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Materiais isolantes e magnéticos

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MATERIAIS ISOLANTES E MAGNÉTICOS
CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES
P.C.P. Vianna
Departamento de Engenharia Elétrica
Universidade Federal do Pampa, UNIPAMPA
Alegrete-RS, Brasil
paulo.piovesan88@gmail.com
Resumo—Os materiais isolantes e magnéticos possuem uma vasta gama de aplicações tanto na engenharia, como outras importantes áreas do conhecimento. Os materiais isolantes são essenciais à segurança de consumidores e dispositivos elétricos. São classificados conforme o comportamento do dielétrico durante os processos de polarização. A temperatura é fator determinante durante esses processos, já que correntes de fuga podem surgir ocasionando no rompimento do dielétrico do material. Os materiais magnéticos compreendem grande parte dos elementos e dispositivos elétricos conhecidos. São separados em três grupos, os materiais diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos. Os ferromagnéticos são os mais utilizados nos processos de fabricação por apresentarem magnetização intensa e permanente. São divididos em duas categorias, MMM’s e MMD’s. Essa separação é dependente da curva de histerese apresentada por cada material. A curva tem caráter cíclico e fechado e leva em consideração o fluxo magnético e a força magnética aplicada ao material. Cada ponto dessa curva confere diferentes atributos aos materiais, conhecidos como pontos de saturação, coercitividade e remanência. Os MMM’s tem remanência próxima de zero e elevada coercitividade, logo necessitam de baixos valores de magnetização para se tornarem imantados. Em contrapartida os MMD’s têm elevadas remanência e coercitividade, e por isso, demandam de altos valores de magnetização para serem imantados.
Palavras-chave—Isolantes, Dielétrico, Magnéticos, Histerese, Temperatura.
 introdução
Os materiais isolantes e magnéticos podem ser encontrados nas mais importantes aplicações da engenharia. Seja ela em grandes máquinas, geradores e linhas de transmissão, como em pequenos dispositivos e condutores. Ambos cumprem papel fundamental tanto na proteção como no pleno funcionamento dos dispositivos elétricos, e por isso, devem ser estudados e aperfeiçoados constantemente. 
Os materiais isolantes pertencem à classe dos materiais que propiciam o meio de segurança para os consumidores e para os próprios dispositivos eletrônicos, sendo obtidos a partir dos mais diversos materiais e elementos, assim requerem grande atenção em seu dimensionamento.
Os materiais magnéticos propiciam o funcionamento de componentes essenciais por si só a engenharia elétrica, como circuitos elétricos indutivos, motores elétricos, transformadores e etc. Grande parte do conforto o qual temos alcance através da eletricidade não seria possível se os materiais magnéticos não existissem.
Esse artigo tem como propósito explorar os aspectos mais relevantes relacionados aos materiais isolantes e magnéticos, buscando dar uma visão geral sobre importante esse assunto.
Primeiramente serão tratados sobre os materiais isolantes, suas características e aplicações. Para um segundo momento serão abordados sobre os materiais magnéticos, apontando também para suas características e aplicações. Ao final uma breve conclusão fará o fechamento dos assuntos discutidos, expondo os aspetos positivos e limitações.
materiais ISOLANTES
Características gerais
Os materiais isolantes apresentam comportamento inverso aos materiais condutores. Logo, podemos enunciar que todo bom material isolante é aquele capaz de impor elevada resistência à passagem de cargas elétricas. Essa propriedade está intimamente ligada à organização atômica. Os materiais isolantes geralmente apresentam ausência de elétrons livres na última camada da eletrosfera o que os fazem terem baixa condutividade. Contudo, nenhum material isolante é prefeito, estando diretamente dependente dos valores de tensão aplicados em seus terminais. É comum muitos materiais terem sua rigidez dielétrica rompida através da presença de uma elevada diferença de potencial. Assim, a rigidez dielétrica é um parâmetro limítrofe entre isolantes e condutores. Cada material apresenta um valor máximo de tensão o qual pode suportar como isolante, acima desse passa a ser um condutor pleno de corrente elétrica.
Os isolantes podem ser comparados aos capacitores de placas paralelas, que entre seus terminais possuem um material dielétrico que encontra-se constantemente polarizado durante o estabelecimento de um campo elétrico entre os terminais das placas. Por isso, os materiais isolantes são dependentes dos fenômenos de polarização diretamente associados aos valores de permissividade e susceptibilidade elétrica. Esse fenômeno caracteriza-se pela polarização de cargas em dois pólos, negativo e positivo, mantidos por um dielétrico. Assim os dielétricos podem ser classificados conforme o tipo de polarização que sofrem, normalmente classificadas em três, polarização eletrônica, iônica e de orientação. [1]
A polarização eletrônica é instantânea ao estabelecimento do campo elétrico, e nela a nuvem de elétrons é deslocada do núcleo por forças elétricas. Está intimamente relacionada à temperatura, sendo inversa a mesma. A polarização iônica de cátions e ânions tem comportamento contrário a anterior com relação à temperatura. Nela o estabelecimento de cargas positivas e negativas é intensificado pelo aumento da temperatura e da energia no meio. A última polarização diz respeito aos materiais magnéticos, que também sofrem polarização, porém, de orientação. Mas qual a principal relação de todos os efeitos de polarização com os materiais isolantes? Conhecer os principais fenômenos de polarização determina o tipo de isolante a utilizar, pois associada à polarização estão às perdas de energia na forma de calor que propiciam o deslocamento dos poucos elétrons livres dos isolantes. Assim uma corrente de fuga pode ser estabelecida ao longo da superfície do material. [1]
Como discutido anteriormente, há casos em que a rigidez dielétrica é rompida durante a aplicação de uma tensão nos terminais de um isolante. Quando esse efeito ocorre com ar temos o chamado efeito corona. O efeito corona na mais é do que o surgimento de descargas elétricas visíveis resultado da ionização do ar. Este fenômeno é bastante frequente durante manobras de chaves seccionadoras de subestações e redes de distribuição.
Principais materiais isolantes e algumas aplicações
Os principais materiais isolantes, do qual podemos citar como bons isolantes são o polietileno, o poliestireno, as resinas, além das cerâmicas.
Pertencente à classe dos polímeros sintéticos e obtido através do etileno, o polietileno apresenta características elétricas excelentes para isolante, como a baixa permissividade e dissipação de calor, a elevada resistividade e rigidez dielétrica. Podem ser encontradas sob as formas de mangueiras para eletrodutos, mantas para isolamento de cabos de alta tensão em conserto e dentre outros. [2]
O poliestireno pode ser classificado como uma resina do grupo dos termoplásticos, sendo um polímero de elevada flexibilidade e também utilizado como isolante, por sua elevada rigidez dielétrica. É usado tanto na forma líquida como sólida na composição de outros isolantes. [1]
As resinas são outro importante material isolante, pois são aplicadas desde a vedação de cabos de alta tensão a máquinas elétricas. Obtidas principalmente através de elementos sintéticos, apresentam alta resistência elétrica e a umidade, boa durabilidade e rápido endurecimento após sua aplicação. São encontradas na forma sólida, porém, aplicadas sob forma líquida ou pastosa. Os vernizes, outra classe de isolantes obtidos como subprodutos das resinas são geralmente utilizados em motores elétricos e geradores. [1]
As cerâmicas são um dos materiais isolantes mais empregados no isolamento de elementos de baixa, média e alta tensão. Visto as suas características térmicas, químicas e elétricas serem apropriadas ao isolamento de cabos e transformadores. São obtidas em grande parte através do feldspato e do quartzo. Apesar de sua elevadadureza são bastante frágeis, o que requerem cuidado durante seu manuseio. Outras vantagens estão diante do seu baixo custo e fácil processo de fabricação. [2]
materiais MAGNÉTICOs
Características gerais
O magnetismo tem origem desde o arranjo atômico da matéria. Os princípios do eletromagnetismo já unificados pelas Leis de Maxwell foram e ainda são, importantes ferramentas para a compreensão dos fenômenos magnéticos existentes em dispositivos e elementos com base na eletricidade. Assim, conhecer as principais características dos materiais magnéticos se fazem de grande importância em razão da sua vasta área de aplicações. 
Os materiais com característica magnética são separados em três principais grupos conforme o período e o grau de magnetização, sendo eles os diamagnéticos, os paramagnéticos e os ferromagnéticos. O mais importante dentre os três são os ferromagnéticos, visto sua capacidade de magnetização ser permanente e de elevada intensidade.[1]
Muitos materiais ferromagnéticos podem ser magnetizados quando expostos a magnetização externa, e essa característica pode permanecer por muito tempo, exceto se o mesmo for exposto a determinadas temperaturas. A alteração da temperatura provoca a desorientação dos pólos magnéticos causando a perda da propriedade de magnetização. Essa temperatura de desmagnetização é conhecida como Temperatura de Curie, e cada material possui um valor específico de Curie. Materiais com elevada Temperatura de Curie são considerados excelentes materiais magnéticos. 
A principal forma de verificação do estado de magnetização de um material é através da curva de histerese. Essa curva tem caráter cíclico fechado e relaciona dois importantes parâmetros, o fluxo magnético e a força magnética. Além disso, possui importantes pontos a serem observados, como a remanência, a coercitividade e a saturação. Um corpo quando desmagnetizado inicia o processo de magnetização até atingir o valor máximo de saturação. Desse ponto se for realizada a diminuição do campo magnético aplicado à amostra será notada a não diminuição da magnetização a zero, mas sim a um valor permanente, do qual podemos definir a amostra como imantada. A esse ponto de imantação denominamos de remanência. Para realizar a total desmagnetização da mesma amostra a partir do ponto de remanência é necessário que o campo magnético externo seja invertido, assim, a curva de histerese retornará ao valor nulo de magnetização, tornando a amostra não mais imantada. Esse ponto de perda de magnetização denomina-se de ponto de coercitividade. Se a aplicação do campo magnético mantiver o sentido contrário, o material será novamente imantado após passar pelo ponto de saturação. Note que o processo é cíclico e depende da intensidade e do sentido de aplicação do campo magnético a amostra ferromagnética. É através da curva de histerese que classificam-se os materiais magnéticos em duros e moles. [4]
Os materiais magnéticos duros e moles são distintos em suas características e aplicações, e por isso, apresentam curvas de histerese também diferentes. Materiais magnéticos duros possuem altos pontos de remanência e coercitividade, assim a magnetização desses materiais só é possível se a intensidade do campo magnético aplicado for elevada. Já os materiais magnéticos moles apresentam coercitividade quase nula, e remanência alta, não superior a dos materiais duros. Logo são facilmente magnetizados. Ambos materiais tem problemas com a chamada magnetização residual, sendo mais intensa nos materiais duros do que nos materiais moles. A magnetização residual é o fenômeno pelo qual o material exposto à força de magnetização apresenta a propriedade de retentividade da mesma. Essa característica pode ser prejudicial durante os processos de fabricação de um material magnético, tornando-o de difícil manuseio.[4]
Principais materiais magnéticos e algumas aplicações
Muitos materiais magnéticos são utilizados para as mais diversas funcionalidades. Tanto os materiais duros, como os moles são específicos para cada aplicação.Grande parte da matéria-prima desses materiais tem origem em ligas metálicas, principalmente de ferro, cobalto e níquel.
Os MMD’s (Materiais Magnéticos Duros) são utilizados em maior quantidade na produção de imãs permanentes. Sendo encontrados em motores DC, dínamos, alto-falantes e microfones. Também são aplicados a galvanômetros e servomotores. [3]
Os MMM’s (Materiais Magnéticos Moles) são aplicados na construção de diversos componentes elétricos, como transformadores, solenóides, relés, indutores, HD’s e dentre outros. [3]
conclusão
A partir dos assuntos discutidos podemos observar a grande importância dos materiais isolantes e magnéticos, sejam eles no contexto da engenharia, ou de outras inúmeras áreas onde são aplicados.
Os materiais isolantes requerem cuidados desde a sua composição ao valor nominal de tensão aplicada em seus terminais. São essenciais a todos os projetos elétricos, por desempenharem o papel de proteção para consumidores e elementos elétricos.
Os materiais magnéticos cumprem tarefa crucial no funcionamento e composição de incontáveis dispositivos elétricos. Obedecem a curva de histerese, e antes da escolha do material deve-se verificar o comportamento do mesmo durante o processo de magnetização. Estar atento a possíveis falhas nos processos de fabricação e no surgimento de magnetização residual podem reduzir significativamente o número de problemas relacionados a esses materiais.
Referências bibliográficas
ROLIM, J. G. Materiais Elétricos. Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. 2002. 108 p.
Materiais Isolantes. Disponível em:<http://www.labspot.ufsc.br/~jackie/cap4_new.pdf>. Acesso em: dez. 2014.
ZURITA M. Materiais elétricos: Materiais magnéticos e aplicações. Teresina: Universidade Federal do Piauí, 2011. 11 slides: color. Slides gerados a partir do software PowePoint.
Curvas de magnetização e histerese. Disponível em:<http://professorpetry.com.br/Ensino/Repositorio/Docencia_CEFET/Retificadores/2007_1/Aula_12.pdf>. Acesso em: dez. 2014.

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