Instituto de Cincia e Tecnologia LTDAInstituto Galileo de Ensino SuperiorCurso: Engenharia EltricaDisciplina: Materiais Eltricos

II PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

1. Introduo2. Ligaes Qumicas (Reviso)

- Ligao Inica - Ligao Covalente- Ligao Metlica - Ligaes Secundrias

3. Propriedades Fsicas3. Propriedades Fsicas- Massa, Volume e Densidade- Estado Fsico

4. Propriedades Eltricas e Magnticas- Condutividade e Resistividade Eltrica - Resistncia e Condutncia Eltrica- Permissividade Dieltrica- Rigidez Dieltrica

1 - INTRODUO:

- Progresso na engenharia e cincia dos materiais:- Desafios tecnolgicos e consideraes sobreimpactos ambientais.

- Problemas envolvendo a seleo de materiais:- Situaes diferentes e necessidade deconhecimentos gerais e condies a que estosujeitos.

Qualquer material selecionado precisa possuir propriedadesconsistentes com as condies de servio:

necessrio considerar os efeitos das mudanas destascondies para fora dos limites da normalidade;

Lista de materiais possveis:- Eliminao em funo das caractersticas no- Eliminao em funo das caractersticas no

adequadas em relao s propriedades, falta de seguranaou custo.

- Necessidade de tratar os materiais de maneiraapropriada (trmica ou quimicamente), mudar o ambiente deservio, produzir uma liga que tenha os efeitos especficosdesejados, etc.

TOMO

De uma forma simplificada, um tomo de um certo elementopode ser considerado como sendo uma combinao de prtonse nutrons em um ncleo circundado por eltrons.

Como a massa de um eltron 0,0005 da massa de um prtonou de um nutron, a massa total de um tomo aproximadamente proporcional ao nmero de prtons enutrons no ncleo.nutrons no ncleo.

As atraes interatmicas, foras que mantmos tomos unidos, esto relacionadas estrutura eletrnica dos tomos.

Nos gases nobres existe apenas uma pequenaNos gases nobres existe apenas uma pequenaatrao pelos outros tomos porque elespossuem um arranjo muito estvel de oitoeltrons (2 para o He) na sua camada maisexterna.

A maior parte dos outros elementos, aocontrrio dos gases nobres, deveadquirir a configurao altamenteestvel de oito eltrons na camadamais externa, atravs de um dosmais externa, atravs de um dosseguintes mecanismos:

recebendo eltrons, perdendo eltrons, compartilhando eltrons.

2 - Ligaes Qumicas - Reviso

- Ligao Inica - Ligao Covalente- Ligao Covalente- Ligao Metlica - Ligaes Secundrias

Ligao Inica

a unio entre tomos, depois que um tomo transferedefinitivamente um, dois ou mais eltrons a outro tomo.

tomos de elementos como o sdio e clcio, com um edois eltrons na camada de valncia, respectivamente,perdem facilmente estes eltrons externos.

Por outro lado, os tomos de cloro e oxignio facilmenterecebem um ou dois eltrons na camada mais externa,respectivamente, de modo a completar oito eltrons nestacamada.

fora que o tomo tem de capturar eltrons dos outros,damos o nome de eletronegatividade.

Assim um tomo fortemente eletronegativo quando temfacilidade em capturar os eltrons dos outros.

A ligao inica , em geral, bastante forte e mantm osons firmemente presos no reticulado. Por isso, oscompostos inicos so slidos e, em geral, tm ponto defuso e ponto de ebulio elevados.

importante salientar que os compostos inicos podemconduzir corrente eltrica, pois so formados por onsconduzir corrente eltrica, pois so formados por onspositivos e negativos.

A ligao inica ocorre, em geral, entre tomos de metaiscom tomos de no-metais.

Ligao Covalente

Ou covalncia, a unio entre tomos estabelecida porpares de eltrons.

A ligao covalente quando os dois tomos apresentam atendncia de ganhar eltrons.tendncia de ganhar eltrons.

A ligao covalente aparece entre dois tomos de no-metais, ou semimetais ou, ainda, entre esses elementos e ohidrognio.

Ligaes covalentes normalmente ocorrem entre tomos comeletronegatividades similares e altas (geralmente entre dois no-metais),dos quais remover completamente um eltron requer muita energia.

Ligao Metlica

A ligao metlica outro tipo de atrao interatmica forte.

Se um tomo apresenta apenas uns poucos eltrons devalncia, estes podem ser removidos com relativa facilidade,enquanto que os demais eltrons so firmemente ligados aoenquanto que os demais eltrons so firmemente ligados aoncleo.

Isto origina uma estruturaformada por ons positivos eeltrons livres.

Propriedades dos Metais

Brilho metlico; Condutividade trmica e eltrica elevadas; Densidade elevada; Pontos de fuso e de ebulio elevados ; Pontos de fuso e de ebulio elevados ; Resistncia trao; Maleabilidade; Ductibillidade.

Ligaes Secundrias

Existem tambm foras secundrias que ligam molculasumas s outras.

Estas ligaes so fracas em relao s outras.

Estas foras aparecem a partir dos dipolos atmicos ou Estas foras aparecem a partir dos dipolos atmicos oumoleculares.

Os dipolos eltricos existemsempre que existir algumaassimetria entre as partespositivas e negativas dos tomose molculas.

Dipolo Eltrico

Um dipolo consiste na distribuio desigual de caractersticaseltricas ou magnticas em molculas ou substncias, queleva a que estas se comportem como possuidoras de duascargas iguais, mas de sinal contrrio, a uma dada distnciafinita.finita.

Um dipolo eltrico consiste, assim, num sistema de duascargas de igual intensidade e de sinais opostos, separadasentre si por uma distncia muito curta. O produto entre cadauma das cargas e a distncia que os separa constitui odenominado momento dipolar.

3. Propriedades Fsicas dos Materiais

MASSA:

A massa a magnitude fsica que permite exprimir a quantidade de matria contida num corpo.

No Sistema Internacional, a sua unidade o quilograma (kg).

VOLUME:

quantidade de espao ocupado por um corpo.

No Sistema Internacional, a sua unidade o metro cbico (m).

DENSIDADE:

A densidade corresponde relao massa/volume de uma amostra deum material.

Embora a massa e o volume sejam propriedades extensivas, a razo dosseus valores constante para um determinado material, para um certovalor de temperatura.valor de temperatura.

.

H uma pequena diferena entre densidade e massa especfica.

A massa especfica, embora definida de forma anloga densidade,contudo para um material e no um objeto, propriedade deuma substncia, e no de um objeto.

Supe-se pois que o material seja homogneo e isotrpico ao longo detodo o volume considerado para o clculo, e que este seja macio.todo o volume considerado para o clculo, e que este seja macio.

Um objeto oco pode ter densidade muito diferente da massa especfica domaterial que os compem, a exemplo os navios.

Embora a massa especfica do ao seja maior do que a massa especficada gua, a densidade de um navio - assumido uma estrutura "fechada", certamente menor do que a da gua.

Estado Fsico

- Slido

- Lquido- Lquido

- Gasoso

Estado Slido quando os tomos das molculasconstituintes da matria esto em um estado deagitao baixo, podendo ser concentrados maistomos em um mesmo espao fsico.

A sua forma e volume so fixos.

Em aplicaes eletrotcnicas so usados comoEm aplicaes eletrotcnicas so usados comocondutores na fabricao de fios, cabos ebarramentos (cobre, alumnio e ligas metlicas),dieltricos em capacitores (mica, cermicas eplsticos), isoladores (porcelana, vidro e borracha),estrutura de suporte e ncleos magnticos (ferro esuas ligas), entre outros.

Estado lquido - o corpo mantm a quantidade dematria e aproximadamente o volume; a forma eposio relativa das partculas no se mantm.

particularmente estudado nas reas dahidrosttica e da hidrodinmica.

Em aplicaes eletrotcnicas so usados em relspara contato (mercrio) soluo inica em baterias(eletrlitos), como isolantes em transformadores(leos minerais), tintas e vernizes isolantes, etc.

Estado gasoso - o corpo mantm apenas aquantidade de matria, podendo variar amplamentea forma e o volume. particularmente estudadonas reas da aerosttica e da aerodinmica.

Em aplicaes eletrotcnicas so usadosprincipalmente em lmpadas (neon, vapor de sdio,principalmente em lmpadas (neon, vapor de sdio,vapor de mercrio e fluorescente argnio +mercrio), como meio isolante entre cabos areos(o ar) e cabos subterrneos e disjuntores depotncia (hexafluoreto de enxofre SF6).

Propriedades Eltricas e Magnticas

- Resistividade e Condutividade Eltrica- Resistncia e Condutncia Eltrica- Permissividade Dieltrica- Rigidez Dieltrica- Rigidez Dieltrica- Permeabilidade Magntica

Condutividade e Resistividade Eltrica

A carga eltrica pode ser conduzida por ons oueltrons cuja mobilidade varia para os diferentesmateriais formando um completo espectro deresistividade/condutividade.

RESISTNCIA ELTRICA

PERMISSIVIDADE DIELTRICA

RIGIDEZ DIELTRICA

A rigidez dieltrica o mximo valor de campo eltricoque pode ser aplicado a um material dieltrico sem queeste perca suas propriedades isolantes.

De outra forma, pode-se afirmar que aps um valor de De outra forma, pode-se afirmar que aps um valor detenso, designada por tenso de ruptura, o materialisolante passa a conduzir corrente.

Assim, define-se rigidez dieltrica como a capacidade deresistir tenso sem que haja a citada descarga, conformea distncia entre os dois pontos de aplicao. Este valor dado em V/m.

E = U/d

PERMEABILIDADE MAGNTICA

A permeabilidade magntica, simbolizada pela letra grega, uma grandeza caracterstica de cada material e se

refere sua capacidade em "aceitar" a existncia de linhasde induo em seu interior. Assim, quanto maior for apermeabilidade de um material, mais facilmente se"instalaro" linhas de induo em seu interior."instalaro" linhas de induo em seu interior.

A permeabilidade magntica de um material pode sercomparada condutncia de um corpo: enquanto estaexprime o grau de "facilidade" com que a corrente eltricapercorre este corpo, aquela mede o grau de "facilidade"com que o fluxo magntico se estabelece no interior de ummaterial.

Distribuio das linhas de induo geradas pela corrente i em um enrolamento:(a) com ncleo de ar; (b) com ncleo de material de alta permeabilidademagntica relativa.

Dipolo Eltrico.pdf

DIPLO ELTRICO

Embora os tomos e as molculas sejam eletricamen-te neutros, so afetados pelos campos eltricos, pois tm cargas positivas e negativas.

Em alguns tomos ou molculas, a nuvem de eltron esfericamente simtrica, e o centro de carga est no centro do tomo, e coincide com a carga positiva. Este tomo ou molcula apolar.

Na presena de um campo eltrico externo, o centro da

carga positiva no coincide com o centro da carga

negativa. O campo eltrico exerce uma fora tanto sobre

o ncleo positivo, como na nuvem negativa. As cargas

positiva e negativa se separam. Esta distribuio de carga comporta-se como um

diplo eltrico.

O momento de diplo de um tomo ou molcula apolar num campo eltrico externo chamado momento de diplo induzido.

Se o campo eltrico for no uniforme, haver uma fora eltrica resultante no nula atuando sobre o diplo:

Esta a fora responsvel pela conhecida atrao de pequeninos pedaos de papel por um pente carregado.

Em algumas molculas o centro das cargas positivas no coincide com o centro das cargas negativas, mesmo na ausncia de campos eltricos externos.

Estas molculas so chamadas polares, e possuem momento de diplo permanente.

DIPLO ELTRICO

Como todas as ondas eletromagnticas, as microondas tm um campo eltrico oscilante que provoca a vibrao dos diplos eltricos. A vibrao do momento de diplo eltrico na molcula de gua, em ressonncia com o campo eltrico oscilante das microondas, provoca a absoro de energia desta radiao.

Uma molcula de gua um diplo

eltrico. Na molcula de gua os

tomos de O e H no esto em linha reta, e fazem um ngulo

de 105. Os 10 eltrons da molcula

tendem a permanecer mais prximo do ncleo de oxignio do

que do ncleo de hidrognio. Isto faz com que o "lado do O" seja ligeiramente mais negativo do que

o "lado do H". O momento de diplo resultante aponta ao longo do eixo de simetria da molcula.

O momento de diplo da gua o principal responsvel pela absoro de energia pelos

alimentos colocados num forno microondas.

Quando uma molcula polar colocada num campo eltrico externo uniforme, no h fora resultante, mas aparece um torque que tende a girar a molcula de modo que o diplo se alinhe com o campo.

diplo nula, e o centro de massa do diplo no se move.

No entanto, as foras sobre as extremidades carregadas produzem um torque resultante sobre o diplo em torno de seu

centro de massa. O seu centro de massa est localizado sobre a linha que une as extremidades carregadas, a uma distncia x

de uma das extremidades, e a uma distncia d-x da outra extremidade. A intensidade do torque resultante

UM DIPLO EM UM CAMPO ELTRICO

Num campo eltrico uniforme o diplo sofre a

ao de duas foras iguais e opostas que tendem a girar

o diplo, alinhando o momento de diplo com o

campo eltrico. Como o campo eltrico uniforme,

a fora resultante sobre o

Podemos generalizar,A direo do torque perpendi-cular pgina e o seu sentido para dentro da pgina, como representado pelo smbolo (

Energia potencial de um diplo eltricoA energia potencial de um diplo eltrico pode ser associada

com a orientao do diplo com um campo eltrico.

O diplo possui energia potencial mnima quando est na sua orientao de equilbrio, que ocorre quando p est alinhado

com o campo E, e maior em todas as outras direes.

Girar o diplo exige realizao de trabalho por algum agente externo. Vamos considerar a energia potencial nula quando

= 90, porque simplifica a expresso

Generalizando,

A energia potencial mnima quando = 0 (U = -pE) e mxima quando = 180 (U = pE).

= = 0

U = -W

O CAMPO ELTRICO DEVIDO UM DIPLO ELTRICO

A figura abaixo mostra duas partculas carregadas de intensidade de carga q, de sinais contrrios, separadas por uma distncia d. Esta configurao recebe o nome de diplo eltrico.

Vamos determinar o campo eltrico num ponto P, a uma distncia z do ponto mdio do centro diplo. Aplicando o princpio de superposio para campos eltricos

Em geral, estamos interessados no efeito eltrico de um diplo a distncias que so grandes comparadas com as dimenses do diplo, isto , z >> d. Podemos reescrever o resultado para o campo como

Como d/z

APLICAO: FORNO MICROONDAS

O forno de microondas no fornece calor, ele atua exclusivamente sobre as molculas de gua dos alimentos. Alimentos secos ou recipientes no so aquecidos pelo microondas, embora, com o tempo, o alimento aquecido possa aquecer o recipiente por conduo.

As microondas tm alta capacidade de penetrao nos alimentos, causando a agitao das molculas

e resultando no calor, que possibilita o

cozimento por dentro e no a partir da superfcie,

como ocorre nos fornos convencionais. Alm

disso, no fazem vibrar as molculas de vidro ou

plstico, que no se aquecem no interior do

forno.Como as molculas de

gua dos alimentos tm uma carga eltrica

diferente em seus plos,

giram com a polaridade varivel (direo) do campo eltrico. A frico entre as molculas

giratrias produz calor e assim cozinha os alimentos.

Os recipientes metlicos no podem ser usados num forno de microondas porque o metal refletir as ondas, impedindo que cheguem at o alimento.

Slidos_lquidos_gases.pdf

Estados da Matria

Gases

Molculas muito separadas umas das outras

Lquidos

Molculas esto mais prximas, mas no apresenta uma forma definida

Slidos

Molculas muito prximas, formato definido

Lquidos e Slidos

Estados condensados da matria

As foras de atrao entre as molculas definem as propriedades fsicas da matria