuem apenas elétrons livres como portadores de carga. Já os semicondutores, no entanto,
comportam-se como se tivessem dois tipos de portadores de carga, que serão vistos posteriormente:
elétrons livres e lacunas. Desse modo, o valor numérico desta condutância intermediária é um critério
insuficiente pois de modo algum define totalmente o comportamento funcional dos materiais e ligas
pertencentes a esse grupo, pois pode-se obter misturas de materiais que atendem a essa classificação
mas que não tem comportamento semicondutor.
Com relação ao comportamento da condutividade com a temperatura, medido pelo parâmetro
coeficiente de temperatura da resistividade α , os semicondutores ditos puros apresentam, em geral,
α negativo dentro de uma determinada faixa de valores, isto é, ao contrário dos metais (ou semelhante
aos materiais isolantes), sua condutividade aumenta com a temperatura e a concentração de
portadores de carga não é constante, variando em razão exponencial .
� Materiais Semicondutores
Semicondutores
Os materiais semicondutores mais conhecidos e usados são o germânio (Ge), o silício (Si) e o
arsenieto de gálio (GaAs). Anualmente há um amplo predomínio dos dispositivos de silício, mas existe
outros materiais, tais como: selênio (Se), gálio (Ga), sulfeto de cádmio e fosfeto de índio.
Um átomo de germânio ou silício isolado possui quatro elétrons na sua órbita de valência. Sabe-se
porém que, para ser quimicamente estável, um átomo necessita de oito elétrons. Os átomos destes
elementos podem, então, posicionarem-se entre outros quatro átomos, compartilhando um elétron com
cada vizinho (conhecida como ligação covalente, presente também nos plásticos, diamante, cerâmicas e
polímeros), obtendo, assim, um total de oito elétrons na órbita de valência. Esta disposição se constitui
num sólido onde os átomos se arranjam na configuração chamada cristal.
� Materiais Semicondutores
Semicondutores
Um cristal condutor (metais), quando submetido a