Materiais elétricos - Professor Barbieri

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ENGENHARIA ELETRICA
MATERIAIS
ELÉTRICOS
Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERI
S.J. dos Campos
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1. INTRODUÇÃO
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1.1 – Introdução aos materiais elétricos
A indústria de elétrica e eletrônicos desde sempre teve uma grande
necessidade de novos materiais com melhores características e de
fácil utilização, como:
Grandes avanços como os associados ao desenvolvimento de ligas
metálicas, ligas avançadas em geral e materiais cerâmicos, tornaram
possível melhorara eficiência e deixar menos consumo dos
equipamentos eletrônicos e elétricos;
Substituição de novos materiais e o aperfeiçoamento de
materiais existentes, bem como da disponibilização de materiais mais
leves, mais resistentes, mais tenazes, mais tolerantes aos danos,
e/ou mais resistentes a altas temperaturas, recicláveis e fáceis de
reparar, para uma nova geração de componentes mais seguros,
econômicos e eficientes;
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1.2 – Necessidade do Estudo dos Materiais Elétricos
Materiais: são as substâncias com as quais se produz objetos ou
coisas, e os Materiais Elétricos são utilizados na fabricação de
máquinas,equipamentos e dispositivos elétricos.
O estudo dos Materiais
materiais visando:
Elétricos
permite
selecionar
esses
Aumento da confiabilidade,
Redução de custos de fabricação,
Redução do custos de manutenção
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1.3 – Requisitos fundamentais para os profissionais da Área Elétrica
Perceber as perspectivas futuras;
Entender como as propriedades químicas, elétricas, físicas,
térmicas, óticas, mecânicas, a disponibilidade e o custo dos
materiais se relacionam no projeto e na seleção;
Saber que apesar do avanço das ciências, muitos desafios ainda
estão por vir (ex. tudo que se relaciona com Impacto Ambiental e
Sustentabilidade).
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1.4 – Regras práticas para seleção dos materiais elétricos
• Conhecimento do material e as condições a que estará sujeito.
• Propriedades consistentes com as condições de serviço.
• Efeito das mudanças de condições além dos limites normais.
• Listagem de todos os materiais possíveis
• Eliminação dos materiais de propriedades inadequadas, tais como
fratura, corrosão, segurança, alto custo, disponibilidade, etc
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1.5 – Classificação dos materiais na engenharia
Por convenção os materiais na engenharia são classificados, como:
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1.5.1 – Materiais metálicos (condutores)
Elementos com valência 1, 2 ou 3
Ligação metálica (compartilh. dos elétrons livres)
Microestrutura cristalina
Dúcteis (alta plasticidade)
Rígidos (alto módulo de elasticidade)
Tenazes (resistentes a trincas)
Encruáveis (endurecem por deformação)
Opacos
Bons condutores de calor e eletricidade
Temperáveis ( mais de uma fase alotrópica)
Ligas endurecíveis por precipitação
Ativos quimicamente
Propagação de discordâncias muito mais fácil
Ex: Aços, Ligas de alumínios, ligas de titânios etc..
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1.5.2 – Materiais poliméricos (isolantes)
Longas cadeias de moléculas repetidas
Ligações covalentes nas cadeias (entre as cadeias é secundária nos
Termoplásticos e covalente nos termofixos)
Baixa temperatura de fusão ou de decomposição
Microestrutura amorfa ou pouco cristalina
Pouco rígidos
Maus condutores de calor
Viscoelásticos e dúcteis acima da temperatura de transição vítrea
Pouco densos
Bons isolantes elétricos
Podem ter boa resistência química e
Ótima fabricabilidade
Ex:Termoplasticos,Termoelasticos,Elastomeros etc..
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1.5.3 – Materiais cerâmicos (isolantes)
Em geral a combinação de metais com não-metais (valência 5, 6 ou 7)
Ligação iônica ou covalente
estrutura cristalina (complexa) ou vítrea
Alta rigidez
Alta dureza
Frágeis
Não encruáveis nem maleáveis
Quimicamente estáveis
Propagação de discordâncias quase impossível
Alto ponto de fusão
Isolantes elétricos
Maus condutores de calor
Ex: Vidros, cerâmicas, carbertos etc..
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1.5.4 – Materiais compósitos (isolantes-condutores)
Combinação de dois ou mais materiais cujas propriedades são
diferenciadas das dos constituintes
Formados por dois materiais a nível macroscópico
Enorme gama de propriedades
Excelentes rigidez e resistência específicas
Fibras e matriz cerâmicas resistem a altas temperaturas
Baixa densidade
Excelente resistência mecânica
Ex:Fibras de carbono, Kevlar, Matriz de epoxy, etc
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1.5.5 – Materiais semicondutores
Liga PbSnTe
Si, Ge, GaAs
Base da indústria eletrônica
Todos os componentes eletrônico do computador
Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas
(dopantes)
Podem ser combinados entre si para gerar propriedades
eletrônicas e óticas sob medida
São a base da tecnologia de opto-eletronicos-lasers, detetores,
circuitos integrados óticos e células solares.
Ex: Silício , germânio, boro, carbono, etc
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1.6 – Classificação dos materiais na tabela periódica
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1.6 – Classificação dos materiais na tabela periódica
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1.6 – Classificação dos materiais na tabela periódica
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1.7 – Classificação dos materiais na engenharia elétrica
Divisão do Estudo dos Materiais Elétricos:
• Materiais Condutores: São materiais que deixam a corrente elétrica
circular livremente por seu interior.
Exemplos: Alumínio, Bronze, Cobre, Estanho, etc.
• Materiais Dielétricos ou Isolantes: São materiais capazes de prover a
separação entre diferentes elementos condutores apresentando grande
oposição a passagem de corrente elétrica em seu interior.
Exemplos: Borracha, Porcelana, PVC, Papel etc.
• Materiais Semicondutores: São materiais que possuem condutividade
intermediária entre a dos condutores e isolantes.
Exemplos: Germânio, Silício.
• Materiais Magnéticos: São materiais que
magnéticos.
Exemplos: Aço Silício, Alnico e Ferrite de Bário.
interagem
com
campos
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1.8 – Comportamento elétrico dos materiais
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1.8 – Comportamento elétrico dos materiais
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1.8 – Comportamento elétrico dos materiais
Propriedades dos materiais sólidos
- dependem do arranjo geométricos dos átomos
- dependem das interações que existem entre os átomos e as
moléculas que constituem os sólidos
Em materiais sólidos
- os átomos são mantidos por ligações
Ligações
- propiciam resistência
- propiciam propriedades elétricas e térmicas dos materiais
Ligações fortes
- Baixa condutibilidade elétrica
- coeficientes de dilatação térmicas bem baixas
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1.8 – Comportamento elétrico dos materiais
Ligação iônica
- Ligação forte -> baixa condutibilidade elétrica -> isolante
Ligação covalente
- Ligação forte -> alta condutibilidade elétrica -> isolante
Ligação metálica
- Ligação forte -> alta condutibilidade elétrica -> condutor
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1.8 – Comportamento elétrico dos materiais
Classificação das 14 Células Unitárias de Bravais, baseada nos 7 Sistemas
Cristalinos
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1.8 – Comportamento elétrico dos materiais
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2. CONDUTORES
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2.1 – Conceituação
Os materiais condutores: são caracterizados por diversas
grandezas, dentre as quais se destacam: condutividade ou
resistividade elétrica, coeficiente de temperatura, condutividade
térmica, potencial de contato, comportamento mecânico, etc.
Estas grandezas são importantes na escolha adequada dos
materiais, uma vez que das mesmas vai depender se estes são
capazes de desempenhar as funções que lhe são atribuídas.
A escolha do material condutor mais adequado, nem sempre recai
naquele de características elétricas mais vantajosas, mas sim, em
outro metal ou uma liga, que, apesar de eletricamente menos
vantajoso, satisfaz as demais condições de utilização.
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2.1 – Conceituação
Em um átomo neutro o número de elétrons é igual ao número de
prótons (o átomo é um sistema eletricamente nulo);
Quando há um desequilíbrio, dizemos que o átomo está ionizado;
Se apresentar elétrons em excesso, o átomo estará ionizado
negativamente, se apresentar falta de elétrons estará ionizado
positivamente:
Ganham-se elétrons  anions (-)
Perdem-se elétrons  cátions (+)
É importante observar que o número de prótons é constante, o que
se altera é o número de elétrons, isto é, para ionizar o átomo
negativamente colocamos elétrons a mais, e se quisermos ionizar o
átomo positivamente, retiramos elétrons.
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2.2 – Metais como condutores elétricos
Em alguns tipos de átomos, especialmente os que compõem os
metais - ferro, ouro, platina, cobre, prata e outros, a última órbita
eletrônica perde um elétron com grande facilidade, por isso seus
elétrons recebem o nome de elétrons livres.
Quanto menor for sua orbita, mais fácil de ser retirado o elétron
da ultima camada.
No interior dos metais os elétrons livres vagueiam por entre os
átomos, em todos os sentidos sem direção definida.
A condução do fluxo de elétrons livres, ou a circulação de uma
corrente elétrica é notada tanto em materiais sólidos quanto nos
líquidos, e, sob condições favoráveis, também nos gasosos.
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2.2 – Metais como condutores elétricos
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2.2 – Metais como condutores elétricos
Os átomos dos elementos correspondentes às substâncias condutoras
perdem espontaneamente elétrons do último nível energético dando origem a
um íon positivo e a um ou mais elétrons livres.
A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está mostrada na
figura onde vemos íons positivos envolvidos por elétrons livres em movimento
aleatório.
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2.2 – Metais como condutores elétricos
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2.2 – Metais como condutores elétricos
Sob o ponto de vista prático, a maioria dos materiais condutores
são sólidos, e dentro desse grupo, ressaltam-se, os metais que,
devido à facilidade de fornecer elétrons livres, são usados para
fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos;
No grupo dos líquidos, vale mencionar os metais em estados de
fusão, eletrólitos e as soluções de ácidos, de bases e de sais.
Quanto aos gasosos, estes adquirem características condutoras
sob a ação de campos muito intensos, quando então se podem
ionizar.
É o caso das descargas através de meios gasosos, conhecido por
plasma, normalmente, os gases, mesmo os de origem metálica, não
podem ser utilizados nem considerados como condutores.
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2.3 – Materiais de elevada condutividade
Os materiais condutores
condutividade elétrica.
caracterizam-se
por
uma
elevada
Possuem também grande capacidade de deformação, moldagem e
condutividade térmica.
Com exceção do mercúrio e dos eletrólitos, que são condutores
líquidos, e do plasma (gás ionizado) que é gasoso, os materiais
condutores são geralmente sólidos e, neste caso, incluem-se os
metais, suas ligas e não-metais como o carvão, carbono e grafite.
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2.3 – Materiais como condutores elétricos
Exemplos de bons condutores:
Metais (como o cobre, alumínio, ferro, etc.) usados
enrolamentos de máquinas elétricas e transformadores, etc.
para
Ligas metálicas usadas para fabricação de resistências, aparelhos
de calefação, filamentos para lâmpadas incandescentes, etc.
Grafite;
Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido sulfúrico. etc.);
Água da torneira, água
exemplo, as das piscinas);
salgada,
água
ionizada
(como,
por
Corpo humano;
Ar úmido.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
Vejamos alguns dos metais mais utilizados na área de Engenharia
Elétrica:
2.4.1 Cobre e suas Ligas
• O cobre tem cor avermelhada característica, o que o distingue de outros
metais, que, com exceção do ouro, são geralmente cinzentos, com diversas
tonalidades.
• O valor da condutividade informa sobre o grau de pureza do cobre, ou
seja, condutividade elétrica do cobre é muito influenciada na presença de
impurezas, mesmo em pequenas quantidades.
• O principal minério de cobre é o CuFeS2, vindo a seguir o Cu2S, o Cu3FeS3,
o Cu2O e o CuCO3 e Cu(OH)2.
• A porcentagem de cobre nesses minérios varia de 3,5 a 0,5 %.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
• As principais jazidas se localizam no Congo, Rodésia do Norte, Estados
Unidos da América, Austrália, Espanha, Suécia, Noruega e Chile.
Destaque-se então que a condutividade elétrica do cobre é muito
influenciada na presença de impurezas, mesmo em pequenas quantidades.
A resistividade do cobre a 20oC é de: ρcu = 1,7241μcm2/cm e seu
coeficiente de termo resistividade vale: α = 0.00393/ºC.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.1.2 Processo de obtenção:
Os processos de obtenção se classificam em processo seco e por via umída.
Processo seco. Após a eliminação parcial do enxofre, efetua-se uma redução
em fornos de fusão, através de carvão e aditivos ácidos que irão absorver
grande parte do ferro.
2Cu2O + Cu2S  6Cu + 502
Por via úmida. Minérios pobres em cobre são industrializados por um
processo úmido. Aplicando-se ao minério uma solução de enxofre, obtém-se
uma solução de sulfato de cobre, da qual o cobre é deslocado pela ação do
ferro.
o processo eletrolítico de se obter o cobre, representado por mais de 90 %
de todo o cobre obtido mundialmente.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.1.2 Processo de purificação:
A pureza do cobre para fins elétricos deve atingir valores de 99,99 %.
O cobre é transformado em placas anódicas e inserido num processo
eletrolítico.
O catodo é formado de chapas de cobre ultra puras e o eletrólito de uma
solução de sulfato de cobre com acidificação por enxofre.
Durante o processo eletrolítico, todo o cobre do anodo se transfere ao
catodo, ficando as impurezas, como Fe, Ni, Co e Zn, retidas no eletrólito.
Havendo, entre as impurezas, metais nobres como Ag, Au e Pt, estes se
depositam no fundo da cuba eletrolítica, fazendo parte da chamada "lama do
anodo".
O cobre eletrolítico assim obtido não pode ser laminado, havendo,
portanto, necessidade de sua fusão, daí resultando os lingotes, próprios
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para a industrialização.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.1.3 Aplicações do Cobre:
Em função de suas propriedades, o cobre, nas suas diversas formas
puras, tem determinadas suas aplicações.
O cobre encruado ou duro é usado nos casos em que se exige elevada
dureza, resistência à tração e pequeno desgaste, como no caso de redes
aéreas de cabo nu em tração elétrica, particularmente, para fios
telefônicos, para peças de contato e para anéis coletores.
Em todos os demais casos, principalmente em enrolamentos, barramentos
e cabos isolados, se usa o cobre mole ou recozido.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.1.4 Ligas de Cobre:
A escolha de uma liga deve considerar também os aspectos econômicos.
A adição de certos elementos (por exemplo, o níquel e o estanho) pode
aumentar o preço da liga, aumentando certas propriedades, ao passo que, a
presença de outros elementos (zinco, chumbo) permite abaixar o preço sem
redução notável de características técnicas.
Existem 3 grupos básicos de ligas:
Latões: ligas Cu-Zn (existem ainda os latões de chumbo,
Cu-Zn-Pb, de estanho, Cu-Zn-Sn...
Bronzes: ligas Cu-Sn (existem ainda os bronzes de alumínio,
Cu-Al, de silício, Cu-Si, de berílio, Cu-Be)
Cuproníqueis: ligas de Cu-Ni
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.2 Alumínio e suas Ligas
O alumínio é o segundo metal mais usado na eletricidade, havendo nos
últimos anos uma preocupação permanente em substituir mais e mais as
aplicações do cobre pelo alumínio, por motivos econômicos em função de
grandes reservas em jazidas (7 % de toda a crosta terrestre é alumínio).
Alguns aspectos, baseados principalmente no custo e produção nacional
maior do alumínio, têm levado a crescente preferência pelo alumínio, cujo
maior problema é a sua fragilidade mecânica e sua rápida oxidação.
Essa rápida oxidação, forma uma fina película de óxido de alumínio e esta
película apresenta uma resistência elétrica elevada com uma tensão de
ruptura de 100 a 300V, o que dificulta a soldagem do alumínio, que por essa
razão exige pastas especiais.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.2.1 Obtenção do Alumínio
Os principais minérios são a bauxíta (Al2O3.H20),
misturado com impurezas, como o ferro e outros aditivos.
freqüentemente
Para a obtenção do alumínio, a bauxita é finamente moída, é colocada
numa solução concentrada de sódio sob pressão e a uma temperatura de 160
a 170 0C.
Nessa fase, o alumínio do minério se transforma em aluminato de sódio,
eliminando o ferro e outros aditivos na forma de uma lama.
É feita a filtragem, sendo depois a solução do aluminato com hidróxido de
alumínio puro cristalizado, quando então o alumínio dissolvido se separa na
forma de Al(OH)3, que,, resulta em Al203 puro.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
Finalmente o óxido de alumínio é aplicado o processo eletrolítico. O anodo
é um eletrodo de carbono; o catodo é a cuba de aço revestida com carbono
internamente.
O alumínio é o meio líquido, em fusão, que ficará sob a ação de uma
tensão elétrica de aproximadamente 6 V e a corrente de 10 kA a 30 kA.
O alumínio que se deposita no catodo é pouco mais pesado que o eletrólito
em fusão, o que faz com que se deposite no fundo.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.2.3 Aplicações do Alumínio
O pequeno peso específico das ligas de alumínio leva, na área eletrotécnica,
às seguintes aplicações principais:
em equipamento portátil, uma redução de peso;
em partes de equipamento elétrico em movimento, redução de massa, da
energia cinética e do desgaste por atrito;
de peças sujeitas a transporte, maior facilidade nesse transporte,
extensiva à montagem dos mesmos;
em estruturas de suporte de materiais elétricos (cabos, por exemplo)
redução do peso e conseqüente estrutura mais leve;
em locais de elevada corrosão, o uso particular de ligas com manganês
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.3 Chumbo e suas ligas
O chumbo é um metal de coloração cinzenta, com um brilho metálico
intenso quando não oxidado. Sua oxidação superficial é, porém bastante
rápida.
Apresenta elevada resistência contra a ação da água potável, devido à
presença de carbonato de chumbo, sal, ácido sulfúrico.
Não resiste a vinagre, materiais orgânicos em apodrecimento e cal. O
chumbo é atacado pela água destilada. O chumbo é venenoso.
Nas aplicações elétricas, é freqüentemente encontrado, reduzido a finas
chapas ou folhas, como nas blindagens de cabos com isolamento de papel,
acumuladores de chumbo ácido e paredes protetoras contra a ação de raios
X.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
Ainda o chumbo é encontrado em elos fusíveis e em material de solda.
Nas ligas, o chumbo é encontrado junto com antimônio, telúrio, cádmio,
cobre e estanho, adquirindo assim elevada resistência mecânica e à
vibração, ficando, porém prejudicada a resistência a corrosão.
Suas aplicações mais comuns, são na indústria química e de papel, nas
tubulações de águas salinas, mancais anti-fricção, projéteis de armas,
usinas de energia nuclear e elemento liga de latões, bronzes e aços (para
melhorar a usinabilidade).
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.4 Estanho e suas ligas
O metal é branco prateado, mole, porém mais duro que o chumbo.
Nota-se que a resistividade do estanho é elevada, o que faz esperar um
elevado aquecimento perante a passagem de corrente.
Utilizado em temperaturas inferiores a 160o C, o metal apresenta
manchas cinzentas, que desaparecem se o metal é novamente aquecido.
Ao contrário, se aquecido acima de 180ºC, o material se torna quebradiço
e se decompõe na forma de pequenos cristais.
À temperatura ambiente normal, o estanho não se oxida, e ácidos diluídos
o atacam apenas lentamente.
Por isso o estanho é usado para revestimento e está presente em ligas,
como no bronze.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
A exemplo do chumbo, o estanho é encontrado como material de solda.
O minério de estanho já está esta se tornando bastante raro.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.5 Prata e suas ligas
É o metal nobre de maior uso industrial, notadamente nas peças de
contato.
A cor prateada brilhante é característica, escurecendo-se devido ao
óxido de prata ou sulfeto de prata que se forma em contato com o ar.
Sua obtenção resulta freqüentemente de minérios combinados de prata,
cobre e chumbo.
A prata, devido às suas características elétricas, químicas e mecânicas, é
usada em forma pura ou de liga, cada vez mais em partes condutoras onde
uma oxidação ou sulfetação não viria criar problemas mais sérios.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
É o caso de peças de contato, notadamente nas parte em que se dá o
contato mecânico entre duas peças.
No caso da prata, no seu estado puro, encontra o seu uso nas pastilhas
de contato, para correntes relativamente baixas;
A prateação, numa espessura de alguns micrometros, é usada para
proteger peças de metal mais corrosível.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.6 Ouro e suas ligas
Esse metal, que apresenta uma condutividade elétrica bastante boa,
destaca-se pela sua estabilidade química e pela conseqüente resistência a
oxidação, sulfetação, etc.
Também suas características mecânicas são adequadas para uma série de
aplicações elétricas, havendo porém a natural limitação devido ao seu preço.
O ouro é encontrado eletricamente em peças de contato na área de
correntes muito baixas, casos em que qualquer oxidação poderia levar à
interrupção elétrica do circuito.
E o caso de peças de contato em telecomunicações e eletrônica. Seu uso
nesse caso é feito na forma pura, não sendo encontrado em forma de liga,
pois esta somente eliminaria as propriedades vantajosas que o ouro
apresenta.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.7 Platina e suas ligas
Ainda na família dos metais nobres, encontramos a platina, que também é
bastante estável quimicamente.
É relativamente mole, o que permite uma deformação mecânica fácil, bem
como sua redução a folhas, com espessuras de até 0,0025mm, ou a fios
finos, com diâmetro de até 0,015mm ou ainda menores através de processos
especiais.
Devido às suas propriedades antioxidantes o seu uso elétrico é encontrado
particularmente em peças de contato, anodos, fios de aquecimento.
É o metal mais adequado para a fabricação de termoelementos e
termômetros resistivos (Na faixa de - 200 a + 500oC, a platina permite a
leitura mais exata da temperatura do que outros metais.
A platina a essas temperaturas não sofre transformações estruturais,
fazendo com que a resistividade varie na mesma proporção da temperatura.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
2.4.8 Níquel e suas ligas
É um metal cinzento claro, com propriedades ferromagnéticas.
Puro, é usado em forma gasosa em tubos e para revestimentos de metais
de fácil oxidação.
É resistente a sais, gases, materiais orgânicos sendo porém sensível à
ação do enxofre.
O níquel se caracteriza ainda por uma elevada estabilidade de suas
propriedades mecânicas, mesmo a temperaturas bem baixas.
Magneticamente, o níquel pode ser magnetizado fracamente, não sendo
mais magnético acima de 356oC (temperatura de Curie).
Seu uso resulta assim para fios de eletrodos, anodos, grades, parafusos.
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2.4 – Materiais de elevada condutividade
Aliás, todas as ligas de níquel se identificam por serem resistentes,
mecanicamente, e contra a corrosão e por suportarem bem o calor.
Nas lâmpadas incandescentes, fios de níquel são usados como
alimentadores do filamento de tungstênio (W) devido ao seu comportamento
térmico.
O seu elevado coeficiente de temperatura o recomenda para termômetros
resistivos.
A condutividade elétrica do cobre cai rapidamente na presença do níquel,
chegando ao seu valor mínimo a 50% de Ni.
Assim, ligas de níquel são adequadas na fabricação de resistores, a
exemplo do Konstantan. Monel, e outros.
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2.5 – Propriedades elétricas dos condutores
Tabela de condutividade
Tabela de resistividade
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3. PROPRIEDADES
ELÉTRICAS E
TERMICASDOS
CONDUTORES
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Porque estudar as propriedades elétricas ? O estudo das propriedades
elétricas busca explorar como os materiais respondem a aplicação de um
campo elétrico.
Corrente elétrica: é o movimento ordenado dos elétrons no interior de um
condutor.
SÍMBOLO - I (Intensidade de Corrente Elétrica)
UNIDADE - AMPÈR (A)
Como obter uma corrente elétrica?
Para obtermos uma corrente elétrica precisamos de um circuito elétrico e
são necessários três elementos:
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Corrente elétrica: Num fio metálico condutor, os elétrons livres não estão
em repouso e seus movimentos são totalmente desordenados.
Para orientá-los estabelece-se entre dois pontos desse condutor uma
diferença de potencial (ddp), que origina um campo elétrico (E), responsável
pela orientação do movimento desses elétrons livres.
Sendo a carga de um elétron negativa, eles se movem em sentido
contrário ao do campo elétrico. Observe na figura, que, devido à diferença
de potencial (VA – VB), os elétrons livres (portadores de carga) são repelidos
pelo pólo negativo , de potencial VB da bateria (gerador) e atraídos pelo pólo
positivo VA, deslocando-se no sentido anti-horário
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Os átomos dos elementos correspondentes às substâncias condutoras
perdem espontaneamente elétrons do último nível energético dando origem a
um íon positivo e a um ou mais elétrons livres.
A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está mostrada na
figura onde vemos íons positivos envolvidos por elétrons livres em movimento
aleatório.
A corrente elétrica nos condutores sólidos é constituída por elétrons
62
livres que se deslocam do potencial mais baixo para o mais alto.
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Um átomo possui várias órbitas, cada órbita contém uma quantidade de
elétrons.
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Condutividade elétrica: quantifica a disponibilidade ou a facilidade de
circular corrente elétrica em um meio material submetido a uma diferença
de potencial. Sua definição física é dada por:
=>  = n.e.e
onde:
σ = condutividade elétrica do material (Ω.m-1);
n = Concentração de elétrons livres do material (m-3)
p = concentração de cargas livres positivas do material (m-3), chamadas lacunas
e = carga elétrica elementar = 1,6022x10-19 C
μn = mobilidade dos elétrons livres e das lacunas (m2/Vs)
Geralmente um material condutor, mais perfeito que seja, apresentam
inúmeros defeitos, que são classificados por sua dimensionalidade;
É usada para especificar o caráter elétrico de um material.
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Ela é simplesmente o recíproco da resistividade, ou seja, inversamente
proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual um material é capaz
de conduzir uma corrente elétrica.
A unidade é a recíproca de ohm.metro, isto é, (Ω.m)-1.

1

= condutividade elétrica (ohm.cm)-1
= resistividade elétrica (ohm.cm)
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
A condutividade elétrica nos materiais
Metais   ≈107 (Ω.m)-1
Isolantes  10-10 ≤  ≤ 10-20 (Ω.m)-1
Semicondutores 10-6 ≤  ≤ 104 (Ω.m)-1
Melhores condutores elétricos são: prata e o cobre
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Condutividade elétrica nos metais:
A teoria eletrônica clássica supõe-se que o corpo condutor sólido tenha
uma cadeia cristalina iônica ou metálica envolvendo os íons, uma nuvem de
elétrons livres.
A ligação metálica consiste de uma serie de átomos do metal que doam
todos seus elétrons de valência para uma nuvem de elétrons que vagueia a
estrutura cristalina.
Todos os átomos metálicos tornam-se cátions idênticos quando perde
elétrons na sua ultima camada eletrônica que mantém unido os átomos de
metais é a atração entre as núcleos positivas e o "mar de elétrons”
negativos.
Deslocados destes pela ação de uma força externa, essa nuvem de
elétrons através do corpo, estes se chocam com os íons do sistema
cristalino, perdendo energia de deslocamento, e que se faz notar por um
aquecimento do corpo.
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Quando o metal está sujeito a um campo elétrico externo, os elétrons
livres deslocam-se com uma velocidade aproximadamente constante (Va) no
sentido oposto ao do campo elétrico, devido à ação da força elétrica e das
“forças de atrito” (resultantes dos eventos de espalhamento): Va = e.E
vd = e.E
A velocidade à deriva Vd representa a velocidade média
do elétron no sentido da força imposta pelo campo
aplicado. Ela é diretamente proporcional ao campo
elétrico.
A constante de proporcionalidade e e é denominada
mobilidade do elétron, suas unidades são metros
quadrados por volt-segundo (m2/V-s).
Deslocados destes pela ação de uma força externa, essa nuvem de
elétrons através do corpo, estes se chocam com os íons do sistema
cristalino, perdendo energia de deslocamento, e que se faz notar por um
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aquecimento do corpo.
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Condutividade elétrica nos metais:
Essa energia de deslocamento, que se faz notar por um aquecimento do
corpo, pode ser relacionada com a equação de transformação de energia
e é chamada lei de Joule-Lenz, dada por:
W= .E 2,
(1)
onde:
W = quantidade de energia transmitida pela nuvem de elétrons por unidade de tempo,
E = campo elétrico aplicado,
= condutividade elétrica.
Por outro lado, relacionando a densidade de corrente com a resistividade
e o campo elétrico, tem-se
i = .E,
onde i = densidade de corrente.
(2)
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Resistividade elétrica: Resistividade elétrica (também resistência elétrica
específica) é uma medida da oposição de um material ao fluxo de corrente
elétrica.
Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material permite
a passagem de uma carga elétrica.
A unidade SI da resistividade é o ohm metro (Ω.m).
A resistividade elétrica depende da temperatura. Por exemplo, nos
materiais condutores a resistividade aumenta com o aumento da temperatura
e nos isolantes diminui.
RA

L
 = resistividade
A = área da secção
L = comprimento
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Classificação geral
Baseado no valor da resistividade, os materiais se classificam em:



materiais condutores, l0-2 a 10 .mm2/m,
materiais semicondutores, 10 a 1012 .mm2/m;
materiais isolantes, 1012 a l024 .mm2/m.
Realmente, a diferença estrutural entre os materiais é uma das principais
razões do seu comportamento tão diverso, motivo pelo qual torna-se
necessário estudar a própria estrutura molecular do corpo, e as suas
características de ionização e de excitação.
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
As cargas elétricas deslocam-se sob a forma de corrente elétrica através
das diferentes substâncias, mas sob aspectos diversos.
Chama-se de resistência a maior ou menor dificuldade que opõe um
condutor à passagem de corrente elétrica, cuja unidade é o Ohm ().
A resistência elétrica R obedece a 1 lei de Ohm (U=R.I) e pode ser
entendida como a avaliação quantitativa da resistividade, pois depende da
geometria do material.
Fazendo-se um estudo dos fatores que determinam a resistência,
estabeleceu-se pela lei de Ohm que
U = R.I
Onde u = diferença de potencial elétrico
R = resistência elétrica
I = intensidade de corrente elétrica
U
R
i
(1) (1ª Lei)
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Por outro lado, sendo N o número de elétrons livres por unidade de
volume de material, elétrons estes que se deslocam a uma velocidade vd
através de uma seção A, e sendo e a carga de um elétron, a corrente
elétrica i será:
i = N.e.vd .A (2)
Se, por outro lado, um condutor de comprimento l está sob a ação de
uma diferença de potencial U, a intensidade de campo elétrico E será:
E
além disso,
ou
U
l
(3)
 d  .E
U
 d  .
l
(4)
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
onde  mobilidade do elétron. Substituindo (4) o valor (2), temos:
e usando a eq. (1), temos:
U
i  N .e. . . A
l
U
U
 N .e. . . A
R
l
(5)
(6)
simplificando R,
R
O quociente
1
N .e.
(2ª Lei)
1
1l
.
N .e. A
(7)
é denominado de resistividade :
onde
 = resistividade elétrica do material (. cm),
R = resistência elétrica ()
A = seção transversal (cm2)
l = comprimento do corpo condutor (cm)
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
A corrente elétrica é o movimento ordenado dos portadores de carga
elétrica. Assim, todos os fatores que dificultam a movimentação dos
portadores contribuem para a resistividade  do material.
Matematicamente, a resistividade total de um material metálico é a
soma de três contribuições.
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Efeito da temperatura sobre a resistividade elétrica de metais
Com o aumento da temperatura, aumentam as amplitudes das vibrações
cristalinas, aumentando o espalhamento dos elétrons.
Elétron
Elétron
Para metais puros e muitas ligas,
t = 0 .(1 + .T)
0,  = constantes especificas
para cada metal
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Efeito da impureza sobre a resistividade elétrica de metais
A presença de impurezas deforma a rede cristalina, aumentando o
espalhamento dos elétrons.
Em termos da concentração ci (%at) da impureza,
i =Aci .(1-ci)
A = constante independente da
composição e função tanto do metal
de impureza quanto do hospedeiro
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Efeito dos defeitos sobre a resistividade elétrica de metais
Para formar defeitos é necessário dispor de energia;
Normalmente esta energia é dada na forma de energia térmica, isto é,
quanto maior a temperatura maior será sua concentração de defeitos;
Para muitos tipos de defeitos vale o seguinte:
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Coeficiente de temperatura
Um metal quando aquecido aumenta sua amplitude de vibração dos átomos
que o constituem, esta agitação interfere no deslocamento dos elétrons
periféricos ao longo do corpo condutor.
Portanto, em função direta da temperatura, há o aumento da resistência
elétrica R do condutor metálico.
Rt  R0 1   0 t 
onde:
Ro: resistência do condutor medido a 0o C
Rt: resistência do condutor na temperatura t
o: coeficiente de temperatura do condutor a 0o C
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
Coeficiente de temperatura
Observação 1: Para os metais puros, o coeficiente de temperatura é próximo
a 0,004  1 / 273 . Deduz-se disso que a resistência elétrica de
um condutor aumenta aproximadamente 10% para cada 25o
C de variação de sua temperatura.
Observação 2: Para os metais não puros , ligas metálicas por exemplo,o
coeficiente de temperatura tem valor menor que para os
metais puros.
Para a manganina (liga de 84% de Cu, 12% de Mn, 4% de Ni) o coeficiente
de temperatura é praticamente desprezível (o = 0,00001), isto é, manganina
serve, por isso para a construção de padrões de resistência.
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
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3.1 – Propriedades elétricas dos condutores
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Introdução: Entende-se por “Propriedades Térmicas” a resposta de um
material a um estímulo térmico (aumento ou redução de temperatura).
O que acontece quando fornecemos calor a um corpo?
Variação dimensional
Dilatação ou expansão térmica (em aquecimento);
Contração (no resfriamento);
Calor é absorvido ou transmitido;
Transformações de fases.
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Todos os corpos possuem energia interna. Esta energia está de certa maneira
"armazenada" nos corpos, e vem, entre outras coisas, do movimento ou da
vibração dos átomos e moléculas que formam o corpo. Veja a animação abaixo.
Os pontinhos vermelhos representam as moléculas de um sólido qualquer.
Logicamente este é um exemplo bem simplificado. As vibrações são muito mais
rápidas e não ocorrem de maneira tão organizada assim.
Nos sólido as moléculas não se locomovem de um lado para outro do material,
somente vibram.
No caso dos líquidos e gases, as moléculas conseguem, além de vibrar, locomover89
se de um lado para o outro, principalmente nos gases.
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Capacidade térmica molar: quantidade de energia (calor) (J) necessária
para aumentar em um grau (K) a temperatura de um mol de um material.
Esta propriedade representa a capacidade do material de absorver calor
do meio circundante.
Na maioria dos sólidos, o conteúdo térmico e a energia vibracional dos
átomos estão diretamente relacionados.
A contribuição eletrônica para a capacidade térmica é, em geral,
insignificante, a não ser para temperaturas próximas a zero graus Kelvin.
90
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Calor especifico de uma substância: Calor específico de uma substância (c
) a razão entre a quantidade de calor que a substância troca e o produto
entre a sua massa e a variação de temperatura sofrida.
Esta grandeza tem sua unidade de medida no Sistema Internacional de
Unidades ( S.I ) o J / kg.K, porém a mais usada é a cal/g.oC
Quantidade de
calor
Massa vezes variação
de temperatura
CAPACIDADE TÉRMICA ( C )
Depende da massa e da substância
CALOR ESPECÍFICO ( c )
Depende apenas da substância
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Os fenômenos de transferência de calor de um corpo pode ser
medido através da equação da calorimetria:
Q  m.c.T
onde:
Q  quantidade de calor
m  massa
c  calor específico
T  variação de temperatura
Observações:
T > To  T > 0  Q > 0 (calor recebido pelo corpo: o corpo ganha calor) (+)
T < To  T < 0  Q < 0 (calor cedido pelo corpo: o corpo perde calor) (-)
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
A energia vibracional de um material consiste de uma série de ondas
elásticas de comprimento de onda muito pequeno e freqüências muito
altas, que se propagam através do material com a velocidade do som.
A energia vibracional é quantizada, e um quantum desta energia é
chamado fônon.
O fônon é análogo ao quantum de radiação eletromagnética, o fóton.
O espalhamento dos elétrons livres que ocorre durante a condução
elétrica é devido às ondas vibracionais.
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Fônons = ondas elásticas
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Condução térmica: fenômeno pelo qual o calor é transportado em um
material de regiões de alta temperatura para regiões de baixa
temperatura.
Condutividade térmica: capacidade de um material de conduzir calor.
A condutividade térmica pode ser definida em termos de:
Q
dT
 k
A
dx
Q/A = fluxo de calor
k = condutividade térmica
dT/dx = gradiente de temperatura
O calor é transportado de
regiões de quentes para regiões frias.
A equação acima só é válida quando o fluxo de calor for estacionário
(fluxo de calor que não se altera com o tempo)
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
96
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Mecanismos de condutividade térmica
condutividade térmica por elétrons (ke)
Os elétrons livres que se encontram em regiões quentes ganham energia
cinética e migram para regiões mais frias.
Em conseqüência de colisões com fônons, parte da energia cinética dos
elétrons livres é transferida (na forma de energia vibracional) para os
átomos contidos nessas regiões frias, o que resulta em aumento da
temperatura.
Quanto maior a concentração de elétrons livres, maior a condutividade
térmica.
condutividade térmica por fônons (kq)
A condução de calor pode ocorrer também através de vibrações da
rede atômica. O transporte de energia térmica associada aos fônons se
dá na mesma direção das ondas de vibração.
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
A condutividade térmica (k) de um material é a soma da
condutividade por elétrons (ke) e a por fônons (kq):
Transporte de calor = Fônons + elétrons livres
k = kf + ke
kf
ke
= condutividade por fônons
= condutividade por elétrons
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Capacidade térmica Coef. Dilatação condutividade
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Condução de calor em metais
Metal = grande número de elétrons livres
O transporte eletrônico é muito eficiente!
Condutividades entre 20 e 400 W/m-K
Condução de calor em cerâmicas
Cerâmica = isolante (poucos elétrons livres)
Condutividade por fônons (pouco eficiente!)
Condutividades entre 2 e 50 W/m-K
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Condução de calor em polímeros
A transferência de calor ocorre através da vibração e da rotação das
moléculas das cadeias.
A condutividade depende do grau de cristalinidade. Estruturas mais
cristalinas têm maiores condutividades.
Polímeros, que, em geral, têm condutividades térmicas da ordem de 0,3
W/m-K, são usados como isolantes térmicos. Ex. PS expandido (isopor).
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Condutividade térmica versus temperatura
O aumento da temperatura provoca o aumento da energia dos
elétrons e das vibrações da rede cristalina.
Maior energia dos elétrons = maior número de portadores
= maior condutividade
Mais vibração da rede = maior contribuição dos fônons
= maior condutividade
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
DILATAÇÃO TERMICA: Dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento
do volume de um corpo ocasionado pela aumento de sua temperatura, o que
causa o aumento no grau de agitação de suas moléculas e conseqüente
aumento na distância média entre as mesmas.
A dilatação ocorre de forma mais significativa nos gases, de forma
intermediária nos líquidos e de forma menos explícita nos sólidos, podendose afirmar que:
Dilatação nos gases > Dilatação nos líquidos > Dilatação nos sólidos.
Nos sólidos, o aumento ou diminuição da temperatura provoca alteração
nas dimensões lineares, como também nas dimensões superficiais e
volumétricas.
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Dilatação Linear dos Sólidos: A maioria dos materiais sólidos se
expandem no aquecimento e se contraem no resfriamento. A mudança no
comprimento de um material sólido com a temperatura pode ser expressa
da seguinte.
ou
Unidade: cm
onde
ΔL é a variação do comprimento, ΔL = Lf – L0.
Δt é a variação da temperatura, Δt = Tf – T0.
α é uma constante de proporcionalidade denominada de coeficiente de dilatação
linear, e a sua unidade é o °C-1.
Cada material tem um coeficiente de dilatação linear próprio, o do
104
alumínio, por exemplo, é 24.10-6°C-1.
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Exemplo de dilatação linear: os fios de telefone ou luz.
Expostos ao Sol nos dias quentes do verão, variam suas temperaturas
consideravelmente, fazendo com que o fio se estenda causando um
envergamento maior, pois aumenta seu comprimento que passa de um
comprimento inicial (L0) a um comprimento final (Lf).
A mesma coisa acontece com o fio de cabelo quando se utiliza a
"chapinha" para alisá-lo. Dizemos que a dilatação provocou um aumento no
comprimento
105
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Na tabela podemos verificar o valor do coeficiente de dilatação linear
de algumas substâncias.
106
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Dilatação
Superficial
dos
Sólidos:
Há corpos que podem ser
considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é desprezível
frente às outras duas, por exemplo, uma chapa.
Neste caso, a expansão ocorre nas suas duas dimensões lineares, ou
seja, na área total do corpo.
Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação
superficial utilizamos a seguinte equação:
107
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação
superficial utilizamos a seguinte equação:
onde:
Unidade: cm2
∆S: variação da área da superfície do corpo que sofreu a dilatação superficial.
S0 : área inicial da superfície do corpo.
β: coeficiente de dilatação superficial do material que constitui o corpo.
É importante saber que o coeficiente de dilatação superficial de um material é
igual ao dobro do coeficiente de dilatação linear do mesmo material, ou seja,
β = 2α.
∆T: variação de temperatura sofrida pelo corpo.
108
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Dilatação Volumétrica dos Sólidos: É aquela em que predomina a variação
em três dimensões, ou seja, a variação do volume do corpo.
Imaginemos um paralelepípedo de volume inicial Vo e temperatura inicial
To. Ao aquecermos este corpo para uma temperatura t ele passará a ter
um novo volume V.
Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação
superficial utilizamos a seguinte equação:
V = V0 (1 + γ . Δθ)
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação
superficial utilizamos a seguinte equação:
V = V0 (1 + γ . Δθ)
Unidade: cm3
Onde:
V = volume final
V0 = volume inicial
Δθ = θ – θ0 = variação da temperatura
 = 3α = coeficiente de dilatação volumétrico
Relação entre os coeficientes de dilatação linear, superficial e
volumétrica
Partindo do coeficiente de dilatação linear () notamos que o
coeficiente de dilatação superficial (β) e volumétrica () depende dele,
pois 2 é igual a β e 3 é igual a γ, portanto podemos escrever a
seguinte relação:
110
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Dilatação nos metais: Os coeficientes lineares de expansão térmica para
alguns dos metais comuns variam na faixa de cerca de 5x10-6 e 25x10-6
(oC)-1.
Para algumas aplicações, um alto grau de estabilidade dimensional com
flutuação da temperatura é essencial.
Isso tem resultado no desenvolvimento de uma família de ligas ferroníquel e ferro-cobalto que têm valores de 1 da ordem de 1x 10-6 (oC)-1.
Uma tal liga foi projetada para ter características de expansão iguais
àquelas do vidro Pyrex; quando ajuntada ao Pyrex e submetida a
variações de temperatura, tensões térmicas e fratura possível na junção
são evitadas.
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Dilatação nos cerâmicos: cerâmicos como refletidas nos comparativamente
baixos coeficientes de expansão térmica; valores tipicamente variam
entre cerca de 0,5x10-6 a 15x10-6 (oC)-1.
Para cerâmicas não cristalinas e também aquelas contendo estruturas
cristalinas cúbicas, 1 é isotrópico.
Doutro modo, ele é anisotrópico e, de fato, alguns materiais
cerâmicos, durante o aquecimento, contraem-se em algumas direções
cristalográficas enquanto se expandem em outras. Para vidros
inorgânicos, o coeficiente de expansão depende da composição. Sílica
fundida (vidro de SiO2 de alta pureza) tem uma extremamente pequena
expansão térmica, 0,5x10-6 (oC)-1.
Isso é explicado por uma baixa densidade de empacotamento atômico
de maneira que expansão interatômica produz relativamente pequenas
variações dimensionais macroscópicas. Adição de impurezas na sílica
fundida aumenta o coeficiente de expansão térmica.
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
Dilatação nos polímeros: Alguns materiais poliméricos experimentam muito
grandes expansões térmicas no aquecimento como indicado por
coeficientes que variam desde aproximadamente 50x10-6 até 300x10-6
(oC)-1.
Os mais altos valores de 1 são encontrados em polímeros lineares e
ramificados porque as ligações intermoleculares secundárias são fracas e
existe uma mínima ligação cruzada.
Com aumentada ligação cruzada, a magnitude do coeficiente de
expansão térmica decresce, os mais baixos coeficientes são encontrados
em polímeros reticulares termofixos tais como Baquelita, nos quais a
ligação é quase que inteiramente covalente.
113
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3.2 – Propriedades térmicas dos condutores
114
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4. APLICAÇOES DOS
CONDUTORES
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4.1 – Aplicações do condutores
Material condutor: é um elemento de baixa resistividade específica,
formando objetos de pouca resistência elétrica - imposição a passagem de
corrente elétrica. Essa propriedade é comum nos metais e podem ser
explicadas pelas suas eletropositividades, característica que facilita a perda
de elétrons, ideal para que ocorra o movimento ordenado.
Alguns exemplos de aplicações de condutores:
4.1.1 Cobre: Possui excelente condutividade elétrica. E apresenta a
resistência elétrica mais baixa de todos os metais não-preciosos, e é
utilizado de uma forma geral como condutor elétrico, também em cabos
subterrâneos, terminais de conexão, revestimento em haste de aterramento
e tomadas,...
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4.1 – Aplicações do condutores
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4.1 – Aplicações do condutores
4.1.2 Alumínio: Por ter uma menor densidade em relação ao cobre, o
Alumínio tem uso especial em cabos aéreos, tornado o peso do cabo um o
fator decisivo, portanto o alumínio é o mais utilizado, e devido a sua grande
condutibilidade térmica e elétrica é utilizado como condutores isolados para
eletrotécnica, condensadores, dissipadores e refletores.
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4.1 – Aplicações do condutores
4.1.3 Ouro: Devido à sua boa condutividade elétrica, resistência à corrosão
e uma boa combinação de propriedades físicas e químicas, ela é usada para
cobrir com uma camada por meio eletrolítico as superfícies de conexões
elétricas, para assegurar uma conexão de baixa resistência elétrica e livre
do ataque químico do meio.
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4.1 – Aplicações do condutores
4.1.4 Platina: É leve, dúctil, tem um alto ponto de fusão, e tem uma boa
resistência contra corrosão e ataques químicos.
Por isso é encontrado particularmente em peças de contato, anodos, fios de
aquecimento. Sendo o metal mais adequado para a fabricação de
termoelementos e termômetros resistivos até 1000oC, pois até essas
temperaturas não sofre transformações estruturais, fazendo com que a
resistividade varie na mesma proporção da temperatura.
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4.1 – Aplicações do condutores
4.1.5 Prata: É o metal nobre de maior uso industrial, notadamente nas
peças de contato. A prata,devido às suas características elétricas, químicas
e mecânicas é usada em forma pura ou de liga, cada vez mais em partes
condutoras aonde uma oxidação ou sulfatação viria criar problemas mais
sérios. É o caso de peças de contato, notadamente nas partes em que se dá
o contato mecânico entre duas peças e, onde, além de um bom material
condutor, é conveniente ter-se um metal que não influa negativamente
devido a transformações metálicas, além de soldas, contatos elétricos,
baterias de alta capacidade (prata-zinco e prata-cádmio).
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4.1 – Aplicações do condutores
4.1.6 Solda Estanho-Chumbo: A solda para eletrônica também é conhecida
como solda 60/40, devido a sua composição de liga de 60% de estanho e
40% de chumbo. Essa composição dá à solda uma boa condução elétrica e um
ponto de fusão não muito alto, evitando o superaquecimento de componentes
no momento da soldagem.
Dentro do fio há um núcleo de resina. O processo de solda consiste em
aquecer os componentes a serem soldados e a placa onde serão soldados, se
for o caso, com um equipamento denominado ferro de solda.
Ao encostar o fio de solda nos componentes aquecidos, o núcleo de resina
funde-se primeiro, cobrindo as superfícies a serem soldadas. A liga de solda
então funde-se, cobrindo as superfícies, e solidificando-se ao resfriar-se.
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4.1 – Aplicações do condutores
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4.1 – Aplicações do condutores
4.1.7 Tungstênio: De cor branca acinzentada, brilhante, muito duro e
denso, tem o ponto de fusão mais alto de todos os elementos. É utilizado
em filamentos de lâmpadas incandescentes, resistências elétricas (elemento
aquecedor em fornalhas elétricas), válvulas termiônicas, eletrodos para solda
elétrica, e de conexão para circuitos integrados.
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4.1 – Aplicações do condutores
4.1.7 Grafite: Grafite é condutor de eletricidade, e serve como material
para eletrodos em fornos a arco elétrico, que transportam energia
elétrica para o derretimento da sucata de aço como parte do processo
de fundição. Os elétrodos de grafite também são usados em processos
de impressão. Eles são revestidos com uma fina camada de cera em
impressões, debaixo de uma camada de cobre. Ele dá a conexão elétrica
negativa utilizada para a eletrólise.
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Lista 1
1) Qual a grande necessidade da indústria elétrica e eletrônica de usar novos materiais com
melhores características e de fácil caracterização?
2) Quais são as regras práticas para seleção dos materiais elétricos?
3) Como é feita a classificação dos materiais na engenharia elétrica?
4) Como deve ser o comportamento dos materiais elétricos dos materiais?
5) O que são materiais condutores?
6) Do ponto de vista químico, qual a relação da formação de elétrons livre e a condução elétrica?
7) A boa condutividade elétrica dos metais quando comparado a outros materiais ocorre por que:
(A) A carga iônica tem boa mobilidade no reticulado cristalino
(B) a condução de eletricidade ocorre devido à difusão;
(C) O elétron de Valencia responsável pelas ligações químicas entre os íons positivos tem alta
mobilidade no cristal;
(D) Todos os elétrons do metal são livres para se movimentar;
(E) A movimentação dos elétrons ocorre nos defeitos do reticulado cristalino.
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Lista 1
8) O Cobre é um metal muito utilizado devido à alta condutibilidade elétrica e térmica que possui.
Pode-se afirmar que:
(A) Quanto maior o teor de Oxigênio maior a condutibilidade elétrica.
(B) Impurezas em solução sólida diminuem a condutibilidade elétrica.
(C) A condutibilidade elétrica é pouco afetada pela presença de impurezas.
(D) A condutibilidade elétrica só é afetada pela temperatura.
(E)As alternativas (b) e (d) estão ambas corretas.
9) Como é a movimentação dos elétrons livres de um condutor quando se aplica uma ddp? Qual o
sentido os elétrons?
10) O que é condutividade elétrica? Qual a faixa de condutividade nos condutores, isolantes e
semicondutores?
11) O que é resistividade elétrica? Qual a faixa de resistividade nos condutores, isolantes e
semicondutores?
12) Deduza a partir da primeira lei do Ohm a segunda lei da resistividade ( formula da
resistividade)?
13) O que diz a regra de Mathiessen com relação o efeito da temperatura, impureza e defeitos?
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Lista 1
14) O que é coeficiente de temperatura de um condutor?
15) O que é condutividade térmica? Como é o mecanismo da condutividade térmica por elétrons e
fônons?
16) O que é dilatação térmica? E quais os tipos?
17) Pretende-se que um fio de 0,2cm de diâmetro por 1 m de comprimento transporte uma
corrente de 20 A. A potencia máxima dissipada ao longo do fio é de 4W/s. Calcule a
condução mínima possível do fio em .m.
18) Para que um fio de cobre de pureza comercial possa conduzir uma corrente de 10 A com uma
queda de tensão máxima de 0,4 V/m, qual deve ser o diâmetro mínimo do fio?  (Cu
comercial = 5,85.107 ( .m)-1
19) Calcule a resistividade do cobre puro a 1320C, usando o coeficiente de temperatura da
resistividade do cobre.
Dados: 00C = 1,6  .m.
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Lista 1
20) (ENADE) Em um laboratório de maquinas elétricas de 20 m2 de área, a tensão máxima
disponível é 440V. Para prevenir o risco de choques elétricos, emprega-se um tapete
eletricamente isolante, que cobre todo o chão da sala. A espessura deste tapete foi
calculado por um especialista considerando a corrente máxima permitida igual 1 mA. A
resistência do homem é desprezada e a área de contado do usuário com o tapete foi
arbitrada em 1000 cm2. O isolante empregado apresenta resistividade igual a 4,4 108.cm.
e massa especifica igual a 2 g/cm3. Qual a massa em kg, deste tapete?
21) Uma amostra de fio (1 mm de diâmetro por 1 m de comprimento) de um liga de alumínio é
colocada em um circuito elétrico como mostrado na figura abaixo. Uma queda de tensão de
432mV é medida entre as extremidades do fio quando este transporta uma corrente de 10A
. Calcule a condutividade dessa liga?
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Lista 1
22) Calcule a velocidade de arraste dos elétrons livres no cobre para uma intensidade de campo
elétrico de 0,5 V/m. Dados:  Cu = 3,5.10-3 m2 /V.s
23) Duas barras de 3 metros de alumínio encontram-se separadas por 1 cm á 200C. Qual deve
ser a temperatura para que elas se encostem, considerando que a única direção da dilatação
acontecerá no sentido do encontro?
Sendo Al 22.10-6 0C-1
24) Uma peça de zinco é constituída a partir de uma chapa de zinco com lados 30cm, da qual um
pedaço de área 500cm2. Elevando-se a temperatura de 500C a temperatura da peça
restante, qual será a área final em cm2 ?
Dados: Zn= 2,5.10-5 0C-1
25) Um paralelepípedo de uma liga de alumínio (Al 22.10-6 0C-1) tem arestas que, à 00C, medem
5cm, 40cm e 30cm. De quanto aumenta seu volume ao ser aquecido à temperatura de 100
0C?
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B1
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5. ISOLANTES OU
DIELÉTRICOS
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5.1 – Definição
Material Isolante (Dielétricos): materiais isolantes são substâncias em que
os elétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicas como os
condutores devido a presença de poucos elétrons livres e que resistem ao
fluxo dos mesmos (alta resistência elétrica).
Um material isolante, quando submetido a um campo elétrico externo, tem
seus elétrons deslocados de distancia microscópica e esse fenômeno é
chamado de polarização.
Portanto, quando acontece esse fenômeno
chamamos esses materiais de dielétricos.
em
materiais
isolantes,
Dielétrico: é o meio no qual é possível produzir e manter (armazenar) um
campo elétrico com pequeno ou nenhum suprimento de energia de fontes
externas.
A energia requerida para produzir o campo elétrico pode ser recuperada,
armazenada e após cessada quando o campo elétrico é removido.
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5.2 – Polarização Dielétrica
Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de
suas partículas elementares, quando sujeitas à ação de um campo elétrico.
Devido a essa polarização, os materiais dielétricos são capazes de
armazenar energia elétrica.
Define-se por polarização um deslocamento reversível dos centros das
cargas positivas e negativas na direção do campo elétrico externo aplicado.
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5.2 – Polarização Dielétrica
A polarização de um dielétrico pode ocorrer das duas maneiras:
1) Se o isolante é constituído de átomos, que não apresentam momento
dipolar, quando aplicado um campo elétrico externo, ocorre à separação
entre o núcleo atômico positivo (fixado na matriz do dielétrico) e a nuvem
eletrônica, a qual é deslocada na direção oposta ao campo elétrico aplicado,
produzindo dipolos sem dissipar energia.
Uma vez eliminado o campo externo, os átomos voltam à sua posição inicial,
a polarização desaparece, pois os centros de cada grupo de cargas voltam à
situação inicial (equilíbrio).
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5.2 – Polarização Dielétrica
2) Se o dielétrico for constituído de partículas elementares (elétrons,
prótons, etc.) que por si só já são dipolos (por exemplo, moléculas) que,
devido à sua constituição química já são dotados de cargas positivas e
negativas, a ação do campo elétrico externo tenderá a orientar as partículas
de acordo com a própria orientação do campo externo.
Quanto mais intenso é o campo, tanto mais elevado é o trabalho de
orientação das partículas elementares, observando-se de modo mais
acentuado a elevação de temperatura, devido à transformação do trabalho
de orientação em calor.
+
-
+
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5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente
a) gasosos:
ar – amplamente utilizado como isolante em redes elétricas de transmissão e
distribuição;
hexafluoreto de enxofre (SF6) – usado em isolamentos
subterrâneos e disjuntores de alta potência (subestações);
de
cabos
b) fibras naturais: papel impregnado em resinas ou óleos, algodão, seda –
usados em suportes isolantes e em revestimentos de cabos, capacitores e
bobinas;
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5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente
c) cerâmicas: óxido de alumínio, titanato de bário, porcelana, etc. –
utilizadas basicamente em isoladores de baixa, média e alta tensão, e
em capacitores de baixa e alta tensão (elevada constante dielétrica);
d) resinas plásticas: Poliéster, polietileno, PVC (Poli Cloreto de Vinila),
Teflon, etc. – aplicados em revestimentos de fios e cabos, capacitores
e peças isolantes;
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5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente
e) líquidos: Óleos (mineral, óleo de silicone – atuam nas áreas de
refrigeração e isolação em transformadores e disjuntores a óleo.
Também empregados para impregnar papéis usados como dielétricos em
capacitores.
f) tintas e vernizes: compostos químicos de resinas sintéticas – Têm
importante emprego na tecnologia de isolação de componentes
eletrônicos como: esmaltação de fios e cabos condutores, isolação de
laminados ferromagnéticos, circuitos impressos e proteção geral de
superfícies;
g) borrachas sintéticas: neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE (Polietileno
Reticulado) e borracha butílica – usados como capa protetora de cabos;
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5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente
h) mica: material mineral usado em capacitores e em ligações entre
transistores de alta potência;
i)
Vidro e madeira: principal emprego em isoladores de linhas de
transmissão. As fibras de vidro são usadas no lugar dos papéis em
algumas aplicações. madeira: grande utilização em cruzetas dos postes
de distribuição.
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5.4 – Propriedades elétricas do isolantes
5.4.1 Capacitância (C): é a razão entre os módulos de sua carga Q e a
diferença de potencial V entre elas. A unidade e Faraday.
Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo placa, por
exemplo), constituído de duas placas condutoras paralelas de área A
separadas por uma distância L onde existe o vácuo ou algum material
isolante (Figura), uma das placas torna-se positivamente carregada, e a
outra negativamente, com o correspondente campo elétrico aplicado dirigido
do terminal positivo para o negativo.
Q
Capacitânc ia C 
V
Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio
interno de carga elétrica.
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5.4 – Propriedades elétricas do isolantes
Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio
interno de carga elétrica.
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5.4 – Propriedades elétricas do isolantes
Também pode ser:
A
C  0
l
Q =carga em uma placa
A = área da placa
l = separação entre placas
0 = 8,85x10-12 F/m
5.4.2 Constante dielétrica (ou permissividade) (ε ou k): é uma propriedade
do material isolante utilizado em capacitores que influi na capacitância total
do dispositivo.
Através da constante dielétrica, pode relacionar a densidade de fluxo
elétrico e o campo elétrico do material, quanto maior a constante dielétrica,
maior a densidade de fluxo elétrico no material para um mesmo campo
elétrico, maior a capacitância.
143
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5.4 – Propriedades elétricas do isolantes
Da definição da carga Q resulta a propriedade dielétrica conhecida por
constante dielétrica relativa, r, dada por;
Q
 
Q0
r
ou seja,é a razão entre a carga Q, obtida com uma determinada tensão no
capacitor que contém um dado dielétrico e a carga Q0, que é a carga que
existiria se os eletrodos estivessem separados pelo vácuo.
A constante dielétrica relativa é adimensional.
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5.4 – Propriedades elétricas do isolantes
Compondo estas duas equações, temos, ainda, que
e
Q
 
Q0
Q = .Q0 = .C0 .V
Temos ainda, para um dado valor de tensão constante, que a constante
dielétrica é função de:
C
 r
C0
Muitos autores adotam outra nomenclatura: chamam permissividade à
constante , e constante dielétrica à constante K. É preciso atenção a essa
nomenclatura quando se lê um livro de Eletricidade.
A constante dielétrica do ar ou do vácuo é dada 0 =
8,8541878176x10-12 F/m.
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5.4 – Propriedades elétricas do isolantes
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5.4 – Propriedades elétricas do isolantes
5.4.3 Rigidez Dielétrica: Corresponde ao valor limite de tensão aplicada
sobre a espessura do material (kV/mm), sendo que, a partir deste valor, os
átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de
funcionar como um isolante.
Em outras palavras é a intensidade máxima do campo elétrico que um
dielétrico pode suportar sem tornar-se um condutor de eletricidade
(“ruptura dielétrica”).
No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 (kV/mm), assim,
quando um campo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele deixa de ser
isolante e torna-se condutor.
O valor da rigidez dielétrica varia de um material para outro e depende de
diversos fatores como:
·
·
·
·
·
Temperatura.
Espessura do dielétrico.
Tempo de aplicação da diferença de potencial
Taxa de crescimento da tensão.
Para um gás, a pressão é fator importante.
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5.4 – Propriedades elétricas do isolantes
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6. SEMICONDUTORES
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6.1 – Definição
Os semicondutores são os responsáveis por toda a moderna tecnologia
eletrônica.
Definição: São sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária
entre condutores e isolantes.
Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para
transmitir e controlar uma corrente elétrica.
Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais
como diodos, transistores e outros de diversos graus de complexidade
tecnológica, microprocessadores, e nano circuitos usados em nanotecnologia.
Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria
eletrônica e confecção de seus componentes.
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6.2 – Condutividade e resistividade dos semicondutores
A condutividade elétrica nos materiais
Metais   ≈107 (Ω.m)-1
Semicondutores 10-6 ≤  ≤ 104 (Ω.m)-1
Isolantes  10-10 ≤  ≤ 10-20 (Ω.m)-1
A resistividade elétrica nos materiais
Metais   ≈10-2 a 10 (Ω.m)
Semicondutores 10 ≤  ≤ 1012 (Ω.m)
Isolantes  1012 ≤  ≤ 1024 (Ω.m)
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6.3 – Comportamento dos semicondutores
O valor numérico da condutividade é uma característica definida e
intermediaria entre condutores e isolantes, e também define o
comportamento funcional dos materiais.
A condutividade elétrica de um semicondutor é sensivelmente influenciada
também por eventuais perturbações da estrutura cristalina, o que, por sua
vez, tem fundamental importância nos próprios processos de fabricação dos
semicondutores.
Tais perturbações podem ser provocadas tanto por irregularidades na
estrutura cristalina, pela presença proposital ou acidental de impurezas
(intrínseco e extrínsecos).
Esse grau de pureza deve atingir a níveis superiores a 10-4 impurezas por
átomo de metal de base, o que bem demonstra a elevada tecnologia
necessária na fabricação destes componentes.
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6.4 – Estrutura dos semicondutores
O Na tabela periódica, os principais elementos estão situados na família
4A Carbono (C), germânio (Ge) e, sendo o mais utilizado, o silício (Si).
Os outros elementos podem ser utilizados como semicondutores se
encontram nas colunas 3A, 5A e 6A da Tabela Periódica
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6.4 – Estrutura dos semicondutores
Exemplos: Silício (Si), silício-germânio (SiGe), arseneto de gálio (GaAs),
sulfeto de cádmio (CdS) (liga binária).
Podem ser formados até por ligas ternárias ou quaternárias: AlGaAs,
InGaAsP.
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6.4 – Estrutura dos semicondutores
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6.4 – Estrutura dos semicondutores
A maioria dos semicondutores são:
Cristalinos,
mas existem entretanto alguns sólidos amorfos com comportamentos
semicondutor.
Maioria possui estrutura igual à do diamante.
Ligações covalentes e iônicas.
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6.5 – Níveis de energia
A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do
núcleo do átomo não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as
mesmas para todos os elementos.
Conforme a Teoria Quântica os estados da matéria não variam
continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta.
Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua
distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua
velocidade. A soma de ambas é a energia total do elétron.
Assim, a energia total dos elétron ocupa determinadas órbitas ou níveis
de energia determinada por 4 números quânticos.
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6.6. Números quânticos
Números quânticos: é o conjunto de 4 números que identificam um elétron de
um átomo. Os números quânticos indicam a energia do elétron no átomo e
a região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron.
1. Número quântico principal (n): Identifica o nível de energia do elétron;
•
•
A eletrosfera é dividida em 7 partes chamada camadas eletrônicas ou
níveis de energia ;
Do núcleo para fora estas camadas são representadas pelas letras K, L,
M, N, O, P e Q.
•Os elétrons de um átomo
são colocados, inicialmente,
nas camadas mais próximas
do núcleo
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6.6. Números quânticos
Período ou series: O número do período corresponde à quantidade de
níveis (7 camadas) que os elementos químicos apresentam.
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•Atualmente,
6.6. Números quânticos
esses níveis são identificados pelo chamado número quântico
principal (n) que é um numero inteiro (varia de 1 a 7).
2. Número quântico secundário (l): Identifica o subnível de energia do
elétron.
• Os subníveis são preenchidos sucessivamente, na ordem crescente de energia, com o
número máximo de elétrons possível em cada subnível;
• Esses
subníveis são identificados pelo chamado numero quântico secundário ou
azimutal (l) que assume valores de 0,1,2,3 que são designados pelas letras s, p, d, e
f respectivamente.
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6.6. Números quânticos
3. Número quântico magnético (m): Identifica o orbital (orientação no
espaço) do elétron.
•
•
É a região do espaço onde é máxima a probabilidade de se encontrar um
determinado elétron. Nesse diagrama, cada orbital e representado simbolicamente
por um quadradinho. Através que os subníveis s,p,d,f contêm sucessivamente
1,3,5,7 orbitais;
Essas orbitais nessas condições são identificados pelo chamado número quântico
magnético (m) e são exemplificados como:
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6.6. Números quânticos
3.1 Princípio de exclusão de Pauli:
•
•
Em um mesmo orbital encontraremos, no máximo, 2 elétrons com spins opostos;
Em um mesmo átomo, não existem dois elétrons com quatro números quânticos
iguais;
Em um mesmo orbital os elétrons possuem SPINS opostos
3.2 Regra de Hund:
•
Coloca-se um elétron em cada orbital, da esquerda para a direita e, quando todos
os orbitais tiverem recebido o primeiro elétron é que colocamos o segundo elétron,
com sentido oposto
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6.6. Números quânticos
4. Número quântico de spin (s): Identifica o spin (rotação do elétron)
•
•
•
Cálculos matemáticos provaram que um orbital comporta, no máximo,
dois elétrons;
Os elétrons podem girar no mesmo sentido ou em sentidos opostos
criando campos magnéticos que repelem ou atraem.
Essa rotação é chamada de número quântico spin (s) cujos valores são:
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6.6. Números quânticos
Estudos sobre as energias dos subníveis, mostram que:
•
•
O cientista LINUS PAULING criou uma representação gráfica para
mostrar a ordem CRESCENTE de energia dos subníveis;
Esta representação
PAULING
ficou
conhecida
como
DIAGRAMA
DE
LINUS
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6.6. Números quânticos
Diagrama de Linus Pauling
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6.7 – Valência
Designa-se valência é um número que indica a capacidade que um átomo de
um elemento tem de se combinar com outros átomos, capacidade essa que é medida pelo
número de elétrons que um átomo pode dar, receber, ou compartilhar de forma a constituir
uma ligação química.
Seja o exemplo a seguir da distribuição dos elétrons em um átomo de Germânio, número
atômico 32. O nível mais externo (4, neste exemplo) é denominado nível de valência e os
elétrons presentes nele são os elétrons de valência.
Nível = 1 2 3 4
Subnível = s s p s p d s p
Elétrons = 2 2 6 2 6 10 2 2
O número de elétrons de valência é um fator importante do elemento. Ele define a
capacidade do átomo de ganhar ou perder elétrons e de se combinar com outros elementos
originando uma banda designada banda de valência do sólido. Esta é a banda que
possui maior energia.
A convenção adotada para a representação gráfica da distribuição de elétrons no átomo
do elemento é a indicação seqüencial do níveis e respectivos sub-níveis, com o número de
elétrons de cada subnível na forma de expoente. Para esse caso do germânio:
k
L
M
N
camada de Valencia = 4 elétrons
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2b
166
Banda de condução
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6.7 – Valência
167
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6.7 – Valência
Átomo isolado (germânio Z = 32)
Orbitais de Valencia
168
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6.7 – Valência
A capacidade de um átomo de se combinar com outros depende do número
de elétrons de valência.
A combinação só é possível quando este é menor que 8. Elementos com 8
elétrons de valência não se combinam. São estáveis e inertes.
Considera-se agora o silício, que é o semicondutor mais usado, dispondo
de 4 elétrons de valência.
No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos forma a
chamada ligação covalente, de modo que cada átomo fica no estado mais
estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa.
169
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6.8 – Banda de energia
Designa-se por banda de energia o conjunto dos níveis de energia que os
elétrons num sólido podem possuir.
Num cristal, em que um grande número de átomos se encontram ligados
muito próximos uns dos outros, formando uma rede, os elétrons são
influenciados por um determinado número de núcleos adjacentes e os níveis
de energia dos átomos transformam-se em bandas de energia permitidas.
Esta aproximação aos níveis de energia nos sólidos é muitas vezes
conhecida por teoria das bandas.
Segundo esta teoria, cada banda representa um grande número de
estados quânticos permitidos e existem algumas denominadas proibidas.
Os elétrons de valência “mais externos” originam uma banda designada
banda de valência do sólido. Esta é a banda que possui maior energia.
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6.8 – Banda de energia
A estrutura das bandas dos sólidos explica as suas propriedades elétricas.
Deste modo, com o objetivo de se movimentarem através do sólido, os
elétrons têm de passar de um estado quântico para outro, o que acontece se
existirem estados quânticos vazios com a mesma energia.
Regra geral, os elétrons não podem mudar para um novo estado quântico
da mesma banda se a banda de valência se encontra totalmente preenchida.
Para que ocorra a passagem da corrente elétrica, é necessário que os
elétrons se encontrem numa banda não completa, designada por banda de
condução.
171
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6.8 – Banda de energia
Os metais são bons condutores da corrente elétrica não só porque a
banda de valência e a banda de condução se encontram semi-preenchidas,
mas também porque a banda de condução se sobrepõe à banda de valência.
No caso dos isolantes, as bandas de condução e de valência encontram-se
separadas por uma larga zona energética proibida e, deste modo, os
elétrons não possuem energia suficiente para transitar de uma para outra.
No caso dos semicondutores, o nível de energia que separa a banda de
energia superior completamente ocupada possui uma largura muito pequena
relativamente à banda imediatamente superior desocupada, bastando um
pequeno acréscimo de energia para fazer passar os elétrons para a banda
desocupada, possibilitando assim a condução de correntes elétricas.
172
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6.8 – Banda de energia
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6.9 – Tipos de semicondutores
Os semicondutores são divididos de acordo com sua pureza e estrutura em:
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS: são aqueles cujo comportamento
elétrico depende basicamente da estrutura eletrônica do material puro. Sua
condutividade elétrica geralmente é pequena e varia muito com a
temperatura.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS: são aqueles cujo comportamento
elétrico depende fortemente do tipo e da concentração dos átomos de
impurezas. A adição de impurezas para a moldagem do comportamento
elétrico dos semicondutores é chamada de DOPAGEM.
A maioria dos semicondutores comerciais elementares são extrínsecos; o
mais importante exemplo é o Si, mas também estão nesta categoria o Ge e
o Sn.
É a possibilidade de adicionar impurezas diversas ao material puro que
permite a fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos a partir
do mesmo material semicondutor.
174
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6.9 – Tipos de semicondutores
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS: Um semicondutor intrínseco é um
semicondutor no estado puro.
À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um
isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor
porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos
elétrons de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma
lacuna) passando a existir alguns elétrons livres no semicondutor.
175
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6.9 – Tipos de semicondutores
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS: Um semicondutor se torna extrínseco
quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco).
As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser
de dois tipos: impurezas de átomos doadores e impurezas de átomos
receptores.
Se o semicondutor for adicionado por impurezas doadores é chamado de
semicondutor tipo N e se for adicionado por impurezas receptoras é
chamado de semicondutor tipo P
Átomos doadores têm cinco elétrons de valência (são penta valentes):
Arsênio (AS), Fósforo (P) ou Antimônio (Sb).
Átomos receptores têm três elétrons de valência (são trivalentes): Índio
(In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al).
176
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6.9 – Tipos de semicondutores
SEMICONDUTORES TIPO N: A introdução de átomos penta valentes (como
o Arsênio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam
elétrons livres no seu interior.
Como esses átomos fornecem (doam) elétrons ao cristal semicondutor eles
recebem o nome de impurezas doadoras ou átomos doadores.
Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas doadoras é
designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga
do elétrons).
177
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6.9 – Tipos de semicondutores
SEMICONDUTORES TIPO P: A introdução de átomos trivalentes (como o
Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas
livres no seu interior.
Como esses átomos recebem (ou aceitam) elétrons eles são denominados
impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores.
Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas
aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo,
referindo-se à falta da carga negativa do eletros).
178
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6.9 – Tipos de semicondutores
179
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6.9 – Tipos de semicondutores
180
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6.9 – Tipos de semicondutores
A
condutividade elétrica
representada pela equação:
dos
materiais
semicondutores
pode
ser
A condutividade elétrica dos semicondutores intrínsecos aumenta à medida
que a temperatura aumenta.
181
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6.9 – Tipos de semicondutores
182
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7.0 – Técnicas de dopagem
A dopagem pode ser feita em quatro situações, conforme discriminamos a
seguir:
Durante o crescimento do cristal:
o material de base sofre um aquecimento até se transformar em massa
cristalina fundente, estado em que se efetua o acréscimo do material de
dopagem, durante esse processo térmico,
o cristal vai "crescendo“ posicionando-se os átomos da dopagem na própria
cadeia cristalina que se forma.
Por liga:
o material de base é levado a fusão conjuntamente com o de acréscimo,
formando-se assim uma liga.
apos essa formação e esfriamento, os dois materiais estão agregados
entre si.
183
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7.0 – Técnicas de dopagem
Por implantação iônica:
átomos eletricamente carregados (com íons) de material dopante em
estado gasoso são acelerados por um campo elétrico
I njetados na cadeia cristalina do semicondutor.
método da implantação iônica é o mais preciso e o mais sofisticado entre
os mencionados, permitindo um ótimo controle tanto de posicionamento
quanto de concentração da dopagem feita.
Por difusão:
nesse processo, vários discos de metal tetravalente básico são elevados a
temperaturas da ordem de 1000°C e, nessas condições, colocados na
presença de metais em estado gasoso (por exemplo, boro).
os átomos de metal em estado gasoso se difundem no cristal sólido. Sendo
o material sólido do tipo N, cria-se, assim, uma zona P.
184
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7.1 – Método de purificação
Destilação e Sublimação: a acentuada influencia das impurezas sobre as
características elétricas do semicondutor, leva em muitos casos a exigência
de se repetir o processo de purificação sobre a matéria prima fornecida
pela industria química, antes de manufaturá-la.
A diferença entre destilação e sublimação, é que na sublimação as
modificações do estado físico eliminam o estado liquido, o que traz
dificuldades de fracionamento dos materiais envolvidos, precipitando-se
freqüentemente muito próximos entre si os elementos, facilmente e
dificilmente sublimáveis.
A vantagem da sublimação esta na facilidade dos meios necessários a sua
obtenção.
185
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7.1 – Método de purificação
Eletrolise: a purificação eletrolítica das matérias primas básicas pode levar
a graus de pureza bastante elevados, se esta for realizada com cuidados
especiais e eventualmente repetida dado numero de vezes.
Através da eletrolise, um metal pode ser separado de outros metais menos
nobres e de partículas insolúveis no eletrólito, a eficiência da separação ou
eliminação simultânea de diversos metais, depende da relação dos potenciais
destes metais em relação à solução (eletrólito) utilizada, e menos da
grandeza da corrente.
186
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7.1 – Método de purificação
Fusão Zonal: o necessário e elevado grau de purificação faz com que, para
os semicondutores, os métodos anteriores, via de regra, não tragam o
resultado final desejado.
A fusão zonal utiliza-se do fato de que, num sistema de dois elementos
em condição de equilíbrio entre a fase sólida e liquida, a composição de
ambas a fase é geralmente diferente e que, no limite do diagrama de
estado, as curvas liquida e sólida encontram-se segundo um ângulo definido,
isto significa que mesmo no caso de uma concentração mínima de um
elemento no outro, apresenta-se uma diferença de concentrações na
passagem do estado liquido para o sólido.
187
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7.2 – Elementos
Nem todos os elementos classificados como semicondutores pela Tabela
Periódica dos Elementos, permitem uma fácil e precisa verificação dessa
propriedade; em algum desses elementos a semi-condutância ainda não pode
ser determinada com segurança ou, então, a característica não se apresenta
estável a temperatura ambiente.
Conseqüentemente existe uma família de materiais semicondutores de uso
industrial, a família central dos materiais semicondutores é encontrada nos
materiais de Valencia IV, o primeiro elemento é:
Carbono: apesar de apresentar características semicondutoras, o carbono é
antes utilizado como condutor em alguns casos, em outros casos, como
material resistivo ou como componente capaz de suportar determinadas
condições térmicas ou químicas.
188
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7.2 – Elementos
Germânio: é um dos materiais semicondutores mais antigos; é encontrado em
pequenas quantidades em minérios de zinco, pó de carvão e mesmo nas águas
do mar, em face disso, a extração do germânio é extremamente difícil e
onerosa, é uma substancia dura porem quebradiça não suportando qualquer
tipo de esforço mecânico, oxida-se na presença do ar, formando uma
finíssima película de oxido, é usado para a fabricação de componentes
semicondutores.
Silício: é termicamente mais estável do que o germânio, podendo por isso
ser usado a temperaturas ambientes de até 150°C, permite reduzir a
corrente inversa, o que reduz as perdas, fato esse que eleva o rendimento e
simplifica os métodos de refrigeração.
O silício é o elemento mais freqüentemente encontrado na natureza, após
o hidrogênio, na forma natural, é encontrado nas rochas e em minérios.
189
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7.3 – Aplicações dos Materiais Semicondutores
O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os
dispositivos que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de
circuitos.
Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o transistor e os
dispositivos fotossensíveis, conforme discriminamos abaixo:
Diodo semicondutor: é formado pela junção p e n e tem como utilidade
básica permitir o fluxo de corrente elétrica apenas em um sentido (o sentido
de polarização direta)
Transistor: é formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois
semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do meio é chamado base e
os outros, emissor e coletor. O transistor funciona basicamente como um
amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um
interruptor de corrente se esta for próxima de zero.
Dispositivos
fotossensíveis:
dividem-se
em
Células
fotocondutivas:
fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e Células fotovoltaicas.
190
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7.3 – Aplicações dos Materiais Semicondutores
As Células fotocondutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo luminoso
incide sobre o material semicondutor, os fótons podem fornecer aos elétrons energia
suficiente para produzir a ruptura de ligações covalentes. A ação dos fótons ocasiona
a produção de par elétron-lacuna, o que provoca um aumento da condutividade do
semicondutor. Esse fenômeno é conhecido como fotocondutividade.
Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica, tais células produzem uma
tensão elétrica quando submetidas à ação de um fluxo luminoso. Sua utilidade se
estende na busca por energia alternativa.
Microeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços
tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente oriundo das
necessidades inerentes ao programa espacial americano com relação a peso,
dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes casos
eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando
componentes discretos.
Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos Circuitos Integrados (CIs).
Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de silício, onde estão agrupados
circuitos microscópicos que podem conter milhões de componentes eletrônicos como
resistores, capacitores, transistores, etc.
191
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Lista 2
1) Responda:
a) O que é um material isolante ou dielétrico?
b) Explique o processo de polarização em materiais dielétricos e mostre quais são os dois tipos de
polarização
c) O que é capacitância ?
d) O que é Constante dielétrica?
e) O que é Rigidez dielétrica ?
2) Um capacitor cerâmico convencional consegue armazenar 2,1.10-10C de carga elétrica, possui
uma constante dielétrica relativa de 6,0 e está posicionado dentro da região entre placas a
uma tensão de 30V. Calcule a capacitância e a permissibilidade (constante dielétrica) do
meio dielétrico.
: 0 = 8,85.10-12 F/m.
192
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Lista 2
3) Considere um capacitor de placas paralelas que possui uma área de 6,45.10-4m2 e que
apresenta uma separação entre placas de 2.10-3m, através da qual um potencial de 10V é
aplicado. Se o material que possui uma constante dielétrica relativa de 6,0 for posicionado
dentro da região entre placas, calcule a capacitância.
: 0 = 8,85.10-12 F/m.
4) Pretende-se construir um capacitor simples de placas paralelas para armazenar 5,0.10-6C a um
potencial de 8kV. A distancia de separação entre as placas é de 0,30mm. Calcule a área em
m2 que as placas devem ter, se o dielétrico entre elas for a) vácuo (  = 1)
b) alumina ( = 9)
193
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Lista 2
5) Qual a definição de um semicondutor, e seu emprego é muito utilizada em qual ramo da
indústria eletrônica.
6) Que tipos de perturbações um semicondutor pode receber para ter uma influencia
condutividade elétrica?
na
7) Demonstre através da distribuição eletrônica de Linnus Pauling o 4 números quânticos (nível,
subnível, orbital e rotação dos elétrons) e mostre também a representação da banda de
Valencia em termo de orbitais dos seguintes elementos semicondutores:
Si (Z = 14)
Ge ( Z= 32):
8) Como que funciona a teoria de bandas de energia de um condutor, isolante e um semicondutor?
9) Explique o que é um semicondutor intrínseco, extrínseco tipo P e extrínseco tipo N?
10) Para o silício intrínseco, a condutividade elétrica à temperatura ambiente é de 4.10-4 (.m)-1
; as mobilidades de elétrons e buracos são respectivamente, de 0,14 e 0,048 m2/V.s.
Calcule as concentrações de elétrons livres à temperatura ambiente.
: e = carga do elétron = 1,6.10-19C
194
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Lista 2
11) Qual são os tipos de técnicas de dopagem de um semicondutor:
a)
b)
c)
d)
e)
Durante o crescimento boreal, Por fusão, Por implantação iônica, Eletrolise
Eletrodeposição, Blindagem iônica, Por liga, nitretação iônica.
Durante o crescimento do cristal, Por liga, Por implantação iônica, Por difusão
Eletrodeposição eletrólise Valência, liga silício-Germânio
Durante o crescimento do cristal, eletrodeposição, Por implantação iônica, fusão zonal
12) Dê um exemplo de um semicondutor que você utiliza em seu trabalho?
195
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B2
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