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Prof. Carlos Eduardo Tavares

1. Prof Carlos Eduardo Tavares 2009 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais INDICE CAPITOLO A CARR RR RR SERRO RN RR RE RR E 2 PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS creerea pas va EsI Nada Uai ANSA SED SS 2 Lol EO UI O aa Ri DO O E P E Da 2 t2 Liga es Quimicas REVISTO loomise ene E O A dO ASA 3 1 25 Liga o ToniCa sia alo SL Rio SRI Goa aaa 4 152 2 Liga o Covalente seniorinn E E T R 5 12 3 Eiga o MaC Tie n e e E O 5 L24 Licacoes Secundari d Sina E A Ra ia 6 Lo Propriedades TISICAS stand isso Karna E LD AE E E T 6 1 3 1 Massa volume e densidade se ehereeianee n ae A EA E N 6 LS ZE Sdo PISICO sita SDS a RD O a Ra fi ro pricdades EIEI CI sonia E da SE a E 8 Ha Conduavidade e Resisividade Elet CA cnir pasa OD ED 8 a Conducad mos SONdOS nda E RS dg 10 Db Condu o Nos Mados snarar A E EA 10 EC CONQUe o NOS PASS a a Rg a a 10 142 Resistencia o Condutancia ElCinCa maus Dou E E E Se 11 Lao Pennissividade DICICICA eeraa Ga a a Uia ad RL Gala 12 AARIS deZ Dek Ia a a a a a 13 LS Propriedades Magneticas capas edi ng aaa Do GOO La Dogs AE 13 1 5 1 Permeabilidade e Susceptibilidade Magn tit iraisesisiircisireinn nrinn 13 L6 Propriedades Mecanicas aasnsasdsi asas ASUS EO oa AaDn db Tala Sad dao bb Ta id 14 1 61 Delorma o oOs Meldi eoin i E E AO E ES 14 16 2 O tras propriedades Mecanicas enori a a a g 16 L7 Propriedades Termicas nione a a E aR A E E A A tc 16 18 Propriedades QUIMICAS sanis a A a pa a ge 18 LS
2. S o Paulo Ed Edgard Blucher 1979 V Schmidt Materiais el tricos 1solantes e magn ticos v 2 S o Paulo Ed Edgard Blucher 1979 S M Rezende A F sica de Materiais e Dispositivos Eletr nicos Editora da Universidade Federal de Pernambuco 1996 D B Saraiva Materiais el tricos Editora Guanabara Dois 1988 W D Callister Jr L M Van Vlack Princ pios de ci ncia e tecnologia dos materiais Rio de Janeiro Editora Campus 1984 Smith William F Principios de ci ncia e engenharia dos materiais ISBN 972 8298 68 4 Askeland Donald R The science and engineering of materials ISBN 0 534 55396 6 W Smith Princ pios de Ci ncia e Engenharia dos Materiais McGraw Hill 3 ed 1998 B M Ashby e D Jones Engineering Materials 1 An introduction to their properties amp applications Butterworth Heinemann 2 ed 1998 B M Ashby e D Jones Engineering Materials 2 An introduction to microstructures processing amp design Butterworth Heinemann 2 ed 1998 BARANAUSKAS Vitor Tecnologia dos Cristais de Sil cio em Microeletr nica Editora da Unicamp Campinas 1990 118 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais BARANAUSKAS Vitor T cnicas Instrumentais de Caracteriza o de Semicondutores Editora da Unicamp Campinas 1989 CALLISTER Jr William D Ci ncia e Engenharia de Materiais Uma Introdu o LTC Livros T cnicos e Cient ficos Editora Rio de Janeiro2002
3. 89 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais as l mpadas automaticamente quando o dia escurece e desligando ap s o amanhecer com grande aplica o em ilumina o p blica figura ao lado O dispositivo fotocondutor de maior aplica o a c lula de coa Reproduced with permission sulfeto de c dmio dopada com uma pequena quantidade de prata print antim nio ou ndio As vantagens desses fotocondutores s o e Alta capacidade de dissipa o e Excelente sensibilidade no espectro vis vel e Baixa resist ncia quando estimulados pela luz em escurid o em torno de 2MQ e com luz forte menos de 1000 Podem ent o controlar um circuito de v rios Watts operando um rel diretamente sem circuitos amplificadores intermedi rios Outros materiais fotocondutores e Sulfeto de chumbo sendo usado para detec o ou medidas de absor o de infravermelho e Selenium sens vel em toda a parte do espectro vis vel particularmente perto do azul Os fotocondutores s o tamb m usados utilizados em m quinas de x rox que funcionam da seguinte maneira 1 Quando se inicia a opera o de uma m quina de xerox acende se uma l mpada que varre todo o documento a ser copiado A imagem projetada por lentes e espelhos sobre a superf cie de um cilindro fotossens vel de alum nio revestido por material fotocondutor 2 Uma imagem latente formada na superf cie do cilindro 3 O cilindro recebe uma carga de material c
4. COLOMBO R Disjuntores de Alta Tens o Siemens Nobel S o Paulo 1986 LUIZ Adir M Aplica es da Supercondutividade Editora Edgard Bl cher Ltda S o Paulo 1992 MAMEDE F Jo o Manual de Equipamentos El tricos Livros T cnicos e Cient ficos Editora Volumes l e 2 Rio de Janeiro 1994 MILASCH Milan Manuten o de Transformadores em L quidos Isolantes Editora Edgard Bl cher Ltda S o Paulo 1985 PADILHA Angelo F Materiais de Engenharia Microestrutura e Propriedades Hemus Editora S o Paulo 1997 PIERCE J Frank Dispositivos de Jun o Semicondutores Editora Edgard Bl cher Ltda S o Paulo 1972 SARAIVA Delcyr B Materiais El tricos Editora Guanabara Rio de Janeiro 1988 SCHIMIDT Walfredo Materiais El tricos Editora Edgard Bl cher Ltda S o Paulo 1979 VAN VLACK Laurence Princ pios de Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Editora Campus Rio de Janeiro 1984 WERNECK Marcelo M Transdutores e Interfaces LTC Rio de Janeiro 1996 FITZGERALD A E KINGSLEY C J UMANS S D M quinas El tricas 6 ed McGraw Hill 2006 KOSOW Irving L M quinas El tricas e Transformadores 8 ed S o Paulo Globo 1989 DEL TORO Vicent Fundamentos de M quinas El tricas LTC Livros T cnicos e Cient ficos S A FALCONE A G Eletromec nica Edgard Blucher 2001 SEN P C Principles of Electric Machines and Power Electronics 2 ed John Wiley amp Sons 1997 MAMEDE FILHO J Instala
5. do emissor ter uma tens o de 5 Volts Ao aplicarmos ent o uma tens o de entrada no emissor E do UJT esta ter que inicialmente vencer a barreira de potencial intr nseca da jun o PN 0 6V e em seguida superar a pr pria tens o que polariza o c todo 5 Volts no B2 6 a 30 Volt 84 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais exemplo Nesse caso enquanto a tens o aplicada ao terminal do emissor E n o atingir 5 6 Volts 0 6V 5V n o haver passagem de corrente pelo emissor atrav s de Rb1 para a linha de negativo da alimenta o Mantendo se no exemplo uma tens o de emissor igual ou maior do que 5 6 Volts haver a passagem de uma corrente j qualquer tens o inferior a 5 6V ser incapaz de originar passagem da corrente el trica pelo emissor E e por Rb1 Portanto enquanto os 5 6V n o forem atingidos a corrente ser nula como atrav s de um interruptor aberto Alcan ando os 5 6V tudo se passa como se o interruptor estivesse fechado e assim a corrente que circular estar limitada unicamente pelo valor resistivo intr nseco de Rb1 Como a transi o de corrente nula para corrente total entre emissor E e base 1 B1 se d sempre de forma abrupta quando a tens o de emissor chega tens o limite de disparo podemos considerar o UJT como um simples interruptor acionado por tens o 4 7 4 Transistor de Efeito de Campo Os transistores bipolares e os transistores de efeito de campo disting
6. Normalmente a temperatura inicial que serve de refer ncia tomada como T4 20 C Nesse caso Rri Roll amp T 20 A condutividade t rmica de metais e ligas tamb m de extrema import ncia pois ela demonstra a capacidade do material de liberar para o ambiente o aquecimento causado pelas perdas A distribui o uniforme de corrente atrav s da se o de um condutor existe apenas para a corrente cont nua Com o aumento da frequ ncia acontece uma distribui o n o uniforme de corrente fen meno este chamado de efeito pelicular pois em um condutor circular a densidade de corrente geralmente aumenta do interior em dire o a superf cie 25 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 2 2 2 Resist ncia de contato nos metais Quando se aplica uma pe a met lica sobre outra com objetivo de contato el trico estas ficam na verdade separadas qualquer que seja a press o a que sejam submetidas por uma dist ncia relativamente grande se comparada s dimens es do tomo Na verdade existem alguns pontos de contato perfeito e o resto dos pontos a dist ncia da ordem de mm de onde se entende a exist ncia da resist ncia de contato A passagem de energia de uma pe a a outra se d por dois modos e atrav s de uma zona de contato ntimo ou de condu o e atrav s de uma zona de disrup o onde o gradiente de potencial pode alcan ar valores elevados muito pouco inferiores a rigidez diel trica do ar A
7. es El tricas Industriais 6 ed LTC 2007 SEN P C Principles of Electric Machines and Power Electronics 2 ed John Wiley amp Sons 1997 www teletronica kit net http www seara ufc br especiais fisica supercondutividade supercondutividade 1 htm http www feiradeciencias com br sala08 08 35 asp 119 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais http www colegiosaofrancisco com br alfa capacitadores capacitadores 1 php Wwww geocities yahoo com br http www fisica potier pro br poligrafos capacitores htm http www eletrica ufpr br mehl downloads capacitores pdf http www eletrica ufpr br mehl downloads capacitores pdf http pt wikipedia org wiki TermYC3 ADstor Luc nio Preza de Ara jo http www prof2000 pt users Ipa http www wkoch com br 2008 09 17 imas permanentes e eletrormas http www comciencia br reportagens nanotecnologia nano14 htm http br geocities com jcc5003 0queecurvademagnetizacao htm http www comciencia br reportagens nanotecnologia nano14 htm 120
8. es principais em equipamento port til uma redu o de peso em partes de equipamento el trico em movimento redu o de massa da energia cin tica e do desgaste por atrito usado em cabos est vel contra gua do mar n o suporta solu es alcalinas Quanto maior Mg maior dificuldade para soldagem Melhor estabili dade que Al boa capacidade de soldagem Estabilidade m dia perante sais e cidos 30 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais e de pe as sujeitas a transporte maior facilidade nesse transporte extensiva montagem dos mesmos e em estruturas de suporte de materiais el tricos cabos por exemplo redu o do peso e consequente estrutura mais leve e em locais de elevada corros o o uso particular de ligas com mangan s 2 3 3 Chumbo Pb O chumbo um metal de colora o cinzenta com um brilho met lico intenso quando n o oxidado Sua oxida o superficial por m bastante r pida Apresenta elevada resist ncia contra a a o da gua pot vel devido presen a de carbonato de chumbo sal cido sulf rico N o resiste a vinagre materiais org nicos em apodrecimento e cal O chumbo atacado pela gua destilada O chumbo venenoso Permite sua soldagem Nas aplica es el tricas frequentemente encontrado reduzido a finas chapas ou folhas como nas blindagens de cabos com isolamento de papel acumuladores de chumbo cido e paredes protetor
9. mercados uma mostra de que assim que essas tecnologias tornem se o padr o estar aberto o caminho para que outra possa ser implementada Mas o OLED ainda tem alguns detalhes a resolver antes que seja a tecnologia usada nas pr ximas gera es de televisores A fragilidade dos filmes pl sticos que se rompidos inutilizam o monitor A durabilidade dos compostos especialmente os que reproduzem frequ ncias azuis Entretanto parece claro que o OLED a tecnologia que ir assumir o lugar do LCD e do Plasma no futuro por unir as qualidades de ambos e ainda apresentar caracter sticas que nenhuma delas pode reproduzir A figura a seguir mostra a estrutura de um OLED Structure Cathode Emissive Layer Organic Molecules or Polymers pr Conductive Layer Organic Molecules or Polymers Substrate 4 7 2 Transistor de Jun o Bipolar Uma combina o de tipos diferentes de semicondutores comp e o transistor um dispositivo que pode ser empregado como uma v lvula de triodo substituindo a em amplificadores e outros circuitos eletr nicos E admiravelmente ao contr rio da v lvula o transistor n o consome energia a v lvula usa energia para aquecer seu catodo e pode ser confeccionado em dimens es microsc picas de maneira que centenas deles possam ser incorporados a um chip de s lica medindo apenas uns poucos mil metros O material semicondutor mais usado na fabrica o de transistores o sil ci
10. Estamos em situa o de SORRECARGA e devida ae cheio de Joale val provacar a berime do circuito O cheuito enconiiade se aberto a bifimia ol aaTefecer E cedomas EUA posi o de origen 2 5 2 Fios e cabos condutores Um fio um segmento fino cil ndrico flex vel e alongado de um certo material de acordo com sua fun o S o usados fios distintos para transportar tanto energia el trica quanto informa o S o feitos de metal em geral cobre ou alum nio revestido de pl stico ou borracha isolante Basicamente o que diferencia um fio de um cabo a flexibilidade suas caracter sticas el tricas capacidade de condu o de corrente resist ncia da isola o etc s o as mesmas Os fios s o feitos de um nico e espesso filamento e por isso s o r gidos Os cabos s o feitos por diversos filamentos finos o que lhes d maleabilidade e facilitando seu manuseio S o constitu dos fundamentalmente por tr s partes distintas e CONDUTOR e ISOLA O e COBERTURA Cada fio ou cabo deve conter as seguintes informa es gravadas de forma cont nua bitola isola o temperatura nome do fabricante 52 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Um cabo condutor el trico pode ser constitu do por uma quantidade vari vel de fios desde um nico fio at centenas deles CONTO Colsarbura J iligo Isola o y Condutor Condutor isolado Cabo unipolar Cabo multipolar CABOS
11. Por terem o sentidos contr rios formam um campo total mais fraco 5 2 6 Densidade de Fluxo a rela o entre o fluxo expresso em weber Wb e a rea da se o reta em m atravessada por este fluxo expressa pela equa o abaixo 98 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Onde C ra E T a p W B densidade de fluxo magn tico Wb m fluxo magn tico Wb F na F A rea da se o reta m 5 2 9 For a Magnetomotriz Um solen ide ou um eletroim pode ser feito a partir de um n cleo de ar ou material magn tico e um enrolamento ou conjunto de espiras normalmente sobre uma forma atrav s das quais faz se passar uma corrente A passagem de corrente cria um campo magn tico que pode ser concentrado caso o n cleo seja de material magn tico A for a magnetomotriz obtida por Onde Hmm for a magneto motriz amp re espiras T mm N xI N n mero de espiras do enrolamento corrente que percorre o enrolamento amp res A relut ncia pode ser ent o definida partir de Onde fmm for a magneto motriz amp re espiras Sam Q K D fluxo magn tico Wb Y A E F iv relut ncia A Wb ou H 5 2 10 Curva de Magnetiza o BxH A curva de magnetiza o um gr fico obtido experimentalmente que relaciona a indu o magn tica B com a intensidade do campo magn tico ou excita o magn tica H O gr fico pode tamb m relacionar o fluxo magn tico com a corrente
12. abaixo direita Nas decora es de rvores de natal mediante pequenas l mpadas uma das l mpadas usa o pr prio calor dissipado em seu funcionamento para acionar um interruptor bimet lico em s rie abaixo esquerda Termostatos bimet licos de lamina s o amplamente utilizados com o objetivo de regular ou proteger o equipamento de um superaquecimento Feito com bimetais snp action e com disco ceramicos de tima qualidade garantindo cliclos e vida de at 50 000 opera es Devido ao bimetal estar plenamente em contato com a superficia a ser controlada possui um timo grau de precis o de acionamento Bastante utilizado em aplica es acima de 200 C possui dois modos de ajuste com pino de regulagem e parafuso fixo na temperatura Disponivel numa faixa de temperatura de 0 C at 300 C com capacidade de corrente de at 15A Algumas aplica es Beneficios e Vantagens e Fornos eletricos e Estufas e esterilizadores e Autoclaves e M quinas de fuma a e Fritadeiras e Maquinas de Estampas R pida Resposta Pode ser customizado Baixo custo Alto Benef cio Evita queima do equipamentos que causam grandes prejuizos O rel de sobrecarga bimet lico constitu do de um par de l minas met licas um por fase com metais de dilata o t rmica linear diferente e por um mecanismo de disparo contidos num inv lucro isolante com alta resist ncia t rmica 50 Ci ncia e Tecnologia dos
13. disco Os capacitores cer micos apresentam impressos em seu corpo um conjunto de tr s algarismos e uma letra conforme a figura ao lado Para se obter o valor do capacitor geralmente expresso em pF os dois primeiros algarismos y gt amismo llo de zeros 2 00 representam os dois primeiros d gitos do valor do N W 2 awaismo 3 capacitor e o terceiro algarismo chamado Ea as dio algarismo 3 multiplicador representa o n mero de zeros direita A letra representa a toler ncia faixa de valores em que a capacit ncia poder variar que Toler ncia Ate 10pF Acima de 10pF pode ser omitida Esta ultima para os capacitores 8 0 10pF F 1 M 20 cer micos at 10pF expressa em pF e para C 0 25pF G 2 P 100 0 d 10DF r D 0 50pF H 3 52 50 2D aqueles acima e p expressa em E 4pF jas Z 80 20 porcentagem Por exemplo um capacitor com 224F G 2pF K 10 impresso no pr prio corpo possuir uma capacit ncia de 220000pF com uma toler ncia de 1 seu valor pode ser um por cento a mais ou a menos desse valor Capacitores de Filme de Poliestireno Nestes capacitores um filme de poliestireno usado como E a diel trico Este tipo de capacitor n o pode ser usado em circuitos de i altas frequ ncias pois eles s o constru dos com estruturas de bobinas S o usados em circuitos de filtro e circuitos de tempo que operem at algumas centenas de KHz ou menos Capaci
14. es certa temperatura de repouso as duas tiras t m o mesmo comprimento e a l mina se apresenta plana posi o 1 na ilustra o abaixo dilata o na face de fora maior Um aumento de temperatura provoca nela a uniforme flex o no sentido do comprimento de modo que o metal A menos sensivel s varia es t rmicas permanece no interior da concavidade posi o 2 ou seja na face c ncava Uma diminui o de temperatura provoca a deforma o inversa posi o 3 ficando o material A menor coeficiente de dilata o linear na face convexa Os materiais usados correntemente s o ligas de ferro e n quel cujos coeficientes de dilata o linear dependem fortemente da porcentagem de n quel se esta porcentagem de 36 obt m se a liga invar que possui um a extremamente pequeno da seu nome invari vel O lat o e o invar constituem um bom par para a l mina bimet lica Para uma l mina como a da ilustra o acima pode se assumir h como a medida da deforma o provocada por uma varia o de temperatura AO em rela o de repouso em primeira aproxima o a deforma o dada por 48 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais k Ab ih L l ck 2AL AL 2AL 2A 2a AD 2a A8 ak 22 A Ma a 20h0h8 h 2L s Aa A0 onde L o comprimento natural da l mina s sua espessura e Aa a diferen a entre os coeficientes de dilata o linear dos dois materiais Para u
15. mero de subn veis que constituem cada n vel de energia depende do n mero m ximo de el trons que cabem em cada n vel Assim como no primeiro n vel cabem no m ximo 2 el trons este n vel apresenta apenas um subn vel s no qual cabem os dois el trons O subn vel s do primeiro n vel de energia representado por 1s Como no segundo n vel cabem no m ximo 8 el trons o segundo n vel constitu do de um subn vel s no qual ficam 2 el trons e um subn vel p com no m ximo 6 el trons Deste modo o segundo n vel e formado por dois subn veis representados por 2s 2p e assim por diante Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Resumindo N maximo de el trons Subniveis conhecidos ce le RO O T rPrlal 8 5 Linus Gari Pauling 1901 1994 qu mico americano elaborou um dispositivo pr tico que permite colocar todos os subn veis de energia conhecidos em ordem crescente de energia E o processo das diagonais denominado Diagrama de Pauling representado a seguir 1s 25 2p 35 3p 45 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 75 5f 6d ordem crescente de energia Vejamos um exemplo A camada de val ncia do As ars nio cujo n mero at mico 33 a camada N pois o ltimo n vel que cont m el trons A distribui o eletr nica deste tomo fica assim 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p O n mero 4 corresponde camada N O subn vel p da camada N neste caso n o est completo pois sobrara
16. mostram extremamente uteis para a eletr nica Em compara o com os metais e com os isolantes as propriedades el tricas dos semicondutores s o afetadas por varia o de temperatura exposi o luz e acr scimos de impurezas Um semicondutor puro como o elemento sil cio apresenta uma condutividade el trica bastante limitada por m se pequenas quantidades de impurezas s o incorporadas sua estrutura cristalina suas propriedades el tricas alteram se significativamente O material pode passar por exemplo a conduzir eletricidade em um nico sentido da forma como age um diodo A adi o de uma outra impureza lhe confere a propriedade de conduzir eletricidade apenas no outro sentido Em sentido hor rio de cima para baixo um chip um LED e um transistor s o todos feitos de material semicondutor Para uma correta compreens o do funcionamento destes materiais faz se necess rio recordar alguns conceitos j vistos 70 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 4 1 N veis de Energia A maneira com que os el trons se distribuem nas rbitas em torno do n cleo do tomo n o aleat ria Segue regras bem definidas que s o as mesmas para todos os elementos Um el tron em rbita tem uma energia potencial que depende da sua dist ncia at o n cleo e uma energia cin tica que depende da sua velocidade A soma de ambas a energia total do el tron Conforme a Teoria Qu ntica os estados da mat ria n o variam conti
17. movimento das lacunas desprez vel O O Os 0e 0 ion el tron positivo livre gt an Z A LA LA LA s s s s s 4 6 Semicondutores do Tipo Ne P No estado puro cada par de el trons de tomos distintos forma a chamada liga o covalente de modo que cada tomo fica no estado mais est vel isto com 8 el trons na camada externa O resultado uma estrutura cristalina homog nea conforme ilustrado na figura abaixo Van San am cd gt Ne ba Sab E w Po E E Representa o Plana do tomo de Sil cio 74 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Para a maioria das aplica es n o h el trons livres suficientes num semicondutor intrinseco para produzir uma corrente el trica utiliz vel Portanto para se obter esta corrente foram criados os semicondutores do tipo N e P Quando certas subst ncias denominadas impurezas s o adicionadas as propriedades el tricas s o radicalmente modificadas Se um elemento como o antim nio que tem 5 el trons de val ncia for adicionado e alguns tomos deste substitu rem o sil cio na estrutura cristalina 4 dos 5 el trons ir o se comportar como se fossem os de val ncia do sil cio e o excedente ser liberado para o n vel de condu o conforme mostra a figura seguinte Da7 Sa Sa O 7 an te gt l i a E j w w ag E9 Ex ER ES O cristal ir conduzir e devido carga negativa dos portadores el trons denominado sem
18. sempre em temperaturas muito baixas Em 1956 o f sico americano Leon Cooper mostrou que os el trons que transportam a supercorrente se associam em pares enquanto se deslocam pelo material Estes pares chamados pares de Cooper poderiam ser os respons veis pela corrente supercondutora em materiais a baixas temperaturas Normalmente dois el trons com carga negativa n o podem chegar perto um do outro por causa da forte repuls o coulombiana No entanto Cooper sugeriu que dentro de um s lido met lico dois el trons poderiam vencer essa repuls o m tua com a ajuda de uma excita o da rede cristalina do material comumente chamada de f non Um f non uma excita o mec nica que se propaga pela rede cristalina de um s lido Normalmente essa excita o que se desloca como uma onda pelo material causada pela agita o natural existente em todo sistema sujeito a uma temperatura finita Ela consiste de pequenos deslocamentos dos tomos da rede claro que quanto maior a temperatura maior o n mero de f nons e esses f nons se propagam em todas as dire es dentro do material Os tomos da rede cristalina de um metal n o s o eletricamente neutros Normalmente eles perderam el trons e se tornaram positivamente carregados S o os el trons perdidos que transportam corrente el trica pelo s lido Um el tron que se desloca atrav s do material vai perturbando os tomos da rede atraindo os por for a coulo
19. trica Em outras palavras a c lula solar trabalha segundo o princ pio de que os f tons incidentes colidindo com os tomos de certos materiais provocam um deslocamento dos el trons carregados negativamente gerando uma corrente el trica Este processo de convers o n o depende do calor pelo contr rio o rendimento da c lula solar cai quando sua temperatura aumenta Deste modo as c lulas solares n o s s o apropriadas para regi es ensolaradas mas tamb m parecem promissoras para reas em que outros tipos de sistemas de energia solar perecem sem perspectivas como as de baixa insola o As c lulas solares continuam a operar mesmo sob c u nublado A convers o da energia solar em energia el trica com o uso de pain is fotovoltaicos j comercialmente vi vel para pequenas instala es Seu uso particularmente vantajoso em regi es remotas ou em zonas de dif cil acesso Os sistemas de comunica o e de modo geral todos os equipamentos eletr nicos com baixo consumo de pot ncia podem ser facilmente alimentados por pain is fotovoltaicos A figura abaixo mostra uma configura o t pica de instala o do sistema fotovoltaico Para sua utiliza o em resid ncias se faz necess rio o uso de alguns dispositivos tais como controlador de carga baterias para armazenar a energia para uso noturno e um inversor para converter a tens o cont nua e alternada Tamb m torna se especialmente not vel a utiliza o de energia
20. 100 000 e Diamagn ticos vidro gua antim nio bismuto chumbo cobre gases raros Estes materiais afastam ligeiramente as linhas de fluxo que os interceptam A dire o do campo adicional formado atrav s da teoria dos dom nios oposta do campo externo fazendo com que o campo resultante seja menor que o campo externo Sua permeabilidade magn tica menor que a do v cuo Por exemplo Ouro LL 35 x TOA Merc rio u 1 12 x 10 E Diamagnetico Prata u 1 20 x 107 A gua u 1 175 x 10 H Zinco p 10 x 10 O bismuto apresenta uma varia o em sua Bismuto u 0 9999986 resist ncia el trica quando atravessado pelo fluxo magn tico sendo por isso aproveitado em instrumentos de medi o de campo magn tico e Paramagn ticos oxig nio s dio sais de ferro e de n quel alum nio sil cio Estes materiais tendem a concentrar ligeiramente as linhas de fluxo que os interceptam A dire o do campo adicional a mesma do campo externo portanto o campo resultante maior que o campo externo Sua permeabilidade magn tica ligeiramente maior que a do v cuo Por exemplo 95 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais dE mi Alum nio u 1 22 x10 B Paladium u 1 690 x 10 Paramagn tico Platina u 1 330 x 10 V cuo Oxig nio 1 1 5 x 10 Berilo tu 1 000000079 5 2 Caracteristicas dos Materiais Magn ticos 5 2 1 Retentividade
21. DE ALUM NIO e Cabo N Obtido atrav s da reuni o de v rios fios dispostos concenticamante em torno de um fio central Este fio central pode ser de alum nio cabo CA ou de a o caboCAA e Multiplex Os cabos multiplexados para 0 6 1KV s o constitu dos a partir da reuni o de um dois ou tr s condutores fases isolados ao redor de um condutor neutro de sustenta o A isola o constitu da por composto extrudado de polietileno termopl stico PE para temperaturas de opera o do condutor de 70 C ou por composto termofixo e polietileno reticulado XLPE para temperaturas de opera o de condutor 90 C O condutor neutro de sustenta o pode ser formado por fios de alum nio sem alma de a o tipo CA ou com alma de a o tipo CAA 2 6 Supercondutores Um metal a temperatura ambiente tem resist ncia el trica pequena por m n o nula Quanto menor a temperatura menor a resist ncia do material Supercondutores s o materiais que n o oferecem resist ncia passagem de corrente el trica A supercondutividade s se verifica abaixo de uma determinada temperatura para cada tipo de material chamada temperatura cr tica Quanto maior for esta temperatura para um dado material maior ser seu potencial para aplica es pr ticas O holand s Heine Kammerlingh Onnes achava que a resist ncia deveria diminuir cada vez mais chegando a zero no zero absoluto Ele argumentava que as vibra es dos tomos do 53 Ci
22. Exemplos de materiais isolantes a gasosos i ar amplamente utilizado como isolante em redes el tricas de transmiss o e distribui o hexafluoreto de enxofre SFs usado em isolamentos de cabos subterr neos e disjuntores de alta pot ncia subesta es b fibras naturais papel impregnado em resinas ou leos algod o seda usados em suportes isolantes e em revestimentos de cabos capacitores e bobinas c cer micas xido de alum nio titanato de b rio porcelana etc utilizadas basicamente em isoladores de baixa m dia e alta tens o e em capacitores de baixa e alta tens o elevada constante diel trica a TO Bz 11 An d resinas pl sticas Poli ster polietileno PVC Poli Cloreto de Vinila Teflon etc aplicados em revestimentos de fios e cabos capacitores e pe as isolantes 59 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais j O e l quidos leos mineral ascarel leo de silicone atuam nas reas de refrigera o e isola o em transformadores e disjuntores a leo Tamb m empregados para impregnar pap is usados como diel tricos em capacitores f tintas e vernizes compostos qu micos de resinas sint ticas T m importante emprego na tecnologia de isola o de componentes eletr nicos como esmalta o de fios e cabos condutores isola o de laminados ferromagn ticos circuitos impressos e prote o geral de superf cies g borrachas sint
23. a 96 V2 PETICA NG ld rsin oia a E E E 96 IAF PETEA DIC A O a cronica a E A 96 52o Perma pindade Relativa seier eE EE TE E EE EES 97 5 2 6 Meios de Propaga o do Fluxo Magn tico eeeerrrrrrereeeerer eee aeee aeeeeererrereeea 97 9 207 Intensidade de Campo Maon itO apa OSLO Sa 97 32S Dene dade de DO a rea a DA a EAE 98 Dez DP OCE MASC LO MONIZ osea e a Rd a a 99 2 10 Curva de Masnetiza o BXH ias ia CU pla la 99 FLAKE OdG ASIT SC eE E aaa nl 100 55 Lendo Faradave Derde Lelu anan T a 102 54 Circuitos MaenchcosEquivalentos ssa nasais RED ADIA Sad A 103 54 1 Circuito Magnetico em Entreterro de AT spas LDA Dai Da 105 dr Aplica es dos Materiais MASnCHCOS esses nana DD la aaa S 107 ILETO AS acena dO O AAEE RE 108 NRO PA REE rana EE ERDC IEEE RRE SRURO E 109 SE DONA VOTOS pia Ra dd a da 110 5 3 4 Disjuntores Dernno MACNCiicos asi aseissnhoniloca ueiagatspnidoniaGeis an aSa anina EEE E EEEa E EE E ana asi 111 DE NAO E EEE E E A E E E EE E E E ET 115 X0 Motores Geradores EICLACOS esrriereiieiisr eia i E E E E a E 115 S NA Trans NAOTO aar E A 117 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS cceeereereermeereereereermerereereerrerereereerrereeeereerrerrererereerrerersersersesersos 118 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais CAP TULO PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS 1 1 Introdu o O objetivo da disciplina Ci ncia e Tecnologia dos Materiais habilitar os estudantes de Engenharia El trica a distinguir e recomenda
24. a corrente segue o seguinte caminho eletroim mola B armadura A placa F chave S e volta pilha Mas logo que a corrente passa acontece o seguinte 1 o eletro m atrai a armadura esta leva consigo a haste C e a esfera D bate no t mpano T 2 quando a armadura atra da ela se afasta da placa F e o circuito se abre 3 com o circuito aberto cessa a atra o sobre a armadura e a mola B leva novamente a armadura em contato com F 4 ent o o circuito se fecha e tudo se repete Assim enquanto a chave S permanecer fechada a esfera D alternadamente bate no t mpano e recua Essa chave S o que vulgarmente chamado de o bot o da campainha quando o mesmo acionado fechado o circuito 5 3 6 Motores e Geradores El tricos Motor el trico uma m quina destinada a transformar energia el trica em mec nica O gerador realiza o processo inverso transforma energia mec nica em energia el trica Os motores el tricos essencialmente s o compostos por duas partes e Rotor que a parte m vel e Estator ou Carca a que a parte fixa O rotor do motor precisa de um torque para iniciar o seu giro Este torque momento normalmente produzido por for as magn ticas desenvolvidas entre os p los magn ticos do rotor e aqueles do estator For as de atra o ou de repuls o desenvolvidas entre estator e rotor puxam ou empurram os p los m veis do rotor produzindo torques que fazem o rotor girar mai
25. a maior ou menor capacidade de um material reter o magnetismo O a o por exemplo possui maior retentividade do que o ferro doce 5 2 2 Relut ncia a oposi o ao estabelecimento do fluxo no circuito magn tico Apenas como refer ncia pode se pensar na resist ncia e sua oposi o passagem de corrente el trica e ser poss vel estabelecer uma analogia A Relut ncia pode ser obtida a partir das caracter sticas magn ticas e geom tricas do material conforme mostrado na equa o abaixo Onde X relut ncia em henry l UXA L comprimento do material m F g F A rea da se o reta m u permeabilidade do material henry m 5 2 3 Perme ncia a rec proca da relut ncia an logo condut ncia 5 2 4 Permeabilidade 96 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais a caracter stica do material quanto maior ou menor facilidade de se deixar atravessar pelo fluxo magn tico circulante opondo se em maior ou menor grau orienta o das mol culas A permeabilidade fun o da temperatura e da intensidade de campo magn tico aplicado 5 2 5 Permeabilidade Relativa A permeabilidade do v cuo dada por L 4x7 x10 H m A permeabilidade dos demais materiais geralmente referenciada permeabilidade do v cuo no que chamada de permeabilidade relativa dada por Onde u permeabilidade do material H m H H O H r Lo permeabilidade do v cuo H m Ur
26. altas tens es i Capacitores Vari veis Outra categoria importante a dos capacitores vari veis Estes dispositivos s o compostos por um conjunto de placas fixas intercalado com um de placas m veis que podem girar em torno de um eixo comum Assim pode se 66 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais controlar a rea das superf cies condutoras submetidas ao campo el trico controlando assim a capacit ncia Foi bastante empregado na sintonia dos receptores de r dio com v lvulas com o ar como diel trico Por m com o advento dos transistores surgiu a necessidade da redu o do seu tamanho o que foi obtido atrav s da utiliza o de filme pl stico como diel trico ao inv s do ar Com constru o similar por m com apenas duas placas podemos citar pequenos capacitores ajust veis normalmente utilizados em r dios port teis e em diversos dispositivos eletr nicos que t m capacit ncias m ximas em torno de 500 pF O valor exato da capacit ncia ajustado na f brica durante as fases de montagem e calibra o daqueles aparelhos assim os capacitores ajust veis em geral ficam dentro do equipamento fora do alcance do usu rio Estes pequenos capacitores recebem o nome de 1 Trimmer Tamb m conhecido como CAPACITOR COMPENSADOR Normalmente utiliza diel tricos como a mica e o pr prio ar constitu do por duas l minas met licas armaduras uma fixa e outra m vel separadas por uma fina folha de mica
27. cleo Em m quinas el tricas rotativas o rotor est fisicamente isolado por um entreferro de ar Na figura seguinte representado um corte radial em uma m quina CC onde se pode observar que praticamente o mesmo fluxo magn tico est presente nos p los n cleo de material ferromagn tico e no entreferro ar Estator Naturalmente para manter as mesmas densidades de fluxo o entreferro exige uma fmm a r as I R r muito maior que o n cleo P 3 O que pode provocar a satura o do n cleo mantendo o entreferro n o saturado pois a curva B H do ar linear ou seja 4 constante Um circuito magn tico composto de caminhos magn ticos de diferentes materiais pode ser representado por suas respectivas relut ncias magn ticas como mostrado na sequ ncia Do circuito equivalente identificamos 105 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Re lc uc Ac Rg lg ug Ag E Ni R Rc Rg Ni Hc lce Hg lg Onde Ilc comprimento m dio do n cleo lg comprimento do entreferro de ar As densidades de fluxo s o Bc AC Ag Verifica se que Ag Ac e que desprezando a distor o das linhas de fluxo obt m se Bae AC No entreferro de ar as linhas de fluxo s o arqueadas nas extremidades dos p los espraiamento como ilustrado na figura abaixo Este efeito incrementado com o aumento da rea do entreferro e pode ser desprezado para pequenos valores do mesmo e 106 Ci ncia e Te
28. cleo circundado por el trons Como a massa de um el tron 0 0005 da massa de um pr ton ou de um n utron a massa total de um tomo aproximadamente proporcional ao n mero de pr tons e n utrons no n cleo A massa at mica expressa em gramas por tomo grama Um tomo grama sempre cont m 6 02x1023 tomos n mero de Avogadro Massa do tomo massa at mica 6 02x10 Com exce o da densidade e calor espec fico o fator massa at mica exerce uma influ ncia relativamente pequena sobre as propriedades dos materiais O n mero de el trons que circundam o n cleo de um tomo neutro mais significativo Este n mero denominado n mero at mico igual ao n mero de pr tons no n cleo Os el trons que circundam o n cleo do tomo n o t m todos o mesmo n vel energ tico sendo divididos em v rios n veis com propriedades energ ticas diferentes quatro n meros qu nticos As atra es interat micas for as que mant m os tomos unidos tamb m est o relacionadas estrutura eletr nica dos tomos Em um fio de cobre estas for as s o fortes caso contr rio o metal se deformaria facilmente j nos gases nobres tais como He Ne A etc existe apenas uma pequena atra o pelos outros tomos porque eles possuem um arranjo muito est vel de oito el trons 2 para o He na sua camada mais externa chamada de val ncia A maior parte dos outros elementos ao contr rio dos gases nobres deve adquirir a configu
29. da tela durante uma reprodu o de DVD Al m disto o OLED dispensa ilumina o de background necess ria nos LCDs o que o torna a tecnologia mais econ mica em termos de consumo de energia dispon vel atualmente Ademais uma excelente solu o para dispositivos que operam com baterias j que atualmente a economia de energia uma preocupa o global O OLED capaz de reproduzir cores t o bem quanto o Plasma e apresentar um tempo de resposta muito menor que o do LCD Tempo de resposta o tempo que um pixel leva para acender atingir a cor ideal e ent o apagar voltando ao estado de negro Entretanto alguns fatores continuam a atrasar a ado o em massa da nova tecnologia Mesmo tendo custos de produ o mais baixos que outras t cnicas o OLED relativamente recente Muitas empresas que desenvolveram partes importantes da tecnologia ainda cobram valores excessivamente altos pelas patentes e licen as de produ o em busca de ressarcirem seus gastos em pesquisa e desenvolvimento Al m disso os altos gastos na implementa o das tecnologias atuais ainda n o foram completamente amortizados Muitos fabricantes n o desejam tirar seus monitores LCD e Plasma de linha por entenderem que ainda h muito com rcio com esses produtos antes que uma nova tecnologia possa ser levada ao mercado de massa Entretanto a queda significativa nos pre os dos monitores LCD e Plasma verificada em todos os 80 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais
30. de tens o ocorrida nos terminais de uma ponte retificadora a diodos A figura a seguir mostra alguns modelos encontrados no com rcio XIDO DE ALUM NIO Na Figura da esquerda para a direita temos luF 50V di metro 5 mm altura 12 mm 47uF 16V di metro 6 mm alturaS mm 100uF 25V di metro 5 mm alturall mm 220uF 25V di metro 8 mm altural2 mm 1000uF 50V di metro18 mm altura40 mm b Capacitores de T ntalo Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Capacitores de t ntalo s o capacitores eletrol ticos que usam um material chamado de t ntalo para os eletrodos Grandes valores de capacit ncia podem ser obtidos similares aos de alum nio Contudo os capacitores de t ntalo s o superiores no que se refere temperatura e frequ ncia de opera o sendo portanto um pouco mais caros e mais recomendados para aplica es em que se deseja que o valor da capacit ncia seja constante com a temperatura e frequ ncia Usualmente o s mbolo LA usado para indicar o p lo positivo Primeiro Algarismo Segundo Algarismo Algarismo Multiplicador Toler ncia O valor obtido em pF Capacitores Cer micos Internamente estes capacitores n o t m M asa capacitor AO indo estrutura de bobinas por isso mesmo podem ser Lo eoresenta o valor do j i i iF com uma tole usados em circuitos que aterram sinais de alta rancia de 0 50pF frequ ncia Estes capacitores t m a forma de um
31. e tens o m xima de trabalho de 205V 2 Fus vel de Cartucho Possuem elo fus vel laminar ou cil ndrico utilizado em circuitos de correntes mais elevadas principalmente de ilumina o e for a com valores nominais de corrente de 10 15 20 25 30 40 50 60 100A e tens o m xima de 250V 3 Fus vel tipo Faca Usado principalmente em circuitos de for a para correntes muito elevadas O elo fus vel forma de l mina e apresenta redu o de se o em alguns lugares para localizar a rea de fus o Valores nominais de corrente de 80 100 150 200 250 300 400 500 600A e tens o m xima de 500V 4 Fus vel Diazed O elo fus vel uma chapa vazada com furos utilizado em circuitos de for a e ilumina o sendo produzidos tanto do tipo de fus o r pida quanto fus o lenta Os de a o r pida s o destinados a circuitos predominantemente resistivos enquanto que os de a o lenta retardados s o indicados para prote o de motores e cargas de altas correntes transit rias de energiza o que n o justificam a interrup o do circuito Apresentam areia em seu interior para atenuar os efeitos da press o temperatura e arco durante a fus o do elo Apresentam uma pedra colorida chamada espoleta que se desprende de sua posi o quando o fus vel queimado Valores nominais de corrente de 6 10 15 20 25 30 60A r pidos e de 80 100 125 160 200A retardados com tens o m xima de at 500V Tamb m s o encontrados os d
32. ent o que quando uma barra de ferro era a colocada perto de um im natural ela adquiria e retinha esta propriedade do im natural e que quando suspensa livremente em torno de um eixo vertical ela alinhava com a dire o norte sul que originou os instrumentos de navega o como por exemplo a bussola A for a que atrai o ferro ou outros metais a um m chamada linha de for a Um conjunto de linhas de for a que saem do p lo N e entram no im pelo S forma o campo magn tico Ao espalharmos limalha de ferro sobre um m pode se perceber a forma do campo magn tico por meio das linhas de indu o este fato est ilustrado na figura abaixo P lo Sul Magn tico P lo Norte Geogr fico Quanto mais forte o im e Maior o n mero de linhas de for a e Maior a rea abrangida pelo campo magn tico O magnetismo ou for a magn tica fundamental na gera o e aproveitamento da corrente el trica Todo tipo de sistema ou 93 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais equipamento eletromec nico contem efeitos magn ticos em seus circuitos Desta forma a exist ncia de equipamentos como motores geradores transformadores indutores instrumentos el tricos medidores componentes magn ticos etc seria imposs vel se os fen menos magn ticos n o fossem compreendidos e dominados Hoje em dia pesquisas s o feitas para se desenvolver outros tipos de materiais que tenham essa propriedade ainda mais acentuad
33. est ticas que podem danificar permanentemente a sua estrutura interna A sua resist ncia de entrada muito elevada da ordem dos 10 0 Tipos de MOS FET 1 de empobrecimento ou deple o Tal como no J FET um dos extremos do canal a Fonte e o outro o Dreno e sobre o canal existe uma delicada capa de xido de sil cio SiO2 sobre a qual Substrata aplicada uma camada de alum nio Al para formar a Porta ou Gate O Dreno ligado ao p lo positivo da bateria e a Fonte ao negativo Se a tens o na Gate ou Porta for zero VG O Volt a corrente de dreno ID ser limitada apenas pela resistividade do canal n que n o elevada Por m se aplicarmos uma tens o inversa Figura entre o gate e a fonte Gate negativo em rela o Fonte forma se um campo eletrost tico que repelir os el trons livres que no material N s o os portadores de corrente formando se Neo NMOS de empobrecimento Canal N Substrato P 86 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais desta forma uma zona de deple o cuja profundidade depender da tens o aplicada Quando a tens o de porta se torna negativa o campo el trico produzido pelo condensador formado pela Porta SiO gt canal N vai atrair cargas positivas para o canal A presen a das cargas positivas atrai as negativas e isso produz um estreitamento do canal Desta forma tal como sucede nos J FETs a intensidade da corrente entre Fonte e Dreno lp s
34. fam lia de curvas de histerese medida com uma densidade de fluxo modulada senoidalmente com frequ ncia de 50 Hz e campo magn tico vari vel de 0 3 Ta 1 7 T Onde B Densidade de fluxo magn tico H Campo magn tico Br valor da densidade magn tica residual a densidade de fluxo que permanece quando a for a magnetizante H retirada Hc for a coercitiva o valor da for a magnetizante necess ria para anular o magnetismo residual 150 100 50 0 50 100 150 Quando o ferro n o est magnetizado seus dom nios magn ticos est o dispostos de maneira aleat ria Por m ao aplicar uma for a magnetizante os dom nios se alinham com o campo aplicado Se invertermos o sentido do campo os dom nios tamb m inverter o sua orienta o Num transformador o campo magn tico muda de sentido muitas vezes por segundo de acordo com o sinal alternado aplicado E o mesmo ocorre com os dom nios do material do n cleo Ao inverter sua orienta o os dom nios precisam superar o atrito e a in rcia Ao fazer isto dissipam certa quantidade de pot ncia na forma de calor que chamada de perda por histerese Em determinados materiais a perda por histerese muito grande O ferro doce um exemplo J no a o esse tipo de perda menor Por isto alguns transformadores de grande pot ncia utilizam um tipo de liga especial de Ferro sil cio que apresenta uma perda por histerese reduzida Este tipo de problema tamb
35. fazem com que cada um deles apresente valor diferente do outro mesmo que a apar ncia seja id ntica e que os valores nominais sejam iguais Devido a isto al m do valor nominal do resistor na superf cie do mesmo vem impressa a toler ncia ou seja quanto o valor daquele resistor pode variar acima e abaixo do valor nominal Os resistores mais comuns s o fabricados dentro da com toler ncia de 5 ou 10 e possuem 4 faixas coloridas enquanto os resistores mais precisos com toler ncia de 2 1 ou menos s o marcados com 5 faixas coloridas para permitir um d gito a mais de precis o Quando n o apresentam a quarta faixa t m toler ncia de 20 a Como ler um resistor de 4 faixas Para ler um resistor de 4 faixas coloridas deve se prestar aten o ao seguinte h uma cor que est mais pr xima do extremo Esta a primeira cor a ser considerada na leitura A primeira cor deste extremo representa o primeiro d gito do valor A segunda cor representa o segundo d gito A terceira cor representa o fator exponencial multiplicativo Por exemplo Marrom 1 Preto O Vermelho 2 O valor deste resistor ser 10 x10 ou seja igual a 10000 b Como ler um resistor de 5 ou 6 faixas Quando o resistor de precis o apresenta 5 faixas coloridas Como a ltima faixa destes resistores normalmente marrom ou vermelha pode haver uma confus o a respeito de onde o lado certo para iniciar a leitura j que a primeira faixa que representa
36. gera o de um campo magn tico por um campo el trico vari vel e a gera o de um campo el trico por um campo magn tico vari vel Esta Lei pode ser expressa por g 2g At Onde amp a for a eletromotriz induzida fem e O fluxo magn tico dado por f Ab B AS Sendo S a superf cie por onde flui o campo magn tico Sabendo que a forca eletromotriz pode ser expressa em fun o do campo el trico temos que gd Ap AB AS At At O sinal negativo que aparece na equa o acima representa a dire o da fem induzida Um exemplo t pico da aplica o desta lei SECUNDARIO pode ser visto no princ pio de funcionamento de transformadores Sob a aplica o de uma tens o alternada em um dos seus terminais prim rio percorrer um fluxo magn tico vari vel em seu n cleo magn tico resultando em uma tens o induzida alternada no outro terminal secund rio Os n veis de tens o estar o associados ao n mero de espiras dos enrolamentos prim rio e secund rio 5 4 Circuitos Magn ticos Equivalentes Quando os circuitos magn ticos s o analisados para determinar o fluxo e a indu o magn tica nos principais caminhos atrav s do n cleo o campo magn tico fora do n cleo e no entreferro s o usualmente desprezados Entretanto quando dois ou mais enrolamentos est o colocados sobre um circuito magn tico como em transformadores ou m quinas rotativas os 103 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais ca
37. ligeiramente com a carga mec nica aplicada ao eixo Devido a sua grande 7 simplicidade robustez e baixo custo o motor mais utilizado de todos sendo 116 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais adequado para quase todos os tipos de m quinas acionadas encontradas na pr tica Atualmente poss vel controlarmos a velocidade dos motores de indu o com o aux lio de conversores de frequ ncia 5 3 7 Transformadores Um transformador um dispositivo destinado a transmitir energia el trica ou pot ncia el trica de um circuito outro transformando tens es correntes e ou de modificar os valores das Imped ncias de um circuito el trico Trata se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princ pios eletromagn ticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz Consiste de duas ou mais bobinas ou enrolamentos e um caminho ou circuito magn tico que acopla estas bobinas H uma variedade de transformadores com diferentes tipos de circuito mas todos operam sobre o mesmo princ pio de indu o eletromagn tica No caso dos transformadores de dois enrolamentos comum denomin los como enrolamento prim rio e secund rio Existem transformadores de tr s enrolamentos sendo que o terceiro chamado de terci rio Existe tamb m um tipo de transformador denominado autotransformador no qual o enrolamento secund rio possui uma conex o el trica com o enrolamento do prim rio Transformadores de pot
38. m aumenta junto com a frequ ncia do sinal Um transformador que apresenta baixa perda nas frequ ncias menores pode ter uma grande perda por histerese ao ser usado com sinais de frequ ncias mais altas A histerese produzida devido ao gasto de energia para inverter os dipolos durante uma mudan a de campo eletromagn tico 101 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 5 3 Lei de Faraday e Lei de Lenz Michael Faraday baseando se nos trabalhos de Hans Christian Oersted e Andr Marie Amp re em meados de 1831 come ou a investigar o efeito inverso do fen meno por eles estudado onde campos magn ticos produziam correntes el tricas em circuitos Faraday descobriu que um campo magn tico estacion rio pr ximo a uma bobina tamb m estacion ria e ligada a um galvan metro n o acusa a passagem de corrente el trica Observou por m que uma corrente el trica tempor ria era registrada no galvan metro quando o campo magn tico sofria uma varia o Este efeito de produ o de uma corrente em um circuito causado pela presen a de um campo magn tico chamado de indu o eletromagn tica e a corrente el trica que aparece denominada de corrente induzida O fen meno de indu o eletromagn tica est ilustrado na sequ ncia z ed i ERR L r ao 2 im Dt ia E e 1 i m EAN a N i Pi dora RA EI Fan F Nas ilustra es observa se que a fem induzida produz uma corrente cujo sentido cria um campo magn tico que se
39. metais A dilata o linear pode ser obtida por AL L L aL AT 17 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 1 8 Propriedades Qu micas 1 8 1 Radia o No campo da engenharia tamb m tem se preocupado muito com os efeitos das radia es nos materiais Em particular os efeitos danosos de radia o devem ser levados em conta no projeto de reatores nucleares embora n o seja somente nesse caso que se tem irradia o de materiais Sabe se h muito tempo que os materiais podem ser modificados por radia es O bot nico observa os efeitos da fotoss ntese o fotografo usa esse fato na exposi o de seus filmes o f sico utiliza essas intera es para aplica es de fluoresc ncia o m dico aplica radia es em terapia Os efeitos das radia es vis veis luz nos materiais medido atrav s de ensaios padronizados ASTM O principal efeito das radia es nos materiais originado pela energia extra que ela fornece que facilita a ruptura de liga es existentes e o rearranjo dos tomos em novas estruturas Em materiais polim ricos a base de polietileno utilizados em lacres de medidores de energia a radia o UV assim como o calor e a umidade causa degrada o 1 8 2 Oxida o Logo que se conheceu a estrutura dos tomos verificou se que quando um elemento ou uma subst ncia combinava se com o oxig nio esta esp cie qu mica perdia el trons Modernamente o termo oxida o significa perder el trons n o nece
40. o efeito corrosivo O combate ao envelhecimento obtido de um lado usando se zinco com pureza 99 99 e do outro pelo acr scimo de pequena quantidade de magn sio 0 1 As ligas de Al Zn n o apresentam envelhecimento al m de se destacarem por uma dilata o m nima Para a fus o sobre press o as ligas com 4 de Al 0 6 de Cu 0 05 de Mg e o resto de zinco t m apresentados os melhores resultados Nas aplica es el tricas o zinco predominante usado tem pureza 99 99 em forma de liga com 0 9 de Al 0 5 de Cu com uma condutividade el trica de 16 a 1 m mm2 e uma resist ncia tra o de 18 a 20 kgf mm perante um alongamento de 40 55 Essa liga de f cil soldagem Comparado com o cobre a se o transversal de tais fios deve ser 3 3 vezes maior A diferen a entre os coeficientes de dilata o dessa liga e do material dos conetores pode fazer com que o contato se solte depois da passagem da corrente Uma eventual camada de xido de zinco bem mais mole e por isso de remo o mais f cil que a do cobre O uso do Zinco com metal condutor limitado a elementos galv nicos pilha de Leclanch e a certos elementos de liga o em forma de fios e contatos 2 3 10 C dmio Cd O c dmio um acompanhante constante dos min rios de Zinco e assim se constitui num subproduto do mesmo O c dmio mais mole que o Zinco por m no mais suas propriedades s o bem semelhantes a este Por seu brilho met lico tem sido
41. o submetidos a altas temperaturas em torno de 2200 C geralmente atrav s da passagem de corrente el trica Este processo recebe o nome de grafitiza o Ao produto assim obtido d se habitualmente o nome de carv o eletrograf tico O grafite e o carv o eletrograf tico s o muito utilizados na tecnologia de resistores de potenci metros de carv o e na produ o de eletrodos para fornos el tricos Eles apresentam propriedades lubrificantes pois oferecem um baixo coeficiente de atrito em contatos de pe as deslizantes Desta forma s o utilizados como comutadores em escovas coletoras de motores 37 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Outras aplica es a b Elementos de resist ncia As qualidades refrat rias do carv o e a sua perfeita resist ncia ao choque t rmico aliados a um grande poder irradiante tornam este material muito conveniente para a fabrica o de resist ncias para altas temperaturas As resist ncias de carv o apresentam se sob a forma de barras de se o circular cheias ou tubulares toros an is etc A liga o do circuito as resist ncias de carv o exige precau es especiais conseguindo se no entanto um bom contato com o cobre Resist ncias fixas elevadas Para a obten o de resistividades mais elevadas que as do carbono 6000 uOcm cm podem empregar se aglomerados de carbono com uma base isolante mineral e um ligante org nico que constituir o elementos de resist ncia eleva
42. o valor do resistor tamb m pode ser marrom ou vermelha Sendo assim a exemplo do resistor de 4 listras coloridas o melhor a fazer observar a faixa que est mais pr xima do extremo do resistor Esta ser a primeira faixa por onde se deve iniciar a leitura Outra dica verificar a faixa que est mais afastada das outras Esta a ltima faixa de cor 42 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais A leitura nestes resistores semelhante dos resistores com 4 cores mas adicionada mais uma cor no in cio fazendo existir mais um algarismo significativo na medi o Assim os tr s primeiros d gitos s o os algarismos significativos o que confere maior precis o na leitura O quarto o elemento multiplicador O quinto d gito a toler ncia e o sexto d gito quando existir far refer ncia ao coeficiente de temperatura ou seja como a resist ncia varia de acordo com a temperatura ambiente Este ltimo valor dado em PPM C partes por milh o por graus Celsius A tabela de cores dos resistores pode ser vista abaixo E 34567959 reto EB Marrom EM vermelho Laranja Amarela 5 DD verde E E Az Fi violeta g Branco 1 E Marrom 2 MD vermelho 5 C J uro 10 __ Frata C digo de cores Fesistores de 4 faixas Reszistores de 5 faixas resistores de E faixas E 1 2 3 4 Exemplos EN U Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Calculo Resistores 5 Faixas Cores Calculo Resistore
43. orienta o do campo el trico aplicado A polariza o de um diel trico pode ocorrer das duas maneiras 1 Se o isolante constitu do de tomos que n o apresentam momento dipolar ent o o deslocamento dos n cleos das cargas positivas e negativas sob a a o de campos externos tanto maior quanto mais elevada a intensidade do campo que aplicada e com ele a a o de for a deste campo Uma vez eliminado o campo externo os tomos voltam sua posi o inicial a polariza o desaparece pois os centros de cada grupo de cargas voltam situa o inicial 2 Se o diel trico for constitu do de part culas elementares el trons pr tons etc que por si s j s o dipolos por exemplo mol culas que devido sua constitui o qu mica j s o dotados de cargas positivas e negativas a a o do campo el trico externo tender a orientar as part culas de acordo com a pr pria orienta o do campo externo Quanto mais intenso o campo tanto mais elevado o trabalho de orienta o das part culas elementares observando se de modo mais acentuado a eleva o de temperatura devido transforma o do trabalho de orienta o em calor Dependendo da estrutura do diel trico pode ocorrer uma polariza o mesmo com total aus ncia de energia externa 58 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 4 A E ai E 6 e E 4 KQJ 3 2 Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Frequente
44. ou custo Se os materiais restantes na lista n o preencherem os requisitos h ainda algumas op es tais como tratar os materiais de maneira apropriada t rmica ou quimicamente mudar o ambiente de servi o produzir uma liga que tenha os efeitos espec ficos desejados etc Este primeiro cap tulo apresenta uma revis o sobre liga es quimicas e conceitos b sicos relacionados s propriedades el tricas mec nicas t rmicas qu micas etc Nos cap tulos seguintes ser o vistos os materiais condutores semicondutores isolantes e magn ticos Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 1 2 Liga es Qu micas Revis o O tomo composto por um n cleo circundado por el trons O EYS cliitron n cleo composto por pr tons e n utrons Os el trons s o part culas carregadas e com 1 1836 da massa de um n utron A carga do el tron convencionalmente negativa Como os el trons s o componentes de todos os tomos sua carga el trica frequentemente tomada como unidade Em unidades f sicas a carga do el tron vale 1 6 x 10 19 C Sabemos que um pr ton possui uma carga que numericamente ani sa igual a do el tron s que de sinal oposto Por exemplo o tomo de semestres hidrog nio o mais simples de todos composto de um pr ton e de um el tron e eletricamente neutro De uma forma simplificada um tomo de um certo elemento pode ser considerado como sendo uma combina o de pr tons e n utrons em um n
45. par metro usual para o transistor o fator de corrente a que a rela o entre as correntes de coletor e emissor ssim o I I 0OU IT O Ie Como lb pequena o fator a pr ximo da unidade E ocorre tamb m lp Le E Ea Le O Le 1 Ta O Ta E o ganho de corrente caracter stico do transistor dado por TE EE No transistor de jun o PNP os tipos de semicondutores s o invertidos em rela o ao NPN coletor e emissor s o semicondutores tipo P e base tipo N A opera o similar com invers o dos portadores de cargas e tens es de polariza o de sinais contr rios aos da figura anterior a e s mbolo conforme b da mesma figura 83 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 4 7 3 Transistor de Unijun o B2 Os transistores de unijun o ou UJT Unijunction Transistor podem 3 B1 ser utilizados em osciladores de baixa frequ ncia disparadores estabilizadores geradores de sinais dente de serra e em sistemas temporizados Basicamente o transistor de unijun o constitu do por uma barra de material semicondutor do tipo N de alta resistividade com dois contatos B4 e B2 extremos Tais contactos n o constituem jun es semicondutoras e assim entre B2 base 2 e B1 base 1 temos na pr tica uma resist ncia formada pelo material semicondutor N O material do tipo P como material do tipo N formam a nica jun o PN semicondutora interna Na altura da jun o P haver uma te
46. partir do momento em que se apresentam ao mesmo tempo fen menos condutores e disruptivos nos contatos n o poss vel aplicar a estes a lei de Ohm Chama se de resist ncia de contato no entanto a rela o entre a tens o nos bornes de um contato e a intensidade de corrente que o atravessa Esta resist ncia n o constante e depende da press o a que est o submetidas as pe as press o de contato da composi o destas da sua forma da sua se o do sentido e intensidade da corrente etc A prata o cobre o bronze o lat o e o tungst nio d o bons contatos a resist ncia dos contatos de alum nio entretanto muito elevada O contato em corrente cont nua apresenta uma resist ncia independente da intensidade de corrente Pode se considerar bom um contato quando resulta muito pequena a diferen a de temperatura entre o mesmo e os pontos ao redor No caso de contato entre metais deve se ficar atento a forma o de pares galv nicos em presen a de um l quido condutor ou simplesmente da umidade 2 3 Materiais de elevada condutividade Os materiais condutores caracterizam se por uma elevada condutividade el trica Possuem tamb m grande capacidade de deforma o moldagem e condutividade t rmica Com exce o do merc rio e dos eletr litos que s o condutores l quidos e do plasma g s ionizado que gasoso os materiais condutores s o geralmente s lidos e neste caso incluem se os metais suas ligas e n
47. pela sua intera o qu mica ou eletroqu mica num determinado meio de exposi o Este processo resulta em altera es prejudiciais indesej veis sofridas pelo material tais como desgaste varia es qu micas ou modifica es estruturais Quase sempre a corros o met lica por mecanismo eletroqu mico est associada exposi o do metal ou uma liga met lica a um meio com presen a de mol culas de gua juntamente com o g s oxig nio ou ons de hidrog nio num meio condutor Por m a deteriora o de materiais n o met licos como por exemplo concreto borracha pol meros e madeira devido a o do meio ambiente considerada tamb m por alguns autores como corros o A corros o tamb m pode ser causada por correntes ocasionadas por potenciais externos que produzem casos severos de corros o por exemplo em tubula es enterradas e cabos telef nicos que est o frequentemente sujeitos a esses casos devido as correntes el tricas de interfer ncia que abandonam o seu circuito normal para fluir pelo solo ou pela gua Esse tipo de corros o chamada de corros o por eletr lise ou eletrol tica e pode se definila como a deteriora o da superf cie externa de um metal for ado a funcionar como anodo ativo de uma c lula ou pilha eletrol tica Geralmente as reas corroidas se apresentam livres do produto de corros o e como uma forma de corros o localizada em pouco tempo ocorre a perfura o das instala e
48. permeabilidade relativa do material adimensional A permeabilidade do ar normalmente considerada como a permeabilidade do v cuo 5 2 6 Meios de Propaga o do Fluxo Magn tico Material n o satur vel materiais onde u uo cte gt gr 1 0 o Material diamagn tico o Material paramagn tico e Material Satur vel qualquer material ferromagn tico u gt gt uo gt ur gt gt 1 5 2 7 Intensidade de Campo Magn tico a rela o entre a densidade de fluxo no material e sua permeabilidade dado por Onde p B densidade de fluxo Wb m ua H intensidade de campo magn tico amp re metro A m LU permeabilidade do material H m 97 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Quando um condutor conduz uma corrente el trica um campo magn tico produzido a sua volta como ilustrado ao lado A dire o das linhas de fluxo ou a intensidade H do campo magn tico pode ser determinada pela regra da m o direita Se o condutor retil ineo imagine o polegar da m o direita esticado e apontando no sentido da corrente e os outros quatro dedos fechados sobre o condutor Ent o estes quatro dedos apontam o sentido do campo como ilustrado na figura ao lado Adi o e Subtra o de Campo Magn tico O corrente saindo do condutor corrente entrando no condutor 1 ilustra o adi o Por terem o mesmo sentido formam um campo total mais forte 2 e 3 ilustra es subtra o
49. realidade uma carga negativa atra da por todas as cargas positivas e uma carga positiva por todas as negativas No sal de cozinha por exemplo as liga es entre os ons s dio e cloreto s o i nicas Consequentemente os ons de s dio ficam envolvidos por ons cloreto e os ons cloreto por ons de s dio Geralmente liga es i nicas se formam entre um metal e um ametal O tomo do ametal tem uma configura o eletr nica semelhante a de um Ci ncia e Tecnologia dos Materiais g s nobre quase totalmente preenchida de el trons Eles tem alta eletronegatividade e facilmente ganham el trons formando um on negativo ou nion Os dois ou mais ons logo se atraem devido a for as eletrost ticas Liga es desse tipo s o mais fortes que liga es de hidrog nio e t m for a similar s liga es covalentes 1 2 2 Liga o Covalente Este outro tipo de liga o forte Se aproximarmos dois tomos de forte eletronegatividade um n o ter for a para capturar o el tron do outro permanentemente Ele captura o el tron mas o outro consegue captur lo de volta e al m de retom lo captura um el tron do outro Esse jogo fica se repetindo fazendo com que o par de el trons um de cada tomo fique orbitando pelos dois tomos importante perceber que nesse caso n o h forma o de ons Esse tipo de liga o onde n o h transfer ncia definitiva de el trons e sim compartilhamento do par resultando
50. resist ncia a oxida o sulfata o etc Tamb m 32 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais suas caracter sticas mec nicas s o adequadas para uma s rie de aplica es el tricas havendo por m a natural limita o devido ao seu pre o O ouro encontrado eletricamente em pe as de contato na rea de correntes muito baixas casos em que qualquer oxida o poderia levar interrup o el trica do circuito E o caso de pe as de contato em telecomunica es e eletr nica Seu uso nesse caso feito na forma pura n o sendo encontrado em forma de liga pois esta somente eliminaria as propriedades vantajosas que o ouro apresenta Consulte suas caracter sticas na tabela anterior 2 3 7 Platina Pt Ainda na fam lia dos metais nobres encontramos a platina que tamb m bastante est vel quimicamente relativamente mole o que permite uma deforma o mec nica f cil bem como sua redu o a folhas com espessuras de at 0 0025mm ou a fios finos com di metro de at 0 015mm ou ainda menores atrav s de processos especiais Devido as suas propriedades antioxidantes O seu uso el trico encontrado particularmente em pe as de contato anodos fios de aquecimento o metal mais adequado para a fabrica o de termoelementos e term metros resistivos at 10000C pois at essas temperaturas n o sofre transforma es estruturais fazendo com que a resistividade varie na mesma propor o da temperatura Term
51. s o resistentes corros o Essa camada protetora serve como um anodo de sacrif cio que se corr i no lugar do a o Esses metais podem ser depositados por imers o a quente em banhos met licos l quidos ou na forma de placas que podem ser substitu das facilmente Tamb m se podem usar como camadas protetoras materiais cer micos inertes e uso de materiais de nobrezas pr ximas os metais selecionados se possivel dever o estar localizados na tabela de potenciais o mais pr ximo poss vel e prote o por passiva o Em uma c lula de concentra o o oxig nio acentua a corros o nas regi es onde sua concentra o baixa Na aus ncia de diferen as de concentra o de oxig nio outros efeitos podem ser observados Especificamente o oxig nio pode reagir com ons e el trons do anodo formando uma camada protetora Essa rea o particularmente importante nos a os inoxid veis contendo cromo Um a o contendo cromo muito resistente corros o em condi es oxidantes entretanto na aus ncia de oxig nio a rea o pode ocorrer Em eletro eletr nicos e computadores em geral a oxida o e a corros o se iniciam naturalmente em fun o do ac mulo da umidade e do sal provenientes do meio ambiente Mudan as f sicas e qu micas na superf cie de conex es eletromec nicas por exemplo s o a causa prim ria de degrada o do desempenho em componentes e equipamentos Quando superf cies de contato s o expostas
52. ser inversamente polarizado no J FET canal N Gate negativo em rela o Fonte no J FET canal P gate positivo em rela o Fonte o Dreno D positivo em rela o Fonte S A Ro Vos corrente dreno fonte los ou simplesmente corrente de D dreno lb inversamente proporcional tens o gate fonte Ves conhecida por tens o de gate Ve Assim se Vs gt I 4 isto porque a zona de deple o vai aumentar e o Tos S canal vai estreitar o que provoca um aumento de resist ncia e consequentemente uma diminui o da R corrente R Mantendo se constante Vps e fazendo variar Vc Ib sofrer uma certa varia o e a rela o AIs AV d nos a transcondut ncia em Siemens do FET representada por Gm J Fet canal N Considerando Ip como sa da e Vcs como entrada o J FET surge como uma fonte de corrente controlada por tens o b MOS FET Os transistores de gate isolada Mos FET ou Ig FET recebem esse nome em virtude da gate ser uma pel cula met lica de alum nio isolada eletricamente do canal semicondutor atrav s de uma fin ssima camada de xido de sil cio Um efeito semelhante ao anterior pode ser obtido com a porta totalmente isolada do canal Este dispositivo que usa uma camada de xido para a isola o da porta denominado MOS FET Deve se evitar tocar com as m os nos terminais dos FET j que todos eles mas especialmente os de tecnologia MOS s o sens veis a cargas el tricas
53. solar na alimenta o de dispositivos eletr nicos existentes em foguetes sat lites e astronaves 91 LLI TI P Hi AD mas Ci ncia e Tecnologia dos Materiais CONTROLADOR DE CARGA 2 u Jupa EN NNE NR aiaa ONS a CARGA EEN a ELETRODOM STICOS Televis o Geladeiras L mpadas Computador 92 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais CAP TULO V MATERIAIS MAGNETICOS Os primeiros fen menos magn ticos observados foram aqueles associados aos chamados im s naturais magnetos que eram fragmentos grosseiros de ferro encontrados perto da antiga cidade de Magn sia distrito de Thessally na Gr cia da o termo magneto Estes im s tinham a propriedade de atrair ferro desmagnetizado sendo que esta propriedade era mais acentuada em certas regi es deste material denominadas p los Existem dois tipos de im s e Im s Naturais s o aqueles que encontramos na natureza e s o compostos por min rio de ferro xido de ferro Este tipo de ferro magn tico denominado magnetita e Im s Artificiais s o aqueles que adquirem propriedade magn tica ao serem atritados com um im natural A capacidade magn tica destes im s pode superar a dos im s naturais Os im s possuem dois p los norte N e sul S O p lo sul a Big de um im atra do pelo p lo norte do Planeta Terra e vice versa P lo Sul Geogr fico Descobriu se
54. sujeira fuma a gases fuligem e outros s lidos suspensos na atmosfera filmes n o met licos se formam inibindo a condutividade A oxida o a rea o mais comum e causa a forma o do xido A maresia corr i a maioria dos metais formando uma fina camada clor drica Umidade condensa o sais enxofre e fuma a cida s o tamb m causadores de ferrugem corros o e oxida o O aumento da resist ncia e a fric o entre superf cies met licas tamb m causa ru dos travamentos e em alguns casos aumento no consumo de energia 1 9 Propriedades pticas 1 9 1 Refra o Fen meno que ocorre quando os raios luminosos passam de um meio para outro e sofrem uma varia o na velocidade de propaga o e uma mudan a na dire o A rela o entre a velocidade da luz no v cuo c e a velocidade da luz em um material particular Vp chamado de ndice de refra o m daquele material Para alguns comprimentos de onda A o ndice de refra o depende mais do material Ent o Para materiais que n o tem a capacidade de absorver luz n o absorventes m c Vp Para materiais que tem capacidade de absorver luz absorventes m m 1 ai 20 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Onde m ndice de refra o real a relacionado com o coeficiente de absor o do material i V 1 parte imaginaria n mero complexo A parte imaginaria do ndice de refra o igual a zero para materiais n o a
55. supercondutores que possibilitam gerar campos magn ticos intensos os quais seriam impratic veis se fossem utilizados fios comuns como exemplo fios de cobre Estas bobinas podem ser usadas na constru o de Maglev trens que levitam aparelhos de resson ncia magn tica nuclear que geram um campo magn tico homog neo na regi o onde o paciente colocado e um sensor capta informa es que formar o as imagens e por fim sensores SQUID Superconducting Quantum Interference Device que permitem realizar medidas magn ticas extremamente sens veis O Maglev Magnetic Levitation japon s Pl sticos SUPERcondutores A revista Nature divulgou a obten o de um material pl stico que sob baixas temperaturas n o imprime resist ncia alguma passagem de el trons o que o torna um supercondutor Os pl sticos podem conduzir eletricidade foi justamente este o tema para o ltimo pr mio Nobel em Qu mica O que os pesquisadores do Bell Labs criaram foi o primeiro supercondutor pl stico um material relativamente barato quando comparado aos supercondutores atuais Estes materiais ter o grandes aplica es futuras como em computadores qu nticos e eletr nica de supercondutividade O grupo desenvolveu uma t cnica especial para arrancar el trons de uma amostra s lida de um pol mero politiofeno A amostra uma fina camada do pol mero onde as cadeias polim ricas est o emparelhadas lado a lado sem entrela amento Eles en
56. ticas neoprene EPR Epileno Propileno XLPE Polietileno Reticulado e borracha but lica usados como capa protetora de cabos h mica material mineral usado em capacitores e em liga es entre transistores de alta pot ncia i vidro principal emprego em isoladores de linhas de transmiss o As fibras de vidro s o usadas no lugar dos pap is em algumas aplica es 60 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais j madeira grande utiliza o em cruzetas dos postes de distribui o 3 3 Aplica es Conforme apresentado anteriormente os materiais isolantes podem ser usados na fabrica o de diversos equipamentos e dispositivos el tricos eletr nicos Alguns deles veremos mais detalhadamente na sequ ncia 3 3 1 Capacitores Capacitores s o dispositivos destinados a armazenar cargas el tricas S o constitu dos por dois condutores separados por um isolante Os condutores s o chamados armaduras ou placas do capacitor e o isolante o diel trico do mesmo Tal diel trico pode ser um isolante qualquer como o vidro a parafina o papel e muitas vezes o pr prio ar Podem ser esf ricos cil ndricos ou planos de acordo com a forma de suas armaduras Quando eletrizadas as armaduras armazenam cargas el tricas de mesmo valor absoluto por m de sinais contr rios Na figura ao lado a armadura A tem inicialmente potencial el trico nulo e est conectada ao terminal positivo da pilha logo os e
57. trico no ar ultrapassar esse valor ele deixa de ser isolante e torna se condutor O valor da rigidez diel trica varia de um material para outro e depende de diversos fatores como Temperatura Espessura do diel trico Tempo de aplica o da diferen a de potencial Taxa de crescimento da tens o Para um g s a press o fator importante Material Rigidez diel trica kV mm Ar 3 Mica 60 Vidros 7 5 a 30 Porcelana 100 PVC e EPR 50 leo mineral 15 a 280 1 5 Propriedades Magn ticas For a magn tica ou magnetismo fundamental na gera o e aproveitamento da corrente el trica Equipamentos como transformadores motores geradores medidores mec nicos instrumentos el tricos etc n o existiriam se os fen menos magn ticos n o fossem compreendidos e dominados 1 5 1 Permeabilidade e Susceptibilidade Magn tica Os materiais podem exibir quando submetidos a um campo magn tico qualquer comportamentos diferentes quanto concentra o das linhas de fluxo magn tico Isto poder o atrair concentrar repelir ou nem mesmo perturbar o campo magn tico Por exemplo quando colocados pr ximos ao p lo de um im certos materiais s o e Fracamente atra dos paramagn ticos e Fracamente repelidos diamagn ticos e Fortemente atra dos ferromagn ticos ou e N o exercem a o alguma sobre as linhas de fluxo magn tico indiferentes A propriedade dos materiais que descreve este comportamento chamada p
58. usado como metal de recobrimento na prote o contra a oxida o Por ser mais caro que o zinco essa aplica o de c dmio hoje quase que totalmente substituida pela zincagem Assim o seu uso fica condicionado fabrica o das baterias de Ni Cd O c dmio venenoso 2 3 11 N quel Ni um metal cinzento claro com propriedades ferromagn ticas Puro usado em forma gasosa em tubos e para revestimentos de metais de f cil oxida o E resistente a sais gases materiais org nicos sendo por m sens vel a o do enxofre Aquecido ao ar n o reage 34 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais com o mesmo at 5000C Assim seu uso est difundido na ind stria qu mica particularmente em aplica es sobre o ferro pois ambos t m o mesmo coeficiente de dilata o e temperatura de fus o A deforma o a quente processada a 11000C devido sua elevada dureza Frequentemente por m essa deforma o feita a frio permitindo obter fios de at 0 03mm de di metro O niquel se caracteriza ainda por uma elevada estabilidade de suas propriedades mec nicas mesmo a temperaturas bem baixas Magneticamente o n quel pode ser magnetizado fracamente n o sendo mais magn tico acima de 3560C temperatura de Curie Seu uso resulta assim para fios de eletrodos anodos grades parafusos etc E de dif cil evapora o no v cuo emiss o de el trons elevada pelo acr scimo de cobre at 3 5 Fios de n quel
59. As acelera es dos anions e c tions s o diferentes porque dependem das suas massas e sua carga el trica c Condu o nos gases Um g s press o atmosf rica considerado um bom isolante mas se for submetido a um campo el trico suficientemente forte ele deixa de o ser Quando o campo atinge um determinado valor alguns el trons se libertam dos tomos ficando estes consequentemente com carga positiva A este fen meno dado o nome de ioniza o do g s Se uma vez o g s ionizado nele existir um campo el trico haver atrav s dele a passagem de uma corrente el trica geralmente acompanhada de efeitos luminescentes O n mero de mol culas ionizadas num g s sempre pequeno em compara o com o que se passa nos l quidos De fato considera se uma boa ioniza o quando existe uma mol cula ionizada para cada 1012 mol culas de g s 10 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Quando a causa da ioniza o desaparece o g s mant m a condutividade por alguns instantes mas esta vai diminuindo at desaparecer Isto mostra que os ons voltam a se combinar A curva que nos permite ter uma id ia da varia o da corrente com o campo el trico suposto uniforme nos gases ionizados supondo se ainda que se mant m constante a causa da ioniza o mostrada na Figura 1 6 krane Dampe Varia o da corrente com o valor do campo el trico Dela tiramos que para campos muito pequenos entre O e a existe uma proporcio
60. II 0 8 Mn ou 1 Sn 60 1 Cd BIII 2 4 Sn ou 1 2 Sn 31 1 2 Zn Liga Tratamentos Um exemplo de liga de cobre s o os bronzes As ligas de cobre e estanho podem suportar adi es mais ou menos importantes de chumbo de zinco e as vezes de n quel O bronze apresenta a caracter stica de ser resistente ao desgaste por atrito f cil usinagem e s o ligas el sticas Suas aplica es principais s o em rolamentos partes de m quinas engrenagens trilhos de contato molas condutoras fios finos e pe as fundidas As propriedades variam de acordo com o percentual de estanho J os lat es tradicionais s o ligas de cobre e Zinco s quais se adiciona um pouco de chumbo ou alum nio Em princ pio o uso de lat es comuns n o aconselh vel quando existirem problemas de corros o Por m este n o o mesmo caso quando s o empregados lat es de alta resist ncia 55 70 Cu 20 35 Zn Al Mn Fe Ni Sn etc os quais s o possuidores de excelentes propriedades mec nicas e de not vel resist ncia corros o em determinados ambientes Outras ligas de cobre seriam cobre alum nio 8 a 12 de alum nio que t m propriedades compar veis aquelas dos a os inoxid veis al m da possibilidade de poderem ser obtidas mais facilmente por fundi o em areia ou em moldes met licos ligas cobre cromo etc 28 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 2 3 2 Alum nio e suas Ligas 7 No global de suas prop
61. ITIVO MAGN TICO rm em fungiqnamento eres consome uma intensidade de een uma nensbco de TA Supunbames agota que o lip de fase lopa no fio de neutro devido a um defeito de isolamenta 112 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais em fugia gime nto nomal comedor gamping pma haale lee PRE Supunhanos acora que q finda fera foca meto de meuiro devido a pendeteita de iselgmenar em p quam nte nerima qe maker consome uma itensidade de TA Supu names agora que o lip dg fase oga ne fre do neutro devido a vin detelio de ipplmeni Estamos mma situa o de CU RTO CIRCU TO 113 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais em fig ame ita normal q maor consome ama intensidade de Th Smpunhares agota que q fio de fere lopa ne fo de neutro devido aum defeito de tsglamenta gm Pod ras rh nomal p mgr conseme uma intensidade de TA Monopolar Bipolar Tripolar 114 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 5 3 5 Campainha A campainha composta por um eletroim E cuja armadura A tem uma extremidade presa a uma mola de a o flex vel B e a outra extremidade a uma haste C que mant m na ponta uma esfera D A mola B obriga a armadura a ficar em contato com uma placa met lica F A corrente fornecida por uma pilha P ou pelo circuito que serve a uma resid ncia conforme a figura a seguir E Lu A a E i o E nm MU Mu Quando se fecha a chave S
62. Jladia o ass ses SD a aa a O 18 E OEE O E A TE A 18 e ERE E O E E E E a O a A a E E EE 19 1 9 Propriedades pticas e sseseseessoreseoseseosreeestratsotserttstnststeutsobntntbs bnt ts rats rn sararae tsina eS rnesa a reesen a esra n ens 20 ESER A O e a AA E E TN 20 IREE Ona aaa aa a A 21 LISAD ON Ona A OR CR S 21 RIO Bandas de Fici id aenereni o E E O a 22 1 11 Classifica o dos Materiais El tricos q ssiiinissals adaliiqadiisia gs iainds ainda uia dida ema ad 22 CAPTO E aaa E E T E E E E E 23 MATERIAIS CONDUTORES so as AAR S 23 AITON O eaaa SR A 23 2 Caracteristic dOS CC OnNdUTOrE S ernten E EE e ES E 24 2 2 1 Varia o da resistividade com a temperatura e a fregqu ncia ie siri 24 222 RESISTENCIA TO cono MOS METAIS aereas ada a A A 26 2 5 Materiais de elevada condutividade case asda disse E epa dias da cada used EE 26 21 Cobre e SUAS LIGAS sssnoaca Gisa pa Riad aa Gu na LEU Sc na Rose a ara 26 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 2 o UNOS SUIS O Sra nto a E a O 29 a CU DO O iba A a A aa 31 ae DR ST MONO nad RR AR 31 DUB Bo sa pie AD Joron RR RO RR RE RODIN DR RO DR RR 32 ZOOO AU ara Ra iG UG a gi UG a co Pa Raio Doca a a 32 PES RNP ATER E C D A PE PERNA RS RN RINS RR DR RR TT 33 2d SIM SEQUER PIS Joca crio ur aa AR pe O CR O RR O CA 33 OR A NC nara ara E A a O N EEE TE E 33 2 NO Cad CO assa sigo A S S OS O 34 Z MIDI o pb N ooo Ren nReR so Rae Pe OIE DO DO SRP SR End A RR PA 34 232 Cromo CE
63. Materiais Principio construtivo E aa 2 1 Bot o de rearma d sear m 2 Contatos auniliaes a AS 3 Bot o de testo pe jp A E 3 d L rmina bimet lica ausdliar j F P o Pra i fl i 5 Cursor de arrasta senior EE y 4 a amp L mina bimet lica principa T Ajusta de correrto PAK 5 A A aa MA n ye i it NT O LE TA LZ Te LIT3 Um disjuntor um aparelho a de corte comando e prote o E um Fase N DISPOSITIVO T RMICO daqueles dispositivos que todos cm funcionamento nonai omelor temos v rios no quadro el trico consome uma fntencinlaate de PA situado entrada de nossas casas A Borne de liga o Bil mina Mola de abertura Contatos Borne de liga o sua fun o proteger os circuitos no interior destas Cada um dos disjuntores respons vel por proteger uma parte da nossa instala o el trica ilumina o tomadas m quina de lavar roupa etc Os disjuntores protegem os circuitos contra sobrecarga acionamento t rmico e curto circuito acionamento magn tico que ser visto mais adiante disparando quando se verifica uma destas situa es e prevenindo assim danos na instala o que podem levar at ao inc ndio 51 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais DISPOSITIVO T RMICO em dg pigmento ingrid g megg consome uma intensidade de TA Gupo nfamos que um objeclo gigia a cadeia de mevimento e que q moter Erica io rar
64. O EM que atua como um diel trico o DE L QUIDO CONDUTOR xido de alum nio um excelente lt FOLHA DE ALUM NIO diel trico com 10 Sobre a camada de xido colocada uma tira de papel impregnado com um l quido condutor chamado eletr lito ao qual se sobrep e uma segunda l mina de alum nio placa negativa em contato el trico com o papel O sandu che assim formado enrolado e colocado no interior de uma caneca de alum nio vedada por uma esp cie de tamp o de borracha Grandes valores de capacit ncia podem ser obtidos em compara o com o tamanho do capacitor devido pequena espessura do diel trico ser extremamente fina Uma das principais caracter sticas de um capacitor eletrol tico que eles t m polaridade terminal positivo e terminal negativo Isso significa que deveremos ter cuidado ao conect los ao circuito Se o capacitor for submetido a uma tens o maior que a de trabalho ou se a polaridade for invertida ele pode ser danificado ou at mesmo explodir Al m disso este tipo de capacitor n o adequado para operar em elevados n veis de frequ ncia Geralmente em um diagrama o lado positivo indicado com um mais mas pode ser que o terminal com indica o seja o negativo A faixa de valores pode variar de IuF a milhares de uF Esse tipo de capacitor usado principalmente em fontes de alimenta o para diminuir o efeito ripple que representa uma oscila o
65. O espa amento entre as armaduras pode ser controlado por meio de um parafuso de ajuste e Como parafuso totalmente apertado l minas pr ximas a capacit ncia m xima e Com o parafuso totalmente desapertado l minas separadas a capacit ncia m nima Capacitores Trimmers 2 Padder Tamb m conhecido como capacitor corretor de rateio tem sua constru o semelhante do Trimmer constitu do por dois conjuntos de placas met ticas entrela adas e separadas por folhas de mica Em alguns tipos a capacit ncia por ser ajustada desde 120 pF at 550 pF em outros de 300 pF at 600 pF 67 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 3 4 Comportamento dos diel tricos em Servi o Uma vez que uma certa por o de isolamento apresenta uma dada resist ncia podemos falar em resistividade do material Esta geralmente influenciada por uma diversidade de fatores Por exemplo a temperatura afeta sensivelmente o valor da resistividade e de uma maneira geral o aumento da temperatura provoca uma diminui o da resistividade dos materiais isolantes Vejamos algumas destas propriedades 3 4 1 Resist ncia de Isolamento O diel trico impede a passagem da corrente el trica enquanto o campo el trico nele estabelecido n o ultrapassar um determinado valor que depende da natureza do diel trico e das suas condi es f sicas Este impedimento por m n o total pois se uma determinada por o do isolante est
66. a a polariza o mantendo a condu o Esses dispositivos s o bastante utilizados no o controle de cargas de alta pot ncia como rota o de motores de corrente continua resist ncias de aquecimento etc 4 7 7 Termistores Termistor ou termistor s o resistores semicondutores sens veis temperatura Existem basicamente dois tipos de termistores a NTC Negative Temperature Coefficient termistores cujo coeficiente de varia o de resist ncia com a temperatura negativo a resist ncia diminui com o aumento da temperatura Podem ser usados como sensores de temperatura em diversas aplica es com limitador de picos de corrente Inrush Current Limiting Devices por exemplo b PTC Positive Temperature Coefficient termistores cujo coeficiente de varia o de resist ncia com a temperatura positivo a resist ncia aumenta com o aumento da temperatura Geralmente s o usados como fus veis reset veis elementos de aquecimento sensores de temperatura Conforme a curva caracter stica do termistor o seu valor de resist ncia pode diminuir ou aumentar em maior ou menor grau em uma determinada faixa de temperatura Assim alguns podem servir de prote o contra sobreaquecimento limitando a corrente el trica quando determinada temperatura ultrapassada Outra aplica o no caso a n vel industrial a medi o de temperatura em motores por exemplo 88 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais pois
67. a chamar a aten o da ind stria Chamada OLED Organic Light Emitting Diode ou Diodo Org nico Emissor de Luz esta tecnologia promete suprir os grandes problemas atuais dos dispositivos de v deo a um custo aceit vel para o mercado de produtos de consumo O OLED tem basicamente a mesma estrutura dos LEDs mas diferem no tipo de material utilizado apresentando em sua constru o subst ncias eletroluminescentes compostas de Carbono que ao serem excitadas por uma corrente el trica emitem luz em uma frequ ncia determinada por sua composi o quimica Em outras palavras s o c lulas de diodo impressas na tela que s o polarizadas de acordo com a imagem Pain is de v deo compostos por OLEDs podem ser extremamente finos como uma folha de papel e flex veis executados em materiais pl sticos como pol meros Essa possibilidade surge do fato de que as subst ncias qu micas que comp e o OLED podem ser impressas em um filme pl stico como um documento impresso em papel para marcar os pixels Ao colar outro filme pl stico sobre a impress o cria se pequenas capsulas que aprisionam cada pixel A 19 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais aplica o de eletrodos min sculos cada c lula permite que se leve ela a corrente el trica necess ria para excitar cada uma das cores prim rias que ir o compor as imagens Esta t cnica permite a constru o de monitores muito pequenos ou grandes resistentes gua devido sua natur
68. a e que possam ser manipulados de maneira a permitir novas configura es e formatos de n cleos reduzindo se assim as perdas destes n cleos bem como seus tamanhos Os materiais magn ticos mais importantes em aplica es el tricas gerais s o chamados ferromagn ticos Estes permitem o estabelecimento de fen menos magn ticos devido sua caracter stica de conectar linhas de for a magn tica sofrendo atra o por estas for as O exemplo mais antigo deste material a magnetita O4Fe3 Este e outros tipos de materiais magn ticos ser o estudados a seguir 9 1 Classifica o dos Materiais Magn ticos Os materiais magn ticos podem ser classificados conforme os dom nios magn ticos Estes correspondem menor unidade de um material que se caracteriza por possuir uma nica orienta o magn tica isto um vetor campo magn tico pr prio Em um material magn tico os dom nios podem estar orientados ao acaso de modo que seus momentos magn ticos se anulam o aplicarmos um campo magn tico externo os dom nios se alinham na dire o deste campo e podem permanecer ou n o alinhados depois de retirarmos o campo Sob esta an lise os materiais magn ticos podem ser e Duros S o aqueles que ao retirarmos o campo magn tico externo o alinhamento dos dom nios permanece Tamb m chamados im s e Moles macios ou doces o alinhamento dos dom nios desaparece ao retirarmos o campo magn tico externo Algumas aplica es exigem m
69. a sata d 69 FEOEO COTON aeae Ra ARE RR RR RR ARENS RD RS RR RR 69 CAPT OCON reagais Drago Poor Ea on dd 70 MATERIAIS SEMICONDUTORES and is Io SD a 70 A Ne de DETO A a a a a a TETT E S 71 AN a OCI T aeurt E ia EEE pp S ONE A EOT 72 4e Dandas de ENGT ldan A a a E E OCO a Ra 73 4 4 Materiais ININSECOS asas eaaa GU Dl ia GU E 73 4 5 Condu o El trica nos Semicondutores eeeeeeseeeeeeeeeserrerssrrtrserrtrsertrrerrteresrtersrrtereretrrerrereerrerresen 74 46 demicondutores do Lipo Ne P enorer na E E aa ai 74 AT UA PIICA ES enini T E A E NEE NTE EVA AAEE O TEA EEE TTEA AE 75 AA Dodo S McCondutO nean A E 75 A Tae Transistorde Jun o Bipolar aouri a a A E Nona SiS aaa 81 do Trans LOr de UNINGA Oneri E ane das dana DAS sa ada EaD E DAS ODE da Ta Age sado sa DAE DASASE Rede T nas 84 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais AE Transistor de E CO ACC AMO sentindo Rins a gb pala SE pa 85 A 10 Re lticador controlado de Sili Onein a A a a a 88 CIMA LOTES aoe id a a 88 ATS POLOCONQULOTES atra ama tica a ada nda SS oa PES 89 A oC elulas POLOVON ICAS asas soa DER ARES SR A Dedo ais Deda aaa SR sinais odeia tania 90 CAPITULO S ase ao eo ta A Saga Sd a oe 93 MATERIAIS MAGNETICOS assis a o E RE E LA 93 dal CHassicac o dos Materiais MASNCUCOS saum sse a O TE E T 94 5 2 Caracter sticas dos Materiais Magn ticos ccccc ii nE N EE EE eee aeee EAEE a 96 SDL RCICMUINC ADO ia a DOG a Ro GO Rd RD o Ga a AUD a 96 VLA REMIC dihen a A a
70. ados e em capacitores Entretanto bastante grande o n mero de ligas de alum nio usadas eletricamente nas quais este associado principalmente a Cu Mg Mn e Si que com exce o do sil cio formam sistemas cristalinos mistos sensivelmente dependentes das condi es de temperatura em que a liga processada Alguns exemplos de ligas de alum nio assim como suas caracter sticas s o apresentados na Tabela a seguir Coeficiente de el trica temperatura kg mm kg mm sa ar 1 C lt 60 28 3 5 x 1073 100 20 2 1 x 1073 para constru o de pe as sofrem corros o Condut Composi o Caracteristicas ligas normais mole AlCuMg encruado Dura lum nio ligas com elevada resist ncia encruado encruado e laminado a frio O pequeno peso espec fico das ligas de alum nio leva na rea eletrot cnica s seguintes Al Mg Si mole 35 30 3 5 x 107 resist ncia mec i duro 55 26 3 5 x 107 inica m dia boa laminado a deformabilidade frio 2 8 x 107 boa estabilidade laminado a qu mica quente 2 8 x 107 Al Mg Si mole 10 30 30 3 6 x 1073 Aldrey encruado 30 80 33 3 6 x 1073 Al Mg mole 2 4 x 1073 valores meio mole E E 2 1 x 107 m dios duro 30 15 1 8 x 1073 2 7 x 1073 2 7 x 1073 2 7 x 1073 Al Mn mole 20 meio mole i s duro 15 Al Mg Mn mole meio mole o duro 60 2 4 x 1073 2 4 x 107 2 4 x 1073 aplica
71. ais e Liga C 48Ni 22Cr 30Fe Aplicada na fabrica o de radiadores fornos de tratamento a altas temperaturas e em aparelhos de medida e Liga D 60Ni 15Cr 25Fe Aplica es an logas s da anterior e Liga E 80Ni 20Cr Aplic vel em radiadores luminosos fornos de tratamento a altas temperaturas aparelhos de laborat rio e resist ncias de medidas As ligas com n quel e cromo t m elevada resistividade e baixo coeficiente de termorresistividade associados a uma alta resist ncia oxida o e altera o a altas temperaturas As ligas cobre ni quel t m menor resistividade que as de n quel cromo e resistem pior s altas temperaturas mas t m um coeficiente de termorresistividade praticamente nulo as temperaturas normais o que importante para a constru o de aparelhos de medida de precis o As ligas de cobre n quel e zinco ou n quel e prata foram primitivamente utilizadas para aplica es el tricas mas foram sendo preteridas em favor das anteriormente mencionadas 2 5 Aplica es Conforme apresentado anteriormente os materiais condutores de corrente el trica s o classificados em dois grandes grupos e Materiais de elevada condutividade e Materiais de elevada resistividade o primeiro grupo destinam se todas as aplica es em que a corrente el trica deve circular com menores perdas de energia poss veis tal como elementos de liga o entre aparelhos dispositivos etc ou ainda como el
72. ais GR A sa 35 2 Sado tunBsteno MN msn Siro Saad one ad 35 Zla FENO S pass saia po o E SR a O DR ia E N 36 2 Jo Carv o Carbono E Grale aeaaee a sad Do Duas asa asia Laisa do acaso belas 37 24 Materiais de elevada Resistivid dE ss esto into enes dita deito cab sh ana dedo ns hdi e Sto abas deito Man ess 39 24 1 keas de QUE CIMENTO a a O a CRS 39 r O AS GCI OI O semear a A E A EE 40 24 Lo AS O RO OU A O sata ce Sd pd a dd 40 I APICI OES su rena ca ae a 41 Ze LR ESISTOROS goniacsin dae a Sonar UE a 41 DO 0 USINA a Ra E DR O a 45 ZE MDIC LAIS girri ata as dino sadio atu R duo N dE cb E ro REG dn e ala dam 48 2 92 Fios CADOS CONQULOTES erra A S T A i q 52 ZO SUPE CONJ UTOE Sura aa e T a a A a N A 53 CAP O O e A OAE EN AETA 58 MATERIAIS ISOEANTES n A CA 58 Su Polarizace ECA irn E dd a 58 3 2 Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freq ente n00eenennnnsesssseeeennnssssssssrreresssssssrerressssss 59 DE AD ICA ES pariias Rd cai EaD AS E DE Ria 61 I AP CIVORO S eai catia ud TA E E SS a a aC E 61 3 4 Comportamento dos diel tricos em Servi o snneessssssseeennsssssssreereessssssrrtrresssssssrerressssssssrereesssss 68 Sa 1 Resistencia de ISOLAMENTO sussa ee Sa Ra SRS a 68 IAZ RES SENCE OU PORCA cassia sind DSR ars N SS O O AS e 68 SA o Rede Deli a aca sora ias la E E da 69 3 44 RI idez Dicletrica Superhicial essas dass ses T siso la 69 24 3 Rupturados DiCIC NCOS noie e ca dannd ride ganas ind aaa sra a rodead
73. al de repouso garantido pelas molas de compress o k Pelo fixo 110 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais A carca a constitu da de 2 partes sim tricas tipo macho e f mea unidas por meio de grampos O princ pio de funcionamento do contator atrav s da atra o magn tica criada pela corrente el trica ao atravessar um fio condutor A bobina eletromagn tica quando alimentada por um circuito el trico forma um campo magn tico que se concentra no n cleo fixo e atrai o n cleo m vel Como os contatos m veis est o acoplados mecanicamente com o n cleo m vel o deslocamento deste no sentido do n cleo fixo movimenta os contatos m veis Quando o n cleo m vel se aproxima do fixo os contatos m veis tamb m devem se aproximar dos fixos de tal forma que no fim do curso do n cleo m vel as pe as fixas im veis do sistema de comando el trico estejam em contato e sob press o suficiente O Comando da bobina efetuado por meio de uma corrente el trica que passa num circuito em s rie com a bobina A velocidade de fechamento dos contatores resultado da for a proveniente da bobina e da for a mec nica das molas de separa o que atuam em sentido contr rio As molas s o tamb m as nicas respons veis pela velocidade de abertura do contator o que ocorre quando a bobina magn tica n o estiver sendo alimentada ou quando o valor da for a magn tica for inferior for a das molas Basicamente existem c
74. aplica a pe as fundidas quando se aplica um processo de lamina o o valor se eleva em aproximadamente 10 a 12 vezes Da mesma maneira se eleva o alongamento por m num propor o diferente bem maior O zinco est vel quimicamente no ar ap s se recobrir com uma fina pel cula de xido ou carbonato de zinco atacado rapidamente por cidos e bases Em contato com outros metais e na presen a de umidade existe facilidade de forma o de elementos galv nicos que corroem ou dissolvem o zinco O metal que menos corroe o zinco o a o o qual pode assim ser usado para recobrimento e prote o do zinco O zinco ainda usado para revestimento a zincagem atrav s de Zzincagem a fogo imers o em estado de fus o aplica o por pulveriza o ou zincagem eletrol tica Ligas de zinco resultam sobretudo da uni o de zinco com aluminio e cobre a fim de elevar sua resist ncia tra o e demais propriedades mec nicas Ligas cristalinas Zn Al Cu levam a cristais mistos que se transformam com o tempo consequentemente apresentam o chamado envelhecimento que se faz notar inclusive por uma eleva o do volume com consequente redu o das caracteristicas mec nicas do alongamento etc Acrescentam se ainda corros es intercristalinas pela a o da umidade e do calor Nesse sentido destaca se a a o do alum nio de modo negativo Caso tal comportamento comprometa a pe a deve se acrescentar magn sio e l tio que reduzem
75. arga Q quando submetido ddp U do gr fico a energia el trica Weietr armazenada no capacitor corresponde rea do tri ngulo hachurado Wair E e como Q C U ent o Exerc cios Resolvidos 01 Carrega se um capacitor de capacidade eletrost tica 5 uF com carga el trica de 20 uC Calcule a energia potencial el trica armazenada no capacitor Resolu o Calculando a ddp U nos terminais do capacitor O Q 204 E T I Td C 5 uF 20 18C U U 4V 5 19 F Calculando a energia el trica armazenada OT Po pp y Wy n E Br o Wyn 4 105 pl tr 02 Um capacitor armazena 8 10 J de energia el trica quando submetido ddp U Dobrando se a ddp nos seus terminais a energia armazenada passa a ser Resolu o Sendo CL Wi C Wier gt Eil Ei Ti 2 constante WoW ent o OUY U W al tr 8 10 as AET y W ar 32 10 a Wee 63 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Os capacitores s o amplamente utilizados em r dios gravadores televisores circuitos el tricos de ve culos etc Os capacitores podem ser de valores de capacit ncia fixos ou vari veis Dentre os capacitores fixos ressaltam se os seguintes a Capacitores Eletrol ticos S o formados por uma folha FOLHA DE ALUM NIO fina de alum nio placa positiva recoberta por uma camada finissima de xido de alum nio des TA PAPEL IMPREGNAD
76. as nestas s o utilizados frequentemente tanto como condutores e eletrifica o rural a o galvanizado como alma de cabos de alum nio para e aumentar a resist ncia mec nica Alguns materiais n o met licos como o carv o carbono e grafite tamb m apresentam qualidades condutoras 2 3 15 Carv o Carbono e Grafite O carbono do latim carbo carv o um elemento qu mico s mbolo C de n mero at mico 6 6 pr tons e 6 el trons e s lido a temperatura ambiente Dependendo das condi es de forma o pode ser encontrado na natureza em diversas formas alotr picas carbono amorfo e cristalino em forma de grafite ou de diamante O diamante n o condutor de eletricidade O grafite muito mais denso melhor condutor de eletricidade um tanto oleoso e menos sens vel aos agentes qu micos que os carbonos amorfos Enquanto as propriedades do grafite s o bem definidas as dos carbonos amorfos dependem da sua origem e das condi es de forma o O grafite pode ser natural ou sint tico O natural ocorre na natureza e na maioria das vezes necessita de purifica o e classifica o granulom trica para ser utilizado comercialmente O sint tico produzido a partir de outras formas de carbono como coque e antracita forma amorfa do carv o caracterizada pelo agrupamento ca tico e aleat rio dos seus tomos Estes materiais s o reduzidos a p e compactados s vezes com a presen a de aglomerantes Posteriormente s
77. as contra a a o de raios X Ainda o chumbo encontrado em elos fus veis e em material de solda Nas ligas o chumbo encontrado junto com antim nio tel rio c dmio cobre e estanho adquirindo assim elevada resist ncia mec nica e vibra o ficando por m prejudicada a resist ncia a corros o Uma das ligas mais frequentemente encontradas a do chumbo com antim nio onde o antim nio eleva a dureza J 1 5 de Sb duplicam esse valor Suas aplica es mais comuns al m das j citadas s o na industria qu mica e de papel nas tubula es de guas salinas mancais anti fric o proj teis de armas usinas de energia nuclear e elemento liga de lat es bronzes e a os para melhorar a usinabilidade 2 3 4 Estanho Sn O metal branco prateado mole por m mais duro que o chumbo Nota se que a resistividade do estanho elevada o que faz esperar um elevado aquecimento perante a passagem de corrente Utilizado em temperaturas inferiores a 18 C o metal apresenta manchas cinzentas que desaparecem se o metal novamente aquecido Ao contr rio se aquecido acima de 160 C o material se torna quebradi o e se decomp e na forma de pequenos cristais temperatura ambiente normal o estanho n o se oxida a gua n o o ataca e cidos dilu dos o atacam apenas lentamente Por isso o estanho usado para revestimento e est presente em ligas como no bronze A exemplo do chumbo o estanho encontrado como mate
78. ateriais duros e outras aplica es exigem materiais moles Um m de geladeira por exemplo deve ser feito de um material magn tico duro para que possa permanecer imantado por muito tempo J os motores el tricos exigem materiais magn ticos moles para que eles possam se adaptar rapidamente s altera es da corrente el trica alternada Por outro lado fisicamente os materiais magn ticos podem ser classificados quanto permeabilidade como e Ferromagn ticos ferro n quel cobalto a o caracterizam se por uma magnetiza o espont nea que totalmente independente de campos magn ticos externos A grandeza desta magnetiza o depende da temperatura que quando cr tica Temperatura de Curie vari vel para cada material Exemplo ferro 770 C cobalto 770 C n quel 365 C o material perde suas propriedades magn ticas passando de ferromagn tico para diamagn tico Os ferromagn ticos possuem uma permeabilidade magn tica u centenas ou milhares de vezes maior que a do v cuo Ho onde 1 4x7mx10 H m Estes materiais provocam uma forte 94 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais concentra o das linhas de fluxo do campo que os interceptam Na sequ ncia s o apresentadas a permeabilidade magn tica de alguns materiais Cobalto u 60 N quel p 50 Ferro fundido u 30 a 800 A o 11 500 a 5000 Ferro de transformador pu 5500 Ferro puro u 8 000 Metal um 76N1 1 5Cr 4Cu Fe w
79. bservados estes fatores a vida til do rel estar comprometida ou at a do circuito controlado ia E Contatos auxiliares NF o omatos m veis 5 3 3 Contatores JT Consosm PE id Terminais que permite a partir de um circuito de comando efetuar o controle de cargas num circuito de pot ncia Tais cargas podem ser de qualquer tipo desde tens es diferentes do circuito de comando e at conter m ltiplas fases Os principais elementos construtivos de um contator s o Contator um dispositivo eletromec nico E Az Contatos fixos N cieo M vel sa Robina Molas Contato Principal NNA Contato Auxiliar Sistema de Acionamento Carca a Acess rios e Contatos Principais Os contatos principais t m a fun o de estabelecer e interromper correntes de motores e chavear cargas resistivas ou capacitivas O contato realizado por meio de placas de prata cuja vida til termina quando as mesmas s o reduzidas a 1 3 de seu valor inicial Os contatos auxiliares s o dimensionados para comuta o de circuitos auxiliares para comando sinaliza o e intertravamento el trico Eles podem ser do tipo NA normalmente aberto ou NF normalmente fechado de acordo com a sua fun o O acionamento dos contatores pode ser feito com corrente alternada ou corrente cont nua Ap s a desenergiza o da bobina de acionamento o retorno dos contatos principais bem como dos auxiliares para a posi o origin
80. bsorventes Reflex o Reflex o REFLEX O E INTERNA Refra o Refra o TOTAL N N Retex o A Refra o Raio Raio incidente N refletido refratado 1 9 2 Reflex o O fen meno da reflex o consiste na mudan a da dire o de propaga o dos raios luminosos Consiste no retorno da energia incidente em dire o regi o de onde ela oriunda ap s entrar em contato com uma superf cie refletora A energia pode tanto estar manifestada na forma de ondas como transmitida atrav s de part culas Por isso a reflex o um fen meno que pode se dar por um car ter eletromagn tico ptico ou sonoro A reflex o pode ser explicada totalmente com base em apenas duas leis de cunho geral 1 O raio incidente a reta normal e o raio refletido s o coplanares ou seja est o no mesmo plano 2 O ngulo de incid ncia com a reta normal igual ao ngulo de reflex o com a reta normal Sendo a normal a semi reta que se origina a partir da superf cie refletora situando se perpendicularmente a esta ngulo de incid ncia aquele que a dire o de deslocamento da energia faz com a normal e ngulo de reflex o aquele definido pela dire o que a energia que refletida faz com a normal 1 9 3 Absor o Existem superf cies que absorvem a maior parte das radia es luminosas que chegam at elas Geralmente tais objetos s o de cor preta Outros tipos de superf cies e objet
81. canal N o dreno deve ser ligado ao positivo da bateria e a Fonte ao negativo sendo a gate ou porta ligada ao positivo atrav s de R3 i um divisor de tens o destinado a fornecer a exata tens o de gate importante recordar que como a resist ncia de entrada infinita j que o gate os FET n o consome qualquer corrente da a necessidade do divisor Os Mos FETs tipo deple o s o semelhantes aos J FETs tendo aplica es semelhantes como as de amplificadores de sinais eletricamente isolado do canal o gate de um Mos l L 87 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 4 7 6 Retificador controlado de sil cio Um dispositivo com duas jun es de sil cio PN conforme ilustrado ao lado denominado retificador controlado de sil cio sigla SCR Silicon Controled Rectifier No circuito dado as jun es externas s o polarizadas diretamente e a central inversamente Ele pode ser considerado como a combina o de um transistor NPN com um PNP Aplicando a lei de Kirchhoff la Simbolo le Qa la Os Ja Para todo o conjunto Ip PE CA a Resolvendo Ie amp a Ip 1 oq Qe la A e IC Se a soma dos fatores de corrente de ambos os transistores for pr xima de 1 a corrente le ser muito grande em rela o a lp O que ocorre na pr tica Os valores de lp s o realmente muito baixos e uma vez iniciada a condu o lp pode ser reduzido a zero pois o dispositivo conserv
82. cnologia dos Materiais 5 5 Aplica es dos Materiais Magn ticos Atualmente os materiais magn ticos desempenham papel muito importante nas aplica es tecnol gicas do magnetismo Nas aplica es tradicionais como em motores geradores transformadores etc eles s o utilizados em duas categorias e im s permanentes s o aqueles que t m a propriedade de criar um campo magn tico constante e materiais doces ou perme veis s o aqueles que produzem um campo proporcional corrente num fio nele enrolado muito maior ao que seria criado apenas pelo fio sem nenhum outro material n cleo de ar A terceira aplica o tradicional dos materiais magn ticos que adquiriu grande import ncia nas ltimas d cadas a grava o magn tica Esta aplica o baseada na propriedade que tem a corrente numa bobina na cabe a de grava o em alterar o estado de magnetiza o de um meio magn tico pr ximo Isto possibilita armazenar no meio a informa o contida num sinal el trico A recupera o ou a leitura da informa o gravada feita tradicionalmente atrav s da indu o de uma corrente el trica pelo meio magn tico em movimento na bobina da cabe a de leitura A grava o magn tica a melhor tecnologia da eletr nica para armazenamento n o vol til de informa o que permite re grava o Ela essencial para o funcionamento dos gravadores de som e de v deo de in meros equipamentos acionados por cart es magn
83. conseguinte ao equil brio da temperatura Nos pol meros a transfer ncia de energia obtida atrav s da vibra o e rota o das cadeias de mol culas Os pol meros s o frequentemente empregado como isolantes t rmicos devido a sua baixa condutividade t rmica Assim como nas cer micas a introdu o de pequenos poros reduz a condutividade t rmica Coeficiente de dilata o linear Quando se aquece um s lido aumenta em geral suas dimens es em todos os sentidos aumentando portanto sua superf cie e seu volume A dilata o linear se refere ao aumento do comprimento em uma determinada dire o Chamando l ao comprimento inicial e 11 ao comprimento final correspondentes s temperaturas 0 e 01 se tem O E lo lo 0 E 00 onde a o coeficiente m dio de dilata o linear entre as temperaturas 0 e O Por n o serem iguais os coeficientes de dilata o de todos os materiais surgem v rias dificuldades entre as quais a soldadura de diferentes corpos Dilata o linear importante no estudo de linha de transmiss o onde o efeito da temperatura na dilata o de cabos a reos deve ser considerado Nos casos de uni o ou jun o de materiais diferentes ex bimetais que s o dois metais com diferentes coeficientes de dilata o t rmica soldados por sintetiza o este fator importante para a avalia o da dilata o diferencial a curvatura sofrida pelo bimetal devido a diferen a de dilata o entre os dois
84. cos s o basicamente classificados sob dois pontos de vista a el trico recebendo os nomes de condutores isolantes e semicondutores b magn tico dividindo se em materiais ferromagn ticos diamagn ticos e paramagn ticos PA Ci ncia e Tecnologia dos Materiais CAP TULO II MATERIAIS CONDUTORES 2 1 Introdu o No primeiro cap tulo vimos que tanto os ons quanto os el trons podem ser respons veis pelo processo de condu o de eletricidade que sempre envolve a no o de movimenta o de cargas Os materiais condutores s o caracterizados por diversas grandezas dentre as quais se destacam condutividade ou resistividade el trica coeficiente de temperatura condutividade t rmica potencial de contato comportamento mec nico etc Estas grandezas s o importantes na escolha adequada dos materiais uma vez que das mesmas vai depender se estes s o capazes de desempenhar as fun es que lhe s o atribu das A escolha do material condutor mais adequado nem sempre recai naquele de caracteristicas el tricas mais vantajosas mas sim em outro metal ou uma liga que apesar de eletricamente menos vantajoso satisfaz as demais condi es de utiliza o Em um tomo neutro o n mero de el trons igual ao n mero de pr tons Quando h um desequil brio dizemos que o tomo est ionizado Se apresentar el trons em excesso o tomo estar ionizado negativamente se apresentar falta de el trons estar ionizado po
85. da com bom poder de dissipa o e um coeficiente de termorresistividade negativo Eletrodos para fornos de arco O eletrodo para forno el trico constitui a forma em que maiores quantidades de carv o se consomem em eletrot cnica podendo considerar se dois grupos fundamentais os de carv o amorfo e os de carv o eletrograf tico sendo muito raro o emprego da grafite natural TIPOS DE FORNOS A ARCO Fornos a arco direto Fornos a arco indireto 38 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Comparativamente com os de carv o amorfo os eletrodos de carv o eletrograf tico apresentam o seguinte conjunto de vantagens e t m maior condutibilidade o que reduz as perdas por efeito Joule e permite maiores densidades de corrente e t m menor suscetibilidade s a es qu micas queimando se e desagregando se menos e s o mais puros nomeadamente nos teores de ferro sil cio e enxofre Em contrapartida t m menor condutibilidade t rmica pelo que d o lugar a maiores perdas e s o mais caros O problema das impurezas importante pois v o influir na qualidade dos produtos fundidos e da as precau es nece
86. de de condutores de alum nio com di metro maior que seria necess rio se o material fosse cobre o fio de alum nio ainda tem aproximadamente a metade do peso do de alum nio o que reduz o custo dos elementos de sustenta o envolvidos dado importante na constru o de linhas de transmiss o O uso do alum nio adquiriu por essas raz es import ncia especial nas instala es el tricas em avi es Outro aspecto o comportamento oxidante j mencionado O alum nio apresenta uma oxida o extremamente r pida formando uma fina pel cula de xido de alum nio que tem a propriedade de evitar que a oxida o se amplie Entretanto esta pel cula apresenta uma resist ncia el trica elevada com uma tens o de ruptura de 100 a 300V o que dificulta a soldagem do alum nio que por essa raz o exige pastas especiais A corros o galv nica uma situa o particular pr pria entre metais afastados na s rie galv nica dos elementos Devido ao grande afastamento e consequente elevada diferen a de potencial entre o cobre o alum nio essa corros o se apresenta sempre que o contato entre Cu e Al ocorre num ambiente mido Por essa raz o os pontos de contato Al Cu precisam ser isolados contra a influ ncia do ambiente 29 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Aplica es das Ligas do Alum nio O alum nio puro apenas usado nos casos em que as solicita es mec nicas s o pequenas Tal fato ocorre por exemplo nos cabos isol
87. de excita o l 99 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Considerando uma bobina com n cleo de ar o aumento da corrente el trica na bobina e consequentemente a excita o magn tica H provoca um aumento do fluxo magn tico O e consequentemente a indu o magn tica B A rela o entre amp e linear ou seja o aumento de O diretamente proporcional ao aumento de l n cleo ferromagn tico X satura o n cleo de ar I ou H Introduzindo um n cleo de material ferromagn tico no interior da bobina o fluxo magn tico toma valores muito maiores que com n cleo de ar para os mesmos valores da corrente Este grande aumento do fluxo em rela o bobina com n cleo de ar deve se contribui o dada pelos tomos que s o na realidade pequenos im s Estes tomos inicialmente desordenados alinham se segundo as linhas de for a do campo magn tico produzido pela corrente Ao alinhar se o fluxo que possuem soma se ao fluxo inicial Quanto maior for o valor da corrente maior o n mero de tomos que se alinham e maior o valor do fluxo total medida que a corrente aumenta o n mero de tomos que resta por alinhar cada vez menor e por isso o fluxo n o aumenta mais proporcionalmente corrente Portanto ap s o aumento inicial linear do fluxo entra se na chamada zona de satura o Quando todos os tomos estiverem alinhados o aumento do fluxo com a corrente volta a ser linear mas
88. de os pontos mais quentes aos mais frios Se considerarmos uma placa de faces paralelas de espessura finita e dimens es transversais infinitas onde cada face se mantenha a temperatura constante se produz uma passagem de calor atrav s da massa da placa Um vez estabelecido o regime permanente a quantidade de calor que atravessa durante um tempo muito curto uma pequena se o paralela s faces depende da temperatura destas e do coeficiente de condutividade t rmica da subst ncia que constitui a placa Este coeficiente expressa o n mero de calorias grama que atravessam perpendicularmente em um segundo um cent metro quadrado de uma l mina que tenha um cent metro de espessura e cujas faces se mantenham a temperaturas que difiram de um grau entre si Existe uma certa correla o entre condutividade el trica e t rmica a qual pode explicar se pela teoria eletr nica da corrente el trica Por a o de uma diferen a de potencial os el trons livres que se movem em todas as dire es nos espa os intermoleculares tomam um movimento de conjunto que constitui a corrente el trica Quando entre dois pontos de um metal existe uma diferen a de temperatura os el trons das partes mais quentes que t m maior velocidade m dia cedem por choque uma parte de sua energia e de sua velocidade aos el trons das partes mais frias A soma de todos estes choques d lugar ap s um tempo mais ou menos longo iguala o das velocidades m dias e por
89. di es favor veis tamb m nos gasosos Sob o ponto de vista pr tico a maioria dos materiais condutores de s lidos e dentro desse grupo ressaltam se os metais que devido facilidade de fornecer el trons livres s o usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos el tricos No grupo dos l quidos vale mencionar os metais em estados de fus o eletr litos e as solu es de cidos de bases e de sais Destaca se o caso particular do merc rio nico metal 23 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais que temperatura ambiente se encontra no estado l quido e solidifica se apenas a 39 C Outro exemplo em uma solu o de gua com sal NaCl haver uma dissocia o da mol cula de cloreto de s dio NaCl em ons Na e CI que ficam livres para se movimentar pelo interior da solu o Quanto aos gasosos estes adquirem caracter sticas condutoras sob a a o de campos muito intensos quando ent o se podem ionizar o caso das descargas atrav s de meios gasosos como na abertura arco com a forma o de um meio condutor conhecido por plasma e tanto normalmente os gases mesmo os de origem met lica n o podem ser utilizados nem considerados como condutores Exemplos de bons condutores e Metais como o cobre alum nio ferro etc usados para enrolamentos de m quinas el tricas e transformadores etc e Ligas met licas usadas para fabrica o de resist ncias aparelhos de calefa o filamento
90. e os tomos Estas estruturas compreendem filmes simples de uma nica camada magn tica 107 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais sobre um substrato ou filmes magn ticos e n o magn ticos intercalados e tamb m estruturas com mais de uma dimens o na escala nanom trica chamadas nano estruturas magn ticas de maiores dimens es As diversas aplica es destes fen menos na eletr nica est o dando origem a um novo ramo da tecnologia cnamado spintr nica no qual as fun es dos dispositivos s o baseadas no controle do movimento dos el trons atrav s do campo magn tico que atua sobre o spin 5 3 1 Eletro m s Eletroim um dispositivo que utiliza a eletricidade para gerar um campo magn tico Possui funcionamento muito similar aos m s permanentes Sua constru o faz uso de um condutor el trico normalmente um fio ou barramento de cobre com exterior eletricamente isolado o qual moldado em forma espiral de modo a compor um enrolamento chamado de bobina No centro desta bobina normalmente utilizado um n cleo de material ferromagn tico podendo ser de ferro a o n quel ou cobalto Conforme visto anteriormente todo campo magn tico ao ser passado atrav s de um condutor el trico gera corrente el trica e o contr rio tamb m ocorre ou seja toda corrente el trica que passa por um condutor el trico gera um campo magn tico O campo magn tico gerado pela condu o de uma corrente em um condutor retiline
91. e alta capacidade conhecidos por tipo NH que utilizam cer mica como isolador 5 Fus vel de Cartucho para altas tens es Empregado para correntes elevadas e em circuitos de m dia e alta tens o constru do com inv lucros isolantes de alta rigidez diel trica como a porcelana Elo fus vel fio 6 Fus vel para circuitos eletroeletr nicos Em formato de cartucho com inv lucro de vidro ou cer mico contem um filamento de liga de cobre ou prata Usado para baixos valores de corrente com grande aplica o em prote o de aparelhos eletroeletr nicos mpat 47 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 2 5 3 Bimetais Os bimetais consistem em chapas compostas de duas folhas de metais diferentes passadas no laminador a temperatura bastante elevada para que elas sejam fortemente aderidas uma outra s vezes ao inv s da t cnica do laminador as duas folhas s o justapostas e soldadas ponto As l minas de bimetal s o fabricadas para diversos fins por exemplo para unir a resist ncia mec nica de uma folha com a elevada resist ncia corros o de outra ou mesmo para aproveitar os efeitos dos diferentes coeficientes de dilata o t rmica Se unirmos duas tiras met licas que t m coeficientes de dilata o lineares qq e az muito diferentes a deforma o provocada pelos diferentes alongamentos ou contra es das partes sob a a o de uma varia o de temperatura pode ser usada para diversas aplica
92. eforma o ser em parte el stica e em parte inel stica Por m o material n o mais retornar s suas dimens es originais quando a for a for removida Ap s o ponto L E o material estica rapidamente e a m xima tens o aplicada no ponto L Re No ponto L Ru ocorre a fratura Cabe ainda ressaltar a diferen a de comportamento nas diversas curvas mostradas Por exemplo na figura a trata se de um material fr gil que se rompe sem que haja deforma o pl stica J na figura b temos um material d til com limite de escoamento definido Quando n o ocorre escoamento o L E definido como a tens o necess ria para provocar uma deforma o permanente de 0 2 fig c e Tens o for a por unidade de rea e Deforma o pl stica deforma o permanente provocada por tens es que ultrapassam o limite de elasticidade e Deforma o el stica deforma o revers vel proporcional tens o aplicada e M dulo de elasticidade m dulo de Young quociente entre a tens o aplicada e a deforma o el stica resultante e Ductilidade deforma o pl stica total at o ponto de ruptura Pode ser expressa como o alongamento ver Fig 1 10 ou como a redu o na rea da se o reta do corpo imediatamente antes da ruptura chamada estric o No material d til a regi o do regime pl stico muito maior que a do regime el stico o alongamento e estric o s o grandes Estric o rea inicial rea final
93. em uma distribui o eletr nica mais est vel designada por liga o covalente resultando em uma rbita comum aos dois os tomos capturam mutuamente el trons Liga o covalente Liga es covalentes normalmente ocorrem entre tomos com eletronegatividades similares e altas geralmente entre dois n o metais dos quais remover completamente um el tron requer muita energia Portanto a liga o covalente implica em intensas for as de atra o entre os tomos o que evidenciado por exemplo no diamante que o material mais duro encontrado na natureza e inteiramente constitu do por carbono Outra demonstra o da for a desta liga o covalente onde cada tomo compartilha seus 4 el trons da camada de val ncia com 4 tomos adjacentes tamb m pode ser percebida pela temperatura extremamente elevada gt 3000 C a que pode ser aquecido antes da destrui o da sua estrutura 1 2 3 Liga o Met lica A liga o met lica outro tipo de atra o interat mica forte Se um tomo apresenta apenas uns poucos el trons de val ncia estes podem ser removidos com relativa facilidade enquanto que os demais el trons s o firmemente ligados ao n cleo Isto origina uma estrutura formada por ons positivos e el trons livres como pode ser visto na figura a seguir Ci ncia e Tecnologia dos Materiais O o Oi OOo O BD Liga o met lica 1 2 4 Liga es Secund rias Existe
94. ementos de circuitos que devem dar origem a uma segunda forma de energia por transforma o el trica tal como em bobinas eletromagn ticas Os materiais do segundo grupo destinam se por um lado transforma o da energia el trica em t rmica tal como em fornos el tricos e por outro lado para criar num circuito el trico certas condi es destinadas a provocar quedas de tens o e limita o de corrente para se obter um ajuste s condi es adequadas ao circuito Neste t pico ser o abordadas as aplica es especiais destes materiais em Engenharia El trica 2 5 1 Resistores Resistores s o componentes capazes de transformar a energia el trica em energia t rmica diminuir a tens o e limitar a corrente em v rios pontos de um circuito 41 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais DAAA AA DA UA DANA N Dove i o Kaf dog aa ti Nor DA paS o o a Da Terg Resistor el trico Resistor de l mpada Resistor de Chuveiro Existem muitos tipos de resistores por m em sua grande maioria s o pequenos demais para se escrever o valor no corpo do mesmo Desta forma os fabricantes utilizam de um c digo de cores que informa o seu valor Os resistores menores ainda que s o soldados diretamente na superf cie da placa nem sempre t m o valor impresso no seu corpo sendo necess rio recorrer ao manual t cnico do equipamento para saber o valor correto Os resistores possuem pequenas varia es na fabrica o que
95. er inversamente proporcional tens o entre Gate e Fonte Vo Ve gt Ib Na 4 H um valor da tens o de Gate chamado tens o de corte no qual o canal ficar totalmente fechado e a corrente de dreno ser igual a zero O menor valor negativo da tens o de Gate que elimina o canal Rs designa se por tens o limiar ou tens o de threshold V7 ou Ves off Os Mos FETs tipo deple o s o semelhantes aos J FET tendo aplica es semelhantes geralmente como amplificadores de sinais E de enriquecimento ou refor o A zona P mais larga sendo o canal restrito a Canal induzido pequenas por es de material N junto fonte e ao N dreno Tal como no FET de empobrecimento o gate ou porta isolado do canal por uma camada de xido de sil cio Neste transistor no entanto a porta ou gate recebe uma tens o positiva em rela o fonte de modo que o campo eletrost tico assim formado em vez de repelir os Figura el trons os atrai formando um canal N entre a NMOS de enriquecimento fonte e o dreno o tracejado na figura A forma o Rana Neons nao deste canal permite ent o a circula o da corrente de dreno lb cuja intensidade ir depender da tens o de gate Vc j que a profundidade do canal entre a Fonte e o Dreno ser determinada pelo campo eletrost tico Se a tens o gate fonte Ves for nula n o se formar o canal induzido e logo n o haver corrente de dreno lp No caso do Mos FET de
96. ermeabilidade magn tica u e sua unidade dada por H m H Henry A permeabilidade magn tica do v cuo Lo igual a 417 x 10H m 13 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais De forma an loga condutividade el trica dos materiais o termo permeabilidade relativa do material u dado por u uo e adimensional e Paramagn ticos possuem p ligeiramente maior que 1 e Diamagn ticos possuem 4 ligeiramente menor que 1 e Ferromagn ticos possuem u muito maior que 1 e Indiferentes possuem ur igual a 1 A magnetiza o M de um material representa o grau de polariza o dos dipolos magn ticos do material quando o mesmo atravessado por um campo magn tico H M u H xmH A m Onde xm a susceptibilidade magn tica Portanto pode se dizer que a susceptibilidade e consequentemente a permeabilidade a medida da intensidade com que o material pode ser magnetizado Refere se menor ou maior facilidade com que o material se deixa atravessar pelo fluxo magn tico circulante Permeabilidade magn tica Material relativa u Ar cobre e madeira l Prata l a 20x 10 Zinco l a 10x 10 Alum nio la 22x 10 Ferro 5500 A o 500 a 5000 1 6 Propriedades Mec nicas Para selecionar materiais apropriados e ent o obter um projeto eficiente essencial que se conhe am as propriedades relevantes dos materiais As propriedades mec nicas dos materiais s o medidas em termos do comportamento do material quando sujeito a uma
97. erro foi nos anos de 1800 quando houve uma grande explos o industrial esta beneficiada com o surgimento dos processos de obten o do ferro de melhores qualidades As causas desta explos o foram abund ncia de ferro na superf cie terrestre alto teor de ferro nos min rios baixo ponto de fus o bom condutor de calor e eletricidade ductil e male vel magnetiz vel boas propriedades mec nicas podemos alterar suas propriedades atrav s de tratamentos forma lixos de excelentes caracter sticas etc A resistividade do ferro ou do a o 6 a 7 vezes a do cobre ou mesmo mais Al m de terem aplica o como materiais estruturais e magn ticos o ferro e o a o s o tamb m largamente empregados como condutores el tricos estando algumas aplica es listadas a seguir 36 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais e circuitos de tra o el trica nas estradas de ferro o circuito de retorno para a corrente el trica geralmente formado pelos pr prios trilhos soldados entre si ou ligados por curtos cabos de cobre Nos sistemas em que se utiliza um terceiro trilho para condu o da corrente el trica em lugar de uma linha a rea empregam se para o terceiro trilho a os doces com resistividade de 7 a 9 vezes a do cobre e ligas de ferro para resist ncias el tricas a grande maioria das resist ncias para aquecimento el trico ou para a confec o de reostatos manufaturada com ligas de ferro e linhas a re
98. ess o a que o g s se encontra submetido 1 4 2 Resist ncia e Condut ncia El trica As cargas el tricas deslocam se sob a forma de corrente el trica atrav s das diferentes subst ncias mas sob aspectos diversos Chama se de resist ncia a maior ou menor dificuldade que op e um condutor passagem de corrente el trica cuja unidade o Ohm O A resist ncia el trica R obedece a lei de Ohm V RI e pode ser entendida como a avalia o quantitativa da resistividade pois depende da geometria do material Ci ncia e Tecnologia dos Materiais A resist ncia de um objeto fun o da resistividade do seu material da rea da se o reta e do seu comprimento Estes tr s par metros relacionam se conforme a equa o abaixo R p Q Onde R resist ncia da haste em ohms p resistividade do material em ohms m comprimento da haste em m A rea da se o reta em m Condut ncia el trica o inverso da resist ncia el trica A unidade derivada do SI de condut ncia o siemens s mbolo S igual a Q N o deve ser confundida com condutividade el trica que uma caracter stica espec fica de um material e rec proca a resistividade el trica 1 4 3 Permissividade Diel trica Quando um material condutor isolado for mergulhado em um campo el trico externo seus el trons livres se rearranjam formando uma carga superficial de tal forma a anular o campo el trico no seu interior Se procedermo
99. etrol tico Destaque se ent o que a condutividade el trica do cobre muito influenciada na presen a de impurezas mesmo em pequenas quantidades A resistividade do cobre a 20 C de peu 1 7241uOcm em e seu coeficiente de termo resistividade vale a 0 00393 C O cobre resiste bem a o da gua de fuma as sulfatos carbonatos sendo atacado pelo oxig nio do ar e em presen a deste cidos sais e amon aco podem corroer o cobre O cobre obtido em forma eletrol tica fundido e transformado em lingotes Na transforma o subsequente aos perfis e pe as desejadas quando n o se usa a fus o e sim uma transforma o mec nica por lamina o e estiramento efetua se primeiramente um aquecimento do lingote para facilitar a transforma o bruta at temperaturas de 920 980 C Na lamina o a frio o cobre se torna mais duro e el stico e reduz sua condutividade o estado de cobre encruado Essa modifica o de caracter sticas pode representar um empecilho ao uso do metal e nesse caso se faz o seu recozimento a uma temperatura de 500 560 C Aplica es do Cobre Em fun o de suas propriedades o cobre nas suas diversas formas puras tem determinadas suas aplica es O cobre encruado ou duro usado nos casos em que se exige elevada dureza resist ncia tra o e pequeno desgaste como no caso de redes a reas de cabo nu em tra o el trica particularmente para fios telef nicos para pe as de conta
100. eza pl stica e flex veis ou at mesmo dobr veis SN i Ea g A a r I As primeiras aplica es de monitores OLED ocorreram em dispositivos m veis como celulares PDAs e at mesmo notebooks onde a pequena espessura e o baixo peso da tela s o mais importantes que outros fatores Entretanto o pre o de produ o de monitores com essa tecnologia tem ca do bastante e hoje j poss vel construir telas OLED mais baratas e t o dur veis quanto telas LCD equivalentes Al m da simplicidade construtiva e das vantagens f sicas os monitores OLED ainda superam seus rivais em v rios aspectos t cnicos Monitores OLED s o capazes de criar a cor preta gerando o chamado real black e conseguem taxas de contraste 10 vezes maiores que monitores LCD produzidos atualmente N o s o suscept veis ao efeito burn out que agride monitores CRT e Plasma situa o onde a exibi o prolongada de uma mesma imagem marca a tela de forma definitiva fato ocorrido na maioria das telas de Plasma produzidas hoje em dia Ainda que uma nova tecnologia de Plasma tenha sido desenvolvida para evitar o burn out ela resulta em telas mais caras raz o que levou muitos fabricantes ignor la A rigor ao comprar uma tela de Plasma dificilmente ser poss vel saber se aquele modelo espec fico resistente ou n o ao efeito danoso Isso pode levar desagrad vel situa o de se observar por exemplo um pequeno simbolo da emissora no canto inferior direito
101. ferro e sucata assim como s o aplicados tecnologia dos trens de levita o magn tica Maglev estudada no item relativo a supercondutores 5 3 2 Rel s Um rel eletromec nico um interruptor ou chave eletromec nica que normalmente usado em circuitos que necessitam de cortes de energia A tecnologia mais antiga usada na fabrica o de rel s a eletromagn tica Mola de Rearme Contatos Inv lucro on Bobina C va Pa 7 ka Contato Movel comum NA Armadura Fixa Terminais da bobina Contato Fixo Em um rel eletromagn tico quando atingido um determinado valor da corrente o disparador do rel um eletroim atua e ele abre por exemplo um circuito Existe um determinado tempo de atua o Este tipo de rel usado na prote o contra curtos circuitos Em um rel t rmico quando atingida uma determinada temperatura o rel dispara Esta temperatura pode ser provocada por uma corrente que atingiu um valor determinado durante um tempo suficiente para atingir o limiar de disparo O elemento sensor normalmente uma l mina bimet lica ou bi l mina Conforme j visto este tipo de atua o usado na prote o contra sobrecargas H rel s que se destinam a realizar opera es de tipos diversos em automatismos S o chamados rel s auxilares Existem ainda os rel s eletr nicos que n o t m pe as m veis o que os torna mais r pidos menos consumidores de energia e
102. fini o f sica dada por o ne u tpe onde o condutividade el trica do material S m onde S siemens ou ainda O m n Concentra o de el trons livres do material cm ou m p concentra o de cargas livres positivas do material cm ou m chamadas lacunas e carga el trica elementar 1 6022x 10 C C Coulombs Un Hn mobilidade dos el trons livres e das lacunas m Vs El trons livres e lacunas s o chamados portadores de carga livre pois reagem a campos el tricos e magn ticos e podem se locomover facilmente pelo material com pouco fornecimento de energia Est o presentes em todos os tipos de materiais mas as lacunas apenas nos semicondutores Portanto a equa o da condutividade para materiais condutores e isolantes expressa apenas pela primeira parcela da equa o anterior A resistividade el trica p de um material pode ser entendida como a maior ou menor oposi o que este material imp e a um fluxo de el trons corrente el trica Expressa portanto o inverso da condutividade e pode ser dada por Ci ncia e Tecnologia dos Materiais l l o net pel Onde a unidade da resistividade p pode ser dada por Qm A resistividade el trica depende da temperatura Por exemplo nos materiais condutores a resistividade aumenta com o aumento da temperatura e nos isolantes diminui A tabela abaixo mostra a resistividade de alguns materiais a 20 C Material Resistiviade p O m Cond
103. for a e s o determinadas pelas deforma es Valores num ricos absolutos de algumas propriedades mec nicas n o s o determinados facilmente mas s o apresentados em compara o a outros materiais Muito materiais em servi o est o sujeitos a for as ou carga por exemplo a liga de alum nio empregada nas asas dos avi es ou o a o no eixo dos autom veis Em tais situa es necess rio projetar o equipamento de tal forma que as deforma es em servi o n o ser o excessivas e fraturas n o ocorrer o 1 6 1 Deforma o nos metais Quando uma tens o definida como a rela o da for a aplicada por unidade de rea aplicada em um material o mesmo sofrer deforma o Esta deforma o pode ser el stica a qual desaparece quando a tens o retirada ou pl stica que uma deforma o permanente A figura a seguir mostra diagramas tens o x deforma o t picos 14 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Curva tens o x deforma o ideal Conforme a figura at o ponto L E a deforma o proporcional ou seja obedece a lei de Hooke sendo o coeficiente de elasticidade calculado pela raz o entre a tens o e a deforma o correspondente O ponto L E o limite de elasticidade ou de escoamento Em materiais tais como os a os doces o limite de escoamento bem definido quando o material escoa ou seja a deforma o pl stica ocorre sem que praticamente haja aumento da tens o Al m do ponto L E a d
104. gi o de ruptura de tens o reversa da jun o PN onde grandes varia es de corrente produzem pequenas varia es de tens es permitindo desta forma que se construa um regulador de tens o DIODO EMISSOR DE LUZ LED O LED Light Emitting Diode um diodo semicondutor jun o P N que quando energizado emite luz vis vel A luz produzida pelas intera es energ ticas do el tron atrav s de um processo chamado eletroluminesc ncia A recombina o de lacuna e el tron exige que a 78 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais energia possu da pelo el tron que at ent o era livre seja liberada o que ocorre na forma de calor ou f tons de luz No sil cio e no germ nio elementos b sicos dos diodos e transistores entre outros componentes eletr nicos a maior parte da energia liberada na forma de calor sendo insignificante a luz emitida devido a opacidade do material e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor dissipadores para ajudar na manuten o dessa temperatura em um patamar toler vel J em outros materiais como o arsenieto de g lio GaAs ou o fosfeto de g lio GaP o n mero de f tons de luz emitido suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes Em geral os LEDS operam com n vel de tens o de 1 6 a 3 3V sendo compat veis com os circuitos de estado s lido interessante notar que a tens o dependente do compr
105. ia de que feito um dado material massa densidade 9 volume Ci ncia e Tecnologia dos Materiais No Sistema Internacional de Unidades a densidade exprime se em kg m kg m Contudo no laborat rio usual exprimir a densidade em g cm g em A determina o da densidade de uma subst ncia passa pois pela determina o pr via da massa e do volume de uma amostra dessa subst ncia calculando se em seguida o valor do quociente respectivo Densidade caracter stica de algumas subst ncias a 4 C Densidade g cm Naftaleno Dm comum encontrarmos o termo massa espec fica u em lugar de densidade p Usa se densidade para representar a raz o entre a massa e o volume de objetos s lidos ocos ou maci os e massa espec fica para l quidos e subst ncias 1 3 2 Estado F sico a Estado s lido quando os tomos das mol culas constituintes da mat ria est o em um estado de agita o baixo podendo ser concentrados mais tomos em um mesmo espa o f sico A sua forma e volume s o fixos Em aplica es eletrot cnicas s o usados como condutores na fabrica o de fios cabos e barramentos cobre alum nio e ligas met licas diel tricos em capacitores mica cer micas e pl sticos isoladores porcelana vidro e borracha estrutura de suporte e n cleos magn ticos ferro e suas ligas entre outros b Estado l quido o corpo mant m a quantidade de mat ria e ap
106. ial entre as placas A propriedade que estes dispositivos t m de armazenar energia el trica sob a forma de um campo eletrost tico chamada de capacit ncia C e medida pelo quociente da quantidade de carga Q armazenada pela diferen a de potencial U que existe entre as placas A unidade de capacidade eletrost tica no Sl o Farad F FATORES QUE AFETAM A CAPACIT NCIA Dimens es Material er Quanto maior a placa maior a v cuo capacit ncia ar 1 0006 alum nio 8 1 9 5 esteatita MgO S102 5 5 7 2 Afastamento ER TET Quanto mais distante a placa menor a capacit ncia leo 4 papel 4 6 papel parafinado 2 5 Material pl stico 3 Dependendo dos materiais utilizados polistireno 2 5 2 6 a capacit ncia pode ser maior ou porcelana 6 0 menor Isto se d em fun o da pyrex 51 constante diel trica e do material sa T utilizado como isolante Na tabela ao 1792 fundida i lado pode se perceber a varia o Titanatos 50 10000 desta grandeza para cada material vidro de cal de soda 6 9 ENERGIA ARMAZENADA Q carga O gr fico ao lado representa a carga el trica Q de um capacitor em fun o da ddp U nos seus terminais U ddp Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Como neste caso Q e U s o grandezas diretamente proporcionais o gr fico corresponde a uma fun o linear pois a capacidade eletrost tica C constante Considerando que o capacitor tenha adquirido a c
107. icondutor tipo N Nota se que o material continua eletricamente neutro pois os tomos t m o mesmo n mero de pr tons e el trons Apenas a distribui o de cargas muda de forma a permitir a condu o Agora imagine a situa o inversa conforme ilustrado abaixo uma impureza com 3 el trons de val ncia alum nio por exemplo adicionada Sa Sab Sab o o Jo F San Si PR Da Da VR e o o i PA AR Alguns tomos de sil cio ir o transferir um el tron de val ncia para completar a falta no tomo da impureza criando um buraco lacuna positivamente carregado no n vel de val ncia e o cristal ser um semicondutor tipo P devido carga positiva dos portadores buracos O processo de introduzir tomos de impurezas num cristal de sil cio de modo a aumentar tanto o n mero de el trons livres quanto de lacunas chama se dopagem Quando um cristal de sil cio foi dopado ele passa a ser chamado de semicondutor extrinseco fa 1a E nE 4 7 Aplica es 4 7 1 Diodo Semicondutor A uni o f sica de um semicondutor tipo P com um semicondutor tipo N forma uma jun o PN mostrada na figura ao lado Esta jun o PN recebe o nome de diodo semicondutor Um diodo composto por uma se o de material tipo N ligado a uma se o de material tipo P com eletrodos em cada extremidade Essa combina o conduz eletricidade apenas em um sentido 75 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Na forma o da
108. ida o a temperaturas superiores a 5000C sendo mais sens vel a o de enxofre e de sais Quando imerso de uma solu o salina se recobre com uma camada de xido que o protege contra outros ataques O cromo por isso usado para proteger outros metais que oxidam com maior facilidade Aliando sua baixa oxida o elevada estabilidade t rmica e alta resistividade el trica resulta ampla utiliza o do cromo na fabrica o de fios resistivos em forma pura ou como liga 2 3 13 Tungst nio W O tungst nio obtido por um processamento quimicamente complexo na forma de p e comprimido em barras a press es de 2000 atm Por ser um metal com temperaturas limite muito elevadas todo seu processo de manufatura e obten o de produtos el tricos extremamente dif cil e de custo elevado A pr pria compacta o dos gr os do p complexa resultando pequena ader ncia entre cristais e assim pe as quebradi as 35 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Modificando se por m a disposi o cristalina atrav s de um processo especial fazendo com que passem a uma disposi o linear podem ser fabricados fios ou filamentos cuja resist ncia tra o se eleva com redu o do di metro de 5 a 7 vezes Uma vez que o tungst nio n o permite corte usinagens ou fura o convencionais devido a sua dureza e ao fato j mencionado de ser quebradi o o m todo indicado usado para fabricar os filamentos de l mpada
109. ilha no material A penetra o desta bilha que uma esfera de a o duro ou de carbeto de tungst nio feita mediante uma for a padronizada A escala Rockwell de dureza outra das mais comuns escalas de dureza usadas em engenharia est relacionada ao BNH mas medida pela produndidade de penetra o de uma pequena bilha padronizada Muitas escalas Rocwell foram estabelecidas para materiais com diferentes faixas de dureza estas escalas diferem entre si nas dimens es da bilha e na carga de penetra o A tenacidade uma medida de energia de deforma o a energia total necess ria para provocar a fratura do corpo de prova Pode ser representada pela rea sob a curva tens o deforma o Existem ainda outras propriedades como resist ncia fadiga ao choque flu ncia etc As propriedades mec nicas dos materiais s o levantadas atrav s de cuidadosos testes de laborat rio sendo imperativo que haja consist ncia na forma como os testes s o conduzidos e os resultados interpretados Estes requisitos s o atendidos atrav s do uso das normas t cnicas apropriadas No caso de aplica es pr ticas sempre importante lembrar a natureza das for as a serem aplicadas e sua dura o al m da temperatura ambiente 1 7 Propriedades T rmicas Inicialmente importante distinguir claramente a diferen a entre calor e temperatura Temperatura um n vel de atividade t rmica medida em graus Celsius ou Fahrenheit enquant
110. imento da onda emitida Assim os LEDS infravermelhos geralmente funcionam com menos de 1 5Y os vermelhos com 1 7V os amarelos com 1 7V ou 2 0V os verdes entre 2 0V e 3 0V enquanto os LEDS azuis violeta e ultravioleta geralmente precisam de mais de 3V A pot ncia necess ria est na faixa t pica de 10 a 150 mW com um tempo de vida til de 100 000 horas ou mais Enquanto todos os diodos liberam luz a maioria n o o faz muito eficientemente Em um diodo comum o pr prio material semicondutor termina absorvendo parte da energia da luz Os LEDs s o Esse E diodo emissor fabricados especialmente para liberar um grande ERM n mero de f tons para fora Al m disso eles s o montados em bulbos de pl sticos que concentram a luz em uma dire o espec fica Como pode ser visto na figura ao lado a maior parte da luz do diodo ricocheteia PA pelas laterais do bulbo viajando na dire o da ponta 7A n Feines ch huz redonda s aa Os LEDs t m muitas vantagens sobre l mpadas incandescentes convencionais Uma delas que eles Estojo de plastico n o t m um filamento que se queime e ent o durar o A transparente muito mais tempo Al m disso seus pequenos bulbos de pl stico os tornam muito mais dur veis Eles E Pinos Terminais tamb m cabem mais facilmente nos modernos circuitos eletr nicos OLEDS Organic Light Emitting Diode ou Diodo Org nico Emissor de Luz Uma tecnologia um pouco mais recente come a
111. ito PNP NPN C E C E Jun o PN Jun o PN Jun o PN Jun o PN base emissor base colector base emissor base colector c Simbologia c E E A figura seguinte apresenta o transistor de jun o bipolar NPN adequadamente polarizado e constru do segundo alguns crit rios tendo a fun o de amplificador onde e jun o base emissor polarizada diretamente pela fonte Vpe jun o base coletor polarizada inversamente pela fonte Vce e Vce significativamente maior que Vbe Exemplo 6V e 1V 82 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Ic a cal la Coletor Base VTE Emissor 3 do simini FME bi E A base fisicamente delgada e tem uma concentra o de impurezas menor que os semicondutores N do emissor e coletor Nessa forma o fluxo de el trons vindo do emissor tem pouca probabilidade de combina o com os buracos na jun o da base para formar lp e a maior parte rompe a polariza o inversa da jun o base coletor devido ao campo el trico maior de Vee Portanto a polariza o base emissor atua como um acelerador do fluxo e controla a corrente le fazendo o efeito da amplifica o Pelo circuito pode se concluir que Ie Ip Ie Em componentes reais lp pode ser 5 ou menos de le e lco pode ser 95 ou mais de le ou seja a amplifica o consider vel Na parte esquerda superior da figura mostrado o s mbolo normalmente usado para esse componente Um
112. iver submetida a uma tens o U ela ser atravessada por uma corrente sendo o quociente entre U e designado por resist ncia de isolamento A resist ncia de isolamento n o constante isto os isolantes n o obedecem de uma forma geral lei de Ohm No caso do comportamento dos gases j vimos que s para valores baixos de tens o estes obedecem quela lei No caso dos diel tricos s lidos a curva de varia o da corrente com a tens o j tem um aspecto diferente sendo de uma forma geral do tipo da apresentada na figura abaixo A primeira parte da curva corresponde aproximadamente a I uma proporcionalidade entre a intensidade de corrente e a tens o a partir de um determinado valor de tens o o crescimento de corrente acentua se e ao atingir se um valor UM da tens o a corrente cresce rapidamente mesmo que se fa a descer o valor de tens o IM T Esta ltima parte da curva corresponde perfura o do isolamento ou pelo menos antecede a de um pequeno intervalo de tempo pois a liberta o de calor engrandecida pelo aumento da corrente vai rapidamente provocar a perfura o 3 4 2 Resist ncia Superficial No caso dos isolantes s lidos de grande resistividade a resist ncia atrav s da sua massa tamb m elevada sendo muito pequena a corrente que os atravessa Contudo pela acumula o de poeira e umidade na superf cie das pe as isoladoras se forma um novo caminho para a passagem da corrente el trica o qua
113. jun o PN ocorre o processo de recombina o no qual os el trons do lado N mais pr ximos da jun o migram para o lado P Este processo ocorre at que haja o equilibrio eletr nico e a estabilidade quimica ou seja 4 liga es covalentes em cada tomo Durante o processo de recombina o forma se pr ximo jun o a camada de deple o Ao final deste processo a camada de deple o fica ionizada formando a barreira de potencial Vy ou zona vazia Isto ocorre quando nenhuma diferen a de potencial aplicada ao diodo ou seja os el trons do material tipo N preenchem os buracos do material tipo P ao longo da jun o entre as camadas Em uma zona vazia o material semicondutor volta ao seu estado isolante original todos os buracos est o preenchidos de modo que n o haja el trons livres ou espa os vazios para el trons e assim a carga n o pode fluir Buracos El trons Na jun o el trons livres do material tipo N preenchem buracos do material tipo P Isto cria uma camada isolante no meio do diodo chamada de zona vazia Para se livrar da Zona vazia necess rio que os el trons se movam da rea tipo N para a rea tipo P e que buracos se movam no sentido inverso Para fazer isto conecta se o lado tipo N do diodo ao terminal negativo do circuito e o lado tipo P ao terminal positivo Desta forma os el trons livres no material tipo N s o repelidos pelo eletrodo negativo e atra dos para o eletrodo positivo O
114. l trons migram da armadura para a pilha J a armadura B que tamb m tem potencial el trico nulo est conectada ao terminal negativo da pilha e assim el trons migram do terminal da pilha para a armadura B Acontece que enquanto a armadura A est perdendo el trons ela est se eletrizando positivamente e seu potencial el trico est aumentando O mesmo ocorre na armadura B s que ao contr rio ou seja B est ganhando el trons eletrizando se negativamente e seu potencial el trico est diminuindo Este processo cessa ao equilibrarem se os potenciais el tricos das armaduras com os potenciais el tricos dos terminais do gerador pilha ou seja quando a diferen a de potencial el trico ddp entre as armaduras do capacitor for igual ddp nos terminais da pilha dizemos que o capacitor est carregado com carga el trica m xima Num circuito s h corrente el trica no ramo que cont m o capacitor enquanto este estiver em carga ou em descarga 61 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Os capacitores s o constitu dos por uma composi o de eletrodos armaduras ou placas e diel tricos Eletrodos Diel trico CAPACIT NCIA O capacitor tem in meras aplica es na el trica e na eletr nica podendo servir para armazenar energia el trica carregando se e descarregando se muitas vezes por segundo A quantidade de carga armazenada na placa de um capacitor diretamente proporcional diferen a de potenc
115. l se diz ser a resist ncia superficial Isto acontece especialmente nas pe as isoladoras expostas ao tempo como por exemplo os isoladores de linhas de transmiss o a reas resist ncia do novo circuito dado o nome de resist ncia superficial e neste caso a resist ncia de isolamento dos dois circuitos em paralelo superficial e de massa 68 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 3 4 3 Rigidez Diel trica Para poder exprimir numericamente a capacidade de um determinado material isolante suportar tens es elevadas define se uma grandeza a que se d o nome de rigidez diel trica e que definida como sendo o valor do campo el trico para o qual se d a ruptura do isolante Esta grandeza depende de muitos fatores tas como a espessura do isolante as dimens es e forma dos eletrodos utilizados para a aplica o da tens o a frequ ncia da tens o aplicada o n mero de aplica es de tens o na unidade do tempo fadiga do material a temperatura grau de umidade etc Como dif cil conhecer o valor do campo no momento da ruptura por n o ser normalmente uniforme costume definir se a rigidez diel trica RD simplesmente pelo quociente da tens o aplicada no momento da ruptura pela espessura do isolamento 3 4 4 Rigidez Diel trica Superficial No caso dos isolantes s lidos pode acontecer que o arco disruptivo em vez de atravessar a sua massa salte pela sua superf cie Ao quociente da tens o pela dist ncia en
116. m apenas 3 el trons para este subn vel A camada N neste caso formada pelos subn veis s e p soma um total de 5 el trons Quando completa esta camada N comporta at 32 el trons pois formada pelos subn veis s p d e f 5 A 4 Camada de Val ncia 4 2 Val ncia N cleo td o t Utilizando se o mesmo exemplo dado Poo j anteriormente percebe se o n vel mais externo do tomo ge el trons Ci ncia e Tecnologia dos Materiais de ars nio a camada N com apenas 3 el trons Este n vel denominado n vel de val ncia e os el trons presentes nele s o os el trons de val ncia O n mero de el trons de val ncia um fator importante do elemento Ele define a capacidade do tomo de ganhar ou perder el trons e de se combinar com outros elementos Muitas das propriedades qu micas e el tricas dependem da val ncia 4 3 Bandas de Energia Quando os tomos n o est o isolados mas juntos em um material s lido as for as de intera o entre eles s o significativas Isso provoca uma altera o nos n veis de energia acima da val ncia Podem existir n veis de energia n o permitidos logo acima da val ncia Para que um material conduza eletricidade necess rio que os el trons de val ncia sob a o de um potencial el trico aplicado saltem do n vel de val ncia para um n vel ou banda de condu o Conforme a figura ao lado em um material condutor quase n o existem n veis ou hadam C
117. m tamb m for as secund rias que ligam mol culas umas s outras Estas liga es s o fracas em rela o s outras Estas for as aparecem a partir dos dipolos at micos ou moleculares Os dipolos el tricos existem sempre que existir alguma assimetria entre as partes y positivas e negativas dos tomos e mol culas A liga o resulta da atra o coulombiana entre um p lo positivo e a regi o negativa do adjacente Apesar de uma mol cula de gua ser eletricamente neutra como um todo a distribui o de carga pela mol cula n o uniforme Esta for a pode ser atrativa em rela o a outros grupos similares por exemplo ons hidroxila OH em mol culas org nicas que atraem mol culas de gua Estas for as s o conhecidas como liga es de hidrog nio e existem em algumas mol culas que t m o hidrog nio como um dos seus constituintes Outro Exemplo de liga es secund rias s o as for as de Van der Waals for as devido a polariza o das mol culas 1 3 Propriedades Fisicas 1 3 1 Massa volume e densidade p A densidade p corresponde rela o massa volume de uma amostra de um material Embora a massa e o volume sejam propriedades extensivas a raz o dos seus valores constante para um determinado material para um certo valor de temperatura A densidade portanto uma propriedade caracter stica de uma subst ncia sendo usada como indicativo do grau de pureza da subst nc
118. ma l mina ferro invar com L 30 mm s 0 5 mm e para AO 1 C resulta h 0 04 mm As dimens es das l minas bimet licas dependem das caracter sticas de robustez de sensibilidade e de rapidez requeridas para as suas diversas aplica es a espessura geralmente compreendida entre 0 05 a 5 mm Nos dispositivos com l mina bimet lica uma extremidade da l mina mantida fixa e usado o deslocamento da extremidade livre para efetuar alguma a o Tal deslocamento eventualmente ampliado pode ser transmitido a um indicador m vel sobre uma escala graduada o dispositivo uma vez calibrado constitui um term metro bimet lico muito comum em tampas de fornos dos fog es a g s Mais frequente o uso de l minas bimet licas em aparelhos que efetuam automaticamente a abertura e o fechamento de um circuito el trico onde a comuta o pode ocorrer para valores pr estabelecidos de temperatura Eis uma ilustra o did tica para um alarme contra inc ndio 49 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Aplica es t picas e muito difundidas s o constitu das pelos interruptores de pulsa o autom tica intermitentes nos quais o ligar e desligar de uma ou mais l mpadas s o comandados por uma l mina bimet lica aquecida por um resistor de resist ncia R em s rie com a l mpada Os termo reguladores ou termostatos e os interruptores autom ticos de sobrecarga funcionam sob este princ pio b sico das l minas bimet licas
119. mbiana Essa perturba o um f non que sai de algum modo na rasteira do el tron como uma turbul ncia que segue um carro O f non gerado pela passagem de um el tron sendo uma onda de tomos positivos deslocados pode capturar outro el tron que esteja por perto Isso forma o par de Cooper dois el trons ligados atrav s de um f non da rede O f non formado de cargas positivas deslocadas permite que os el trons que normalmente se repelem viajem em conjunto pelo s lido Em temperatura alta a agita o t rmica t o forte que um par de Cooper n o consegue se manter vivo e logo se quebra Em baixas temperaturas no entanto as chances melhoram 54 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Em 1957 Cooper juntamente com John Bardeen Robert Schrieffer propuseram uma teoria a Teoria BCS das iniciais dos autores que explicava o fen meno da supercondutividade atrav s da an lise detalhada dos pares de Cooper Neles os el trons t m energia ligeiramente inferior energia dos el trons individuais Em termos t cnicos diz se que existe um gap de energia separando os el trons emparelhados dos el trons normais Quando um el tron em um condutor normal interage com os tomos da rede d se uma troca de energia Nesta intera o o el tron pode transferir energia para os tomos como uma bola de sinuca se chocando com outra e no processo os tomos s o excitados Esta vibra o nos tomos das redes provoca
120. menos sujeitos a avarias do que os demais Ss Moss ONCE EERREEhA se i Dm SNALTRONIC X x RR Ei Ewo Us Piccoli DEM Dae REL REL T RMICO REL AUXILIAR REL ELETR NICO ELETROMAGN TICO 109 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Os rel s podem ter diversas configura es quanto aos seus contatos podem ter contatos NA NF ou ambos neste caso com um contato comum ou central C Os contatos NA normalmente aberto s o os que est o abertos enquanto a bobina n o est energizada e que fecham quando a bobina recebe corrente Os NF normalmente fechado abrem se quando a bobina recebe corrente ao contr rio dos NA O contato central ou C o comum ou seja quando o contato NA fecha com o C que se estabelece a condu o e o contr rio com o NF principal vantagem dos Rel s em rela o aos SCR e os Triacs que o circuito de carga est completamente isolado do de controle podendo inclusive trabalhar com tens es diferentes entre controle e carga A desvantagem o fator do desgaste pois em todo o componente mec nico h uma vida til que muito superior nos tiristores por exemplo Os rel s t m uma grande diversidade de aplica es em v rias reas como no setor de energia automobil stico na ind stria automa es residenciais e comerciais Devem ser observadas as limita es dos rel s quanto a corrente e tens o m xima admitida entre os terminais Se n o forem o
121. metros resistivos s o particularmente usados perante pequena varia o de temperatura casos n o mais registrados por termoelementos Sua nica desvantagem de apresentarem uma certa dilata o o que dificulta a leitura de temperaturas em dado ponto Na faixa de 200 a 500 C a platina permite a leitura mais exata da temperatura do que outros metais 2 3 8 Merc rio Hg o nico metal l quido temperatura ambiente Aquecido oxida se rapidamente em contato com o ar usado em term metros resistivos para leituras entre O e 1000C bem como para chaves basculantes usadas conjuntamente com sistemas mec nicos sobretudo de rel gios em retificadores l mpadas vapor de merc rio Quase todos os metais com exce o do ferro e do tungst nio se dissolvem no merc rio Os vapores de merc rio s o venenosos Na rea dos retificadores seu uso caiu acentuadamente com a evolu o do retificador de sil cio 2 3 9 Zinco Zn um metal branco azulado que tem o maior coeficiente de dilata o entre os metais quebradi o temperatura ambiente estado que muda entre 100 1500C quando se torna mole e male vel o que permite sua redu o a finas chapas e fios Acima de 2000C volta a ser quebradi o podendo ser reduzido a p a 2500C 33 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais A resist ncia tra o varia entre limites amplos em fun o do processo usado na fabrica o das pe as O valor mais baixo se
122. minui o do campo na zona circunvizinha Desta forma ionizada a primeira camada que envolve os condutores a ioniza o n o prossegue nas camadas seguintes e o fen meno n o progride A ioniza o limita se como que a uma bainha volta dos condutores vis vel sob o aspecto de uma luz azulada e sens vel ao oz nio Esta situa o aquilo a que chamamos de efeito coroa ou corona 69 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Se a forma e a dist ncia dos condutores forem outras pode dar se o contr rio isto O campo ir mantendo nas camadas sucessivas valores suficientemente altos para provocarem a ioniza o at o ponto de se estabelecer um caminho de g s ou ar ionizado entre os condutores As cargas el tricas deixam de encontrar resist ncia e passam em grande quantidade de um condutor para o outro sob a forma de um arco a descarga el trica Es CAP TULO IV MATERIAIS SEMICONDUTORES Um dos triunfos das teorias cin tica e at mica sua capacidade de dar conta de quase todas as propriedades f sicas da mat ria explicando por exemplo por que alguns materiais s o bons condutores de calor enquanto outros n o o s o Existe uma classe intermedi ria de subst ncias chamadas semicondutores que possuem um n vel de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor Desta forma s o melhores condutores do que os isolantes de eletricidade mas n o t o bons condutores como o cobre Tais materiais se
123. mpos fora do n cleo chamados campos de dispers o s o muito importantes na determina o do acoplamento entre os enrolamentos Ao longo do circuito magn tico o fluxo magn tico amp dado em Wb cont nuo e definido como Bda Dentro do n cleo a indu o magn tica pode ser considerada uniforme atrav s da rea A da se o transversal de modo que o fluxo 4 B A Que pode ser escrita em termos da indu o magn tica no n cleo B 7 Ni Z eo KAS H A O termo Ni representado aqui por S chamado de for a magnetomotriz fmm Os coeficientes do segundo membro s o chamados de perme ncia P ou relut ncia R e s o definidos como l R T E P u A Logo a equa o da indu o magn tica reescrita como S R d Note que esta ltima equa o an loga a lei de Ohm E R Esta analogia com os circuitos el tricos nos permite representar o campo magn tico por um circuito magn tico equivalente e fazer a sua an lise como um circuito el trico com as refer ncias mostradas na tabela seguinte oo CIRCUITO EL TRICO CIRCUITO MAGN TICO Uma fonte de Elfem J SIR qo R AA RETIA O circuito equivalente mostrado abaixo representa o campo magn tico de uma bobina toroidal 104 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 5 4 1 Circuito Magn tico em Entreferro de Ar Como j comentado em transformadores e m quinas el tricas rotativas n o se pode desprezar o campo magn tico fora do n
124. nalidade entre a corrente e o campo Entre a e b d se como que uma satura o e o aumento da corrente insignificante Isto se explica pelo fato que a causa da ioniza o pode produzir apenas uns tantos ons na unidade de tempo e por unidade de volume do g s e uma vez que a corrente atinja um valor correspondente ao transporte de todos estes ons na unidade do tempo ela n o pode crescer mais qualquer que seja o crescimento do campo Para campos superiores a b d se como que uma liberta o e a corrente aumente livremente At aqui supusemos a corrente transportada pelos ons que v o sendo arrastados para os eletrodos animados de pequena energia cin tica incapaz de dissociar as mol culas com que v o chocando com grande frequ ncia pois estando o g s a uma press o normal grande a densidade de mol culas o que por sua vez n o permite o aumento da energia cin tica dos ons Assim a ioniza o n o aumenta e o g s permite apenas a passagem de uma corrente de intensidade relativamente baixa Se o campo el trico aumenta acima de determinado valor a energia cin tica dos ons consegue aumentar a ponto de o seu choque de encontro s mol culas poder dissoci las A ioniza o vai progredindo rapidamente at que as mol culas por dissociar se tornam escassas e o fluxo de ons e el trons deixa de encontrar resist ncia a descarga O valor de campo el trico para o qual se verifica a descarga depende tamb m da pr
125. ncia e Tecnologia dos Materiais metal que dificultam o deslocamento dos el trons e causam a resist ncia deveriam cessar no zero absoluto Nesse caso a resist ncia el trica cairia a zero gradualmente Kelvin previa que os pr prios el trons deveriam se congelar no zero absoluto Assim a resist ncia el trica na temperatura zero seria infinita Para resolver esse debate s medindo a resist ncia dos metais em baixissimas temperaturas No in cio do s c XX Kammergingh Onnes come ou ent o a medir a resistividade de metais em baix ssimas temperaturas De in cio o metal escolhido por ele foi o merc rio que tinha a vantagem de poder ser altamente purificado O resultado da experi ncia foi surpreendente Ao atingir 4 2 Kelvins 268 95 C a resist ncia el trica do fio de merc rio caiu subitamente a zero N o foi caindo gradualmente como pensava Onnes nem foi para infinito como queria Kelvin Como o pr prio Onnes disse o merc rio a 4 2 K entra em um novo estado o qual devido a suas propriedades el tricas pode ser chamado de estado de supercondutividade Este resultado foi apresentado por Onnes em um artigo publicado em uma revista cient fica holandesa em Maio de 1911 com o t tulo Sobre a varia o da resist ncia el trica de metais puros em temperaturas muito baixas O desaparecimento da resist ncia do merc rio Nos anos seguintes a supercondutividade foi verificada em v rios metais e ligas mas
126. ncia s o destinados primariamente transforma o da tens o e das correntes operando com altos valores de pot ncia de forma a elevar o valor da tens o e consequentemente reduzir o valor da corrente Este procedimento utilizado pois ao se reduzir os valores das correntes reduzem se as perdas por efeito Joule nos condutores O transformador constitu do de um n cleo de material ferromagn tico como a o a fim de produzir um caminho de baixa relut ncia para o fluxo gerado Geralmente o n cleo de a o dos transformadores laminado para reduzir a indu o de correntes parasitas ou de corrente de Foucault no pr prio n cleo j que essas correntes contribuem para o surgimento de perdas por aquecimento devido ao efeito Joule Tamb m se utilizam a o sil cio com o intuito de se diminuir as perdas por histerese Outra aplica o para os transformadores a sua utiliza o para o casamento de imped ncias que consiste em modificar o valor da imped ncia vista pelo lado prim rio do transformador geralmente os de baixa pot ncia H outros tipos de transformadores como os com n cleo de ferrite com grande aplica o na eletr nica 117 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais N cleg voltagem prim ria Espiras E Mp gt Espitas Ns voltagem secund ria Fluxo magn tico REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS V Schmidt Materiais el tricos condutores e semicondutores v 1
127. ndutores e tipol Estes supercondutores s o al m de condutores perfeitos diamagn ticos perfeitos fluxo magn tico nulo no interior ou seja neles o efeito Meissner total EFEITO MEISSNER descoberto em 1933 por W Meissner O a o N gi DE Em um condutor el trico comum el trons Ordinary Conductor 1 Superconductor FE desordenados e incoerentes permitem a 1 55 APAA penetra o de um campo magn tico externo Em um supercondutor o funcionamento coletivo coerente dos el trons espontaneamente exclui um campo magn tico externo e mant m sua condi o de impenetrabilidade A demonstra o cl ssica deste efeito ST consiste em fazer um m permanente flutuar sobre a superf cie de um supercondutor As linhas do campo magn tico s o impedidas de penetrarem no supercondutor e tomam uma forma semelhante a que teriam se houvesse outro im id ntico dentro do material supercondutor Desta forma o im sofre uma repuls o que compensa seu peso e o faz levitar sobre o supercondutor 56 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais e tipo Il h uma pequena penetra o das linhas de campo magn tico para dentro do material Estes costumam suportar correntes mais fortes do que os do tipo sem perder a condi o de supercondutor Suas temperaturas cr ticas s o mais elevadas logo s o mais promissores para poss veis aplica es As aplica es s o v rias como constru o de bobinas com fios
128. ns o na barra que depender da sua resist ncia hmica e de Vo Enquanto Ve for menor que essa tens o a jun o do ve emissor estar inversamente polarizada e portanto a corrente ser nula Se Ve aumenta de forma que a jun o fique diretamente B2 polarizada haver um fluxo de portadores entre o emissor e base Bj e a corrente aumenta mesmo que Ve diminua Isto d ao dispositivo uma caracter stica de resist ncia negativa conforme indicado no gr fico da figura ao lado Tudo se passa como se o bloco do tipo N fosse formado por duas simples resist ncias Rb2 e Rb1 em s rie tendo ligado no seu ponto Rb1 central um diodo terminal E ou Emissor Bi O terminal do emissor E est mais pr ximo da base 2 B2 circuito equivalente conforme o circuito equivalente apresentado ao lado Rbz Princ pio de Funcionamento O valor resistivo normal entre os terminais da base 2 e 1 relativamente alto tipicamente entre 4 KQ e 12 KO Assim se ligarmos o terminal B2 a um potencial positivo tipicamente entre 6 e 30 Volt e o terminal B1 ao negativo uma corrente muito pequena circular por Rb2 e Rb1 Ao mesmo tempo Rb2 e Rb1 formam um divisor de tens o em cujo ponto interm dio surge uma tens o menor por m proporcional aquela que foi aplicada a B2 Suponhamos que Rb2 e Rb1 t m valores iguais de 5 KO cada um Assim se aplicarmos com a polaridade indicada 10 Volt entre B2 e B1 o c todo do diodo
129. nuamente mas sim em pequenos intervalos discretos chamados quanta No mundo pr tico isso n o percept vel porque os valores s o muito pequenos mas os el trons s o part culas elementares e o seu comportamento bem definido por tais intervalos Assim a energia total que o el tron pode ter definida em valores discretos e portanto ele s pode ocupar determinadas rbitas ou n veis de energia Os n veis poss veis s o sete podendo ser representados pelos n meros 1 2 3 4 5 6 e 7 ou pelas letras K L M N O Pe Q Para os 113 elementos qu micos conhecidos segundo o princ pio de exclus o de Pauli o n mero m ximo de el trons em cada n vel 2 8 18 32 32 18 4 respectivamente conforme representado na figura seguinte 2 2n onde n o n mero do n vel Assim o n vel 1 poder possuir no m ximo 2 el trons o n vel 2 poder ter no m ximo 8 e assim sucessivamente regra geral na natureza a estabiliza o na menor energia poss vel Assim os n veis s o preenchidos na sequ ncia do menor para o maior e um n vel s poder conter el trons se o anterior estiver completo Em cada camada ou nivel de energia os el trons se distribuem em subcamadas ou subn veis representados pelas letras s p d f em ordem crescente de energia O n mero m ximo de el trons de cada subn vel tamb m foi determinado experimentalmente Subn vel Ss po jo d f N mero m ximo de el trons 2 6 10 mi O n
130. o muito pequena praticamente impercept vel mas quando o condutor enrolado de forma espiralada os pequenos campos gerados em cada parte do condutor se combinam formando um nico campo maior e de mesmo sentido No caso de uma bobina para determinar o sentido das linhas de fluxo magn tico utiliza se a regra da m o direita ao se fechar a m o direita sobre uma bobina os dedos fechados indicam o sentido do fluxo de corrente consequentemente o ded o indica o p lo norte do campo magn tico gerado A figura a seguir ilustra esta regra enrolamento de cobre Eletroim s s o utilizados em ind strias ve culos automotores dentre outras aplica es Nas industrias os eletroim s s o utilizados em rel s eletr nicos e contatores el tricos componentes muito comuns em automa o industrial m quinas e aparelhos eletroeletr nicos Possuem tamb m grande aplica o em sider rgicas para manipula o de produtos de ferro e a o Ve culos automotores utilizam eletroim s em pequenos motores e no alternador que utiliza o princ pio de gera o el trica atrav s do campo magn tico Monitores de computadores CRT s 108 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais mais antigos utilizam eletroim s para fazer corre es na imagem da tela com uma fun o chamada Desmagnetizar O eletroim a base do motor el trico e do transformador S o empregados em freios e embreagens eletromagn ticos e para levantar
131. o Contudo o primeiro transistor foi fabricado em germ nio O sil cio prefer vel essencialmente porque possibilita o funcionamento a temperaturas mais elevadas 175 C quando comparado com os 75 C dos transistores de germ nio e tamb m porque apresenta correntes de fuga menores O transistor permite a amplifica o e comuta o de sinais tendo substitu do as v lvulas termo i nicas na maior parte das aplica es O transistor de jun o bipolar um dos componentes mais importantes na Eletr nica um dispositivo com tr s terminais sendo poss vel usar a tens o entre dois dos terminais para 81 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais controlar o fluxo de corrente no terceiro terminal ou seja obter uma fonte control vel Este dispositivo formado por duas jun es PN em s rie podendo apresentar as configura es PNP e NPN Jun o Jun o Jun o Jun o oxlkaltitate BO mis fio dapada que DEmpruda E mr ra a Emicer e dipl wals depara eira barr Os transistores NPN s o os mais comuns basicamente porque a mobilidade dos el trons muito superior das lacunas isto os el trons movem se mais facilmente ao longo da estrutura cristalina o que traz vantagens significativas no processamento de sinais de alta frequ ncia E s o tamb m mais adequados produ o em massa No entanto deve se salientar que em v rias situa es muito util ter os dois tipos de transistores num circu
132. o aquecimento do material No entanto se dois el trons j estiverem ligados em um par de Cooper essa intera o com outros tomos da rede s ser poss vel se a energia trocada for igual ou maior que a energia do gap Quando a temperatura alta h muita disponibilidade de energia t rmica para isto e os pares de Cooper nem conseguem se formar ou quando se formam s o logo aniquilados No entanto baixando se a temperatura pode se chegar a um valor no qual a energia disponivel para trocas t rmicas menor que a energia do gap Assim alguns pares de Cooper n o s o aniquilados pela agita o t rmica Mesmo que os el trons de um par se choquem com tomos da rede n o haver troca de energia entre eles Em processos qu nticos como s o esses choques s pode haver troca de energia se o gap for vencido N o pode haver troca parcial de energia O choque se houver ser el stico sem perda de energia pelos el trons A temperatura cr tica TC do material uma medida do tamanho do gap de energia Em um supercondutor t pico como o merc rio utilizado nas pesquisas por exemplo a energia do gap bem pequena da ordem de 0 01 eletron volt Por isso as temperaturas cr ticas desses supercondutores s o t o baixas Nos anos seguintes descoberta da supercondutividade por Onnes muitos materiais supercondutores foram encontrados quase todos met licos No entanto todos tinham temperaturas cr
133. o metais como o carv o carbono e grafite Os metais s o elementos qu micos que formam s lidos opacos lustrosos bons condutores de eletricidade e de calor e quando polidos bons refletores de luz A maioria dos metais forte ductil male vel e em geral de alta densidade Vejamos alguns dos metais mais utilizados na rea de Engenharia El trica 2 3 1 Cobre e suas Ligas O cobre apresenta as vantagens a seguir que lhe garantem posi o de destaque entre os metais condutores e Pequena resistividade Somente a prata tem valor inferior por m o seu elevado pre o n o permite seu uso em quantidades grandes e Caracter sticas mec nicas favor veis 26 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais e Baixa oxida o para a maioria das aplica es O cobre oxida bem mais lentamente perante elevada umidade que diversos outros metais esta oxida o entretanto bastante r pida quando o metal sofre eleva o de temperatura e F cil deforma o a frio e a quente relativamente f cil reduzir a se o transversal do cobre mesmo para fios com fra es de mil metros de di metro O cobre tem cor avermelhada caracter stica o que o distingue de outros metais que com exce o do ouro s o geralmente cinzentos com diversas tonalidades O valor da condutividade informa sobre o grau de pureza do cobre A m xima pureza encontrada no cobre obtido em ambiente sem oxig nio quando se aproxima da condutividade do cobre el
134. o que calor a energia t rmica expresso em calorias ou Btu As condi es t rmicas nas vizinhan as de um material afetam no de diversas formas sendo os efeitos mais importantes aqueles que produzem altera es nas microestruturas e portanto nas propriedades dos materiais Estas altera es em propriedades s o por exemplo utilizadas para se obter determinadas caracter sticas ap s tratamentos t rmicos a serem discutidos em t pico futuro As propriedades t rmicas mais importantes s o o calor espec fico a resist ncia ao calor a resist ncia ao frio a condutividade t rmica e a dilata o Calor espec fico m dio Cm de um corpo entre dois limites de temperatura O e 0 a rela o entre a quantidade de calor necess rio Q para elevar a unidade de massa do corpo da temperatura 0 a 01 e a eleva o de temperatura 0 Oo OU seja Cm Q 01 Oo 16 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais A resist ncia ao calor ao frio a capacidade dos materiais e pe as suportarem sem prejuizo de suas propriedades manuten o por per odos curtos ou longos de altas baixas temperaturas O efeito da temperatura nas propriedades dos materiais ser visto com mais detalhes nos cap tulos sobre materiais condutores e isolantes Se chama de condutividade t rmica a propaga o do calor atrav s dos corpos e tem lugar quando todos os pontos destes n o est o a mesma temperatura O calor se propaga de mol cula a mol cula des
135. o termistor possibilita a obten o da varia o de uma grandeza el trica em fun o da temperatura em que este se encontra A combina o de sensibilidade estabilidade e precis o faz do termistor a melhor rela o custo x benef cio dentre todas as tecnologias para medi o de temperatura aplicado em ar condicionado cafeteiras termostatos eletr nicos refrigeradores e freezers fornos autoclave m quinas de fast food desumidificadores fritadeiras g ndolas t rmicas aquecedores de hidromassagem chuveiros equipamentos m dicos equipamentos terap uticos odontol gicos expositores chocadeiras filtro de gua gerenciamentos de energia ar condicionado automotivo encubadeiras 4 7 6 Fotocondutores O fotocondutor essencialmente um componente semicondutor sens vel radia o sendo a sua condutividade vari vel com r Sinal a incid ncia de luz 2 g O esquema de opera o de um g Af Fd miaii fotocondutor pode ser visto na figura ao lado Radia o Incidente hr Um f ton de energia hv maior que o gap de energia da banda absorvido para produzir um par el tron lacuna alterando consequentemente a e E condutividade el trica do semicondutor F Quase sempre a mudan a na condutividade medida por meio de eletrodos fixados no semicondutor Contato hmico eletrodo Utilizam geralmente uma jun o PN composta por dois semicondutores que s o escolhidos em fun o das caracter sticas que o detecto
136. obrecorrente ocorre quando o equipamento ou sistema el trico passa a requerer por alguma raz o uma corrente maior que a especifica o normal evento que pode ocorrer por tempo prolongado Curto circuito define se como a especial e elevada corrente cuja dura o inferior ao segundo originada em decorr ncia de um defeito na instala o circuito ou equipamento Consiste de um filamento ou l mina de um metal ou liga met lica de baixo ponto de fus o que se intercala em um ponto determinado de uma instala o el trica para que se funda por efeito Joule quando a intensidade de corrente el trica superar devido a um curto circuito ou sobrecarga um determinado valor que poderia danificar a integridade dos condutores com o risco de inc ndio ou destrui o de outros elementos do circuito Fus veis e outros dispositivos de prote o contra sobrecorrente s o uma parte essencial de um sistema de distribui o de energia para prevenir inc ndios ou danos a outros elementos do circuito 45 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais S o dimensionados para suportar continuamente a corrente m xima do circuito ou aparelho protegido Janela Fio met lico Porcelana para fus o Metal condutor isolamento Contato O funcionamento do fus vel baseia se no princ pio segundo o qual uma corrente que passa por um condutor gera calor proporcional ao quadrado de sua intensidade Quando a corrente atinge a intensidade m xima toler
137. onhecido como toner ou tonalizador tinta em p que atra do pelas cargas que formam a imagem 4 Transfere se o toner para o papel atr v s de cargas el tricas e fixa se o mesmo atrav s de um processo que envolve calor e press o Atualmente no processo digital a imagem latente formada no cilindro atrav s de raios laser ou diodos emissores de luz LEDs semelhante s impressoras laser 4 7 9 C lulas Fotovoltaicas As C lulas Fotovoltaicas s o muito usadas em resid ncias rurais distantes de linhas de distribui o pequenas calculadoras rel gios de pulso e aparelhos que precisam de pouca energia A c lula fotovoltaica constru da de sil cio ao qual s o adicionadas subst ncias ditas dopantes de modo a criar um meio adequado ao estabelecimento do efeito fotovoltaico isto convers o direta da pot ncia associada radia o solar em pot ncia el trica em corrente cont nua DC ou CC Composi o e funcionamento de uma c lula fotovoltaica cristalina 1 eletrodo negativo 90 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 2 eletrodo positivo 3 camada tipo N 4 camada tipo P 5 camada de limite deple o regido de deple o LUZ Quando os el trons e lacunas atingem a jun o PN eles s o separados pelo campo interno da regi o de deple o O elemento fotovoltaico for a a corrente a fluir no circuito externo portanto a energia luminosa convertida em energia el
138. ontatores para motores e contatores auxiliares Os contatores para motores t m as seguintes caracter sticas Dois tipos de contatos com capacidade de carga diferentes principal e auxiliares Maior robustez de constru o Possibilidade de receber rel s de prote o Exist ncia de c mara de extin o de arco voltaico Varia o de pot ncia da bobina do eletroim de acordo com o tipo do contator Tamanho f sico de acordo com a pot ncia a ser comandada e Possibilidade de ter a bobina do eletroim secund rio Os contatores auxiliares s o utilizados para aumentar o n mero de contatos auxiliares dos contatores de motores para comandar contatores de elevado consumo e para sinaliza o Possuem as seguintes caracter sticas Tamanho f sico vari vel conforme o n mero de contatos Pot ncia da bobina do eletroim praticamente constante Corrente nominal de carga m xima de 10 A para todos os contatos Aus ncia de necessidade de rel de prote o e de c mara de extin o 5 3 4 Disjuntores Termo magn ticos Os disjuntores termo magn ticos utilizam de dois dispositivos de prote o o primeiro para sobrecarga que emprega a tecnologia dos bimetais visto no cap tulo Il e o segundo para prote o contra curtos circuitos atrav s da tecnologia dos circuitos magn ticos As figuras a seguir ilustram passo a passo este processo 111 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais RMNTIACAR so po os constiinta DISPOS
139. op e a varia o do fluxo magn tico original Este fen meno conhecido como lei de Lenz A lei de Lenz a garantia de que a energia do sistema se conserva Isto significa que a dire o da corrente induzida tem que ser tal que se oponha as mudan as ocorridas no sistema Caso contr rio a lei de conserva o de energia seria violada Existem v rios modos de se obterer correntes induzidas em um circuito os quais s o enumeradas a seguir e O circuito pode ser r gido e no entanto pode mover se como um todo em rela o a um campo magn tico de modo que o fluxo magn tico atrav s da rea do circuito varia no decorrer do tempo e Sendo o campo B estacion rio o circuito pode ser deform vel de tal modo que o fluxo de B atrav s do circuito varie no tempo 102 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais e O circuito pode ser estacion rio e indeform vel mas o campo magn tico B dirigido para a superf cie vari vel no tempo Em resumo em todos os tr s casos verifica se que o ponto chave da quest o est na varia o do fluxo magn tico com o tempo Isto se dD dt diferente de zero ent o uma corrente el trica ser induzida no circuito Estes resultados experimentais s o conhecidos como lei de Faraday a qual pode ser enunciada da seguinte forma A for a eletromotriz induzida fem em um circuito fechado determinada pela taxa de varia o do fluxo magn tico que atravessa o circuito A Lei de Faraday garante a
140. os absorvem s uma determinada gama de comprimentos de onda refletindo o resto o que vai definir a cor da superf cie que observamos 21 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 1 10 Bandas de Energia Quando os tomos n o est o isolados mas juntos em um material s lido as for as de intera o entre eles s o significativas Isso provoca uma altera o nos n veis de energia acima da val ncia Podem existir n veis de energia n o permitidos logo acima da val ncia Fornos a arco Isolante Condutor Semicondutor submerso na Condu o Condu o Condu o Val ncia Val ncia Para que um material conduza eletricidade necess rio que os el trons de val ncia sob a o de um potencial el trico aplicado saltem do n vel de val ncia para um n vel ou banda de condu o Conforme figura acima em um material condutor quase n o existem n veis ou banda de energia proibidos entre a condu o e a val ncia e portanto a corrente flui facilmente sob a a o do campo el trico Um material isolante apresenta uma banda proibida de grande extens o entre a val ncia e condu o Por isso dificilmente h condu o da corrente Os semicondutores possuem bandas proibidas com larguras intermedi rias Isso significa que podem apresentar alguma condu o melhor que a dos isolantes mas pior que a dos condutores Val ncia 1 11 Classifica o dos Materiais El tricos Os materiais el tri
141. outro A zona vazia se torna maior 11 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais A ilustra o a seguir apresenta o simbolo el trico do diodo semicondutor e o componente eletr nico propriamente dito No lado P do diodo semicondutor conecta se um terminal que recebe o nome de nodo A J no lado N o terminal denominado de c todo K No s mbolo el trico do diodo semicondutor o lado que tem o tra o transversal corresponde ao c todo Logo o outro lado o nodo TequI S Jun o PN py gt q Simbolo Componente El trico Eletr nico No componente eletr nico o lado que cont m o anel cinza ou prateado o c todo Consequentemente o outro lado o nodo Os diodos s o projetados para assumir diferentes caracter sticas diodos retificadores s o capazes de conduzir altas correntes el tricas em baixa frequ ncia diodos de sinal caracterizam se por retificar sinais de alta frequ ncia diodos de chaveamento s o indicados na condu o de altas correntes em circuitos chaveados Dependendo das caracter sticas dos materiais e dopagem dos semicondutores h uma gama de dispositivos eletr nicos variantes do diodo Anii p Lo AEE Cilhii ArH Cilh ArH Cahid Diodo Diodo Diodo Diodo zener Schottky tunel Ansi FA Calha Anma H cathoda Ajurit Cuthoda aroda Cathoca p pe D Diodo emissor l Fotodiodo Varicap SCR de luz DIODO ZENER Diodo Zener um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar na re
142. pequeno t o pequeno quanto era com a bobina com n cleo de ar dependendo apenas do valor da corrente A partir do ponto de satura o a linha do gr fico fica ent o paralela linha correspondente bobina com n cleo de ar 5 2 11 La o de Histerese Quando o campo magn tico aplicado em um material for aumentado at a satura o e em seguida for diminu do a densidade de fluxo B n o diminui t o rapidamente quanto o campo H Desta forma quando H chega a zero ainda existe uma densidade de fluxo remanescente Br Para que B chegue a Zero necess rio aplicar um campo negativo chamado de for a coercitiva 100 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Se H continuar aumentando no sentido negativo o material magnetizado com polaridade oposta Desse modo a magnetiza o inicialmente ser f cil at quando se aproxima da satura o passando a ser dif cil A redu o do campo novamente a zero deixa uma densidade de fluxo remanescente Br e para reduzir B a zero deve se aplicar uma for a coercitiva no sentido positivo Aumentando se mais ainda o campo o material fica novamente saturado com a polaridade inicial Este fen meno que causa o atraso entre densidade de fluxo e campo magn tico chamado de histerese magn tica que tanto maior quanto mais forte for a oposi o apresentada pelo material ferromagn tico O ciclo tra ado pela curva de magnetiza o chamado de ciclo ou la o de histerese Uma
143. podem ser soldados a outros de cobre sem problemas Nas l mpadas incandescentes fios de n quel s o usados como alimentadores do filamento de tungst nio W devido ao seu comportamento t rmico O seu elevado coeficiente de temperatura o recomenda para term metros resistivos Encontramos seu uso nos acumuladores de Ni Cd e nas ligas de Ag Ni para contatos el tricos Ali s todas as ligas de n quel se identificam por serem resistentes mecanicamente e contra a corros o e por suportarem bem o calor Sua presen a em ligas Ni Cu j altera a cor t pica do cobre tornando se praticamente igual prata com 40 de Ni A condutividade el trica do cobre cai rapidamente na presen a do n quel chegando ao seu valor m nimo a 50 de Ni Assim ligas de n quel s o adequadas na fabrica o de resistores a exemplo do Konstantan Monel e outros A liga Ni Cr ou nicrom eventualmente com pequenos acr scimos de ferro mangan s suporta bem em particular o calor reduzindo a possibilidade de oxida o do n quel sobretudo acima dos 9000C Outro setor onde o n quel usado o dos termoelementos em substitui o ao par platina platina s dio para temperaturas at 12000C Combinado com o ferro leva a liga magn ticas apropriadas 2 3 12 Cromo Cr um metal de brilho prateado azulado extremamente duro O cromo n o se modifica em contato com ar e permite bom polimento Possui elevado coeficiente de reflex o 65 Somente sofre ox
144. r dever possuir O fotocondutor ent o um outro resistor tipo NTC e um transdutor do tipo que converte energia luminosa na forma de energia el trica O exemplo de fotocondutor o LDR Light Dependent Resistor Este possui a interessante caracter stica de ser um componente eletr nico cuja resist ncia el trica diminui quando sobre ele incide energia luminosa Isto possibilita a utiliza o deste componente para desenvolver um sensor que ativado ou desativado quando sobre ele incidir energia luminosa composto de um material semicondutor o sulfeto de c dmio CdS ou o sulfeto de chumbo O processo de constru o de um LDR consiste na conex o do material fotossens vel com os terminais sendo que uma fina camada simplesmente exposta incid ncia luminosa externa Com o LDR pode se fazer o controle autom tico de porta alarme contra ladr o controle de ilumina o em um recinto contagem industrial controle de ilumina o p blica todos estes fotocontrolados para a opera o de um rel Dispositivos fotocondutores comerciais s o chamados de c lulas fotocondutivas S o utilizados para medir a quantidade de ilumina o como um medidor de luz para registrar uma modula o de intensidade luminosa e como um rel de luz liga desliga como um circuito digital ou de controle neste caso pode ser chamado de Rel fotoc lula capaz de lt perceber a luz do sol assim identificando se dia ou noite acendendo
145. r os diversos materiais utilizados em equipamentos e componentes el tricos e magn ticos correlacionando as propriedades dos metais ligas materiais cer micos semicondutores pl sticos e outros tipos de polimerizados com suas propriedades estruturais al m de conhecer as tend ncias atuais e perspectivas futuras no campo da ci ncia dos materiais Apesar do enorme progresso ocorrido na rea de engenharia e ci ncia dos materiais nos ltimos anos ainda h desafios tecnol gicos inclusive considera es sobre o impacto ambiental da produ o dos materiais A grande maioria dos engenheiros em algum ponto de sua carreira se deparar com algum problema de projeto envolvendo a sele o de materiais N o existe um conjunto padr o de procedimentos a serem seguidos na escolha de materiais corretos para determinada aplica o Cada situa o diferente e requer conhecimento sobre os materiais e sobre as condi es s quais eles estar o sujeitos Entretanto existem alguns pontos gerais que fornecem um ponto de partida e Qualquer material selecionado precisa possuir propriedades consistentes com as condi es de servi o e necess rio considerar os efeitos das mudan as destas condi es para fora dos limites da normalidade e Para selecionar um material apropriado primeiro liste os materiais poss veis e ent o elimine alguns em fun o das caracter sticas n o adequadas em rela o s propriedades ou ainda falta de seguran a
146. ra o altamente est vel de oito el trons na camada mais externa atrav s de um dos seguintes mecanismos e recebendo el trons e perdendo el trons e compartilhando el trons Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 1 2 1 Liga o l nica Este tipo de liga o resulta da atra o m tua entre ons positivos e negativos tomos de elementos como o s dio e c lcio com um e dois el trons na camada de val ncia respectivamente perdem facilmente estes el trons externos e se tornam ons positivos Por outro lado os tomos de cloro e oxig nio facilmente recebem um ou dois el trons na camada mais externa respectivamente de modo a completar oito el trons nesta camada for a que o tomo tem de capturar el trons dos outros vencer o cabo de guerra damos o nome de eletronegatividade Assim um tomo fortemente eletronegativo quando tem facilidade em roubar os el trons dos outros o varia o da eletronegatividade na tabela peri dica Aproximando um tomo altamente eletronegativo de um de baixa eletronegatividade ele captura el trons tornando se um on negativo e tornando o outro um on positivo Como cargas el tricas opostas se atraem eles ficar o ligados por atra o eletromagn tica e o tipo de liga o ser chamada de liga o i nica os tomos ligam pr ximos devido atra o eletromagn tica o atomo mais eletronegativo captura o el tron Liga o i nica Na
147. rea inicial O limite de resist ncia tra o de um material calculado dividindo se a carga m xima suportada pelo mesmo pela rea da se o reta inicial Esse limite tal como os demais expresso em unidades de tens o Deve se notar que o limite de resist ncia calculado em rela o rea inicial Essa uma observa o importante particularmente para os materiais d cteis pois os mesmo sofrem uma redu o de rea quando solicitados pela carga m xima Embora a tens o verdadeira que solicita o material seja calculada considerando se a 15 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais rea real a tens o tal como definida anteriormente mais importante para o engenheiro pois os projetos devem ser feitos com base nas dimens es iniciais Por este motivo tamb m o limite de ruptura pode ser inferior ao limite de resist ncia Outro aspecto importante que a deforma o pl stica permanente dos metais ocorre pelo deslizamento dos tomos escorregando uns sobre os outros no cristal Este deslizamento tende a acontecer preferencialmente ao longo de planos e dire es espec ficos do cristal 1 6 2 Outras propriedades mec nicas A dureza definida pela resist ncia da superf cie do material penetra o Como se pode esperar a dureza e a resist ncia tra o est o intimamente relacionadas A escala Brinell de dureza BNH um ndice de medida da dureza calculado a partir da rea de penetra o de uma b
148. ria o da resist ncia entre a temperatura ambiente e a m xima temperatura de servi o 2 4 2 Ligas de Medi o Resistores para instrumentos de precis o admitem um coeficiente de temperatura m ximo de 2 5x10 6 C uma pequena tens o de contato com rela o ao cobre e uma resist ncia praticamente constante Tais ligas sofrem geralmente deforma o a frio o que pode acarretar envelhecimento sens vel ap s algum uso Por essa raz o comum aplicar se um processo de envelhecimento artificial para estabilizar o material atrav s de um tratamento t rmico controlado que elimina tens es internas estabiliza e homogeneiza os cristais Os tipos usados para resist ncias padr o s o muito diversos dos empregados para reostatos de partidas de motores ou para regula o de aparelhos As ligas de n quel cromo apresentam elevada resistividade e baixo coeficiente de temperatura para a resist ncia por exemplo Nichrome V As ligas de ferro n quel de custo muito menor que as de n quel cromo apresentam menor resistividade que essas e menor resist ncia a corros o por exemplo Nilvar As ligas de cobre niquel t m resistividade ainda menor n o resistem t o bem s altas temperaturas quanto as de n quel cromo por m apresentam coeficientes de temperatura praticamente desprez veis por exemplo Advance 2 4 3 Ligas de Regula o Nesse caso a faixa de temperatura se move entre 100 e 200 C As ligas tern rias de ferro n quel e c
149. rial de solda Em algumas aplica es reduzido a finas folhas O min rio de estanho j est se tornando bastante raro Suas caracter sticas f sicas v m indicadas na Tabela a seguir 31 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Resistividade a 20 C Qmm m Coeficiente de tem peratura da resis t ncia amp y a 20 C 1C x 1073 Tempe de eva pora o CC Resist ncia tra o kgf mm Peso espec fico a 20 C g cm Alongamentos Tempe ratura de fus o CC Metal fundido 15 a 20 laminado e EEN recosido 20 a 26 3 82 4 30 0 0179 encruado 35 a 45 i 0 0182 Sr recosido 3 5 6 0 02 Alum nio encnado e lt a ss 4 20 a 4 30 RR Chumbo 1 6 327 0 20 a 0 Estanho 1 5 40 232 0114 a Prata 16 30 960 0 0162 uro 27 1063 3 70 0 021 0 024 Platina 20 40 1773 30 7 0 10 Merc rio solidif 39 0 9 0 95 0 96 Zinco 3 36 419 3 5 a 4 7 0 06 C dmio 6 321 E asa oa 40 45 1450 5a6 0 07 0 09 romo 1920 0 7 0 8 Tungst nio 3400 5 2 0 05 0 06 Mobid nio 2630 4 8 0 0477 2 3 5 Prata Ag o metal nobre de maior uso industrial notadamente nas pe as de contato A cor prateada brilhante caracter stica escurecendo se devido ao xido de prata ou sulfi
150. riedades o alum nio o segundo metal mais usado na eletricidade havendo nos ltimos anos uma preocupa o permanente em substituir mais e mais as aplica es do cobre pelo alum nio por motivos econ micos Alguns aspectos baseados principalmente no custo mesmo levando em conta compensa es no dimensionamento das partes condutoras e produ o nacional maior do alum nio t m levado a crescente prefer ncia pelo alum nio cujo maior problema a sua fragilidade mec nica e sua r pida por m n o profunda oxida o Vejamos uma compara o de algumas caracteristicas entre o cobre e o alum nio na tabela apresentada na sequ ncia Alum nio Cobre Padr o duro duro JACS Caracter stica f sica Densidade a 20 C g cm 2 70 8 89 8 89 Condutividade minima porcentuala 20 C 61 97 100 Resistividade m xima a 20 C Qmm m 0 0282 0 0177 0 0172 Rela o entre os pesos de condutores de igual resist ncia em corrente continua e 0 48 1 03 1 00 igual comprimento Coeficiente de varia o da resist ncia por C a 20 C 0 0040 0 0038 0 0039 Calor especifico cal g C 0 214 0 092 0 092 Condutividade t rmica cal cm s C 0 48 0 93 0 93 M dulo de elasticidade do fio s lido kgf mm 7 000 12 000 Coeficiente de dilata o linear C 23 x 1076 17 x 1076 17 x 1076 Padr o IACS Padr o Internacional do cobre recosido tomado como refer ncia de 100 de condutividade Mesmo considerando a necessida
151. romo s o as que melhor satisfazem s condi es de resistividade elevada pequena varia o da resistividade com a temperatura grande resist ncia qu mica aos agente oxidantes carburantes ou sulfurantes e t m propriedades mec nicas capazes de permitirem um funcionamento prolongado a alta temperatura sem deforma o excessiva A presen a de cromo melhora a resist ncia s a es qu micas da liga e confere lhe boas caracteristicas mec nicas H umas cinco ligas que habitualmente se empregam na resolu o de problemas diversos tais como fabrica o de reostatos resist ncias de aquecimento para fornos aquecedores e aparelhos de laborat rio etc Os fios resistentes s o normalmente revestidos de uma pel cula imperme vel e isolante de xido a qual permite bobinar resist ncias com as espiras encostadas desde que a diferen a de potencial entre os pontos vizinhos n o exceda qualquer coisa como 2V Isto permite fabricar reostatos de varia o dita cont nua com um contato deslizantes Estes reostatos suportam geralmente temperaturas da ordem dos 600 C As ligas habitualmente empregadas s o as seguintes e Liga A 12Ni 12Cr 76Fe Aplicada em resist ncias de aquecimento a temperatura moderada e reostatos de arranque de motores e Liga B 36Ni 11Cr 53Fe Aplicada em resist ncias de aquecimento a temperatura moderada Aquecimento dom stico Reostatos de motores de tra o 40 Ci ncia e Tecnologia dos Materi
152. roximadamente o volume a forma e posi o relativa da part culas n o se mant m E particularmente estudado nas reas da hidrost tica e da hidrodin mica Em aplica es eletrot cnicas s o usados em rel s para contato merc rio solu o i nica em baterias eletr litos como isolantes em transformadores leos minerais tintas e vernizes isolantes etc c Estado gasoso o corpo mant m apenas a quantidade de mat ria podendo variar amplamente a forma e o volume E particularmente estudado nas reas da aerost tica e da aerodin mica Em aplica es eletrot cnicas s o usados Ci ncia e Tecnologia dos Materiais principalmente em l mpadas neon vapor de s dio vapor de merc rio e fluorescente arg nio merc rio como meio isolante entre cabos a reos o ar e cabos subterr neos e disjuntores de pot ncia hexafluoreto de enxofre SF6 1 4 Propriedades El tricas 1 4 1 Condutividade e Resistividade El trica A carga el trica pode ser conduzida por ons ou el trons cuja mobilidade varia para os diferentes materiais formando um completo espectro de resistividade condutividade como mostrado na figura ui a g a ET HF Oo 104 102 10 1P MALE 1 jo io iH y qu Resistividade vchm cm escala logeritmica Espectro de resistividade A condutividade el trica quantifica a disponibilidade ou a facilidade de circular corrente el trica em um meio material submetido a uma diferen a de potencial Sua de
153. s S o medidas indicadas para se prevenir ou diminuir a a o corrosiva e uso de inibidores de corros o e isolamento el trico dos materiais de nobrezas diferentes quando for inevit vel a exist ncia de grandes diferen as de potencial por exemplo chapas de alum nio sobre estruturas de a o juntas de lat o em canaliza es de a o etc dever sempre ser especificada a coloca o nos pontos de conex o e arruelas n o met licas como hypalon neoprene teflon etc que agir o como isolantes e aplica o de revestimentos protetores se for aplicado qualquer revestimento protetor que alguns poderiam imaginar somente necess rio para o metal funcionando como anodo recomend vel a pintura tamb m do catodo evitando assim que caso haja falha no revestimento do anodo n o fique uma pequena rea an dica exposta a uma grande rea cat dica A nica limita o desse m todo o comportamento em servi o da camada protetora Por exemplo as camadas org nicas causam problemas se usadas em temperaturas elevadas ou em condi es de abras o severa al m disso necessita se de um recobrimento peri dico da superf cie em virtude da oxida o da camada com o tempo Entretanto as camadas protetoras n o precisam ser necessariamente org nicas Por exemplo pode se usar estanho como uma protetora inerte para o a o Superf cies prateadas niqueladas ou cobreadas 19 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais tamb m
154. s 6 Faixas Cores NA Preto Tipo Resistor 6Faixa E o Tipo Resistor 5Faixa E Marrom A EE Vermelho BE Vermelho Resistor 6 Faixas E Laranja Resistor 5 Faixas BA Laranja E Amarelo BE Amarelo E EE Verde EE Verde i us t EH Violeta EH Violeta 4 EN Cinza ER Cinza Branco Valor ZAM jG o uro Valor 14 o Ouro Tolerancia 1 Prata NA i Tolerancia 2 WA Prata Goefciente 50 PPMPC m Outros exemplos podem ser calculados em um simulador dispon vel no site http www rmeletronica com br attachments File resistor index html Resistores SMD medida que o tempo passa menores s o os equipamentos e naturalmente os componentes internos tamb m Pew acompanham esta diminui o do tamanho Hoje dentro desta resistores filosofia s o encontrados facilmente resistores SMD nos aparelhos eletr nicos Estes resistores s o soldados na superf cie da placa e por serem muito pequenos possuem n meros impressos no SK E corpo obedecendo mesma id ia de contagem por m com n meros ao inv s de cores As redes de resistores v rios resistores dentro de um mesmo encapsulamento tamb m obedecem a esta metodologia Tipos de Resistores Os resistores dividem se basicamente em tr s tipos 1 Fixos S o aqueles de dois terminais de valor hmico fixo Os mais comuns s o fabricados em pel cula de carbono sua pot ncia varia de 1 8W at 2 0W e s o identificados pelo c digo de cores O
155. s Materiais Vale salientar que quando se fala de supercondutores de alto TC estamos falando em temperaturas cr ticas ainda muito baixas da ordem de 150 C A maioria dos supercondutores de alto TC consiste de cer micas com estrutura de perovskita modificada O curioso que tais materiais s o maus condutores de eletricidade na temperatura ambiente Ainda est a surgir uma teoria satisfat ria para explicar o mecanismo da supercondutividade nestas cer micas A teoria BCS n o funciona a contento para estes supercondutores Por outro lado parece que existem pares de Cooper nos supercondutores de alto TC N o se sabe ao certo se o mecanismo de forma o desses pares o mesmo que nos supercondutores tradicionais Isto posto em d vida atrav s das evid ncias de atua o dos spins no acoplamento de el trons Como disse Sir Nevil Mott decano da F sica do Estado S lido o n mero de teorias explicando a supercondutividade das cer micas igual ao n mero de te ricos Outros materiais est o em teste entre eles supercondutores org nicos fulerenos rutenatos al m de um novo interesse nos velhos metais H pouco foi descoberto que o MgB2 composto aparente in cuo que estava esquecido nas prateleiras dos qu micos fica supercondutor a 40 K Como um material mais f cil de manusear que as cer micas renovou se a esperan a de achar metais ou similares com altas temperaturas cr ticas Existem dois tipos de superco
156. s buracos no material tipo P se movem no sentido contr rio Quando a diferen a de potencial entre os eletrodos alta o suficiente os el trons na zona vazia s o retirados de seus buracos e come am a se mover livremente de novo A zona vazia desaparece e a carga se move atrav s do diodo A figura a seguir ilustra este processo 76 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Buracos El trons Bateria Quando o terminal negativo do circuito preso camada tipo N e o terminal positivo preso a camada tipo P el trons e buracos come am a se mover e a zona vazia desaparece Caso a conex o da fonte seja no sentido oposto com o lado tipo P conectado ao terminal negativo do circuito e o lado tipo N conectado ao p lo positivo a corrente n o fluir Os el trons negativos no material tipo N s o atra dos para o eletrodo positivo Os buracos positivos no material tipo P s o atra dos para o eletrodo negativo Assim nenhuma corrente fluir atrav s da jun o porque os buracos e os el trons est o cada um se movendo no sentido oposto aumentando ainda mais a zona vazia camada de deple o Buracos fona vazia El trons a E amp E al iD Nenhuma corrente flui atrav s desta jun o Ba ate ri Quando o terminal positivo do circuito est ligado camada tipo N e o terminal negativo est ligado camada tipo P el trons livres s o coletados em um terminal do diodo e os buracos s o coletados em
157. s da mesma forma por m com um material isolante diel trico devido a sua pequena concentra o de el trons livres o campo el trico no seu interior n o ser totalmente anulado Isto ocorre devido polariza o das mol culas dipolos el tricos do material isolante formando tamb m uma carga superficial A propriedade que representa a maior ou menor capacidade de um material em permitir um adensamento de um fluxo de campo el trico por sua estrutura chamada de permissividade diel trica e dada por A permissividade do ar ou do v cuo dada por o 8 8541878176x102 F m J o termo permissividade relativa do material dado por E adimensional e tamb m conhecida como a constante diel trica k A permissividade diel trica dos materiais depende das condi es de trabalho e varia em fun o da temperatura e da frequ ncia de utiliza o Material Permissividade diel trica k Ar Mica 5a7 8 Vidros 5a 10 Porcelana 5 1a5 5 PVC 2 6a 6 5 EPR 2 6 Oleo de transformador 2 5 Papel encerado 3 1 Ebonite 2a2 8 12 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais 1 4 4 Rigidez Diel trica Corresponde ao valor limite de tens o aplicada sobre a espessura do material kV mm sendo que a partir deste valor os tomos que comp em o material se ionizam e o material diel trico deixa de funcionar como um isolante No caso do ar sua rigidez diel trica vale cerca de 3 x 10 N C assim quando um campo el
158. s e mais rapidamente at que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam o torque resultante ao valor zero 115 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Ap s este ponto o rotor passa a girar com velocidade angular constante Tanto o rotor como o estator devem ser magn ticos pois s o estas for as entre p los que produzem o torque necess rio para fazer o rotor girar A figura a seguir mostras as etapas deste processo Os motores el tricos podem ser a b Motor de corrente continua CC Na maioria dos motores el tricos CC o rotor e um eletroim que gira entre os p los de im s permanentes estacion rios Para tornar esse eletroim mais eficiente o rotor cont m um n cleo de ferro que se torna fortemente magnetizado quando a corrente flui pela bobina O rotor girar desde que esta corrente inverta seu sentido de percurso cada vez que seus p los alcan am os p los opostos do estator O modo mais comum para produzir tais revers es usando um comutador Motor s ncrono funciona com velocidade est vel utiliza se de um induzido que possui um campo constante pr definido e com isto aumenta a resposta ao processo de arraste criado pelo campo girante geralmente utilizado quando se necessita de velocidades est veis sob a a o de cargas vari veis Tamb m pode ser utilizado quando se requer grande pot ncia com torque constante Motor de indu o funciona normalmente com velocidade constante que varia
159. s incandescentes que operam a temperaturas em torno de 2000 C situa o em que a resistividade se eleva at pr ximo de IQ mm m e assim 20 vezes superior quela temperatura ambiente Na prote o contra as radia es X usa se uma liga de 93 de W 5 de Ni e 2 de Cu O tungst nio ainda usado em ligas sujeitas a temperaturas elevadas como por exemplo contatos com arcos voltaicos intensos 2 3 14 Ferro Fe O ferro se conhece tempos remotos havendo dado o nome a toda uma poca pr hist rica denominada idade do ferro A princ pio cr se que o ferro utilizado na fabrica o de utens lios era obtido de meteoritos que a 50 000 anos devem ter ca do com mais frequ ncia na superf cie terrestre No Egito a 7 000 anos A C encontrou se amuletos de ferro que provavelmente provinham de min rios beneficiados J na ndia a 912 anos A C encontrou se uma coluna de ferro que media 7 m de altura e 40 cm de di metro com peso de 6 toneladas e que resistia perfeitamente aos agentes oxidantes cr se que esta coluna tenha sido derivada de um ferro pureza extraordin ria A fabrica o do a o partindo do ferro tamb m muito antiga os Gregos 500 anos A C j obtinham o a o temperado Cr se que por uma maneira casual ao deixar alguma sobra de ferro com carv o de lenha em contato com o carbono desprendido do mesmo obteve se um outro tipo de ferro com maior dureza Na verdade a poca que marcou a utiliza o do f
160. s para l mpadas incandescentes etc e Grafite e Solu es aquosas de sulfato de cobre de cido sulf rico etc e gua da torneira gua salgada gua ionizada como por exemplo as das piscinas e Corpo humano e Ar mido II III 3B 4B SB 6B 7B IV LEGENDA Hidrog nio E Metais Semi metais pes N o metais Gases Nobres Lantan deos ctin deos 2 2 Caracteristicas dos Condutores 2 2 1 Varia o da resistividade com a temperatura e a frequ ncia A resist ncia el trica de uma dada pe a de determinado material unidade W dada pela equa o a seguir 24 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais d R 2 onde p resistividade el trica do material W cm A se o transversal em cm l comprimento do condutor em cm Quando a temperatura em um material condutor aumentada as part culas vibram interferindo nos movimentos dos el trons Uma tal influ ncia causa perdas nos deslocamentos dos el trons e consequentemente aquecimento do corpo condutor Tra ando se a curva caracter stica temperatura resist ncia indicada na Figura a seguir nota se que ela n o obedece em toda sua extens o a uma rela o constante de ordenadas e abscissas R Ta De interesse pr tico o setor reto da caracter stica trecho AB cuja inclina o dada por t o AR z AT A rela o tga R o chamado coeficiente de temperatura da resist ncia e indicado por aT
161. s s lidos Nestes materiais existem el trons livres que podem se deslocar com um movimento que depende da temperatura e de outras condi es f sicas a que estejam sujeitos Estes el trons est o constantemente submetidos a um movimento de agita o t rmica com velocidades da ordem dos 100 km s movimento desordenado e equilibrado no seu conjunto n o constituindo portanto uma corrente el trica Se no entanto esta subst ncia for sujeita a um campo el trico os el trons v o sendo arrastados no seu movimento formando assim uma corrente el trica O sentido positivo desta corrente foi arbitrado como o contr rio ao do deslocamento dos el trons A corrente el trica d se a uma velocidade muito mais baixa que a da agita o t rmica na ordem dos cm s Quando s o arrastados os el trons se chocam com as mol culas do material condutor perdendo parte da sua energia sob a forma de calor b Condu o nos l quidos Pela hip tese de Arrenhius sabemos que quando se dissolve um cido uma base ou um sal na gua d se a dissocia o das suas mol culas em ons que podem se deslocar no seio do l quido Sob a a o de um campo el trico estes ons positivos ou negativos ir o se deslocar em sentidos contr rio de acordo com a respectiva carga Daqui se conclui que a corrente el trica nos eletr litos conduzida de forma diferente da que ocorre nos condutores s lidos j que nos l quidos h movimento nos dois sentidos
162. sitivamente importante observar que o n mero de pr tons constante o que se altera o numero de al a is el trons isto para ionizar o tomo negativamente TO a Bo fados colocamos el trons a mais e se quisermos ionizar f Ed AITO A o tomo positivamente retiramos el trons DL EN N O Eeto Do ponto de vista macrosc pico dizemos 4 Pg or l h ED Pr ton que o corpo est eletrizado quando houver um Na 008 o T Nayin desequil brio entre o n mero de pr tons e o n mero o S En i a r 4 de el trons dos tomos deste corpo No TB Pa Fi A quantidade de carga adquirida pelo corpo o Cego Fa depende do n mero de el trons retirados ou a a do colocados no corpo Em alguns tipos de tomos especialmente os que comp em os metais ferro ouro platina cobre prata e outros a ltima rbita eletr nica perde um el tron com grande facilidade Por isso seus el trons recebem o nome de el trons livres Estes el trons livres se desgarram das ltimas rbitas eletr nicas e ficam vagando de tomo para tomo sem dire o definida Mas os tomos que perdem el trons tamb m os readquirem com facilidade dos tomos vizinhos para voltar a perd los momentos depois No interior dos metais os el trons livres vagueiam por entre os tomos em todos os sentidos A condu o do fluxo de el trons livres ou a circula o de uma corrente el trica notada tanto em materiais s lidos quanto nos l quidos e sob con
163. ss rias na sele o dos eletrodos especialmente nos de carv o amorfo Outro problema o da liga o el trica dos eletrodos a qual exige precau es e t cnica adequada por forma a manter sua continuidade Veja na tabela as propriedades de algumas variedades do carbono RESISTIVIDADE DENSIDADE uO cm s Carv o eletrograf tico 800 a 1200 2 20 2 24 2 4 Materiais de elevada Resistividade As ligas met licas resistivas s o utilizadas com tr s finalidades b sicas para fins t rmicos ou de aquecimento para fins de medi o para fins de regula o 2 4 1 Ligas de Aquecimento Tais ligas precisam ter uma elevada estabilidade t rmica tendo um bom comportamento corrosivo ou qu mico temperatura local Cada liga desse tipo possui uma temperatura m xima de servi o que n o pode ser ultrapassada referida ao ambiente de servi o geralmente em contato com o ar Essas ligas possuem muitas vezes a propriedade de recobrirem se por fina pel cula de xido a qual protege o restante do metal contra a a o do ambiente Tal pel cula por m poder romper se se houver frequentes 39 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais aquecimentos e resfriamentos ou seja frequentes liga es e desligamentos da rede el trica reduzindo assim a durabilidade do componente Na escolha dos componentes da liga tamb m podem ser de import ncia sua capacidade de dilata o e de irradia o Deve se ter dados exatos de va
164. ssariamente em presen a de oxig nio quando um elemento perde el trons o seu estado de oxida o aumenta A Oxida o pode ocorrer em tr s circunst ncias 1 quando se adiciona oxig nio subst ncia 2 quando uma subst ncia perde hidrog nio ou 3 quando a subst ncia perde el trons Exemplos As saladas de frutas tendem a se escurecer quando entra em contato com o ar isso porque o oxig nio age com o ferro presente nas frutas promovendo sua oxida o Uma dica para que isso n o ocorra adicionar suco de lim o ou laranja pois a vitamina C cido asc rbico presente nas frutas c tricas impede a a o oxidante do oxig nio sobre a salada O manuseio dos fios de cobre causa al m de perdas sua oxida o diminuindo a vida util do material A o Corten aplicado na constru o de um est dio para um artista localizado em New Jersey EUA Nas fotos ao lado pode se perceber o a o antes e depois da oxida o Este tipo de a o muito utilizado na constru o civil apresenta em m dia 3 vezes mais resist ncia corros o que o a o comum al m de minimizar os custos com manuten o e o impacto ambiental 18 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Na foto ao lado pode ser observada a oxida o e a corros o em uma vela de autom vel O material dos eletrodos oxidou e quando a oxida o pesada a superf cie apresenta se esverdeada 1 8 3 Corros o a transforma o de um material
165. t o removem el trons desta amostra por um m todo desenvolvido e patenteado no Bell Labs Este pol mero a temperaturas abaixo de 200 C se torna ent o supercondutor With the method we used many organic materials may potentially be made superconducting now profetiza a qu mica Zhenan Bao Ou como resumiu o f sico Ananth Dodabalapur A new window into nature has opened up sf Ci ncia e Tecnologia dos Materiais CAP TULO III MATERIAIS ISOLANTES S o chamados isolantes os materiais de baixa condutividade Apresentam os el trons de val ncia rigidamente ligados aos seus tomos n o permitindo a passagem de corrente el trica Tais materiais t m a propriedade da alta rigidez diel trica e por isso s o tamb m chamados materiais diel tricos Quando um campo el trico aplicado a um material isolante as cargas s o ligeiramente deslocadas e os el trons s o movidos para posi es diferentes das suas posi es de equil brio ocorrendo uma polariza o cnamada de polariza o diel trica 3 1 Polariza o Diel trica Uma propriedade fundamental dos materiais diel tricos a polariza o de suas part culas elementares quando sujeitas a o de um campo el trico Define se por polariza o um deslocamento revers vel dos centros das cargas positivas e negativas na dire o do campo el trico externo aplicado Por ser revers vel esta dire o acompanha ou pelo menos tende a acompanhar a pr pria
166. ticas baix ssimas At o in cio da d cada de 80 o recorde era o ni bio Nb3Ge com TC perto de 23 K 250 C A teoria BCS indicava que dificilmente supercondutores com temperaturas cr ticas acima de 25 K seriam encontrados em virtude da energia do gap Por m em 1986 dois f sicos que trabalhavam no laborat rio da IBM em Zurich na Alemanha mudaram o rumo das pesquisas neste tema Descobriram que um material cer mico base de xido de cobre b rio e lant nio ficava supercondutor a 30K Em Abril de 1986 Georg Bednorz e Alex Mueller sintetizaram uma cer mica com f rmula Bax Las xCus0s 3 y Esse material uma cer mica do tipo perovskita que na forma de silicatos abundante na crosta terrestre a areia percept vel pela f rmula que eles partiram de um composto normal de xido de cobre com b rio e lant nio e foram retirando oxig nio em v rias propor es V rios outros compostos desta mesma fam lia foram descobertos por laborat rios de todo o mundo com temperaturas cr ticas cada vez mais elevadas At que em Janeiro de 1987 Paul Chu da Universidade de Houston mostrou que o YBa gt CusO supercondutor com uma incr vel temperatura cr tica acima de 90 K Hoje s o conhecidos supercondutores com temperatura cr tica acima de 130 K O nitrog nio o elemento mais abundante de nossa atmosfera 80 e relativamente barato e f cil de liquefazer TC 77 K 55 Ci ncia e Tecnologia do
167. ticos e tornou se muito importante nos computadores As aplica es mencionadas s o baseadas em propriedades e fen menos cl ssicos todos conhecidos e compreendidos desde o in cio do s culo XX A evolu o tecnol gica destas aplica es ocorreu em decorr ncia da descoberta de novos materiais aperfei oamento das t cnicas de prepara o etc Por m nos ltimos 15 anos a pesquisa em materiais magn ticos ganhou um grande impulso por conta de descobertas feitas com estruturas artificiais de filmes muito finos Estes filmes podem ser preparados por v rios m todos diferentes dependendo da composi o espessura e aplica o Todos eles se baseiam na deposi o gradual de tomos ou mol culas do material desejado sobre a superf cie de outro material que serve de apoio chamado substrato A fabrica o de filmes ultrafinos com espessuras da ordem ou fra o de 1 nan metro 1 nm 10 m tornou se poss vel gra as evolu o das t cnicas de alto v cuo Hoje poss vel fabricar estruturas artificiais controlando a deposi o de camadas no n vel at mico com alto grau de perfei o e pureza tamb m poss vel depositar sobre um filme com certa composi o quimica outro filme de composi o diferente Isto possibilita a fabrica o de estruturas com propriedades magn ticas muito diferentes das tradicionais cuja compreens o microsc pica exige o conhecimento detalhado dos filmes das interfaces e das intera es entr
168. to de prata que se forma em contato com o ar Sua obten o resulta frequentemente de min rios combinados de prata cobre e chumbo A prata devido s suas caracteristicas el tricas qu micas e mec nicas cujos valores num ricos est o indicados na Tab anterior usada em forma pura ou de liga cada vez mais em partes condutoras onde uma oxida o ou sulfata o viria criar problemas mais s rios o caso de pe as de contato notadamente nas parte em que se d o contato mec nico entre duas pe as e onde al m de um bom material condutor conveniente ter se um metal que n o influa negativamente devido a transforma es met licas No caso da prata no seu estado puro encontra o seu uso nas pastilhas de contato para correntes relativamente baixas quando essa solu o n o adequada usam se pastilhas de liga de prata onde o Ag misturado com n quel e cobalto pal dio bromo e tungst nio A pratea o numa espessura de alguns micrometros usada para proteger pe as de metal mais corros vel Um comportamento especial da prata em pe as de contato a elimina o autom tica de xidos de prata por decomposi o em prata pura e libera o do oxig nio temperatura de 200 a 300 C Na limpeza de contatos de prata n o usar material abrasivo lixas limas etc 2 3 6 Ouro Au Esse metal que apresenta uma condutividade el trica bastante boa destaca se pela sua estabilidade qu mica e pela consequente
169. to e para an is coletores Em todos os demais casos principalmente em enrolamentos barramentos e cabos isolados se usa o cobre mole ou recozido Casos intermedi rios precisam ser devidamente especificados Em muitos casos por m o cobre n o pode ser usado na forma pura quando ent o as ligas de cobre passam a ser encontradas Essas ligas s o feitas com metais escolhidos de modo a compensar ou melhorar alguma das propriedades do cobre cabendo destacar por m que geralmente assim procedendo estamos prejudicando outras propriedades Ligas de Cobre A escolha de uma liga deve considerar tamb m os aspectos econ micos A adi o de certos elementos por exemplo o n quel e o estanho pode aumentar o pre o da liga aumentando certas propriedades ao passo que a presen a de outros elementos zinco chumbo permite abaixar o pre o sem redu o not vel de caracter sticas t cnicas A tabela abaixo apresenta as caracter sticas das Ligas de Cobre 277 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Condutividade Resist ncia em tra o em Alongamentos rela o ao kg mm So cobre 0 9 Cd encruado 83 90 4 Bronze recozido 55 60 55 0 8 Cd encruado 50 55 0 6 Sn Cu gt 60 Bronze recozido 15 18 45 2 5 Al encruado 15 18 at 97 4 2 Sn Bronze recozido 10 15 40 60 fosforoso encruado 10 15 105 3 7Sn 1P Lat o recozido 32 35 60 70 nm ema Bronze BI 0 1 Mn o 82 resto Cu B
170. tores de Filme de Poli ster Estes capacitores usam um fino filme de poli ster como diel trico sua toler ncia de cerca 5 to 10 N o t m polaridade 65 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais f Capacitores de Polipropileno S o usados quando houver necessidade de pequena toler ncia A capacit ncia destes capacitores praticamente n o muda Estes capacitores t m uma toler ncia de 1 g Capacitores de Mica Nestes capacitores a mica usada como diel trico Apresentam boa estabilidade em fun o do seu pequeno coeficiente de temperatura T m excelentes caracter sticas de frequ ncia sendo usados em circuitos ressonantes e filtros de alta frequ ncia Por possu rem boa isola o s o ideais para circuitos tens o mais elevadas N o t m polaridade e n o possuem grandes valores de capacit ncia h Capacitores de Papel Capacitores de filtro com diel trico de papel s o volumosos e seu valor em geral limitado a menos do que 10 uF Eles n o s o polarizados e podem suportar altas tens es S o fabricados enrolando se uma ou mais folhas de papel entre folhas met licas Todo o conjunto envolvido em resina termopl stica Esse tipo de componente barato e aplicado em usos gerais Para melhorar as caracter sticas o papel pode ser impregnado com leo o que ocasiona e Aumento da rigidez diel trica e Aumento da margem de temperatura de aplica o do capacitor e Aplica o de
171. tr nsecos ou puros s o aqueles encontrados em estado natural ta rbita 2 el trons da orbita amp eletrons ta orbita gt eletrons 3a rbita 4 el trons Za rbita amp el trons 3a rbita 18 el trons da rbita 4 el trons 73 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Ambos s o elementos tetravalentes ou seja que possuem quatro el trons na camada de val ncia permitindo assim que os seus tomos fa am quatro liga es covalentes ou de compartilhamento de el trons para tornarem se est veis Existem ainda os semicondutores ll V que s o formados por um elemento trivalente o GaAs Arseneto de G lio e por um elemento pentavalente InP Fosfeto de ndio Por m o material semicondutor intr nseco mais utilizado o sil cio que abundante na natureza sendo encontrado nos cristais de quartzo areia 4 5 Condu o El trica nos Semicondutores Num determinado instante quando recebe um acr scimo de energia e sai da banda de val ncia o el tron livre deixa em seu lugar uma lacuna Esta lacuna um on positivo conforme apresenta a figura seguinte s s s s s E E E E E lon el tron positivo livre s s s No instante seguinte verifica se que a lacuna tamb m se move Por m a movimenta o da lacuna ocorre sempre no sentido contr rio movimenta o do el tron Este fen meno ocorre sempre que existe a condu o el trica no material semicondutor Num material condutor o
172. tre os condutores dado o nome de rigidez diel trica superficial Esta depende evidentemente da forma do isolante e do estado da sua superf cie 3 4 5 Ruptura dos Diel tricos Quando o campo el trico a que um dado diel trico est sujeito ultrapassa um determinado valor se d a ruptura do diel trico A maneira como esta se produz e as suas consequ ncias s o por m diferentes conforme o tipo de diel trico Assim compreens vel que se a ruptura se produzir num diel trico fluido a mat ria atingida pela descarga logo substitu da por outra e se o fen meno n o repetir a sua nica consequ ncia o aparecimento de part culas carbonizadas no seio do fluido No caso dos diel tricos s lidos isto n o acontece pois a descarga implica a sua destrui o no ponto em que a ruptura se verifica 3 4 6 Efeito Corona Se entre dois condutores existir uma grande diferen a de potencial junto s suas superf cies poder surgir um campo el trico de valor tal que o g s ou o ar no meio do qual se encontram seja ionizado Se isto acontecer o efeito obtido equivalente ao aumento das dimens es dos condutores visto o g s ou o ar ionizado se tornar condutor tamb m Nessas condi es d se como que uma aproxima o dos condutores e um aumento da sua superf cie De uma maneira geral podemos dizer que se os condutores forem de pequena se o e estiverem bastante afastados o efeito da ioniza o traduz se por uma di
173. uem se pela sua estrutura e princ pio de funcionamento h no entanto uma diferen a que determina a sua utiliza o O transistor bipolar comandado por corrente enquanto o de efeito de campo comandado por tens o Um transistor de efeito de campo FET Junction Field Efect Transistor pode ser de dois tipos a J FET Zona de deplec o O J FET canal N constitu do basicamente por uma jun o PN sendo ambos os extremos da regi o N dotada de terminais Dreno e Fonte formando a regi o P Gate ou porta um anel em volta da regi o N Se ligarmos uma bateria entre os terminais da regi o N circular uma corrente limitada apenas pela resist ncia do material semicondutor Por m se polarizarmos inversamente a jun o PN Gate negativa em rela o Fonte formar se uma zona de deple o em volta da jun o PN Devido As Para o Tret tahal P a esse fato ficar mais estreito o canal o devemos nventemanalanidade das que equivale a um aumento da resist ncia tensoes ap cadas dos donas interna da regi o N Atrav s da Gate podemos determinar o maior ou menor fluxo de corrente entre os terminais Fonte e Dreno Fixando o valor da tens o dreno fonte Vps a corrente de dreno lb ser fun o da polariza o inversa do Gate que variar a espessura do canal por varia o da zona de deple o Princ pio de Funcionamento 85 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Para o FET funcionar o Gate deve
174. uki KT Tenom banda de energia proibidos entre a condu o e a val ncia e portanto a corrente flui facilmente sob a a o do campo el trico Um material isolante apresenta uma banda proibida de grande extens o entre a di ii val ncia e condu o Pos isso dificilmente h condu o da corrente Os semicondutores possuem bandas Condu o Condu o Condu o proibidas com larguras intermedi rias Isso significa que podem apresentar alguma condu o melhor que a dos isolantes mas pior que a dos condutores Hie co sena Val ncia Yal ncia Val ncia Os materiais semicondutores s o s lidos ou l quidos capazes de mudar com certa facilidade de sua condi o de isolante para a de condutor Isto podem sofrer grandes altera es em sua condutividade pois a quantidade de energia necess ria para retirar um el tron da banda de val ncia e lev lo para a banda de condu o intermedi ria entre a energia necess ria para o isolante e o condutor Em baixas temperaturas os semicondutores puros comportam se como isolantes Sob temperaturas mais altas ou luz ou com a adi o de impurezas por m pode ser aumentada drasticamente a sua condutividade podendo se alcan ar n veis que se aproximam dos metais Germ nio Ge 4 4 Materiais Intr nsecos usa Na figura ao lado apresentam se os tomos de dois materiais semicondutores intr nsecos ou puros o sil cio Si e o germ nio Ge Os semicondutores in
175. utores Prata 1 58x 10 Cobre 1 67x 10 Alum nio 2 65x 10 Tungst nio 5 6x 10 Ferro 9 71x 10 Semicondutores Carbono grafite 3 60 x 10 Germ nio 1 500 x 10 Sil cio 0 1 60 Isolantes Vidro 10 10 Borracha 10 10 A resistividade el trica de um material pode tamb m ser obtida numericamente atrav s da medida da resist ncia entre os centros das faces opostas de um corpo de prova homog neo do material com dimens es unit rias expressa por E d Onde R a resist ncia el trica A a rea da se o transversal do material m el o comprimento do material m A resistividade est diretamente relacionada com a perda de energia na forma de calor efeito Joule que ocorre em qualquer material percorrido por corrente el trica devido ao choque dos el trons com os seus tomos Desta forma quanto menor a resistividade do material Ci ncia e Tecnologia dos Materiais menores ser o as perdas de energia e melhor ser o material para o transporte da corrente el trica Por isto a import ncia de se considerar tais caracter sticas ao se estudarem condutores e semicondutores visto que materiais isolantes e magn ticos n o s o usados para este fim Um el tron normal que se desloca pela rede cristalina de um condutor vai se chocando com os tomos da rede perdendo energia e aquecendo o material Isso chamado de efeito Joule e ocorre em todo condutor normal a Condu o no
176. utros com pot ncia acima de 5W s o de fio geralmente s o 44 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais fabricados em n quel cromo e os valores da resist ncia pot ncia e toler ncia v m impressos em seu corpo 2 Ajust veis S o aqueles de tr s terminais sendo o terminal central cursor m vel permitindo ajuste por parafuso ou dispositivo semelhante S o normalmente utilizados para fazer ajustes finais na opera o dos circuitos Tais ajustes n o sofrem controle externo ao circuito S o conhecidos como trimpotls 3 Vari veis Tamb m possuem tr s terminais onde o cursor m vel pode ser deslocado continuamente por a o de um eixo variando a resist ncia entre os terminais fixos e m vel S o usados para controle externo de um determinado par metro do circuito S o conhecidos como potenci metros Assim como os resistores fixos os potenci metros s o fabricados em carbono ou fio de acordo com a pot ncia Os potenci metros segundo a varia o da resist ncia podem ser lineares ou logar tmicos Tamb m podem ser com chave ou sem chave A chave geralmente imp e uma resist ncia infinita entre dois de seus terminais no fim do curso da varia o da resist ncia Aplicados em circuitos limitadores de corrente divisores de tens o atenuadores resistivos etc 2 5 2 Fus veis Em eletr nica e em engenharia el trica fus vel um dispositivo de prote o contra sobrecorrentes e curtos circuitos S
177. vel o calor gerado n o se dissipa com rapidez suficiente derretendo um componente e interrompendo o circuito O tipo mais simples composto basicamente de um recipiente tipo soquete em geral de porcelana cujos terminais s o ligados por um fio curto que se derrete quando a corrente que passa por ele atinge determinada intensidade O chumbo e os estanho s o dois metais utilizados para esse fim O chumbo se funde a 327 Ce o estanho a 232 C Se a corrente for maior do que aquela que vem especificada no fus vel 10A 20A 30A etc o seu filamento se funde derrete Quanto maior for a corrente especificada pelo fabricante maior a espessura do filamento Assim se a espessura do filamento do fus vel suporta no m ximo uma corrente de 10A e por um motivo qualquer a corrente exceder esse valor a temperatura atingida pelo filamento ser suficiente para derret lo e desta forma a corrente interrompida O fus vel de cartucho manufaturado e lacrado em f brica consiste de um corpo oco n o condutivo de vidro ou pl stico cujo elemento condutor est ligado interiormente a duas c psulas de metal os terminais localizados nas extremidades A AA 46 Ci ncia e Tecnologia dos Materiais Tipos de Fus veis Os fus veis podem ser 1 Fus vel de Rolha o mais comum nas instala es domiciliares utilizado normalmente em circuitos de ilumina o e for a com valores nominais de 6 10 15 20 25 30A

Prof. Carlos Eduardo Tavares

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