47326 AULA 01 INTRODUÇÃO A CIENCIA DOS MATERIAIS

Prévia do material em texto

AULA 1 
INTRODUÇÃO A CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
Disciplina: Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 
Prof. Douglas de Castro Karnikowski 
douglasdecastrok@san.uri.br 
 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 1 
 
Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das 
Missões (URI) 
Curso de Engenharia Elétrica 
Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 
Ementa: 
 
Propriedades gerais dos materiais; 
Materiais condutores, semicondutores, isolantes, 
cerâmicos e magnéticos; 
Novos Materiais; 
Aplicações; 
Fusíveis; 
Termopar; 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 2 
Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 
Avaliações 
 
Prova 1 – 10 pontos; 
 
Prova 2 – 10 pontos; 
 
Trabalhos – 10 pontos; 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 3 
Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 
Bibliografia Básica 
 
 SCHMIDT, Walfredo. Materiais elétricos: 
isolantes e magnéticos. 3. ed. São Paulo: 
Edgard Blucher, 2010. v. 2. 
 
 SCHMIDT, Walfredo. Materiais elétricos: 
condutores e semicondutores. 3. ed. São 
Paulo - SP: Edgard Blucher, 2010. v. 1. 
 
 CALLISTER JR., William D. Fundamentos da 
ciência e engenharia de materiais. 2. ed. 
Rio de Janeiro: LTC, 2006. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 4 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
 Os materiais são substâncias cujas propriedades as tornam 
utilizáveis em estruturas, máquinas, dispositivos ou produtos. Desta 
forma, necessitamos conhecer as propriedades dos materiais. 
 Os produtos manufaturados, de qualquer tipo, dependem das suas 
características e propriedades dos materiais utilizados. 
 Assim, um produto pode ter um excelente projeto, um processo de 
produção adequado e mesmo assim apresentar defeito. Pois este 
defeito está associado à escolha do material inadequado ou falha 
do mesmo. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 5 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
Exemplo 1 – Desenvolver um revestimento para os cabos da rede 
elétrica. Qual material utilizar? 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 6 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
Exemplo 1 – Aplicação de uma capa de revestimento de plástico 
aos fios da rede elétrica. Em aproximadamente um ano, o 
plástico estava todo quebradiço e ressecado por não suportar a 
exposição aos raios solares. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 7 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 8 
Qual a importância dos estudos dos materiais na 
engenharia? 
 Os especialistas em engenharia e ciência de materiais tratam da geração e da 
aplicação do conhecimento que relaciona composição, estrutura e processamento 
de materiais através de suas propriedades e usos. 
 
 Já, a pesquisa, a produção e aplicação dos materiais não são de uso exclusivo destes 
profissionais. Uma vez que, no exercício da sua profissão, engenheiros de qualquer 
especialidade pode lidar com materiais incluindo especificação, projeto, aquisição, 
qualificação, inspeção de aceitação em fábrica e o acompanhamento do 
desempenho dos produtos em serviço. 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
Num processo de escolha de um material para uma 
dada aplicação o engenheiro deve considerar os 
seguintes aspectos: 
 
 As propriedades do material; 
Os aspectos econômicos; 
 Acessibilidade ao material; 
 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 9 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
Exemplo 2 – Confecção do semicondutor de arsenieto de gálio 
(GaAs) ao invés de silício (Si) para a produção de CI’s. Apesar de 
(GaAs) apresentasse algumas propriedades superiores ao (Si), a 
escolha não se sustentou para a maioria das aplicações devido a 
fatores econômicos e tecnológicos. 
 As propriedades do material; 
 Os aspectos econômicos; 
 Acessibilidade ao material. 
 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 10 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
Exemplo 2 – A célula fotovoltaica de silício 
cristalino é a mais comum, sendo que 
aproximadamente 95% de todas as células no 
mundo são de silício. As células solares 
comerciais ainda apresentam uma baixa 
eficiência de conversão, da ordem de 16%. 
Existem células fotovoltaicas com eficiências de 
até 28%, fabricadas de arsenieto de gálio, mas o 
seu alto custo limita a produção dessas células 
solares para o uso da indústria espacial. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 11 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
 O estudo de materiais envolve, então, a investigação da 
relação do que existe entre a estrutura, as propriedades, o 
processamento e as aplicações dos materiais. 
 A estrutura de um material está geralmente relacionada ao 
arranjo de seus componentes internos. 
 A estrutura subatômica envolve elétrons no interior dos 
átomos individuais e as interações com seus núcleos. 
 No nível atômico, a estrutura engloba a organização dos 
átomos ou moléculas em relação uns aos outros. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 12 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
A estrutura de um material irá depender da maneira como ele é 
processado. Exemplo: 
 A molécula básica C2H4 (etileno) constitui um gás à 
temperatura ambiente; 
 A polimerização em cadeia de 13 das mesmas moléculas 
básicas forma uma cera (sólido mole que se funde a 55 °C); 
 A polimerização de milhares das mesmas moléculas básicas 
resulta em um plástico chamado polietileno (sólido flexível). 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 13 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.1. Ciência dos Materiais 
 
 Qualquer ação que cause uma modificação da estrutura interna do 
material afetará suas propriedades. Como exemplos; tem-se: 
 Fio é fortalecido por processo de trefilamento (afinamento por 
estiramento); 
 Processamentos térmicos dos materiais (recozimentos, resfriamentos 
bruscos); 
 Quando aquecemos um ímã acima de uma determinada temperatura, 
ele deixa de gerar campo magnético. Os ímãs de níquel perdem sua 
capacidade quando aquecidos a 350 °C, os de ferro a 770 °C e os de 
cobalto a 1100 °C. Essas temperaturas são chamadas de temperaturas 
de Curie. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 14 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.2. Objetivo da Ciência dos Materiais 
 
 Os objetivos deste estudo é a seleção de materiais para 
projetos específicos, procurar novos materiais, bem como 
manipulá-los e assim melhorar/modificar matérias já 
conhecidos, segundo alguns critérios: 
 Analisar as condições de serviços e de exposição; 
 Quais as propriedades físicas e mecânicas esperadas; 
 Viabilização econômica do projeto. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 15 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.2. Objetivo da Ciência dos Materiais 
 
 As propriedades finais, o tipo de material, a forma 
geométrica, ou seja, o produto final de um projeto sempre 
terá as seguintes etapas chamadas elementos do projeto. 
 Processamento: É a maneira como será fabricado o material; 
 Estrutura: É como ficará arranjada atomicamente a matéria; 
 Propriedades: Quais propriedades físicas, químicas ou 
mecânicas apresentará? 
 Desempenho: Será satisfatório ou não? 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 16 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.2. Objetivo da Ciência dos Materiais 
 
Afigura mostra um material de óxido de alumínio em três 
situações. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 17 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.2. Objetivo da Ciência dos Materiais 
 
 À esquerda é um monocristal perfeito, dando a propriedade de transparência; 
 À do meio, já mostra um material policristalino pouco transparente; 
 À direita um policristalino poroso, completamente opaco. 
 
 
 
 
 
 Neste exemplo, podemos observar que a maneira como foi processado o 
óxido de alumínio, afetou diretamente a condição de transparência. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 18 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.2. Objetivo da Ciência dos Materiais 
 
 Virtualmente as propriedades mais importantes dos materiais 
sólidos podem ser agrupadas em seis categorias diferentes: 
 Mecânica - (módulo de elasticidade e resistência mecânica); 
 Elétrica - (constante dielétrica e condutividade); 
 Térmica - (capacidade calorífica e condutividade); 
 Magnética - (estímulo a campo magnético); 
 Ótica - (reflexão, refletividade e radiação luminosa); 
 Deteriorativa - (reatividade química). 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 19 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.3. Classificação dos Materiais 
 
 Os materiais são classificados conforme sua composição 
química e na estrutura atômica. 
 Sólidos 
Metais 
Cerâmicos 
Polímeros 
 Compósitos 
 Semicondutores 
 Biomateriais 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 20 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.3. Classificação dos Materiais 
 Metais : São combinações de elementos metálicos, bons 
condutores de eletricidade e calor e não transparentes, 
também são muitos resistentes e deformáveis. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 21 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.3. Classificação dos Materiais 
 Cerâmicos: São compostos por elementos metálicos e não 
metálicos frequentemente óxidos, nitretos e carbetos. A 
maioria dos materiais que se enquadra nesta classificação são 
compostos de materiais argilosos, cimentos e vidros. Isolantes 
térmicos e elétricos. Os cerâmicos são duros, porém muito 
quebradiços. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 22 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.3. Classificação dos Materiais 
 Polímeros: São materiais comuns de plásticos e borracha, 
compostos orgânicos baseados no carbono, hidrogênio e 
outros não metálicos, estrutura molecular muito grande, 
baixa densidade e extremamente flexíveis. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 23 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.3. Classificação dos Materiais 
 Compósitos: Consiste em um ou mais tipo de material, 
trabalhando juntos, sendo que, as propriedades do conjunto 
são melhores do que a de um material individual. Exemplo: 
concreto e fibras de carbono impregnadas. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 24 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.3. Classificação dos Materiais 
 Semicondutores: São materiais que possuem propriedades 
elétricas intermediárias aos condutores normais. Ele tornou 
possíveis os circuitos integrados que revolucionaram as 
indústrias de eletrônicos. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 25 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.3. Classificação dos Materiais 
 Biomateriais: São empregados em componentes implantados 
no interior do corpo humano. Todos os materiais citados 
anteriormente podem ser usados com biomateriais. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 26 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.4. Materiais Avançados 
 Os materiais avançados são tipicamente materiais tradicionais 
cuja as propriedades foram aprimoradas, ou então de alto 
desempenho recentemente desenvolvidos. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 27 
LCD 
Fibra ótica Sistema de 
proteção térmica 
do ônibus espacial 
1. Introdução a Ciência dos Materiais 
1.5. Novos Materiais 
 Apesar de todo progresso feito nos últimos anos na área da 
Ciência e Engenharia dos Materiais ainda existem desafios 
tecnológicos, incluindo o desenvolvimento de materiais ainda 
mais sofisticados e especializados, bem como demanda e 
desafios para obtenção de novos materiais. Como por 
exemplo, tem-se: 
 Novos materiais para gerar e armazenar energia (solar, nuclear, etc.); 
 Materiais que utilizem fontes renováveis ou tenham menor impacto 
ambiental (plásticos biodegradáveis, etc.); 
 Materiais para construção de motores que suportem temperaturas 
mais altas para aumentar a eficiência energética da queima do 
combustível. 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 28 
2. Ciência dos Matérias na Engenharia Elétrica 
2.1. Linhas de Transmissão e Distribuição 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 29 
Estrutura Metálica Isoladores Cabos condutores 
Nas linhas de transmissão e distribuição além do uso do vidro, porcelana e 
polímero na isolação é usado o aço galvanizado para a construção das 
estruturas. Entretanto, as linhas são construídas de ligas de alumínio, aço e 
cobre, devido a características como resistência mecânica e condutividade. 
2. Ciência dos Matérias na Engenharia Elétrica 
2.2. Eletrônica 
 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 30 
Circuitos Integrados 
Cristal de 
quartzo 
Solda de estanho 
Fenolite e 
material 
condutor (cobre) 
Indutor de núcleo laminado 
2. Ciência dos Matérias na Engenharia Elétrica 
2.3. Transformador 
 
Na construção dos transformadores, destaca-se os seguintes 
materiais: 
O uso de matérias isolantes sólidos (papel termicamente 
estabilizado, madeira, resinas, etc.); 
 Líquido (óleo mineral isolante); 
Gasoso (SF6, ar sintético superseco, nitrogênio e CO2 
como meio de extinção de arcos elétricos); 
Materiais ferromagnéticos são utilizados para fabricação 
do núcleo, destacando-se as chapas de aço silício laminado 
a frio, o cobre é usado para os enrolamentos de 
transformadores e máquinas elétricas. 
 01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 31 
 
 
3. Exemplo na Engenharia Elétrica 
3.4. Máquinas Elétricas 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 32 
2. Ciência dos Matérias na Engenharia Elétrica 
2.4. Iluminação 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 33 
Lâmpada fluorescente 
Lâmpada de LED 
Lâmpada de halogéneo 
Lâmpada incandescente 
2. Ciência dos Matérias na Engenharia Elétrica 
2.5. Isolação dos Cabos 
 
 Os materiais plásticos mais utilizados na isolação dos cabos de 
baixa/média tensão são: 
 PVC - Composto termoplástico à base de policloreto de vinila. 
 LSHF/A - Composto poliolefínico termoplástico não halogenado. 
 HEPR - Composto termofixo à base de etilenopropileno de alto módulo. 
 XLPE - Composto termofixo à base de polietileno reticulado. 
 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 34 
2. Ciência dos Matérias na Engenharia Elétrica 
2.5. Isolação dos Cabos 
 
 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 35 
2. Ciência dos Matérias na Engenharia Elétrica 
2.6. Baterias 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 36 
NiCd (níquel-cádmio) 
Ni-MH (hidreto metálico de níquel) Li-Ion (íon de lítio) 
LiPo (polímero de lítio) Chumbo-ácido 
2. Ciência dos Matérias na Engenharia Elétrica 
2.6. Materiais Elétricos em Geral 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 37 
3. Referências Bibliográficas 
 CALLISTER JR., William D. Fundamentos da ciência e 
engenharia de materiais. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006. 
 
 SCHMIDT, Walfredo. Materiais elétricos:isolantes 
magnéticos. 3. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2010. v. 2. 
 
 SCHMIDT, Walfredo. Materiais elétricos: condutores e 
semicondutores. 3. ed. São Paulo - SP: Edgard Blucher, 
2010. v. 1. 
 
01/03/2018 Materiais Elétricos e Eletromagnéticos 38