Propriedades elétricas e magnéticas dos materiais de engenharia

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Universidade Federal Fluminense 
Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda 
 
 
 
 
 
 
 
 
Materiais 
“Propriedades elétricas e magnéticas dos materiais de engenharia” 
 
 
 
 
 
 
Lucas Celso Pereira dos Santos 
 
Professor: Jefferson Lins 
 
 
 
 
 
 
VOLTA REDONDA 2021 
 
 
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Sumário 
Resumo ....................................................................................................................... 3 
1. Introdução ............................................................................................................ 3 
2. Propriedades Elétricas ........................................................................................ 3 
3. Propriedades Magnéticas .................................................................................... 7 
4. Conclusão .......................................................................................................... 10 
Referências ............................................................................................................... 10 
 
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Resumo 
 
Ao longo desse trabalho iremos estudar a fundo as propriedades elétricas e 
magnéticas dos materiais de engenharia, entendemos a importância dessas na 
sociedade moderna em que vivemos onde essas são muito usadas em diversas 
áreas da engenharia. É importante o conhecimento de onde vem tais 
propriedades para que a sociedade consiga desenvolver materiais cada vez 
mais sofisticados e possa seguir avançando rumo ao futuro. 
 
 
1. Introdução 
Assim como a maioria das propriedades dos materiais, as propriedades que 
serão abordadas nesse trabalho são uma combinação de fatores que culmina na 
caracterização de cada material e suas possíveis aplicações em diversas áreas. 
No caso da eletricidade e magnetismo, podem ser observadas influencias nos 
elementos que os compõem, nas ligações desses elementos e até em suas 
microestruturas. 
Para ser apresentado um conhecimento mais amplo do assunto, o foco será 
dado nas diferentes propriedades e não tanto em como essas são adquiridas por 
tocarem muita matéria especifica que acaba fugindo do escopo do curso. 
O texto irá tocar preferencialmente no âmbito dos metais que são os materiais 
de maior interesse no caso dessas propriedades, porém ressaltamos que 
existem diversos outros exemplos que tem notáveis características. Devem ser 
reconhecidos os limites de estudo e pesquisa para que não seja perdido o foco 
e o tema proposto acabe sendo tangenciado. 
 
2. Propriedades Elétricas 
Com exceção da ferroeletricidade, todas essas propriedades foram constatadas 
antes da descoberta do elétron o que demonstra a forma paralela que avança a 
Ciência dos Materiais em relação a Física e a sua natureza de progresso 
fortemente baseada no método empírico. 
Condutividade 
Como sugere o nome, essa característica importante define a facilidade que um 
material tem de conduzir cargas elétricas quando sujeito a uma diferença de 
potencial. Contribuem para ela alguns aspectos microscópicos como a 
disponibilidade de elétrons livres e suas quantidades, ou seja, a força da ligação 
dos elétrons com o núcleo atômico e a velocidade que esses podem se 
movimentar com o menor número de colisões. 
A principal unidade para essa grandeza é o inverso da resistividade, que pode 
ser denotado usando o Siemens ou apenas expressado como o inverso da 
resistividade. 
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Tabela 1 – Condutividade elétrica de diferentes metais. 
Resistividade 
Também conhecida como resistência elétrica, essa propriedade representa o 
quanto determinado material se opõe a passagem de uma corrente elétrica. Está 
ligada inversamente com a condutividade, quanto maior uma, menor a outra. É 
preciso lembrar que ambas essas propriedades estão ligadas também com a 
temperatura do material, nos metais a resistividade aumenta com o aumento da 
temperatura enquanto nos semicondutores o efeito inverso é observado. 
Para calcular a resistividade em determinado material é necessário o 
comprimento que a corrente deverá passar, a área de sua seção e a resistividade 
característica do material. 
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Tabela 2: Resistividade de diferentes materiais. 
Constante Dielétrica 
Essa propriedade é apenas de materiais isolantes e geralmente é usada em 
capacitores para determinar a capacitância desses. Ela é definida como a razão 
entre a permeabilidade elétrica do material e a do vácuo. Essa constante é 
adimensional porém não é um valor exatamente constante uma vez que ele 
muda de acordo com a frequência de maneira inversa. 
 
Tabela 3: Constante dielétrica de alguns materiais. 
Rigidez Dielétrica 
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Existe um limite de campo elétrico no qual, se ultrapassado, materiais isolantes 
se tornam condutores pois tem seus átomos ionizados. Esse valor é diferente 
para cada material e denominado Rigidez Dielétrica. 
Essa propriedade não é nada mais que a força do campo elétrico em que ocorre 
essa transição. Também é preciso lembrar que o mesmo pode alterar devido a 
mudança de condições como temperatura, tempo de aplicação da diferença de 
potencial, taxa de crescimento da tensão e no caso de gases a pressão. 
 
Tabela 4: Exemplo de Rigidez Dielétrica em alguns materiais. 
Piroeletricidade 
Essa propriedade é caracterizada pela capacidade de alguns materiais de gerar 
um potencial elétrico quando aquecidos ou resfriados. Essa mudança modifica 
levemente posições de alguns átomos na estrutura cristalina, o que altera a 
polarização e gera esse efeito. O potencial gerado é temporário e desaparece 
depois do tempo de relaxação dielétrico. 
Piezoeletricidade 
Essa característica é proveniente da habilidade de alguns cristais de gerar 
tensão elétrica a partir de alguma pressão mecânica sofrida por eles. Este 
processo pode ocorrer tanto da geração interna de uma carga elétrica com uma 
compressão como o inverso que seria a geração de uma tensão mecânica a 
partir de um campo elétrico. 
Para que esse efeito ocorra o material não pode ter uma simetria central, pois 
esse fenômeno é explicado pela assimetria de polarização iônica. Apesar disso, 
o efeito é observado em elementos puros mas nesse caso a polarização elétrica 
induzida é atribuída à distribuição eletrônica que sofre alteração externa. 
Termoeletricidade 
Esse efeito não deve ser confundido com a Piroeletricidade pois este é 
caracterizado por uma diferença de temperatura em partes diferentes da peça 
de material o que tem como consequência a conversão direta dessa diferença 
em tensão elétrica. O inverso também pode acontecer, uma tensão é aplicada e 
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gera uma diferença de temperatura, esse fenômeno é conhecido como efeito 
Peltier. 
Além do efeito Peltier essa propriedade é caracterizada também pelo efeito 
Seebeck e efeito Thomson, nos quais não entraremos em detalhes pois possuem 
um elevado grau de complexidade e um estudo apenas para eles. 
 
Imagem 1: Ilustração sobre como ocorre o efeito termoelétrico. 
Ferroeletricidade 
Essa característica é observada em alguns compostos que possuem polarização 
elétrica espontânea que pode ser alterada diante de um campo elétrico externo. 
Apesar do nome, a maioria desses materiais não apresentam ferro em sua 
composição, essa nomenclatura é devido a semelhança desse efeito com o 
magnetismo. 
Efeito Hall 
O efeito Hall está relacionado ao surgimento de uma diferença de potencial em 
um condutor elétrico, transversal ao fluxo de corrente e um campo magnético 
perpendicular à corrente. Essa característica é extremamente importante no 
estudo da condutividade, pois conhecendo do coeficiente de Hall é possível 
determinar o sinal e a densidade de portadores de carga em vários tipos de 
materiais. 
 
 
 
 
 
3. Propriedades Magnéticas 
 
O magnetismo dos materiais possui muitas aplicações tecnológicas atualmente. 
Os fenômenos magnéticos são muito diferentes do que observamos no cotidiano 
e são muito fascinantes no sentido científico, causando o interesse em estudos 
cada vez mais aprofundadosa respeito desse tipo de propriedade e seus 
fenômenos. 
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O magnetismo é uma propriedade dos átomos que tem origem em sua estrutura 
atômica. É resultado da combinação do momento angular orbital e do momento 
angular de spin do elétron. A forma como ocorre a combinação entre esses 
momentos angulares determina como o material irá se comportar na presença 
de outro campo magnético. É de acordo com esse comportamento que as 
propriedades magnéticas dos materiais são definidas. Elas podem ser 
classificadas em três tipos: diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos. 
Diamagnéticos 
São materiais que, se colocados na presença de um campo magnético externo, 
estabelecem em seus átomos um campo magnético em sentido contrário ao que 
foi submetido, mas que desaparece assim que o campo externo é removido. Em 
razão desse comportamento, esse tipo de material não é atraído por imãs. São 
exemplos: mercúrio, ouro, bismuto, chumbo, prata etc. 
Nesses materiais a magnetização deve-se exclusivamente ao momento angular 
orbital eletrônico induzido, portanto, existente apenas na presença de um campo 
magnético externo H. 
 
 
 
 
Paramagnéticos 
Pertencem a esse grupo os materiais que possuem elétrons desemparelhados, 
que, ao serem submetidos a um campo magnético externo, ficam alinhados no 
mesmo sentido do campo ao qual foram submetidos, que desaparece assim que 
o campo externo é retirado. São objetos fracamente atraídos pelos imãs, como: 
alumínio, sódio, magnésio, cálcio etc. 
Nesses materiais os átomos ou moléculas constituintes possuem momento de 
dipolo magnético permanente, resultante do momento angular de spin dos 
elétrons desemparelhados. Na ausência de H, as direções dos momentos de 
dipolo são aleatórias e o campo produzido pelo material é nulo. Nesses 
materiais, não ocorre um acoplamento magnético atômico porque a energia 
térmica dos átomos é mais significativa, governando o movimento local vibratório 
dos átomos. 
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Ferromagnéticos 
Quando esses materiais são submetidos a um campo magnético externo, 
adquirem campo magnético no mesmo sentido do campo ao qual foram 
submetidos, que permanece quando o material é removido. É como se 
possuíssem uma memória magnética. Eles são fortemente atraídos pelos imãs, 
e esse comportamento é observado em poucas substâncias, entre elas estão: 
ferro, níquel, cobalto e alguns de seus compostos. 
Esses materiais possuem um momento de dipolo magnético permanente e 
manifestam magnetizações muito grandes e permanentes, mesmo na ausência 
de H. Suas propriedades representam o ferromagnetismo, tendo como valores 
típicos: 103 ≲ χm ≲ 106 e µr > 100. 
 
 
 
Os momentos de dipolo magnético permanente dos átomos ou moléculas 
resultam do momento angular de spins não cancelados, ou seja, resultam da 
existência de elétrons desemparelhados. Observa-se, em escala atômica, 
mesmo na ausência de H, um acoplamento entre os momentos de dipolo 
magnético atômicos. 
Além disso, no caso de materiais que nunca foram expostos a campos 
magnéticos externos, observa-se, para volumes grandes em relação ao volume 
atômico, uma espécie de rede magnética, cujas células são denominadas 
domínios magnéticos. Os domínios magnéticos se caracterizam pelo 
alinhamento cooperativo entre os momentos de dipolo magnético atômicos em 
todo seu volume (magnetização de saturação). Também, possuem tamanhos, 
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formas e direções de suas respectivas magnetizações, tais que, o campo 
magnético produzido pelo corpo seja nulo. 
 
 
 
 
 
 
4. Conclusão 
Este trabalho teve como objetivo trazer conhecimentos elementares a respeito 
das propriedades elétricas e magnéticas dos materiais de engenharia. Sendo 
este estudo muito amplo e de alta complexidade quando analisado a fundo, nos 
atentamos aos conceitos básicos e que permitem aprender o suficiente para 
entender a engenharia e as aplicabilidades dos materiais na atualidade, além de 
tornar possível o entendimento de estudos mais aprofundados e específicos. 
 
 
 
 
Referências 
 
https://professorpetry.com.br/Ensino/Repositorio/Docencia_UFSC/Materiais_EEL_7051/Apostil 
a_Materiais.pdf 
https://www.dca.fee.unicamp.br/~attux/topico16.pdf 
https://www.antonioguilherme.web.br.com/blog/materiais-eletricos-e-magneticos/propriedades- 
eletricas/ 
D. CALLISTER JR., William. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 10. 
ed. Utah: LTC, 2020. 
https://semanaacademica.com.br/system/files/artigos/artigo_propriedades_magneticas_dos_ma 
teriais_e_suas_aplicacoes_04_11_2016_1_1.pdf 
HELERBROCK, Rafael. "O que é magnetismo? 
https://www.ctborracha.com/borracha-sintese-historica/propriedades-das-borrachas- 
vulcanizadas/propriedades-fisicas/propriedades-magneticas/