Materiais isolantes, magnéticos e piezelétricos

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Materiais isolantes, magnéticos e
piezelétricos
Rodrigo da Silva Moraes
UNIPAMPA – Universidade Federal do Pampa
Alegrete - RS, Brasil
rodrigomoraes.aluno@unipampa.edu.br
Resumo—O estudo de materiais é de extrema importância
para todas as áreas da engenharia, devido às inúmeras aplicações
que envolvem os mais variados tipos de materiais. Neste artigo,
serão discutidas as propriedades e aplicações dos materiais
isolantes, magnéticos e piezelétricos, a fim de demonstrar a
importância dos mesmos na área da engenharia elétrica.
Keywords—Materiais, isolantes, magnéticos, piezelétricos,
eletricidade, engenharia.
I. INTRODUÇÃO
Nas áreas de engenharia e ciência de materiais, é necessária
compreensão das propriedades do material em que será usado
para alguma determinada finalidade. O estudo das propriedades
elétricas é essencial para alcançar o objetivo esperado, e não
deve-se limitar ao comportamento de condutores e
semicondutores, pois, em certas ocasiões é necessário utilizar
outros materiais.
Os materiais isolantes, magnéticos e piezelétricos
apresentam comportamentos distintos aos de materiais
condutores e semicondutores, isto devido às propriedades
químicas em que se encontram.
O bom entendimento sobre estas propriedades é essencial a
muitas aplicações que impactam nosso dia a dia, como a
fabricação de circuitos integrados, a distribuição de energia
elétrica, etc.
II. DESENVOLVIMENTO
A. Materiais Isolantes
De modo geral, materiais isolantes são materiais que
possuem poucos elétrons livres, resistindo ao fluxo de cargas.
Normalmente são usados para isolar superfícies de contato, isto
é, evitar acidentes com choques elétricos ou diminuir perdas em
fios condutores.[1]
Alguns tipos de materiais condutores são:
● Borracha;
● Plástico;
● Vidro;
● Cerâmica.
Em condições normais, materiais isolantes não
conduzem eletricidade, porém, em situações específicas o
contrário pode ocorrer. Essas condições podem ser altas
temperaturas, altas tensões mecânicas ou enorme diferença de
potencial elétrico.
Os materiais isolantes possuem muitas aplicações,
algumas delas sendo isolamento de cabos em baixa tensão,
dispositivos em alta tensão (máquinas, transformadores, cabos),
estruturas de média tensão (buchas, isoladores), espaçamento
de componentes em alta frequência, etc.
Figura 1 - Os fios de cobre, usados em motores e circuitos,
recebem uma camada de verniz isolante
Fonte:<https://brasilescola.uol.com.br/fisica/condutores-isolantes.h
tm>
Todos os materiais isolantes apresentam um limite de
campo elétrico que podem suportar, caso este valor seja
ultrapassado o material pode apresentar o comportamento de
condutor. Quando isto ocorre, dizemos que a rigidez dielétrica
do material foi rompida.
Abaixo podemos ver na tabela 1 os valores de rigidez
dielétrica de alguns materiais:
Tabela 1 - Valores máximos de campo elétrico em alguns
materiais
Material Rigidez dielétrica (V/m)
Ar 3𝑥106
Borracha 12𝑥106
Papel 16𝑥106
Quartzo 8𝑥106
Teflon 80𝑥106
Fonte: Brasil Escola
B. Materiais magnéticos
O magnetismo nos materiais é resultado da
combinação do momento angular orbital e do momento angular
de spin de um elétron na estrutura atômica dos átomos
presentes. A forma com que ocorre a combinação desses
momentos angulares determina o comportamento do material
quando for submetido a outro campo magnético.[3]
A partir deste comportamento, as propriedades
magnéticas dos materiais podem ser definidas em três tipos:
● Diamagnéticos: Quando colocado na presença de um
campo magnético, este material estabelece em seus
átomos momentos magnéticos alinhados contra o
campo externo. Assim que o campo magnético externo
é removido, seus átomos voltam ao estado normal.
Não são atraídos por ímãs. Alguns exemplos são:
mercúrio, ouro, bismuto, chumbo, prata, etc.
● Paramagnéticos: São materiais que possuem elétrons
desemparelhados, e quando são submetidos a um
campo magnético externo, seus átomos se alinham no
mesmo sentido do campo, que são desalinhados
quando o campo externo é removido. São fracamente
atraídos por ímãs. São eles: alumínio, sódio,
magnésio, cálcio, etc.
● Ferromagnéticos: Quando são submetidos a um
campo magnético externo, este tipo de material
adquire campo magnético no mesmo sentido ao qual
foi submetido, e permanece assim quando o campo
externo é removido. São fortemente atraídos por ímãs.
Poucos materiais apresentam este comportamento,
sendo eles: ferro, níquel, cobalto e alguns compostos.
Todos os materiais magnéticos possuem uma curva de
magnetização, mais conhecida como curva de histerese.
Dependendo do comportamento do material quando exposto a
um campo externo, o material pode ser classificado como
material ferromagnético duro ou material ferromagnético mole.
Os materiais ferromagnéticos duros são magnetizados
apenas quando é aplicado um campo magnético externo, e
apresentam magnetização residual alta. São materiais ideais
para ímãs permanentes, visto que, uma vez expostos a um
campo, mantém sua magnetização.[4]
Figura 2 - Curva de magnetização de materiais ferromagnéticos
duros
Fonte:
<https://www.preparaenem.com/fisica/materiais-magneticos-du
ros-moles.htm>
Materiais ferromagnéticos moles têm maior facilidade
para serem magnetizados, e apresentam magnetização residual
praticamente nula. Estes materiais são muito usados como núcleo
de eletroímãs, pois perdem sua magnetização quando a corrente
elétrica é desligada.
Figura 3 - Curva de magnetização de materiais ferromagnéticos
dutos
Fonte:
<https://www.preparaenem.com/fisica/materiais-magneticos-duro
s-moles.htm>
C.Materiais piezelétricos
Os materiais piezelétricos apresentam o chamado efeito
piezoelétrico, que é a capacidade de um material de gerar tensão
elétrica por resposta a uma pressão mecânica.
A carga gerada por estes materiais é proporcional à
força aplicada, como mostrado na equação 1:
𝑞 = 𝑘𝑓
Onde:
q = carga induzida;
k = constante piezoelétrica;
f = força aplicada.
O efeito piezoelétrico pode ser classificado como direto
e indireto, sendo:
● Direto: Quando há geração de tensão como resultado da
deformação mecânica do material;
● Indireto: Quando há deformação do material quando
aplicada uma tensão elétrica.
Este tipo de material pode ser encontrado em
componentes de impressoras, alto-falantes, guitarras elétricas,
imagens de ultrassom, etc.[5]
Alguns exemplos de materiais piezelétricos são o quartzo, a
turmalina e o titanato.
Abaixo, podemos ver um exemplo de como o efeito
direto funciona:
Figura 4 - Exemplo de efeito direto.
Fonte: Martins (2016)
CONCLUSÃO
Podemos concluir que o estudo sobre materiais na área da
engenharia elétrica não pode se limitar apenas aos condutores e
semicondutores, visto que pode-se obter muitas vantagens de
outros tipos de materiais, de modo que possibilita um leque
maior de aplicações que facilitam nossa vida diariamente.
REFERÊNCIAS
[1] HELERBROCK, Rafael. “Condutores e isolantes”, Brasil escola.
Disponível em:
<https://brasilescola.uol.com.br/fisica/condutores-isolantes.htm>
[2] HELERBROCK, Rafael. “O que é rigidez dielétrica?”, Brasil escola,
Disponível em:
<https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-rigidez-dieletrica.
htm>
[3] TEIXEIRA, M. Mariane. “Propriedades magnéticas dos materiais”,
Mundo Educação. Disponível em:
<https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/propriedades-magneticas-dos-
materiais.htm>
[4] SILVA, C. M. Domiciano. “Materiais magnéticos duros e moles”, PrePara
Enem. Disponível em:
<https://www.preparaenem.com/fisica/materiais-magneticos-duros-moles.htm>
[5] CRISTAIS piezoelétricos. Engenheiro de Materiais, 2016.Disponível em:
<https://engenheirodemateriais.com.br/2016/03/09/cristais-piezoeletricos
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