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Materiais Eletroeletrônicos Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Lincoln Ribeiro Nascimento Revisão Textual: Prof. Me. Luciano Vieira Francisco Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos • Estudo dos Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos • Conhecer os principais materiais isolantes e materiais magnéticos utilizados na in- dústria elétrica e eletrônica, assim como as essenciais aplicações desses materiais em projetos de Engenharia. OBJETIVO DE APRENDIZADO Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos Estudo dos Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos Os materiais isolantes apresentam baixa condutividade elétrica, ou seja, eleva- da resistividade. Qual é a importância de se estudar os materiais isolantes? Ex pl or A importância de se estudar os materiais isolantes está no fato de que podem ser utilizados para fabricar componentes eletrônicos onde há necessidade de evitar a passagem de corrente elétrica. Entre esses componentes pode-se destacar o re- vestimento de condutores elétricos, capacitores, entre outros. Os materiais magnéticos são assim chamados porque apresentam propriedades magnéticas, ou seja, atrair outros corpos de forma natural – ímãs – ou artificial. Qual é a importância de se estudar os materiais magnéticos? Ex pl or Ademais, os materiais magnéticos são fundamentais na indústria eletroeletrôni- ca para a fabricação, por exemplo, de transformadores de tensão elétrica. Outra aplicação essencial corresponde aos eletroímãs empregados em diversos equipa- mentos eletrônicos. A seguir veremos os materiais isolantes e depois os magnéticos. Materiais Isolantes Os materiais isolantes elétricos têm como característica principal o fato de os elétrons de sua camada de valência permanecerem rigidamente ligados aos seus átomos; isso faz com que não apresentem elétrons livres, o que dificulta ou impede a passagem da corrente elétrica. Existem diversas características que são comuns aos materiais isolantes elétricos, por exemplo: • Baixa condutividade elétrica; • Baixa condutividade térmica; • Alta resistividade elétrica; • Apresentam elevada rigidez dielétrica. 8 9 Rigidez dielétrica: é uma propriedade que expressa, de forma numérica, a capacidade de um isolante elétrico suportar tensões elétricas elevadas.Ex pl or Em outras palavras, a rigidez dielétrica representa o valor da intensidade de um campo elétrico no qual ocorre a ruptura do poder isolante de um isolante elétrico, ou seja, deixa de ser isolante elétrico e passa a conduzir eletricidade. Por esse moti- vo, os materiais isolantes elétricos são igualmente chamados de materiais dielétricos. A rigidez dielétrica de um isolante depende de diversos fatores, entre os quais pode-se destacar: • Espessura do isolante; • Dimensões e forma dos eletrodos utilizados para a aplicação da tensão; • Frequência da tensão aplicada; • Número de aplicações de tensão na unidade do tempo, pois a frequência de aplicação pode causar a fadiga do material; • Temperatura; • Grau de umidade; • Outros fatores. Um tipo de material normalmente considerado um bom isolante elétrico corres- ponde aos gases. Porém, imagine a superfície de dois condutores de eletricidade energizados, então separados entre si por um gás. Caso a diferença de potencial entre esses dois condutores seja demasiadamente elevada, junto às suas superfícies poderá surgir um campo elétrico de valor tal que o gás ou ar no meio do qual seja ionizado – que passe a ter cargas elétricas positivas e negativas. Se esse fato ocorrer, o efeito obtido será equivalente ao aumento das dimen- sões dos condutores, como se se aproximassem, visto que o gás ou o ar ionizado também se tornará material condutor de eletricidade – trata-se do efeito corona, responsável pela formação dos chamados arcos voltaicos. A ionização limita-se a uma pequena região em volta dos condutores. No ar, é visível sob o aspecto de uma luz violeta desbotada e sensível pelo cheiro de gás ozô- nio (O3), que é produzido pela ionização de moléculas do gás oxigênio (O2), então presente na atmosfera. 9 UNIDADE Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos Fonte de Alta Tensão Superfície de Material condutor Superfície de Material condutor Arco voltaico O3 O2 O2 Figura 1 – Ilustração do efeito corona entre duas superfícies de materiais condutores Na Figura 2 há um arco voltaico se formando entre dois condutores de eletrici- dade que apresentam diferença de potencial entre si: Figura 2 – Efeito corona entre dois condutores Fonte: iStock/Getty Images Materiais Isolantes Utilizados na Indústria Eletroeletrônica Existem diversos materiais isolantes elétricos que podem ser empregados na indústria eletroeletrônica, entre os quais se destacam: • Fibras naturais; • Porcelana; • Resinas plásticas; • Óleos; • Borrachas sintéticas; • Mica; • Vidro; • Madeira. 10 11 A seguir esses materiais serão brevemente apresentados. Fibras Naturais Os materiais isolantes classificados como fibras naturais incluem o algodão, a seda, o papel impregnado em óleo ou resinas, entre outros. A sua utilização é frequente nas seguintes situações: • Suportes isolantes; • Revestimento de cabos; • Capacitores; • Bobinas. Na Figura 3 há exemplos de capacitores nos quais podem ser aplicadas fibras naturais como isolantes elétricos em seu interior: Figura 3 – Exemplos de capacitores Fonte: iStock/Getty Images Capacitores: são dispositivos que contêm dois ou mais condutores isolados entre si por meio de materiais isolantes – dielétricos –, tendo como função armazenar carga e energia elétrica no campo eletrostático estabelecido entre esses dois condutores. Ex pl or Tal armazenamento ocorre quando o capacitor é submetido a uma diferença de potencial – tensão elétrica. Uma vez cessada essa diferença de potencial, o capaci- tor descarrega a sua carga elétrica por meio de seus terminais. 11 UNIDADE Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos Na Figura 4 vemos um ca- pacitor representado por duas placas de material condutor e separadas por material dielétri- co – note que o capacitor está submetidoa uma diferença de potencial devido à ação da fon- te de tensão elétrica, causando o seu carregamento: O capacitor possui inúmeras aplicações na indústria eletroe- letrônica, podendo servir para armazenar energia elétrica, car- regando-se e se descarregando muitas vezes por segundo. + – + – + – + – + – + – Material Dielético Placa de Material condutor Placa de Material condutor Fonte de Tensão Elétrica Figura 4 – Ilustração do funcionamento de um capacitor Porcelana As porcelanas são largamente empregadas como materiais isolantes devido à sua elevada rigidez dielétrica. A sua utilização é frequente nas seguintes situações: Figura 5 – Exemplo de aplicação de isoladores de porcelana Fonte: iStock/Getty Images 12 13 Resinas Plásticas As resinas plásticas são largamente utilizadas como materiais isolantes devido à sua boa rigi- dez dielétrica e ótima deformabilidade, o que permite moldar as resinas plásticas em diversos formatos específicos. São exemplos de mate- riais plásticos o poliéster, polietileno, Policlore- to de Vinila (PVC), teflon, entre outros. A sua utilização é frequente nas seguintes si- tuações: • Revestimentos de fios e cabos; • Capacitores; • Peças isolantes. Na Figura 6 temos um exemplo de aplicação de resinas plásticas como revestimento isolante de cabos de cobre: Figura 6 – Exemplo de aplicação de isolantes de resinas plásticas Fonte: iStock/Getty Images Óleos Os óleos utilizados como material isolante são representados pelo óleo mineral, ascarel, de silicone, entre outros. São amplamente empregados na indústria eletro- eletrônica nas seguintes situações: • Refrigeração e isolação em transformadores e disjuntores a óleo; • Para impregnar papéis usados como dielétricos em capacitores. Na Figura 7 há um exemplo de aplicação de óleo como material isolante em um transformador de tensão: Figura 7 – Exemplo de aplicação de óleos como isolantes (transformadores) Fonte: iStock/Getty Images 13 UNIDADE Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos Borrachas Sintéticas As borrachas sintéticas utilizadas como material isolante são representadas pelo neoprene, Etileno-Propileno (EPR), Polietileno Reticulado (XLPE), borracha butíli- ca, entre outras. Devido à sua flexibilidade e resistência, são recorrentemente empregadas na indústria eletroeletrônica como capas protetoras de cabos elétricos. Na Figura 8 temos um exemplo de aplicação de borrachas sintéticas como re- vestimento isolante de cabos de cobre: Figura 8 – Exemplo de aplicação de isolantes de borracha sintética Fonte: iStock/Getty Images Mica Mica é um material mineral amplamente utilizado nas seguintes situações: • Capacitores; • Cabos que precisam de elevada resistência ao fogo. Na Figura 9 vemos um exemplo de aplicação de mica em capacitores: Figura 9 – Capacitores fabricados utilizando mica Fonte: iStock/Getty Images 14 15 Vidro Como material isolante, o vidro é frequente nas seguintes situações: • Isoladores de linhas de transmissão; • Como fibras de vidro, no lugar dos papéis em algumas aplicações. Na Figura 10 vemos um exemplo de aplicação de vidro no formato de anéis atuando como isoladores em uma linha de transmissão de alta tensão: Figura 10 – Exemplo de aplicação de isoladores de vidro Fonte: iStock/Getty Images Madeira Como material isolante, a madeira é frequentemente usada em cruzetas nos postes de distribuição. Na Figura 11 há um exemplo de aplicação de madeira em um poste para sus- tentar os cabos elétricos: Figura 11 – Exemplo de aplicação de madeira em um poste de distribuição Fonte: iStock/Getty Images 15 UNIDADE Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos Materiais Magnéticos Utilizados na Indústria Eletroeletrônica O magnetismo, ou força magnética, é fundamental na geração e no aproveita- mento de energia elétrica; afinal, praticamente todo sistema eletromecânico utiliza conceitos relacionados ao magnetismo em seu funcionamento. Diversos equipamentos da indústria eletroeletrônica empregam efeitos do mag- netismo, tais como motores elétricos, indutores, transformadores, medidores, en- tre outros. Uma propriedade magnética fundamental ao estudo dos materiais magnéticos é conhecida como permeabilidade magnética. Permeabilidade Magnética: é a expressão de um material, em valores numéricos, da maior ou menor facilidade desse material permitir-se deixar atravessar por um fluxo mag- nético circulante. Ex pl or Ademais, a permeabilidade magnética varia em função da temperatura e inten- sidade de campo magnético aplicado. De acordo com as suas propriedades magnéticas, os materiais magnéticos po- dem ser classificados em três tipos: 1. Ferromagnéticos; 2. Diamagnéticos; 3. Paramagnéticos. Assim, conhecer as propriedades magnéticas dos materiais é de extrema impor- tância à indústria eletroeletrônica, pois materiais que sofrem influência de campos magnéticos, por exemplo, devem ser evitados em situações que isso possa prejudi- car o funcionamento de um equipamento eletroeletrônico. Por outro lado, um condutor de eletricidade que está submetido à passagem de corrente elétrica, mostra-se sujeito à formação de um campo magnético ao seu redor – esse comportamento pode ser utilizado em diversas aplicações de Engenha- ria, incluindo transformadores, motores, solenoides, entre outros. Materiais Ferromagnéticos Quando os materiais ferromagnéticos são submetidos a um campo magnético externo, adquirem um campo magnético no mesmo sentido do campo ao qual foram submetidos, permanecendo mesmo após a remoção do campo magnético externo. Em outras palavras, é possível afirmar que os materiais ferromagnéticos possuem uma espécie de “memória magnética”. Ademais, são fortemente atraídos pelos imãs. Existem poucos materiais que apre- sentam esse comportamento, entre os quais pode-se destacar o ferro, aço, níquel, cobalto e alguns de seus compostos. 16 17 Materiais Diamagnéticos Quando os materiais diamagnéticos são submetidos a um campo magnéti- co externo, adquirem um campo magnético no sentido contrário ao qual foram submetidos, de modo que esse campo magnético desaparece após a remoção do campo magnético externo. Ademais, tais materiais não são atraídos pelos imãs. Entre os que apresentam esse comportamento, pode-se destacar o vidro, a água, o antimônio, bismuto, chumbo, cobre, entre outros. Materiais Paramagnéticos Quando os materiais paramagnéticos são submetidos a um campo magnético externo, adquirem um campo magnético no mesmo sentido ao qual foram sub- metidos; porém, esse campo magnético desaparece após a remoção do campo magnético externo. Ademais, esses materiais são fracamente atraídos pelos imãs. Entre os que apre- sentam esse comportamento, pode-se destacar o alumínio, sódio, magnésio, cál- cio, entre outros. 17 UNIDADE Materiais Isolantes e Materiais Magnéticos Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Ciência e Engenharia dos Materiais Donald R. Askeland; Wendelin J. Wright, Ciência e Engenharia dos Materiais Ciência dos Materiais James F. Shackelford, Ciência dos Materiais Vídeos Eletromagnetismo - Aula 13 - Condutores, isolantes e semicondutores https://youtu.be/2lCTxwiYlZw Física Geral III - Aula 5 - Capacitores e Dielétricos - Parte 1 https://youtu.be/08B6k_8RMxg 18 19 Referências ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos Materiais. 3. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2014. CALLISTER JR., W. D.; RETHVISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais – uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. LESKO, J. Design industrial: materiais e processos de fabricação. São Paulo: Blucher, 2004. SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Mate- riais. 5. ed. Porto Alegre, RS: AMGH, 2012. 19
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