Importante Desligar os celulares ou colocar no modo silencioso
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Importante Desligar os celulares ou colocar no modo silencioso ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre 1989-1994 Eng. Eletrônico - Peru 1996-1999 Mestre em Eng. Elétrica - Unicamp 1998-2003 Doutor em Eng. Elétrica - Unicamp 2003-2005 Pósdoutorado Hokkaido University 2005-2006 Pósdoutorado Unicamp ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Capítulo 01 Propriedades da Matéria Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Classificação Funcional dos Materiais Aerospacial Biomedica Materiais Eletrônicos Energia e Meioambiente Materiais Magnéticos Fotônicos ou Materiais Ópticos Materiais Inteligentes Materiais Estruturais ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Estruturas Aços Ligas de alumínio, Concreto Fibras de vidro Plásticos madeiras Materiais Inteligentes PZT Ligas de Ni-Ti Fluídos MR Gels polímeros Ópticos SiO2, GaAs, Vidros, Al2O3, YAG, ITO Aerospacial Compostos de carbono, SiO2, silício amorfo, ligas de alumínio Zerodur Classificação Funcional dos Materiais Magnéticos Fe, Fe-Si, NiZn Ferritas, CoPtTaCr Estruturas Aços Ligas de alumínio, Concreto Fibras de vidro Plásticos madeiras Eletrônica Si, GaAs, Ge, PZT, Al, Cu, polymeros Energia e Ambiental Si:H amorfo, UO2, NiCd, ZrO2 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Classificação dos Materiais – Metais Elementos puros ou mistura de elementos metálicos (ligas) – ligações metalicas • Bons condutores de eletricidade • Bons condutores de calor Structural feature Dimension (m) • Apariência brilhante – não transparentes -10 < 10 atomic bonding • Duros 10 -10 • Deformáveis crystals (ordered atoms) 10 -8 -10-1 • Algumas vezes particles magnéticos second phase 10 -8 -10-4 crystal texturing > 10 -6 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Classificação dos Materiais – Cerámicos Compostos entre elementos metálicos e não metálicos - Ligações iônicas ou covalentes • Duros • Quebradiço • Isolantes elétricos • Condução térmica baixa • Resistentes ao calor e corrosão • Podem ser transparentes ou opácos ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Classificação dos Materiais–Polímeros Compostos orgânicos baseados em C, H e outros elementos não metálicos – ligações covalente e secundárias • Propriedades variadas • Densidade baixa • Não condutores • Ponto de fusão baixo • Podem ser muito flexíveis ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Outras sub-classes de materiais Compósitos -Consistem em mais de um tipo de material Semicondutores -Tem propriedades elétricas intermediárias entre as dos condutores e isolantes Biomaterials - Materiais para implantação no interior do corpo humano ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo de Aplicações Propriedades Metais e Ligas Aço Automóveis Cerâmicos e vidros SiO2-Na2O-CaO Castable, machinable, vibration damping Vidros Polímeros Polietileno Embalagem de comidas Opticamente transparentes, isolantes térmicos Finas espesuras, flexíveis ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo de Aplicações Semicondutores Silício Transistor e circuitos integrados Compósitos Ferramentas de corte Tungstênio carbide máquinas -cobalt (WC-Co) Propriedades comportamento elétrico único Duras e resistentes a impactos ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Estrutura Atômica Âtomos compostos de núcleo (prótons e nêutrons) circundado por elétrons. Q=1,6 x 10-19C Mp=Mn=1,67x10-27kg Me=9,11x10-31 kg Elementos químicos caracterizados pelo número atômico Z. Z: 1-94. Massa atômica A = soma da massa de nêutrons e prótons Peso atômico (média ponderada da massa dos isótopos) Unidades g/mol. 1 mol = 6,023 x 1023 Âtomos ou moléculas Fe 55,85 g/mol. ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Estrutura Atômica Porque estudarmos a estrutura atômica? Algumas propriedades importantes dos materiais dependem dos arranjos geométricos dos átomos e também das interações que existem entre os átomos ou moléculas constituintes. Estrutura atômica Configurações Eletrônicas dos Átomos e Tabela Periódica Tipos de ligações interatômicas Energias de Ligação Distâncias e Energias de Equilíbrio ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Tabela Periódica ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. Peso atômico 107,868 g/mol ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. SOLUÇÃO Número de âtomos = (100 g )( 6 .023 × 10 23 atoms mol ) (107 .868 g mol ) =5.58 × 1023 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo Pesquisadores estão considerando o uso de nanopartículas de materiais magnéticos como um meio de armazenar gandes quantidades de dados. Estas partículas podem armazenar dados na ordem de um trilhão de bits por polegada quadrada. 10 a 100 vezes a mais do que qualquer outro dispositivo tais como discos rígidos Se os pesquisadores estão considerando o uso de partículas de Ferro (Fe) com diâmetro de 3nm. Quantos átomos existem em cada partícula? Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3. Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol. ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Solução O rádio de uma partícula é 1.5 nm. Volume de cada nanopartícula magnética de Ferro = (4/3)π(1.5 × 10-7 cm)3 = 1.4137 × 10-20 cm3 Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3. Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol. Peso de cada nanopartícula de Fe = 7.8 g/cm3 × 1.4137 × 10-20 cm3 = 1.102 × 10-19 g. Um mol de 55,85 g de Fe contem 6.023 × 1023 átomos, então, o número de átomos em uma nanopartícula de Ferro será 1188. ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Estrutura Atômica Modelo atômico de Bohr ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Três primeiros níveis Comparação dos modelos ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Energias relativas dos elétrons ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Estrutura Eletrônica dos Elementos ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Estrutura Eletrônica dos Elementos ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Âtomo de sódio ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Eletronegatividades Eletronegatividade pequena Eletronegatividade grande ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Eletronegatividades ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Forças e Energias de Ligação E = ∫ Fdr EL = EA + ER EL =energia liquida EA =energia de atração ER =energia de repulsão ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Ligações Iônicas: Metal + não metal doa aceita elétrons configurações estáveis • acontece entre + and - íons. • precisa de transferência de elétrons • diferência entre as eletronegatividades deve ser grande • Exemplo: NaCl Neônio Argônio Atração de Coulomb Ligação iônica no cloreto de sódio NaCl ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Ligações Iônicas: EL = EA + ER = A= z1 , z 2 1 4πε 0 − A r + B rn (Z1e )(Z 2e) Valências dos dois tipos de íons. ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se sepadaros uma distância de 1,25 nm. ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo A= 1 4πε 0 (Z1e )(Z 2e) Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se sepadaros uma distância de 1,25 nm. ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes São fortes. • Eletronegatividade similar • Example: CH4 C: tem 4 e- de valência e precisa de mais 4 H: tem 1 e-,de valência e precisa de mais 1 Electronegatividades são similares ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes Ligação covalente molécula de metano CH4 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes Ligação covalente no silício ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO2) ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Exemplo Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO2) Solução Sílicio tem 4 elétrons de valência e compartilha elétrons com 4 átomos de oxigênio, resultando em 8 elétrons para cada átomo de silício. Porém, o oxigênio tem valência 6 e ompartilha elétrons com 2 átomos de silício resultando em 8 elétrons para cada átomo de oxigênio. Na figura a seguir é ilustrada uma estrutura possível ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS % caráter iônico = % caráter covalente = Ex: MgO ⎛ (X A −X B )2 ⎞ − ⎜ ⎟ 4 ⎜1− e ⎟ x (100%) ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ − (XA −XB) 4 ⎜e ⎜ ⎝ 2 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ x (100%) XMg = 1.3 XO = 3.5 ( 3.5−1.3) ⎛ − 4 % carater ionico = ⎜1 − e ⎜ ⎝ 2 ⎞ ⎟ x (100%) = 70.2% ionico ⎟ ⎠ ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente. Determine a porcentagem dessas ligações. ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente. Determine a porcentagem dessas ligações. Solução Da tabela periódica obtem-se que a eletronegatividade do silício é 1,8 e a do oxigênio é 3,5. % covalent = exp[-0.25(3.5 - 1.8)2] x 100% = exp(-0.72) x 100% = 48,6% % iônica = (1- exp[-0.25(3.5 - 1.8)2]) x 100 % = (1 - exp(-0.72)) x 100%= 51,4 % ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Ligações Metálicas Metais e suas ligas Elétrons de valência não estão ligados aos átomos Formam um mar de elétrons ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm3 de prata. Densidade da prata é 10.49 g/cm3 O peso atômico da prata é 107.868 g/mol ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm3 de prata. Solução A valência da prata Ag é 1, e apenas os elétrons de valência conduzem cargas elétricas. Densidade da prata é 10.49 g/cm3 O peso atômico da prata é 107.868 g/mol. Peso de 10 cm3 = (10 cm3)(10.49 g/cm3) = 104.9 g 23 ( 104 . 9 g )( 6 . 023 × 10 atoms / mol ) àtomos = = 5 . 85 × 10 23 107 . 868 g / mol elétrons = (5.85 × 1023 atoms)(1 elétron valência/atom) = 5.85 × 1023 elétrons de valência em 10 cm3 ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas. ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas. Molécula de água ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Propriedades Elétricas ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Condução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Condução nos líquidos ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Condução nos gases ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Condução nos gases
