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Materiais Elétricos e Magnéticos 
Eng. Prof. Ms. Alexandre Dimas Queiroz D’Andrea 
CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS MATERIAIS 
 Revisão da distribuição eletrônica de elétrons no átomo. 
Os elétrons estão distribuídos em camadas ao redor do núcleo. Admite-se a existência 
de 7 camadas eletrônicas, designados pelas letras maiúsculas: K,L,M,N,O,P e Q. 
À medida que as camadas se afastam do núcleo, aumenta a energia dos elétrons 
nelas localizados. 
As camadas da eletrosfera representam os níveis de energia da eletrosfera. Assim, 
as camadas K,L,M,N,O, P e Q constituem os 1º, 2º, 3º, 4º, 5º, 6º e 7º níveis de 
energia, respectivamente. 
Por meio de métodos experimentais, os químicos concluíram que o número 
máximo de elétrons que cabe em cada camada ou nível de energia é: 
Nível de energia Camada Número máximo de elétrons 
1º K 2 
2º L 8 
3º M 18 
4º N 32 
5º O 32 
6º P 18 
7º Q 2 (ou 8) 
Em cada camada ou nível de energia, os elétrons se distribuem em subcamadas ou 
subníveis de energia, representados pelas letras s,p,d,f, em ordem crescente de energia. 
Energia crescente 
----------------------------------> 
Subnível s p d f 
Número máximo 
de elétrons 
2 6 10 14 
O número de subníveis que constituem cada nível de energia depende do número 
máximo de elétrons que cabe em cada nível. Assim, como no 1ºnível cabem no máximo 2 
elétrons, esse nível apresenta apenas um subnível s, no qual cabem os 2 elétrons. O 
subnível s do 1º nível de energia é representado por 1s. 
Resumindo: 
Nível Camada 
Nº máximo de 
elétrons 
Subníveis conhecidos 
1º K 2 1s 
2º L 8 2s e 2p 
3º M 18 3s, 3p e 3d 
4º N 32 4s, 4p, 4d e 4f 
5º O 32 5s, 5p, 5d e 5f 
6º P 18 6s, 6p e 6d 
7º Q 2 ( 8) 7s 7p 
De acordo com a mecânica quântica, os elétrons de um átomo não podem possuir um 
qualquer nível de energia, mas apenas alguns, determinados pelos números quânticos. 
Com base nestes conceitos é possível desenhar um diagrama de níveis de energia. 
Este diagrama é constituído por linhas horizontais paralelas, cada uma 
correspondente a um nível de energia. 
O nível de energia de um elétron determina a sua maior ou menor ligação ao átomo. 
Os elétrons das camadas internas estão fortemente ligados ao núcleo do átomo, o 
que corresponde a terem menos energia que os restantes. 
Quanto maior for o nível de energia (camadas externas), menor é a ligação ao átomo 
Numa estrutura cristalina, os elétrons nas camadas internas não são afetados pelos 
átomos vizinhos, só interessando considerar os elétrons das camadas externas. 
Além disso, os níveis de energia estão muito próximos, de modo que se pode falar de 
bandas de energia. 
Linus Carl Pauling (1901-1994), químico americano, elaborou um dispositivo prático que 
permite colocar todos os subníveis de energia conhecidos em ordem crescente de 
energia. É o processo das diagonais, denominado diagrama de Pauling, representado a 
seguir. A ordem crescente de energia dos subníveis é a ordem na sequência das 
diagonais. 
Ex1. - Distribuir os elétrons do átomo normal de xenônio (Z=54) em ordem de camada. 
Solução: 
K - 1s2 
L - 2s2 2p6 
M- 3s2 3p6 3d10 
N- 4s2 4p6 4d10 4f 
O- 5s2 5p6 5d 5f 
P- 6s 6p 6d 
Q- 7s 7p 
 
Resposta: K=2; L=8; M=18; N=18; O=8 
Ex2 - Distribuir os elétrons do átomo normal de manganês (Z=25) em ordem de camada 
K - 1s2 
L - 2s2 2p6 
M - 3s2 3p6 3d5 
N - 4s2 4p 4d 4f 
O - 5s 5p 5d 5f 
P - 6s 6p 6d 
Q - 7s 7p 
 
O símbolo "Z" corresponde ao número atômico, que é a quantidade de prótons que o 
átomo possui em seu núcleo. Quando o átomo está no estado fundamental, a quantidade 
de prótons é igual à quantidade de elétrons. Assim, se Z=25, isto significa que no átomo 
normal de manganês há 25 elétrons. Aplicando o diagrama de Pauling, teremos: 
Resposta: K=2; L=8; M=13; N=2 
ISOLANTES (DIELÉTRICOS 
Num isolante, os elétrons das camadas externas têm níveis de energia na chamada banda 
de valência 
A chamada banda de condução, correspondente a níveis de energia para os quais os 
elétrons se libertam do átomo (elétrons livres), está vazia de elétrons e separada da 
banda de valência pela chamada banda proibida. 
Como o nome sugere, não há níveis de energia nesta banda que possam ser ocupados por 
elétrons 
Se os elétrons de valência receberem energia suficiente para atingirem os níveis da 
banda de condução, tornam-se livres. 
Num material isolante a banda proibida é muito grande (é preciso muita energia para um 
elétron da banda de valência passar para a banda de condução). Por isso, praticamente 
não há elétrons na banda de condução. Não havendo elétrons livres, a aplicação de um 
campo elétrico não dá origem a qualquer corrente. 
No caso de um cristal de diamante, a largura da banda proibida é cerca de 6 eV (elétron-
Volt). 
CONDUTORES 
Num condutor metálico, existe uma sobreposição das bandas de valência e de condução, 
 o que significa que, à temperatura ambiente, há elétrons originários da banda de valência 
com níveis de energia de condução, de forma que, ao ficarem sujeitos a um campo elétrico, 
facilmente se deslocam pelo metal, constituindo uma corrente elétrica. 
SEMICONDUTORES 
Um semicondutor é um caso intermédio entre um isolante e um condutor. Neste caso, a 
largura da banda proibida é relativamente pequena, da ordem de 1 eV 
Para os casos dos semicondutores mais usados na indústria eletrônica, os valores da largura 
de banda são, à temperatura de 0 K, 0,785 eV para o germânio e 1,21 eV para o silício. 
A temperaturas baixas, os materiais semicondutores são praticamente isolantes, porque não 
é possível normalmente fazer passar um elétron da banda de valência para a de condução, 
por aplicação de um campo elétrico externo. 
Por aumento da temperatura é possível a transição de alguns elétrons da banda de 
valência para a de condução, tornando o material ligeiramente condutor ou 
semicondutor. Os elétrons que abandonam a banda de valência deixam nesta uma 
lacuna ou buraco, que corresponde a uma carga positiva. 
Quando outro elétron ocupar este nível, isso corresponde a uma deslocação da carga 
positiva. 
Existem semicondutores chamados extrínsecos, que resultam de semicondutores 
intrínsecos dopados com átomos de outras substâncias (chamadas impurezas), que alteram 
o seu comportamento elétrico e são a base dos componentes eletrônicos semicondutores. 
De acordo com a explicação dada anteriormente, os semicondutores são muito sensíveis 
à temperatura. 
Um semicondutor puro, com as caraterísticas indicadas, chama-se semicondutor intrínseco. 
Teoria das Bandas 
Formação de bandas num sólido. (a) átomo isolado. (b) sistema de alguns átomos. 
(c) um mol de átomos. 
Materiais Supercondutores 
Os cientistas começaram desde o início do século XIX a tentar 
explicar a variação da resistência oferecida a passagem de corrente 
elétrica por um determinado material com a temperatura. 
James Dewar 
 
A teoria de James Dewar era que a resistência 
aproximaria zero enquanto a temperatura aproximava-se do 
zero absoluto. 
 
De acordo com Dewar, a resistência zero nunca 
seria possível, porque é impossível refrigerar algo à 
temperatura de zero absoluto , embora os cientistas pudessem 
vir extremamente perto deste valor. 
A Teoria De Kelvin 
 
A teoria de Kelvin era que a resistência alcançaria um 
ponto baixo, e depois aumentaria enquanto a temperatura 
continuava a diminuir. 
Ele dizia isto porque pensou que os elétrons se congelariam aos 
átomos enquanto a temperatura se tornava cada vez mais fria. 
De acordo com esta teoria, a resistência tornar-se-ia quase infinita 
quando a temperatura se aproximasse do zero absoluto porque os 
elétrons seriam congelados e incapazes de se moveremlivremente 
para carregar toda a eletricidade. 
A teoriade Drude e de Lorentz 
Paul Drude e Hendrik Lorentz desenvolveram uma teoria sobre a 
resistência e a temperatura em 1900. 
Disseram que as duas fontes principais da resistência são temperatura 
e imperfeições na estrutura de cristal. 
Quanto mais elevada a temperatura, mais os átomos estão vibrando 
em seu arranjo de 
cristal, e mais resistência existirá ao movimento dos elétrons. 
Disseram que a resistência a baixas temperaturas estaria num nível 
baixo porque a resistência devido à temperatura seria insignificante 
e a resistência seria quase completamente devido às imperfeições 
no arranjo de cristal. 
A Teoria De BCS 
A teoria de BCS foi desenvolvida em 1957 por John Bardeen, por 
Cooper de Leon, e por Robert Schrieffer. Bardeen, o Cooper, e 
Schrieffer receberam o prêmio de Nobel na física em 1972 por 
seu trabalho nesta teoria. 
A teoria de BCS diz que os elétrons formam pares em 
um supercondutor, chamados de pares de Cooper após Cooper 
Leon. Enquanto o primeiro elétron no par corre através do 
supercondutor, atrai os núcleos dos átomos no supercondutor 
para ele. 
O segundo elétron move-se para a frente porque é atraído aos 
núcleos positivamente carregados na parte dianteira. Assim, os 
dois elétrons permanecem juntos em pares enquanto correm 
através do supercondutor. 
Assim, os dois elétrons permanecem juntos em pares enquanto 
correm através do supercondutor. 
Esta interação entre os dois elétrons ajuda-lhes a fluir sem 
resistência através do material de supercondutividade. 
APLICAÇÕES 
Uma das aplicações mais conhecida é o trem Maglev, eminglês Levitação Magnética, em 
uso no Japão desde os anos 70. São bobinas supercondutoras que permitem o 
funcionamento do trem japonês, que flua a uma altura de 10cm do solo e é puxado por um 
"motor" eletromagnético tão silencioso e inofensivo quanto um imã atraindo um pedaço de 
metal. Este efeito é possível graças a uma estrutura metálica montada no solo que produz 
um campo magnético alto o suficiente para fazê-lo levitar. O limite de velocidade do trem , 
aproximadamente 500 km/h, é devido principalmente a aerodinâmica. 
A máquina de tomografia por ressonância magnética é um equipamento que só 
tornou-se viável após a descoberta dos supercondutores. Elas utilizam bobinas 
supercondutoras metálicas, resfriadas com Hélio líquido. 
A medicina também baseou-se no princípio de funcionamento dos supercondutores 
para desenvolvimento de outros aparelhos como os SQUID’s. São aparelhos que 
conseguem detectar o campo magnético produzido pela atividade cerebral, 
possibilitando identificar as partes do cérebro que comandam os sentidos. 
Uma outra aplicação dos supercondutores é a armazenamento de energia elétrica em 
forma de energia mecânica de rotação. 
Esta invenção, do físico Masato Murakami do Centro Internacional de Tecnologia de 
Supercondutores, é conhecida como acumulador de energia. 
O acumulador é baseado em um disco metálico equipado de imãs comuns e instalado 
junto de uma bobina. Quando a bobina é ligada à tomada, o disco gira à razão de 3600 
rotações por minuto. Isto não funcionaria se o disco estivesse preso a um eixo, porque a 
perda por atrito seria enorme. Mas como o disco flutua sobre o campo magnético criado 
por uma placa supercondutora resfriada a 77 Kelvins, o atrito é praticamente 
eliminado. 
Após uma carga inicial de eletricidade, afasta-se a bobina e o disco continua a girar por um 
tempo teoricamente indefinido. Quando necessário basta reaproximar a bobina 
desligada: o movimento dos imãs cria corrente em seus fios e ela se torna um gerador de 
eletricidade, recuperando a energia fornecida ao disco.