Aula 4

Ciência e Tecnologia dos
Materiais Elétricos
Aula 4
Prof.Clebes André da Silva
Aula 4
• Capítulo 3 – Materiais Condutores
Objetivo do capítulo:
- Breve estudo dos materiais condutores
- Aplicações em componentes elétricos
- Características, efeitos de emissão eletrônica e tópicos complementares do
assunto
3.1 Introdução
• Materiais condutores
Apresentam superposição entre Banda de Valência (BV) e Banda de
Condução (BC)
Energia de gap entre as bandas é nula (𝐸𝐺 = 0)
Definição de condutor:
Toda matéria que permite o estabelecimento de um fluxo ordenado de
elétrons em seu meio, compatível com a diferença de potencial aplicada.
3.2 Materiais e Dispositivos Condutores
3.2.1 Os Metais e suas Características
• Único portador de carga  elétron (em grande quantidade)
• Elevada condutividade
• Grande capacidade de:
• Deformação
• Moldagem
• Condutividade térmica
• Outras aplicações
• Dissipação de energia térmica
• Estruturas de sustentação
• Proteção mecânica
3.2.1 Os Metais e suas Características
• Características:
• Elevada condutividade elétrica e térmica
• Geralmente sólidos em temperatura ambiente
(exceto mercúrio)
• Estrutura cristalina regular
• Formação de ligas com diferentes metais
• Capacidade de deformação e moldagem
• Brilho  elevada reflexão da luz
• Opacos  até uma espessura de 0,001mm
• Encruamento  endurecem quando deformados a frio e reduzem sua condutividade
• Transformam-se em derivados perante certos ambientes
• No oxigênio do ar  transformam-se em óxidos
• Nos ácidos  Formação de sais
* Regra geral: todos derivados conduzem menos que os metais originais
3.2.1 Os Metais e suas Características
•
•
•
•
•
•
•
COBRE
ALUMÍNIO
PRATA
OURO
FERRO
CHUMBO
ESTANHO
•
•
•
•
•
•
•
PLATINA
MERCÚRIO
NÍQUEL
ZINCO
CROMO
TUNGSTÊNIO
CÁDMIO
3.2.1 Os Metais e suas Características
• COBRE
-
Um dos mais importantes para eletricidade
Baixa resistividade (pior apenas que a prata)
Boa flexibilidade
Fácil manuseio a frio e a quente
Alta condutividade térmica
Facilidade para laminar, soldar e emendar
Facilidade para capeamento por outros metais
Resistênte à corrosão
Baixa dureza
Média resistência à tração
Médio ponto de fusão (1083 graus)
Abundante
3.2.1 Os Metais e suas Características
• ALUMÍNIO
- Também um dos mais importantes na eletricidade
- Segundo metal mais usado na eletricidade
- Inferior ao cobre em:
- Propriedades mecânicas
- Propriedades elétricas
- Devido à abundancia é mais barato
- Ductil
- Maleável
- Pequena resistividade (maior que do cobre)
- Grande longevidade no ar (resistência à corrosão)
- Alta condutividade térmica
- Baixo ponto de fusão (659 graus)
- Mole
- Leve
- Camada de óxido de alumínio é altamente isolante
- Difícil soldagem
- Diferença de 2V para o cobre  predisposição à
corrosão galvânica do alumínio
3.2.1 Os Metais e suas Características
• PRATA
-
Condutor de menor resistividade
Aplicações especiais apenas devido ao custo
Resistente a corrosão
Usado para proteger outros metais – (prateação)
Fusão a 960 graus
3.2.1 Os Metais e suas Características
• OURO
-
Condutor de uso mais especial
Metal nobre
Preço elevado
Médio ponto de fusão (1063 graus)
Baixa resistividade elétrica (maior que do cobre e
prata, menor que do alumínio)
- Resistênte à oxidação e sulfatação
- Grande maleabilidade e ductibilidade
- Excelentes propriedades para o ramo eletrônico
- Peças de contato com baixas correntes
3.2.1 Os Metais e suas Características
• FERRO
- Condutor
- Grande resistência à tração, compressão, cisalhamento e
fadiga
- Grande tenacidade
- Alto ponto de fusão (1530 graus)
- Ferromagnético (permeabilidade magnética de 8000)
- Baixa resistividade
- Forma a liga de aço
- Ideal para lâminas de transformadores, relés, ferragens de
suporte, cabos resistentes, trilhos, barramentos, etc.
- Rápida e fácil corrosão
- Elevado efeito pelicular mesmo em baixas frequências
3.2.1 Os Metais e suas Características
• CHUMBO
- Metal mole e plástico
- Baixa resistividade (porém muito maior que dos outros
metais)
- Fácil soldagem
- Elevada resistência contra ação da água potável, sal e
ácidos.
- Não resiste à água destilada, vinagre, materiais
orgânicos em decomposição, cal
- É venenoso
- Proteção contra raio X, acumuladores chumbo ácido,
soldas
- Ponto de fusão de 327 graus
3.2.1 Os Metais e suas Características
• ESTANHO
-
Mole (porém mais duro que o chumbo)
Resistividade baixa
Não se oxida
Água não o ataca. Ácidos diluídos atacam levemente.
Muito utilizado em ligas:
- Com o cobre  Bronze
- Com o chumbo  Solda
- Usado em revestimento anti-corrosivo
3.2.1 Os Metais e suas Características
• Outros metais importantes:
•
•
•
•
•
•
•
PLATINA
MERCÚRIO
NÍQUEL
ZINCO
CROMO
TUNGSTÊNIO
CÁDMIO
3.2.1 Os Metais e suas Características
• Acabamento de materiais
- Extrusão:
- Método de moldagem
- Saída forçada na forma desejada
- Provoca endurecimento (encruamento)
- Trefilação:
- Deformação a frio
- Tração da peça e moldagem pelo escoamento
- Produz encruamento
- Recozimento:
-
Tratamento térmico
Aquecimento seguido de resfriamento lento
Alivia tensão interna do material
Reduz a dureza do encruamento
3.2.2 Carvão e Grafita
• Não metálicos
• Propriedades condutoras de eletricidade
• Grafita
• Baixa resistividade
• Comportamento inverso dos metais  resistividade se reduz com a temperatura
• Matéria prima: Carvão
• Produção  Processo de grafitização:
• Redução do carvão em pó
• Compactação
• Longos ciclos de aquecimento em torno de 2200 graus por passagem do corrente elétrica
• Aplicações:
• Resistores, potenciômetros, eletrodos de fornos, lubrificante, comutadores de motores.
• Aplicação em grão:
• Capsulas de microfone
3.2.3 Ligas Metálicas
• Ligas condutoras:
• Ligas de cobre: maior dureza, menor condutividade e ductibilidade
• Bronzes: cobre + estanho
• Latão: cobre + zinco
• Copperweld: condutor de cobre com núcleo de aço
• Ligas de alumínio: fácil usinagem, leves, maior resistência
• Duralumínio: Cobre 4% + Magnésio 0,5% + Manganês 0,5% + Alumínio
• Alumoweld: fio de alumínio com núcleo de aço
• Aldrey: Magnésio 0,3% + 0,7% Silício + Ferro + Alumínio
• Ligas de chumbo e estanho: resistentes a corrosão
3.2.3 Ligas Metálicas
• Ligas resistivas:
• Objetivo:
•
•
•
•
•
Transformar energia elétrica em energia térmica
Provocar quedas de tensão
Controlar nível de corrente
Resistência à corrosão à alta temperatura
Características favoráveis em sua dilatação e irradiação
• Empregos industriais:
•
•
•
•
•
Potenciômetros de fio, reostatos (potenciômetro de potência)
Resistores de alta dissipação
Fornos de siderurgicas, fogões elétricos
Ferro de soldar e passar
Estufas
3.2.3 Ligas Metálicas
• Principais ligas resistivas:
• Ligas de níquel-cromo
• Fornos elétricos, ferro de soldar e passar, estufas, fogões elétricos
• Ligas de níquel-cobre
• Termopares, resistências de precisão, reostatos,
• Ligas famosas: Constantan, Prata alemã, Cuprothal, Alloy 45, Constanloy, Advance,
Copel
• Ligas de cromo-ferro
• Aquecimentos em geral
• Ligas de cobre-manganês
• Resistores de medição
• Ligas de prata
• Resistores de regulação  resistência decresce com a temperatura
• Ligas de ouro-cromo
• Resistores de precisão
3.2.4 Peças de Contato
• Características:
•
•
•
•
Boa condutividade elétrica
Baixa dissipação de calor
Elevada dureza, tenacidade e rigidez  resistir a desgastes mecânicos e deformações
Capacidade térmica elevada
• Abertura de contatos geram arcos elétricos  até 6000 graus
• Alto ponto de fusão
• Suportar ambientes corrosivos (ácidos, salinos ou o ar)
• Materiais usados:
•
•
•
•
•
•
Metais nobres: geralmente ligas  Relés
Tungstênio: elevada dureza  Relés, botoeiras
Paládio: elevada resistência mecânica  Relés
Cobre: geralmente em ligas  interruptores, plugues, tomadas, fusíveis, chaves
Aço: alta resistência mecânica
Carvão: escovas de motores  baixo coeficiente de atrito.
3.2.5 Resistores
• Valor= (𝒙𝟏, 𝒙𝟐). 𝟏𝟎𝒙𝟑
• Tipos:
• Fixos
• Variáveis  Potenciômetros
• Ajustáveis  trimpot
Ajuste por parafuso
3.2.6 Fusíveis
https://www.youtube.com/watch?v=ItIIUPFOD9w
3.2.6 Fusíveis
• Tipos:
•
•
•
•
•
•
De rolha
De cartucho
Tipo faca
Diazed
De cartucho para alta tensões
Para circuitos eletrônicos
 Fórmula de Preece: Relação entre o diâmetro do fusível e a corrente de fusão:
3.3 Condutividade e Resistência Elétricas
• Densidade de corrente = 𝐽 (𝐴/𝑚2 )
• Corrente que flui através de uma área.
Cargas positivas
Cargas negativas
Corrente positiva no sentido do campo elétrico, corrente negativa no sentido contrário.
AKI
3.3 Condutividade e Resistência Elétricas
• Aceleração da partícula
• e (C - coulombs)= carga do portador de carga (elétron)
• m (kg - kilos) = massa do portador de carga
• E (V/m) = campo elétrico
A velocidade da partícula não aumenta indefinidamente devido às colisões
3.3 Condutividade e Resistência Elétricas
Mobilidade dos elétrons livres
 Velocidade média por unidade de campo elétrico
Velocidade de deriva  proporcional ao campo elétrico
Considere:
- Condutor de comprimento = l (m)
- Número de portadores livres = N
- Cada portador com carga = e
- Com velocidade média = v
3.3 Condutividade e Resistência Elétricas
 Elétrons livres por unidade de volume = 𝑚−3
Volume do condutor
3.3 Condutividade e Resistência Elétricas
Resistência a passagem de corrente elétrica CC = Rcc
Dicas:
Obrigada
[email protected]
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