Ciência e Tecnologia de Materiais

Profa.

Msc. Patrícia Corrêa

Faculdade Sudoeste Paulista

Engenharia Civil/Produção

Notas de aula

CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE

MATERIAIS PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Prof. Msc. Patrícia Corrêa

Avaré, 2014

Ciência e Tecnologia de Materiais

Profa.

Msc. Patrícia Corrêa

Propriedades de materiais:

2. Elétrica

As propriedades elétricas estão relacionadas aos mecanismos de transporte de carga elétrica

através de um corpo. Isso ocorre por elétrons livres e lacunas, e são chamados portadores de

carga livre, pois reagem a campos elétricos e magnéticos e podem se locomover facilmente

pelo material com pouco fornecimento de energia. Estão presentes em todos os tipos de

materiais, mas as lacunas apenas nos semicondutores.

Propriedades relacionadas a substância:

Resistividade elétrica (ρ) é uma medida da oposição de um material ao fluxo de corrente

elétrica. Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material permite a passagem

de uma carga elétrica. Essa propriedade apresenta dependência da temperatura é geralmente

apresentada para temperatura de 20 ºC. No caso dos metais aumenta à medida que aumenta a

temperatura enquanto que nos semicondutores diminui à medida que a temperatura

aumenta.

Exemplos:

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Condutividade elétrica ( ) é usada para especificar o caráter elétrico de um material. Ela é

simplesmente o recíproco da resistividade, ou seja, inversamente proporcionais e é indicativa

da facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. A unidade é a

recíproca de ohm-metro, isto é, [(Ω-m). As discussões sobre propriedades elétricas usam

tanto a resistividade quanto a condutividade.

Relação entre condutividade e resistividade:

Condutividade em alguns materiais:

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Propriedades relacionadas ao corpo:

Resistência elétrica:

É a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Primeira Lei de Ohm: U = R.i, onde U é a diferença de potencial; R é a resistência (valor constante para validar a Lei) e i a intensidades de corrente elétrica, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms.

Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas definiram uma grandeza que denominaram resistividade elétrica.

Os fatores que influenciam na resistência de um material são:

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A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento. A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção

transversal, isto é, quanto mais fino for o condutor. A resistência de um condutor depende do material de que ele é feito. A resistência de um condutor depende da temperatura na qual ele se encontra.

Esses fatores que influenciam a resistência de um condutor podem ser resumidos pela Segunda Lei de Ohm:

sendo que:

ρ é a resistividade elétrica do condutor (em ohm metros, Ωm); R é a resistência elétrica do material (em ohms, Ω);

é o comprimento do condutor (medido em metros); A é a área da seção do condutor (em metros quadrados, m²).

Condutância elétrica é o recíproco da resistência elétrica. A unidade derivada do SI de condutância é o siemens (símbolo S, igual a Ω-1). Oliver Heaviside criou esse termo em Setembro de 1885.

Condutância elétrica não deve ser confundida com condutividade elétrica, que é uma característica específica de um material e recíproca da resistividade elétrica.

Classificação dos materiais quanto ao potencial de condução:

Condutores:

São materiais nos quais as cargas elétricas se deslocam de maneira relativamente livre. Quando tais materiais são carregados em alguma região pequena, a carga distribui-se prontamente sobre toda a superfície do material.

Nos sólidos que possuem elétrons livres, como os metais, é possível que a carga elétrica seja transportada através deles, por isso dizemos que são condutores de eletricidade. Nesses materiais, o movimento de cargas elétricas é composto por cargas negativas. Materiais como o cobre, o alumínio e a prata são bons condutores.

Sais, quando dissolvidos ou fundidos, subdividem-se em partículas eletricamente carregadas que, agora livres, também permitem o movimento de cargas em seu interior.

Semicondutores:

São sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas,

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excelentes isolantes. Ao contrário do comportamento observado nos metais, contudo, a condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta significativamente com a temperatura. Usualmente, à temperatura ambiente, exibem ainda baixa condutividade, sendo por tal bons isolantes quando em condições de manuseio. Tornam-se condutores se consideravelmente aquecidos, contudo.

Os materiais semicondutores podem ser tratados quimicamente de diferentes maneiras de forma a tornarem-se tão condutores quanto o necessário à temperatura ambiente (dopagem). A combinação de semicondutores com diferentes tipos de dopagens faz emergir propriedades elétricas não observáveis quando separados, propriedades muito úteis sobretudo no controle de correntes elétricas.

Isolantes:

Conhecidos como dielétricos são materiais cujas cargas elétricas não conseguem se mover livremente.

Os isolantes elétricos podem ser separados de acordo com sua rigidez dielétrica, uma propriedade que influencia na tensão elétrica máxima que pode ser aplicada entre as extremidades do isolante sem se romper. Vidro, borracha e óleos são exemplos de isolantes elétricos.

Diagrama de bandas de energia para condutores, semicondutores e isolantes:

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Bandas de Valência: é uma banda de energia formada por níveis de energia, ocupada por elétrons semilivres, que estão um pouco mais separados do núcleo que os demais. É nesta banda de energia que se acumulam as lacunas eletrônicas ou buracos eletrônicos, após serem criadas no material por processos energéticos, como por exemplo, a incidência de radiação eletromagnética. É nela também que se dá o transporte de lacunas (buracos) sob a influência de campo elétrico aplicado. Esta banda tem energias menores que a banda de condução, onde se dá o transporte dos elétrons.

Banda de Condução: é o intervalo de energias de energia superior à da banda de valência. É nesta região que se estabelece a condução elétrica. Condução nos diferentes meios: Sólidos: Nestes materiais existem elétrons livres que podem se deslocar com um movimento que depende da temperatura e de outras condições físicas a que estejam sujeitos. Estes elétrons estão constantemente submetidos a um movimento de agitação térmica, com velocidades da ordem dos 100 km/s, movimento desordenado e equilibrado no seu conjunto, não constituindo, portanto, uma corrente elétrica. Se, no entanto, esta substância for sujeita a um campo elétrico, os elétrons vão sendo arrastados no seu movimento, formando assim uma corrente elétrica. O sentido positivo desta corrente foi arbitrado como o contrário ao do deslocamento dos elétrons. A corrente elétrica dá-se a uma velocidade muito mais baixa que a da agitação térmica, na ordem dos cm/s. Quando são arrastados os elétrons se chocam com as moléculas do material condutor, perdendo parte da sua energia sob a forma de calor. Líquidos: Sabemos que, quando se dissolve um ácido, uma base ou um sal na água, dá-se a dissociação das suas moléculas em íons que podem se deslocar no seio do líquido. Sob a ação de um campo elétrico estes íons, positivos ou negativos, irão se deslocar em sentidos contrário, de acordo com a respectiva carga. Daqui se conclui que a corrente elétrica nos eletrólitos é conduzida de forma diferente da que ocorre nos condutores sólidos, já que nos líquidos há movimento nos dois sentidos. As acelerações dos anions e cátions são diferentes porque dependem das suas massas e da carga elétrica.

Permissividade elétrica: É determinada pela habilidade de um material de polarizar-se em

resposta a um campo elétrico aplicado e, dessa forma, cancelar parcialmente o campo dentro

do material. Está diretamente relacionado com a susceptibilidade elétrica.

Quando um material condutor isolado for mergulhado em um campo elétrico externo seus elétrons livres se rearranjam formando uma carga superficial de tal forma a anular o campo elétrico no seu interior. Se procedermos da mesma forma, porém, com um material isolante (dielétrico), devido a sua pequena concentração de elétrons livres, o campo elétrico no seu interior não será totalmente anulado. Isto ocorre devido à polarização das moléculas (dipolos elétricos) do material isolante formando também uma carga superficial.

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Rigidez dielétrica: Corresponde ao valor limite de tensão aplicada sobre a espessura do material (kV/mm), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante. No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 x 106 N/C, assim, quando um campo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele deixa de ser isolante e torna-se condutor. O valor da rigidez dielétrica varia de um material para outro e depende de diversos fatores como: · Temperatura. · Espessura do dielétrico. · Tempo de aplicação da diferença de potencial · Taxa de crescimento da tensão. · Para um gás, a pressão é fator importante.