Aula 1 - Materiais elétricos - 2017

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Ementa: Características gerais exigidas nos materiais em engenharia elétrica. 
 Objetivos gerais: Proporcionar aos alunos conhecer os diversos tipos de materiais elétricos e magnéticos, suas características, propriedades e aplicações.
 
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Objetivos específicos: Entendimento das propriedades dos materiais elétricos (condutores, semicondutores e dielétricos) e materiais magnéticos, visando suas aplicações em Engenharia Elétrica. 
Espera-se que o aluno seja capaz de escolher dentre os diversos materiais baseado nas características de composição, fabricação e aplicabilidade.
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 Conteúdo programático
Natureza física dos materiais. Estrutura atômica.
Ligações químicas: iônica, covalente e metálica.
Materiais condutores elétricos, suas propriedades e aplicações.
Principais materiais condutores e ligas.
Materiais semicondutores, suas propriedades e aplicações.
Principais semicondutores. 
Materiais isolantes ou dielétricos, suas propriedades e aplicações.
Constante dielétrica.
Materiais magnéticos: ferromagnéticos, diamagnéticos, paramagnéticos. Uso dos materiais ferromagnéticos.
Permeabilidade magnética.
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Avaliação
Provas teóricas: NP1, NP2, sub e exame. 
Bibliografia Básica
-CALISTER JR, William. D.; RETHWISCH, David G.; Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução. Editora LTC. Rio de Janeiro. 8ª edição. 2012.
-SCHIMIDT, Walfredo.; Materiais Elétricos. Volume I: condutores e semicondutores. Edgard Blucher. São Paulo. 3ª edição. 2010
-SCHIMIDT, Walfredo.; Materiais Elétricos. Volume II: isolantes e magnéticos. Edgard Blucher. São Paulo. 3ª edição. 2010
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Bibliografia Complementar
-ASKELAND, Donald R.; PHULÉ, Pradeep P.; Ciência e Engenharia dos Materiais. Cengage Learning. 1ª edição. 2008.
-SCHIMIDT, Walfredo.; Materiais Elétricos. Volume III: aplicações. Edgard Blucher. São Paulo. 3ª edição. 2010
-SHACKELFORD, James F.; Ciência dos Materiais. Pearson. 6ª edição. 2008.
-SWART, Jacobus W. Semicondutores: fundamentos, técnicas e aplicações. São Paulo. Unicamp. 1ª edição. 2008 
-VAN VLACK, Lawrence Hall.; Princípios de Ciências dos Materiais. Edgard Blucher. São Paulo. 1970.
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O engenheiro precisa ter um íntimo conhecimento das propriedades e características de comportamento dos materiais que ele se propõe a usar.
Ao fazer a escolha, o engenheiro precisa levar em conta propriedades tais como resistência mecânica, condutividade térmica e elétrica, densidade e outras. Mas devemos considerar o comportamento do material durante o processamento e uso, tanto quanto o seu custo e sua disponibilidade.
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Os materiais são compostos de moléculas constituídas de átomos (que são compostos por partículas menores: prótons, elétrons e nêutrons). As cargas elétricas estão presentes em todos os materiais. 
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As propriedades elétricas dos materiais constituem importantes características que determinam suas aplicações. Uma das características elétricas mais importantes de um material sólido é a facilidade com que transmite uma corrente elétrica. Os materiais sólidos são classificados de acordo com a facilidade de condução de uma corrente elétrica, existindo três grupos principais: condutores, semicondutores e isolantes.
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Os materiais elétricos em geral têm suas diversas propriedades associadas às ligações químicas. 
Na natureza, os átomos dos elementos se unem, dando origem à enorme variedade de materiais que conhecemos. Em condições ambientes, só os gases nobres são formados por átomos isolados. 
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Os átomos dos gases nobres são os únicos que já têm a camada da valência completa com 8 elétrons e uma configuração estável (o He possui somente 2 elétrons na última camada). São muito estáveis, portanto, pouco reativos.
Os átomos dos demais elementos químicos, ligam-se uns aos outros na tentativa de completar a camada da valência e aumentar sua estabilidade (teoria do octeto). Isso pode ser conseguido de diversas maneiras, dando origem a diversos tipos de ligações químicas. 
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Nas ligações químicas os átomos recebem, perdem ou compartilham elétrons da última camada até adquirirem configuração eletrônica de um gás nobre. Um átomo adquire estabilidade quando possui 8 elétrons na última camada (camada de valência) e 2 elétrons quando possui somente uma camada. Esses átomos ligam-se para formar substâncias.
A facilidade em receber elétrons caracteriza o átomo como elemento eletronegativo. A facilidade em perder elétrons o caracteriza como sendo um elemento eletropositivo. 
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As ligações químicas podem ser classificadas em três categorias:
- Iônica
- Covalente (atômica)
- Metálica
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É a atração eletrostática entre íons de cargas opostas num retículo cristalino. Esses íons formam-se pela transferência de elétrons de um átomo de um elemento que transfere definitivamente um, dois ou três elétrons para o átomo de outro elemento. A ligação iônica ocorre, em geral, entre átomos de metais (possuem 1, 2 ou 3 elétrons na última camada e forte tendência a perdê-los) e átomos de não metais (possuem 5, 6 ou 7 elétrons na última camada e forte tendência a receber mais 3, 2 ou 1 elétron e assim completar seus octetos eletrônicos).
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Não existe sódio (Na) nem cloro (Cl) livres na natureza, mas existe grande quantidade de cloreto de sódio (NaCl) em que o sódio e o cloro aparecem unidos entre si por ligação iônica.
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O átomo de sódio transfere definitivamente 1 elétron ao átomo de cloro e forma-se um íon positivo (cátion Na+1) e um íon negativo (ânion Cl-1), ambos com o octeto completo e portanto ficam estáveis.
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Além de se movimentarem em torno do núcleo atômico, os elétrons possuem também um movimento helicoidal em torno de um eixo próprio, chamado de spin. Dois elétrons com movimentos helicoidais opostos representam um par de elétrons. Esse tipo de ligação aparece quando ocorre a união entre átomos estabelecida por pares de elétrons. 
Nesse tipo de ligação, dois elementos eletronegativos se unem, a ligação ocorre entre não metais ou entre não metal e hidrogênio (H). Neste caso, a configuração estável dos dois elementos ocorre por compartilhamento de elétrons, pois os dois átomos possuem tendência de receber elétrons.
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Formação da molécula de ácido clorídrico (HCl):
o hidrogênio (H) possui um único elétron em sua única camada e precisa receber mais 1 para ficar estável (ficar com a configuração eletrônica do gás nobre He).
o cloro (Cl) possui 7 elétrons na camada de valência, também precisa receber 1 elétron para ficar com 8 e configuração eletrônica de gás nobre. 
Os dois elementos compartilham 1 elétron e ficam estáveis.
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É o tipo de ligação que ocorre entre os átomos de metais. Os átomos dos elementos metálicos apresentam forte tendência a doarem seus elétrons da última camada. Quando muitos destes átomos estão juntos num cristal metálico, perdem seus elétrons da última camada e estes elétrons ficam livres para se movimentarem de forma desordenada. Forma-se então os íons positivos (cátions) que ficam mergulhados num mar de elétrons (nuvem eletrônica). 
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Se aplicarmos um campo elétrico a um metal, orientamos o movimento dos elétrons numa direção e geramos corrente elétrica. Através de tais elétrons pode-se explicar a alta condutividade elétrica e térmica dos metais. 
Com um campo elétrico, teremos diferentes níveis de energia, que provocarão uma diferença de potencial (ddp) ou tensão elétrica. 
Corrente elétrica é o movimento 
 ordenado de elétrons.
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Elétricos: condutores, semicondutores e isolantes.
	Baseados no valor da resistividade transversal, os materiais se classificam em:
condutores: 10-2 a 10 Ω mm2/m
semicondutores: 10 a 1012 Ω mm2/m
isolantes: 1012 a 1024 Ω mm2/m
Magnéticos: ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos.*
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O que caracteriza o material bom condutor sólido é o fato de os elétrons estarem fracamente ligados ao átomo, podendo ser facilmente deslocados do mesmo. Os elétrons se movimentam livremente no cristal de forma desordenada (em todas as direções).
A condução elétrica ocorre nos metais, pois estes possuem um bom ordenamento em sua estrutura cristalina e também elétrons livres que podem se movimentar através da rede de átomos. 
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Os elétrons se movimentam em virtude da diferença de potencial (ddp) aplicadas nas extremidades desse metal. Essa diferença de potencial surge devido a falta de elétrons numa região e a sobra de elétrons em outra região. A ddp está associada as forças de atração entre as cargas elétricas. A região positiva (onde faltam elétrons) atrai os elétrons da região onde sobram elétrons (região negativa). Durante o deslocamento destas cargas ocorrem interações entre elétrons e a cadeia de átomos que causa resistência ao movimento destes elétrons.
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A condução elétrica ocorre também em meios líquidos e gasosos, pelo deslocamento de íons positivos e negativos, movendo-se simultaneamente em sentidos opostos. Ocorre em soluções eletrolíticas (soluções ácidas, básicas ou salinas) e nos gases ionizados (lâmpadas fluorescentes).
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É a dificuldade (resistência) que um certo condutor oferece a passagem de elétrons (corrente elétrica). 
O movimento ordenado de elétrons formado quando há diferença de potencial (ddp) em um fio condutor é a corrente elétrica. Esse movimento fica sujeito a uma oposição que é a resistência elétrica.
A relação entre a diferença de potencial e a corrente elétrica de um condutor tem um valor constante, que é simbolizada por R, essa constante mostra a resistência que o material oferece a passagem de corrente elétrica (1ª Lei de Ohm).
Resistência R = U (ddp)
 I (corrente elétrica)
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A resistência de um fio depende do material do qual é feito, do seu comprimento e de seu diâmetro (área de seção).
R é diretamente proporcional ao comprimento (L).
R é inversamente proporcional à área de seção (S).
Para fazermos elementos de aquecimento eficiente, usamos fios de pequenas áreas de seção (fios finos) que aumentam a resistência e fios longos que também aumentam a resistência.
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É a constante de proporcionalidade que caracteriza o tipo de material que é feito um condutor elétrico. Essa grandeza varia com a temperatura de acordo com a equação:
ρ = ρ20 [1+ α (T – 20)
ρ = resistividade do condutor
ρ 20 = resistividade do condutor a 20ºC
α = coeficiente de temperatura a 20ºC
T = temperatura desejada para a medida de resistividade
O coeficiente de temperatura (α) também altera o valor da resistividade. Em geral quanto maior o coeficiente de temperatura, maior sua resistividade e conseqüentemente maior a sua resistência elétrica imposta pelo condutor à passagem de corrente elétrica, diminuindo a sua condutividade. Com o aumento da temperatura os átomos se movem mais rápido dentro do material, aumentando o choque entre os elétrons livres e os átomos. Quanto melhor condutor for o material menor será sua resistividade. 
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Existe uma constante de proporcionalidade para cada tipo de material (resistividade elétrica). 
Essa constante (resistividade elétrica) é a resistência elétrica de um certo condutor com 1 metro de comprimento, 1 mm2 de área de seção transversal medida a temperatura ambiente constante de 20ºC.
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Resistividade: do material de que é feito o condutor (material elétrico). Ex: cobre (Cu), alumínio (Al), prata (Ag).
Resistência: do condutor elétrico. Ex: objetos feitos de cobre (Cu), alumínio (Al), prata (Ag). Depende do comprimento (L) e da área (S) do objeto.
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Observe os dois fios feitos do mesmo metal mas com comprimentos diferentes. No fio mais curto (1) existe menor resistência, portanto a eletricidade flui mais facilmente que no fio mais longo (2). A resistividade é a mesma nos dois fios (o material é o mesmo).
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 A resistência depende da espessura e do comprimento do condutor e também do material de que ele é feito (2ª Lei de Ohm)
 R = ρ . L ou ρ = R . S (Ω.mm2) ou (Ω.cm)
 S L (m) 
R = resistência elétrica (Ω)
ρ = resistividade elétrica do material (Ω.cm)
S = seção transversal (cm2)
l = comprimento do corpo condutor (cm)
Nota: 1 Ω.mm2 /m = 10-4 Ω.cm
Quanto menor a resistividade de um material, menor a sua 
resistência elétrica (para materiais diferentes mas de mesmo 
comprimento e área) e maior a sua condutividade elétrica.
 σ = 1 
 ρ
 σ = condutividade elétrica (Ω.cm)-1
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Pela teoria eletrônica clássica, o corpo condutor sólido possui uma cadeia cristalina iônica, e, envolvendo os íons, uma nuvem de elétrons livres. Esses elétrons são provenientes dos átomos do material e deslocados destes pela ação de uma força externa. No deslocamento dessa nuvem de elétrons através do material, estes se chocam com os íons do sistema cristalino, perdendo energia de deslocamento, e que se faz notar por um aquecimento do corpo. 
A equação que relaciona essa transformação de energia é a Lei de Joule-Lenz: W = γ . E2 .
W = quantidade de energia transmitida pela nuvem de elétrons por unidade de tempo.
E = campo elétrico aplicado
γ = condutividade elétrica
Relacionando a densidade da corrente com a resistência e o campo elétrico, tem-se: J = γ . E
J = densidade da corrente
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 A zero absoluto as estruturas cristalinas dos metais são perfeitamente simétricas, teoricamente os átomos não vibram o que implica em resistência elétrica nula (supercondutores). 
 Aumentando-se gradativamente a temperatura, as partículas vibram interferindo nos movimentos dos elétrons, isso implica em perdas nos deslocamentos e aquecimento do material condutor. Isso provoca aumento da resistência elétrica e diminuição da condutividade.
O coeficiente de temperatura da resistência é indicado por αT1
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A resistividade de um material depende da temperatura, aumentando quando se aquece o condutor, assim quando a temperatura de um condutor aumenta sua resistência também aumenta devido ao aumento da resistividade do material que o constitui e sua condutividade diminui. Portanto a resistência elétrica também depende da temperatura,
Normalmente a temperatura inicial é tomada como : T1 = 20ºC ou 25ºC.
Neste caso 
 αT1 = α20 
R T2 = R 20 [1+ α20 (T2 - 20)
 1 Ω.mm2 /m = 10-4 Ω.cm = 10-6 Ω.m 
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Condutores (metais): a resistência aumenta com o aumento da temperatura e portanto a condutividade diminui.
Semicondutores: a condutividade aumenta com a temperatura.
Isolantes: a condutividade é muito baixa (desprezível).
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Os metais são encontrados na natureza na forma de minérios (matéria prima para obtenção dos metais), que são ligações do metal com oxigênio, enxofre e outros elementos (normalmente aparecem como óxidos ou sais). Encontramos no estado puro apenas os metais nobres como o ouro e a platina e pequenas quantidades de prata e de cobre.
Principais condutores sólidos : prata, ouro, cobre, alumínio.
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Estrutura cristalina: apresentam uma disposição ordenada e regular de seus átomos.
Brilho típico: possuem elevada capacidade de reflexão à luz.
Opacidade: mantêm essa propriedade até serem reduzidos a lâminas muito finas (espessura inferior a 0,001mm).
Maleabilidade: capacidade de deformarem-se, produzindo chapas muito finas.
Ductibilidade: capacidade de se transformar em fios.
Elevada condutividade elétrica e térmica: bons condutores de corrente elétrica e de calor.
Sólidos na temperatura ambiente (exceto o mercúrio – Hg).
Encruamento: metaisdeformados a frio endurecem e reduzem sua condutividade elétrica.
Transformam-se em derivados metálicos quando expostos a certos ambientes. Ex: perante o oxigênio do ar formam-se óxidos. Todos os derivados metálicos são menos condutores que os metais de origem. 
Podem formar ligas metálicas pela capacidade de se combinarem entre si. Essas ligas tem grande importância nas aplicações elétricas.
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Os metais apresentam estrutura cristalina. Na maior parte dos casos a disposição cristalina dos metais segue o formato de um cubo (sistema cúbico), mas existem casos de disposição hexagonal. As estruturas cristalinas são classificadas conforme a forma geométrica que apresentam:
Estrutura cúbica de corpo centrado ou CCC: a estrutura terá a forma de cubo com um átomo extra em seu centro. Os metais ferro, cromo, tungstênio e molibdênio apresentam essa estrutura.
Estrutura cúbica de face centrada ou CFC: a estrutura terá a forma de um cubo com um átomo em cada uma de suas faces. Os metais alumínio, níquel, cobre, prata, ouro, platina e chumbo apresentam essa estrutura.
Estrutura hexagonal compacta ou HC: a estrutura terá a forma de um prisma hexagonal, com três átomos dentro dela. Os metais berílio, zinco e cádmio apresentam essa estrutura.
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Cobre (Cu): A principal razão para a utilização do cobre é sua excelente condutividade elétrica. O cobre possui pequena resistividade, somente a prata tem valor inferior, mas o seu custo elevado não permite o seu uso em quantidades grandes. Possui baixa oxidação para a maioria das aplicações.
O valor da condutividade informa o grau de pureza do cobre. A máxima pureza é encontrada no cobre obtido em ambiente sem oxigênio (neste caso o grau de pureza é 99,9%).
Principal minério de cobre: calcopirita ou sulfeto de ferro cobre (CuFeS2). Outros minérios de cobre: CuS2, Cu3FeS3, Cu2O e CuCO3.Cu(OH)2. 
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Alumínio (Al): segundo metal mais usado na eletricidade. O uso do alumínio em torres de linhas de transmissão elétrica, ao invés do cobre (que tem maior condutividade elétrica), é justificado pelo seu menor peso molecular e grande maleabilidade. Deste modo, o vão entre as torres pode ser maior (pois o alumínio suportará a deformação), o que implica em redução de custos de infraestrutura. 
Importância na substituição do cobre (Cu): é o elemento metálico mais abundante da crosta terrestre. Apresenta oxidação rápida, formando uma película de óxido de alumínio (alumina) que evita que a corrosão se amplie.
Principal minério de alumínio: bauxita (Al2O3 . H2O), composta por Al2O3, Fe2O3, e SiO2. A bauxita contém de 35% a 55% de óxido de alumínio (alumina). Este mineral é extraído da natureza e através dele se obtém a alumina (Al2O3), produto intermediário que leva a produção de alumínio metálico.
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Tungstênio (W): Metal escasso na crosta terrestre. É utilizado em filamentos de lâmpadas incandescentes, canetas esferográficas, em resistências elétricas, em ligas de aço. 
Principais minérios de tungstênio (W) são tungstato de cálcio: CaWO4, tungstato de chumbo: PbWO4 e wolframita ou tungstato de ferro-manganês: (Fe,Mn)WO4 e carbeto de tunstênio: WC.
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Os metais puros tem uma estrutura cristalina perfeita, o que reduz a sua resistividade e conseqüentemente aumenta sua condutividade.
O aumento da resistividade ocorre quando se realiza a liga de metais. Dois metais com valores de resistividades próprios, quando formam uma liga, apresentam geralmente uma resistividade maior que a dos seus componentes. As ligas metálicas possuem menor condutividade que seus componentes. Possuem propriedades diferentes dos elementos que as originam.
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Liga de cobre e zinco (latão).
Liga de cobre e estanho (bronze).
Liga entre ferro e carbono (aço).
Liga entre ferro, carbono, cromo e níquel (aço inoxidável).
Liga entre estanho e chumbo (solda).
Liga entre ouro, prata e cobre (ouro amarelo 18k).
Liga entre mercúrio, prata e estanho (amálgama dentário).