Propriedades e Aplicações de Materiais Elétricos

Capítulo 1

Comente sobre as propriedades mais importantes dos materiais condutores, isolantes e magnéticos.

• Condutores: São materiais que têm como característica a fácil circulação de corrente quando o material for submetido a uma DDP (Diferença de Potencial). Têm uma grande concentração de elétrons livres.
• Isolantes: São materiais que têm como característica a dificuldade de circulação de corrente elétrica quando o material é submetido a uma DDP. Têm uma pequena concentração de elétrons livres.
• Magnéticos: Os materiais magnéticos podem apresentar diferentes características: podem concentrar as linhas de campo, podem repelir as linhas de campo ou não apresentar nenhuma reação às linhas de campo.

Dê exemplos de materiais usados em dispositivos elétricos que levam em conta seu estado físico.

• Sólido: Fabricação de fios, cabos e barramentos, dielétricos em capacitores, isoladores, estruturas de suporte, núcleos magnéticos.
• Líquido: Soluções iônicas em baterias, isolantes em transformadores, tintas e vernizes isolantes, isolantes líquidos de cabos.

O que é a massa específica e densidade?

A massa específica de um material é a relação entre sua massa por seu volume.

A densidade de um material é a relação entre o peso dessa substância e o peso de igual volume de água. Representa, então, o número de vezes que tal substância é mais pesada que a água.

Defina resistência mecânica, ductilidade, maleabilidade, dureza e tenacidade.

• Resistência mecânica: É a medida de oposição que um material oferece quando submetido a tensões mecânicas de ruptura para esforços de tração, compressão e cisilhamento.
• Ductilidade: É a capacidade do material de sofrer deformações permanentes, numa só direção, sem se romper.
• Maleabilidade: Ou plasticidade, é a capacidade do material de sofrer deformações permanentes em determinadas direções sem ruptura e com pouco gasto de energia.
• Dureza: É a capacidade de um material de resistir à penetração ou ser riscado.
• Tenacidade: É a capacidade de um material de resistir a grandes tensões juntamente com grandes deformações, sem rupturas, ou ainda a resistência que os corpos opõem ao choque.

Explique a curva tensão x deformação que caracteriza a elasticidade de um material.

• A -> B: Nesta região é mostrada a deformação elástica. Os átomos do material mantêm suas posições relativas e, portanto, essa deformação desaparece quando a tensão é removida.
• Ponto B: O ponto B é a maior tensão que o material suporta sem sofrer deformações após o alívio de carga. Esta região é regida pela Lei de Hooke: “Para pequenas deformações, a tensão é proporcional à deformação”.
• B -> E: Conhecida como deformação plástica permanente, ocorre o deslocamento permanente dos átomos constituintes do material, provocado por tensões além do limite de elasticidade (B).
• B -> C: Ocorre o chamado escoamento, caracterizado pelo aumento de deformação sem o aumento de tensão.
• C -> D: Ocorre o chamado encruamento, caracterizado por um novo ganho de resistência do material após o escoamento.
• D -> E: Ocorre a estricção, que é a redução na área da seção transversal do corpo imediatamente antes da ruptura. O ponto D representa a maior tensão que o material é capaz de suportar.

Comente sobre dilatação térmica, condutividade térmica e calor específico dos materiais.

• Dilatação Térmica: Expressa a capacidade do material de modificar suas dimensões físicas quando o mesmo é submetido a uma variação de temperatura.
• Condutividade Térmica: É o fluxo de calor em um material quando este é submetido a uma diferença de temperatura, ocorrendo a transferência de energia térmica de uma maior para uma menor temperatura.
• Calor Específico: É a propriedade que expressa a capacidade de um corpo de absorver calor.

O que é corrosão? Como ocorre e quais os mecanismos para o seu controle?

Corrosão: É a alteração, por reação química ou eletroquímica, da superfície de um material. Ela ocorre quando um material entra em contato com um solvente, o que é denominado corrosão por oxidação. Também temos a corrosão por oxidação eletroquímica, que é a remoção de elétrons de átomos imersos num meio favorável à reação.

Tipos de controle de corrosão:

• Proteção por isolamento: Recobre-se o material a ser protegido com outro que não é atacado pelo meio.
• Proteção por passivação: Adicionam-se ao material a ser protegido outros materiais que o deixam resistente à corrosão.
• Proteção catódica: Utilizam-se materiais com maior potencial de oxidação para proteger os de menor potencial.

Como ocorre a reflexão total interna em uma fibra óptica?

Uma fibra óptica é formada basicamente por uma camada interna chamada núcleo, envolvido por uma camada de material menos refringente que o núcleo, chamada casca, e ambos são protegidos por uma capa de material, geralmente polímero, para proteger a fibra de choques mecânicos. A reflexão interna total ocorre na dioptria núcleo-casca.

Comente sobre o fator Custo dos Materiais.

O fator técnico deve ser avaliado junto com o fator custo. Um produto de menor custo final, mas que atende às especificações e exigências mínimas do mercado, tem maior chance de ser comercialmente competitivo.

Capítulo 3

1) Explique o que é um material condutor e enumere pelo menos três características de cada condutor estudado.

Os materiais condutores são materiais que possuem uma grande quantidade de elétrons livres; a qualidade desses materiais reside na capacidade de conduzir corrente elétrica com facilidade. Os materiais condutores se caracterizam por uma elevada condutividade elétrica, possuem grande capacidade de deformação e alta condutividade térmica.

2) O que é grafita? Cite algumas propriedades e aplicações.

A grafita é um material constituído pelo elemento químico carbono num arranjo cristalino, conhecida como carvão para fins elétricos. É um material não metálico, mas que apresenta qualidades condutoras e baixa resistividade, que varia inversamente proporcional à temperatura. O material é obtido via grafita natural ou antracito, que é reduzido a pó, compactado e exposto a altas temperaturas via corrente elétrica. Também pode ser obtida via carvão, onde o nome do processo é grafitização. Ela é muito utilizada na construção de resistores, potenciômetros (resistores variáveis), eletrodos, fornos ou para descargas luminosas. É amplamente usada como comutador de escovas coletoras de motores.

3) Qual a razão de se fabricar ligas metálicas? Qual a finalidade das ligas resistivas?

Fabricam-se ligas metálicas quando se necessita de características diferentes dos materiais originais. Isso permite acesso a propriedades como dureza, maleabilidade, ductilidade, condutividade elétrica e térmica, resistência à tração e corrosão, etc. A necessidade do emprego de ligas resistivas se dá quando precisamos transformar energia elétrica em energia térmica, provocar quedas de tensão ou controlar o nível de corrente elétrica.

4) Exponha os problemas que podem ocorrer em peças de contato.

Todos os dispositivos de comando, controle e regulação são baseados em peças de contato. Estas últimas são dispositivos mecânicos formados de partes fixas e móveis, de mesmo material ou não, empregados nos contatos elétricos. Os materiais usados na fabricação destas peças devem satisfazer as condições de perfeito funcionamento. Estas peças estão sujeitas a problemas como: resistência de contato, aparecimento de arcos voltaicos na manobra de circuitos, ambientes corrosivos, desgastes e corrosão galvânica.

5) Comente sobre os resistores (o que são, características e tipos).

Resistor é o dispositivo feito de materiais resistivos com suporte cerâmico e isolação, o mais simples da eletrônica, que tem a característica de dissipar energia em forma de calor. É usado em circuitos eletrônicos para queda de tensão ou desvio de corrente elétrica. Existem três tipos de resistores: os fixos, os variáveis e os ajustáveis.

6) O que são fusíveis? Quais são os seus tipos?

Os fusíveis são dispositivos de proteção de circuitos elétricos contra sobrecorrentes e/ou curtos-circuitos. O elemento principal dos fusíveis é o elo fusível, que, pela fusão do seu corpo, interrompe a corrente elétrica. Existem vários tipos de fusíveis, dentre eles: de rolha, de cartucho, tipo faca, diazed, de cartucho para altas tensões e para circuitos eletrônicos.

7) O que é um bimetal? Qual o seu princípio de funcionamento?

O bimetal é um artefato empregado como sensor térmico na construção de termorrelés, termostatos, disjuntores térmicos, etc., para aplicação em circuitos de controle, proteção e regulação. Quando um bimetal é submetido a uma elevação de temperatura, ocorre uma dilatação diferencial entre os dois metais devido à diferença de coeficientes de dilatação térmica; o metal de maior coeficiente, por se dilatar mais que o de menor coeficiente, provoca um encurvamento na peça. Este fenômeno é aproveitado em instalações elétricas para abrir ou fechar contatos com fins de proteção ou controle.

8) Comente sobre fios e cabos condutores.

Fios e cabos elétricos são os dispositivos utilizados como meio condutor para o transporte de energia elétrica entre dois pontos de um circuito ou equipamento elétrico. É usada uma vasta quantidade de materiais para a construção de condutores, isolados ou não, como: cobre, alumínio, prata e suas ligas, PVC, poliestireno, EPR, borracha butílica, amianto, teflon, cerâmicas, náilon, gás SF6 e as fibras orgânicas.

9) O que é condutividade? Comente sobre os fatores que influenciam na resistividade de um condutor.

Condutividade elétrica é a propriedade que quantifica a facilidade com que os elétrons podem fluir por um material condutor, gerando fluxo de elétrons após a aplicação de uma DDP. A condutividade é inversamente proporcional à resistividade de um material. Há vários fatores que influenciam a resistividade, tais como: pureza, deformação, temperatura, frequência e a corrente.

10) Explique o que é a barreira de potencial de superfície de um material.

Barreira de potencial é a energia adicional suficiente que um elétron necessita para ultrapassar as barreiras potenciais de superfície do material.

11) O que é o nível de Fermi de um material?

Nível de Fermi é o nível de energia hipotético, característico do material.

12) Explique o que é a função trabalho de superfície de um material.

É definida como a energia mínima necessária para retirar um elétron da estrutura de um material a 0K.

13) Como se forma uma carga espacial?

Os elétrons que escaparam da superfície condutora são atraídos pelo condutor. Como elétrons são emitidos e absorvidos, forma-se na vizinhança do emissor uma "nuvem" de carga negativa, chamada carga espacial.

14) O que é a emissão termiônica?

Com o aumento de temperatura, a distribuição dos elétrons nos estados de energia disponível dos metais começa a se estender até níveis bem acima do de Fermi destes materiais. Assim, em temperaturas suficientemente altas, alguns destes elétrons podem adquirir energia no mínimo igual ou maior que a energia da barreira de potencial do metal e, em consequência, sair do material. Tal efeito é chamado Emissão Termiônica.

15) O que é a emissão fotoelétrica? Comente sobre sua aplicação em dispositivos elétricos.

Quando um fóton colide com um elétron na superfície de um metal, ele pode transferir sua energia ao elétron, deixando de existir. Se a energia obtida for suficiente para vencer a barreira de potencial, ela pode permitir ao elétron escapar da superfície do metal. Esse fenômeno é chamado Emissão ou Efeito Fotoelétrico. O efeito é usado amplamente por LEDs para sinalização ou para controle de circuitos de iluminação (fotocélula).

16) O que é o potencial de contato? Como ele surge?

O fenômeno do aparecimento de uma diferença de potencial na fronteira entre dois metais conectados é chamado de Potencial de Contato. Os elétrons situados acima do nível de Fermi de um metal A podem migrar para níveis de energia acima do nível de Fermi de um outro metal B. À medida que os elétrons passam de A para B, esvaziam-se os níveis superiores do metal A, que se torna positivamente carregado, e preenchem-se os níveis superiores do metal B, que se torna negativamente carregado. O processo continua até que os níveis de maior energia preenchidos de A e B sejam os mesmos, atingindo-se um equilíbrio.

Outra explicação para este equilíbrio é que, devido ao acúmulo de carga negativa no material B, surge um campo elétrico retardador de A para B, que reduz a zero os deslocamentos de elétrons de A para B quando certo valor do campo é atingido. O resultado é o surgimento de uma DDP entre os dois metais devido ao referido campo elétrico criado.

17) Explique o que são emissão secundária e de campo.

Emissão Secundária é a ejeção de elétrons de um material como resultado do bombardeamento e choque de outros elétrons sobre o material. Emissão de Campo ocorre quando um campo elétrico acelerante muito intenso é aplicado a um cátodo (mesmo a baixa temperatura), tornando sua barreira de potencial tão fraca que os elétrons do material são acelerados por este campo, difundem-se pela barreira e conseguem ser ejetados.

18) Comente sobre os efeitos da termoeletricidade. O que é o termopar? Comente sobre a supercondutividade.

Termoeletricidade é a capacidade de se produzir tensões e correntes elétricas em metais por meios puramente térmicos. Ela se manifesta através dos efeitos Thomson, Peltier e Seebeck, que transformam energia térmica em elétrica, vindo os metais a se constituírem em um transdutor tipo termoelétrico.

Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de medição. Um termopar é constituído de dois metais distintos que, unidos por sua extremidade, formam um circuito fechado.

A supercondutividade é a ausência de resistividade elétrica apresentada por determinadas substâncias quando sua temperatura atinge valores inferiores a um determinado valor (temperatura crítica) característico da substância, chegando a uma temperatura "ideal" para condução de corrente elétrica.