UNIVERSIDADE PAULISTA UNIP ENGENHARIA ELETRICA MATERIAIS ELTRICOS Prof

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA MATERIAIS ELÉTRICOS Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERI S. J. dos Campos 1

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. INTRODUÇÃO 2

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 1 – Introdução aos materiais elétricos A indústria de elétrica e eletrônicos desde sempre teve uma grande necessidade de novos materiais com melhores características e de fácil utilização, como: Grandes avanços como os associados ao desenvolvimento de ligas metálicas, ligas avançadas em geral e materiais cerâmicos, tornaram possível melhorara eficiência e deixar menos consumo dos equipamentos eletrônicos e elétricos; Substituição de novos materiais e o aperfeiçoamento de materiais existentes, bem como da disponibilização de materiais mais leves, mais resistentes, mais tenazes, mais tolerantes aos danos, e/ou mais resistentes a altas temperaturas, recicláveis e fáceis de reparar, para uma nova geração de componentes mais seguros, econômicos e eficientes; 3

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 2 – Necessidade do Estudo dos Materiais Elétricos Materiais: são as substâncias com as quais se produz objetos ou coisas, e os Materiais Elétricos são utilizados na fabricação de máquinas, equipamentos e dispositivos elétricos. O estudo dos Materiais Elétricos permite selecionar esses materiais visando: Aumento da confiabilidade, Redução de custos de fabricação, Redução do custos de manutenção 4

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 3 – Requisitos fundamentais para os profissionais da Área Elétrica Perceber as perspectivas futuras; Entender como as propriedades químicas, elétricas, físicas, térmicas, óticas, mecânicas, a disponibilidade e o custo dos materiais se relacionam no projeto e na seleção; Saber que apesar estão por vir (ex. Sustentabilidade). do avanço das ciências, muitos desafios ainda tudo que se relaciona com Impacto Ambiental e 5

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 4 – Regras práticas para seleção dos materiais elétricos • Conhecimento do material e as condições a que estará sujeito. • Propriedades consistentes com as condições de serviço. • Efeito das mudanças de condições além dos limites normais. • Listagem de todos os materiais possíveis • Eliminação dos materiais de propriedades inadequadas, tais como fratura, corrosão, segurança, alto custo, disponibilidade, etc 6

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 5 – Classificação dos materiais na engenharia Por convenção os materiais na engenharia são classificados, como: 7

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 5. 1 – Materiais metálicos (condutores) Elementos com valência 1, 2 ou 3 Ligação metálica (compartilh. dos elétrons livres) Microestrutura cristalina Dúcteis (alta plasticidade) Rígidos (alto módulo de elasticidade) Tenazes (resistentes a trincas) Encruáveis (endurecem por deformação) Opacos Bons condutores de calor e eletricidade Temperáveis ( mais de uma fase alotrópica) Ligas endurecíveis por precipitação Ativos quimicamente Propagação de discordâncias muito mais fácil Ex: Aços, Ligas de alumínios, ligas de titânios etc. . 8

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 5. 2 – Materiais poliméricos (isolantes) Longas cadeias de moléculas repetidas Ligações covalentes nas cadeias (entre as cadeias é secundária nos Termoplásticos e covalente nos termofixos) Baixa temperatura de fusão ou de decomposição Microestrutura amorfa ou pouco cristalina Pouco rígidos Maus condutores de calor Viscoelásticos e dúcteis acima da temperatura de transição vítrea Pouco densos Bons isolantes elétricos Podem ter boa resistência química e Ótima fabricabilidade Ex: Termoplasticos, Termoelasticos, Elastomeros etc. . 9

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 5. 3 – Materiais cerâmicos (isolantes) Em geral a combinação de metais com não-metais (valência 5, 6 ou 7) Ligação iônica ou covalente estrutura cristalina (complexa) ou vítrea Alta rigidez Alta dureza Frágeis Não encruáveis nem maleáveis Quimicamente estáveis Propagação de discordâncias quase impossível Alto ponto de fusão Isolantes elétricos Maus condutores de calor Ex: Vidros, cerâmicas, carbertos etc. . 10

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 5. 4 – Materiais compósitos (isolantes-condutores) Combinação de dois ou mais materiais cujas propriedades são diferenciadas dos constituintes Formados por dois materiais a nível macroscópico Enorme gama de propriedades Excelentes rigidez e resistência específicas Fibras e matriz cerâmicas resistem a altas temperaturas Baixa densidade Excelente resistência mecânica Ex: Fibras de carbono, Kevlar, Matriz de epoxy, etc 11

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 5. 5 – Materiais semicondutores Liga Pb. Sn. Te Si, Ge, Ga. As Base da indústria eletrônica Todos os componentes eletrônico do computador Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas (dopantes) Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas sob medida São a base da tecnologia de opto-eletronicos-lasers, detetores, circuitos integrados óticos e células solares. Ex: Silício , germânio, boro, carbono, etc 12

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 6 – Classificação dos materiais na tabela periódica 13

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 6 – Classificação dos materiais na tabela periódica 14

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 6 – Classificação dos materiais na tabela periódica 15

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 7 – Classificação dos materiais na engenharia elétrica Divisão do Estudo dos Materiais Elétricos: • Materiais Condutores: São materiais que deixam a corrente elétrica circular livremente por seu interior. Exemplos: Alumínio, Bronze, Cobre, Estanho, etc. • Materiais Dielétricos ou Isolantes: São materiais capazes de prover a separação entre diferentes elementos condutores apresentando grande oposição a passagem de corrente elétrica em seu interior. Exemplos: Borracha, Porcelana, PVC, Papel etc. • Materiais Semicondutores: São materiais que possuem condutividade intermediária entre a dos condutores e isolantes. Exemplos: Germânio, Silício. • Materiais Magnéticos: São materiais que magnéticos. Exemplos: Aço Silício, Alnico e Ferrite de Bário. interagem com campos 16

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 8 – Comportamento elétrico dos materiais 17

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 8 – Comportamento elétrico dos materiais Propriedades dos materiais sólidos - dependem do arranjo geométricos dos átomos - dependem das interações que existem entre os átomos e as moléculas que constituem os sólidos Em materiais sólidos - os átomos são mantidos por ligações Ligações - propiciam resistência - propiciam propriedades elétricas e térmicas dos materiais Ligações fortes - Baixa condutibilidade elétrica - coeficientes de dilatação térmicas bem baixas 19

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 8 – Comportamento elétrico dos materiais Ligação iônica - Ligação forte -> baixa condutibilidade elétrica -> isolante Ligação covalente - Ligação forte -> alta condutibilidade elétrica -> isolante Ligação metálica - Ligação forte -> alta condutibilidade elétrica -> condutor 20

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 8 – Comportamento elétrico dos materiais Classificação das 14 Células Unitárias de Bravais, baseada nos 7 Sistemas Cristalinos 21

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 1. 8 – Comportamento elétrico dos materiais 22

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. CONDUTORES 23

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 1 – Conceituação Os materiais condutores: são caracterizados por diversas grandezas, dentre as quais se destacam: condutividade ou resistividade elétrica, coeficiente de temperatura, condutividade térmica, potencial de contato, comportamento mecânico, etc. Estas grandezas são importantes na escolha adequada dos materiais, uma vez que das mesmas vai depender se estes são capazes de desempenhar as funções que lhe são atribuídas. A escolha do material condutor mais adequado, nem sempre recai naquele de características elétricas mais vantajosas, mas sim, em outro metal ou uma liga, que, apesar de eletricamente menos vantajoso, satisfaz as demais condições de utilização. 24

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 1 – Conceituação Em um átomo neutro o número de elétrons é igual ao número de prótons (o átomo é um sistema eletricamente nulo); Quando há um desequilíbrio, dizemos que o átomo está ionizado; Se apresentar elétrons em excesso, o átomo estará ionizado negativamente, se apresentar falta de elétrons estará ionizado positivamente: Ganham-se elétrons anions (-) Perdem-se elétrons cátions (+) É importante observar que o número de prótons é constante, o que se altera é o número de elétrons, isto é, para ionizar o átomo negativamente colocamos elétrons a mais, e se quisermos ionizar o átomo positivamente, retiramos elétrons. 25

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 2 – Metais como condutores elétricos Em alguns tipos de átomos, especialmente os que compõem os metais - ferro, ouro, platina, cobre, prata e outros, a última órbita eletrônica perde um elétron com grande facilidade, por isso seus elétrons recebem o nome de elétrons livres. Quanto menor for sua orbita, mais fácil de ser retirado o elétron da ultima camada. No interior dos metais os átomos, em todos os sentidos elétrons livres vagueiam por entre os sem direção definida. A condução do fluxo de elétrons livres, ou a circulação de uma corrente elétrica é notada tanto em materiais sólidos quanto nos líquidos, e, sob condições favoráveis, também nos gasosos. 26

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 2 – Metais como condutores elétricos 27

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 2 – Metais como condutores elétricos Os átomos dos elementos correspondentes às substâncias condutoras perdem espontaneamente elétrons do último nível energético dando origem a um íon positivo e a um ou mais elétrons livres. A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está mostrada na figura onde vemos íons positivos envolvidos por elétrons livres em movimento aleatório. 28

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 2 – Metais como condutores elétricos 29

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 2 – Metais como condutores elétricos Sob o ponto de vista prático, a maioria dos materiais condutores são sólidos, e dentro desse grupo, ressaltam-se, os metais que, devido à facilidade de fornecer elétrons livres, são usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos; No grupo dos líquidos, vale mencionar os metais em estados de fusão, eletrólitos e as soluções de ácidos, de bases e de sais. Quanto aos gasosos, estes adquirem características condutoras sob a ação de campos muito intensos, quando então se podem ionizar. É o caso das descargas através de meios gasosos, conhecido por plasma, normalmente, os gases, mesmo os de origem metálica, não podem ser utilizados nem considerados como condutores. 30

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 3 – Materiais de elevada condutividade Os materiais condutores caracterizam-se por uma elevada condutividade elétrica. Possuem também grande capacidade de deformação, moldagem e condutividade térmica. Com exceção do mercúrio e dos eletrólitos, que são condutores líquidos, e do plasma (gás ionizado) que é gasoso, os materiais condutores são geralmente sólidos e, neste caso, incluem-se os metais, suas ligas e não-metais como o carvão, carbono e grafite. 31

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 3 – Materiais como condutores elétricos Exemplos de bons condutores: Metais (como o cobre, alumínio, ferro, etc. ) usados para enrolamentos de máquinas elétricas e transformadores, etc. Ligas metálicas usadas para fabricação de resistências, aparelhos de calefação, filamentos para lâmpadas incandescentes, etc. Grafite; Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido sulfúrico. etc. ); Água da torneira, água salgada, água ionizada (como, por exemplo, as das piscinas); Corpo humano; Ar úmido. 32

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade Vejamos alguns dos metais mais utilizados na área de Engenharia Elétrica: 2. 4. 1 Cobre e suas Ligas • O cobre tem cor avermelhada característica, o que o distingue de outros metais, que, com exceção do ouro, são geralmente cinzentos, com diversas tonalidades. • O valor da condutividade informa sobre o grau de pureza do cobre, ou seja, condutividade elétrica do cobre é muito influenciada na presença de impurezas, mesmo em pequenas quantidades. • O principal minério de cobre é o Cu. Fe. S 2, vindo a seguir o Cu 2 S, o Cu 3 Fe. S 3, o Cu 2 O e o Cu. CO 3 e Cu(OH)2. • A porcentagem de cobre nesses minérios varia de 3, 5 a 0, 5 %. 33

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade • As principais jazidas se localizam no Congo, Rodésia do Norte, Estados Unidos da América, Austrália, Espanha, Suécia, Noruega e Chile. Destaque-se então que a condutividade elétrica do cobre é muito influenciada na presença de impurezas, mesmo em pequenas quantidades. A resistividade do cobre a 20 o. C é de: ρcu = 1, 7241μ cm 2/cm e seu coeficiente de termo resistividade vale: α = 0. 00393/ºC. 34

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 1. 2 Processo de obtenção: Os processos de obtenção se classificam em processo seco e por via umída. Processo seco. Após a eliminação parcial do enxofre, efetua-se uma redução em fornos de fusão, através de carvão e aditivos ácidos que irão absorver grande parte do ferro. 2 Cu 2 O + Cu 2 S 6 Cu + 502 Por via úmida. Minérios pobres em cobre são industrializados por um processo úmido. Aplicando-se ao minério uma solução de enxofre, obtém-se uma solução de sulfato de cobre, da qual o cobre é deslocado pela ação do ferro. o processo eletrolítico de se obter o cobre, representado por mais de 90 % de todo o cobre obtido mundialmente. 35

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 1. 2 Processo de purificação: A pureza do cobre para fins elétricos deve atingir valores de 99, 99 %. O cobre é transformado em placas anódicas e inserido num processo eletrolítico. O catodo é formado de chapas de cobre ultra puras e o eletrólito de uma solução de sulfato de cobre com acidificação por enxofre. Durante o processo eletrolítico, todo o cobre do anodo se transfere ao catodo, ficando as impurezas, como Fe, Ni, Co e Zn, retidas no eletrólito. Havendo, entre as impurezas, metais nobres como Ag, Au e Pt, estes se depositam no fundo da cuba eletrolítica, fazendo parte da chamada "lama do anodo". O cobre eletrolítico assim obtido não pode ser laminado, havendo, portanto, necessidade de sua fusão, daí resultando os lingotes, próprios 37 para a industrialização.

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 1. 3 Aplicações do Cobre: Em função de suas propriedades, o cobre, nas suas diversas formas puras, tem determinadas suas aplicações. O cobre encruado ou duro é usado nos casos em que se exige elevada dureza, resistência à tração e pequeno desgaste, como no caso de redes aéreas de cabo nu em tração elétrica, particularmente, para fios telefônicos, para peças de contato e para anéis coletores. Em todos os demais casos, principalmente em enrolamentos, barramentos e cabos isolados, se usa o cobre mole ou recozido. 39

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 1. 4 Ligas de Cobre: A escolha de uma liga deve considerar também os aspectos econômicos. A adição de certos elementos (por exemplo, o níquel e o estanho) pode aumentar o preço da liga, aumentando certas propriedades, ao passo que, a presença de outros elementos (zinco, chumbo) permite abaixar o preço sem redução notável de características técnicas. Existem 3 grupos básicos de ligas: Latões: ligas Cu-Zn (existem ainda os latões de chumbo, Cu -Zn-Pb, de estanho, Cu-Zn-Sn. . . Bronzes: ligas Cu-Sn (existem ainda os bronzes de alumínio, Cu-Al, de silício, Cu-Si, de berílio, Cu-Be) Cuproníqueis: ligas de Cu-Ni 40

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 2 Alumínio e suas Ligas O alumínio é o segundo metal mais usado na eletricidade, havendo nos últimos anos uma preocupação permanente em substituir mais e mais as aplicações do cobre pelo alumínio, por motivos econômicos em função de grandes reservas em jazidas (7 % de toda a crosta terrestre é alumínio). Alguns aspectos, baseados principalmente no custo e produção nacional maior do alumínio, têm levado a crescente preferência pelo alumínio, cujo maior problema é a sua fragilidade mecânica e sua rápida oxidação. Essa rápida oxidação, forma uma fina película de óxido de alumínio e esta película apresenta uma resistência elétrica elevada com uma tensão de ruptura de 100 a 300 V, o que dificulta a soldagem do alumínio, que por essa razão exige pastas especiais. 42

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 2. 1 Obtenção do Alumínio Os principais minérios são a bauxíta (Al 2 O 3. H 20), freqüentemente misturado com impurezas, como o ferro e outros aditivos. Para a obtenção do alumínio, a bauxita é finamente moída, é colocada numa solução concentrada de sódio sob pressão e a uma temperatura de 160 a 170 0 C. Nessa fase, o alumínio do minério se transforma em aluminato de sódio, eliminando o ferro e outros aditivos na forma de uma lama. É feita a filtragem, sendo depois a solução do aluminato com hidróxido de alumínio puro cristalizado, quando então o alumínio dissolvido se separa na forma de Al(OH)3, que, , resulta em Al 203 puro. 44

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade Finalmente o óxido de alumínio é aplicado o processo eletrolítico. O anodo é um eletrodo de carbono; o catodo é a cuba de aço revestida com carbono internamente. O alumínio é o meio líquido, em fusão, que ficará sob a ação de uma tensão elétrica de aproximadamente 6 V e a corrente de 10 k. A a 30 k. A. O alumínio que se deposita no catodo é pouco mais pesado que o eletrólito em fusão, o que faz com que se deposite no fundo. 45

. . DocumentsDVDVideo. SoftFree. You. Tube. DownloadOctanagem. mp 4 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 2. 3 Aplicações do Alumínio O pequeno peso específico das ligas de alumínio leva, na área eletrotécnica, às seguintes aplicações principais: em equipamento portátil, uma redução de peso; em partes de equipamento elétrico em movimento, redução de massa, da energia cinética e do desgaste por atrito; de peças sujeitas a transporte, maior facilidade nesse transporte, extensiva à montagem dos mesmos; em estruturas de suporte de materiais elétricos (cabos, por exemplo) redução do peso e conseqüente estrutura mais leve; em locais de elevada corrosão, o uso particular de ligas com manganês 46

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 3 Chumbo e suas ligas O chumbo é um metal de coloração cinzenta, com um brilho metálico intenso quando não oxidado. Sua oxidação superficial é, porém bastante rápida. Apresenta elevada resistência contra a ação da água potável, devido à presença de carbonato de chumbo, sal, ácido sulfúrico. Não resiste a vinagre, materiais orgânicos em apodrecimento e cal. O chumbo é atacado pela água destilada. O chumbo é venenoso. Nas aplicações elétricas, é freqüentemente encontrado, reduzido a finas chapas ou folhas, como nas blindagens de cabos com isolamento de papel, acumuladores de chumbo ácido e paredes protetoras contra a ação de raios X. 48

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade Ainda o chumbo é encontrado em elos fusíveis e em material de solda. Nas ligas, o chumbo é encontrado junto com antimônio, telúrio, cádmio, cobre e estanho, adquirindo assim elevada resistência mecânica e à vibração, ficando, porém prejudicada a resistência a corrosão. Suas aplicações mais comuns, são na indústria química e de papel, nas tubulações de águas salinas, mancais anti-fricção, projéteis de armas, usinas de energia nuclear e elemento liga de latões, bronzes e aços (para melhorar a usinabilidade). 49

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 4 Estanho e suas ligas O metal é branco prateado, mole, porém mais duro que o chumbo. Nota-se que a resistividade do estanho é elevada, o que faz esperar um elevado aquecimento perante a passagem de corrente. Utilizado em temperaturas inferiores a 160 o C, o metal apresenta manchas cinzentas, que desaparecem se o metal é novamente aquecido. Ao contrário, se aquecido acima de 180ºC, o material se torna quebradiço e se decompõe na forma de pequenos cristais. À temperatura ambiente normal, o estanho não se oxida, e ácidos diluídos o atacam apenas lentamente. Por isso o estanho é usado para revestimento e está presente em ligas, como no bronze. 50

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade A exemplo do chumbo, o estanho é encontrado como material de solda. O minério de estanho já esta se tornando bastante raro. 51

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 5 Prata e suas ligas É o metal nobre de maior uso industrial, notadamente nas peças de contato. A cor prateada brilhante é característica, escurecendo-se devido ao óxido de prata ou sulfeto de prata que se forma em contato com o ar. Sua obtenção resulta freqüentemente de minérios combinados de prata, cobre e chumbo. A prata, devido às suas características elétricas, químicas e mecânicas, é usada em forma pura ou de liga, cada vez mais em partes condutoras onde uma oxidação ou sulfetação não viria criar problemas mais sérios. 52

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade É o caso de peças de contato, notadamente nas parte em que se dá o contato mecânico entre duas peças. No caso da prata, no seu estado puro, encontra o seu uso nas pastilhas de contato, para correntes relativamente baixas; A prateação, numa espessura de alguns micrometros, é usada para proteger peças de metal mais corrosível. 53

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 6 Ouro e suas ligas Esse metal, que apresenta uma condutividade elétrica bastante boa, destaca-se pela sua estabilidade química e pela conseqüente resistência a oxidação, sulfetação, etc. Também suas características mecânicas são adequadas para uma série de aplicações elétricas, havendo porém a natural limitação devido ao seu preço. O ouro é encontrado eletricamente em peças de contato na área de correntes muito baixas, casos em que qualquer oxidação poderia levar à interrupção elétrica do circuito. E o caso de peças de contato em telecomunicações e eletrônica. Seu uso nesse caso é feito na forma pura, não sendo encontrado em forma de liga, pois esta somente eliminaria as propriedades vantajosas que o ouro apresenta. 54

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 7 Platina e suas ligas Ainda na família dos metais nobres, encontramos a platina, que também é bastante estável quimicamente. É relativamente mole, o que permite uma deformação mecânica fácil, bem como sua redução a folhas, com espessuras de até 0, 0025 mm, ou a fios finos, com diâmetro de até 0, 015 mm ou ainda menores através de processos especiais. Devido às suas propriedades antioxidantes o seu uso elétrico é encontrado particularmente em peças de contato, anodos, fios de aquecimento. É o metal mais adequado para a fabricação de termoelementos e termômetros resistivos (Na faixa de - 200 a + 500 o. C, a platina permite a leitura mais exata da temperatura do que outros metais. A platina a essas temperaturas não sofre transformações estruturais, fazendo com que a resistividade varie na mesma proporção da temperatura. 55

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade 2. 4. 8 Níquel e suas ligas É um metal cinzento claro, com propriedades ferromagnéticas. Puro, é usado em forma gasosa em tubos e para revestimentos de metais de fácil oxidação. É resistente a sais, gases, materiais orgânicos sendo porém sensível à ação do enxofre. O níquel se caracteriza ainda por uma elevada estabilidade de suas propriedades mecânicas, mesmo a temperaturas bem baixas. Magneticamente, o níquel pode ser magnetizado fracamente, não sendo mais magnético acima de 356 o. C (temperatura de Curie). Seu uso resulta assim para fios de eletrodos, anodos, grades, parafusos. 56

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 4 – Materiais de elevada condutividade Aliás, todas as ligas de níquel se identificam por serem resistentes, mecanicamente, e contra a corrosão e por suportarem bem o calor. Nas lâmpadas incandescentes, fios de níquel são usados como alimentadores do filamento de tungstênio (W) devido ao seu comportamento térmico. O seu elevado coeficiente de temperatura o recomenda para termômetros resistivos. A condutividade elétrica do cobre cai rapidamente na presença do níquel, chegando ao seu valor mínimo a 50% de Ni. Assim, ligas de níquel são adequadas na fabricação de resistores, a exemplo do Konstantan. Monel, e outros. 57

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 2. 5 – Propriedades elétricas dos condutores Tabela de condutividade Tabela de resistividade 58

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. PROPRIEDADES ELÉTRICAS E TERMICASDOS CONDUTORES 59

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Porque estudar as propriedades elétricas ? O estudo das propriedades elétricas busca explorar como os materiais respondem a aplicação de um campo elétrico. Corrente elétrica: é o movimento ordenado dos elétrons no interior de um condutor. SÍMBOLO - I (Intensidade de Corrente Elétrica) UNIDADE - AMPÈR (A) Como obter uma corrente elétrica? Para obtermos uma corrente elétrica precisamos de um circuito elétrico e são necessários três elementos: 60

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Corrente elétrica: Num fio metálico condutor, os elétrons livres não estão em repouso e seus movimentos são totalmente desordenados. Para orientá-los estabelece-se entre dois pontos desse condutor uma diferença de potencial (ddp), que origina um campo elétrico (E), responsável pela orientação do movimento desses elétrons livres. Sendo a carga de um elétron negativa, eles se movem em sentido contrário ao do campo elétrico. Observe na figura, que, devido à diferença de potencial (VA – VB), os elétrons livres (portadores de carga) são repelidos pelo pólo negativo , de potencial VB da bateria (gerador) e atraídos pelo pólo positivo VA, deslocando-se no sentido anti-horário 61

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Os átomos dos elementos correspondentes às substâncias condutoras perdem espontaneamente elétrons do último nível energético dando origem a um íon positivo e a um ou mais elétrons livres. A imagem que pode ser feita de um condutor sólido está mostrada na figura onde vemos íons positivos envolvidos por elétrons livres em movimento aleatório. A corrente elétrica nos condutores sólidos é constituída por elétrons livres que se deslocam do potencial mais baixo para o mais alto. 62

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Um átomo possui várias órbitas, cada órbita contém uma quantidade de elétrons. 63

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Condutividade elétrica: quantifica a disponibilidade ou a facilidade de circular corrente elétrica em um meio material submetido a uma diferença de potencial. Sua definição física é dada por: => = n. e. e onde: σ = condutividade elétrica do material (Ω. m-1); n = Concentração de elétrons livres do material (m-3) p = concentração de cargas livres positivas do material (m -3), chamadas lacunas e = carga elétrica elementar = 1, 6022 x 10 -19 C μn = mobilidade dos elétrons livres e das lacunas (m 2/Vs) Geralmente um material condutor, mais perfeito que seja, apresentam inúmeros defeitos, que são classificados por sua dimensionalidade; É usada para especificar o caráter elétrico de um material. 64

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores 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)-1. s= condutividade elétrica (ohm. cm)-1 = resistividade elétrica (ohm. cm) 65

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores A condutividade elétrica nos materiais Metais ≈107 (Ω. m)-1 Isolantes 10 -10 ≤ ≤ 10 -20 (Ω. m)-1 Semicondutores 10 -6 ≤ ≤ 104 (Ω. m)-1 Melhores condutores elétricos são: prata e o cobre 66

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Condutividade elétrica nos metais: A teoria eletrônica clássica supõe-se que o corpo condutor sólido tenha uma cadeia cristalina iônica ou metálica envolvendo os íons, uma nuvem de elétrons livres. A ligação metálica consiste de uma serie de átomos do metal que doam todos seus elétrons de valência para uma nuvem de elétrons que vagueia a estrutura cristalina. Todos os átomos metálicos tornam-se cátions idênticos quando perde elétrons na sua ultima camada eletrônica que mantém unido os átomos de metais é a atração entre as núcleos positivas e o "mar de elétrons” negativos. Deslocados destes pela ação de uma força elétrons através do corpo, estes se chocam cristalino, perdendo energia de deslocamento, e aquecimento do corpo. externa, essa nuvem de com os íons do sistema que se faz notar por um 67

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Quando o metal está sujeito a um campo elétrico externo, os elétrons livres deslocam-se com uma velocidade aproximadamente constante (Va) no sentido oposto ao do campo elétrico, devido à ação da força elétrica e das “forças de atrito” (resultantes dos eventos de espalhamento): Va = e. E vd = e. E A velocidade à deriva Vd representa a velocidade média do elétron no sentido da força imposta pelo campo aplicado. Ela é diretamente proporcional ao campo elétrico. A constante de proporcionalidade e e é denominada mobilidade do elétron, suas unidades são metros quadrados por volt-segundo (m 2/V-s). Deslocados destes pela ação de uma força elétrons através do corpo, estes se chocam cristalino, perdendo energia de deslocamento, e aquecimento do corpo. externa, essa nuvem de com os íons do sistema que se faz notar por um 68

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Condutividade elétrica nos metais: Essa energia de deslocamento, que se faz notar por um aquecimento do corpo, pode ser relacionada com a equação de transformação de energia e é chamada lei de Joule-Lenz, dada por: W= . E 2, (1) onde: W = quantidade de energia transmitida pela nuvem de elétrons por unidade de tempo, E = campo elétrico aplicado, g= condutividade elétrica. Por outro lado, relacionando a densidade de corrente com a resistividade e o campo elétrico, tem-se i = . E, onde i = densidade de corrente. (2) 69

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Resistividade elétrica: Resistividade elétrica (também resistência elétrica específica) 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. A unidade SI da resistividade é o ohm metro (Ω. m). A resistividade elétrica depende da temperatura. Por exemplo, nos materiais condutores a resistividade aumenta com o aumento da temperatura e nos isolantes diminui. = resistividade A = área da secção L = comprimento 70

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Classificação geral Baseado no valor da resistividade, os materiais se classificam em: materiais condutores, l 0 -2 a 10 . mm 2/m, materiais semicondutores, 10 a 1012 . mm 2/m; materiais isolantes, 1012 a l 024 . mm 2/m. Realmente, a diferença estrutural entre os materiais é uma das principais razões do seu comportamento tão diverso, motivo pelo qual torna-se necessário estudar a própria estrutura molecular do corpo, e as suas características de ionização e de excitação. 71

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores As cargas elétricas deslocam-se sob a forma de corrente elétrica através das diferentes substâncias, mas sob aspectos diversos. Chama-se de resistência a maior ou menor dificuldade que opõe um condutor à passagem de corrente elétrica, cuja unidade é o Ohm ( ). A resistência elétrica R obedece a 1 lei de Ohm (U=R. I) e pode ser entendida como a avaliação quantitativa da resistividade, pois depende da geometria do material. Fazendo-se um estudo dos fatores que determinam a resistência, estabeleceu-se pela lei de Ohm que U = R. I (1) (1 ª Lei) Onde u = diferença de potencial elétrico R = resistência elétrica I = intensidade de corrente elétrica 72

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Por outro lado, sendo N o número de elétrons livres por unidade de volume de material, elétrons estes que se deslocam a uma velocidade vd através de uma seção A, e sendo e a carga de um elétron, a corrente elétrica i será: i = N. e. vd. A (2) Se, por outro lado, um condutor de comprimento l está sob a ação de uma diferença de potencial U, a intensidade de campo elétrico E será: (3) além disso, ou (4) 73

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores onde mobilidade do elétron. Substituindo (4) o valor (2), temos: (5) e usando a eq. (1), temos: (6) simplificando R, l O quociente (7) é denominado de resistividade : (2ª Lei) onde = resistividade elétrica do material (. cm), R = resistência elétrica ( ) A = seção transversal (cm 2) l = comprimento do corpo condutor (cm) 74

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores A corrente elétrica é o movimento ordenado dos portadores de carga elétrica. Assim, todos os fatores que dificultam a movimentação dos portadores contribuem para a resistividade do material. Matematicamente, a resistividade total de um material metálico é a soma de três contribuições. 75

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Efeito da temperatura sobre a resistividade elétrica de metais Com o aumento da temperatura, aumentam as amplitudes das vibrações cristalinas, aumentando o espalhamento dos elétrons. Elétron Para metais puros e muitas ligas, t = 0. (1 + . T) 0, = constantes especificas para cada metal 77

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Efeito da impureza sobre a resistividade elétrica de metais A presença de impurezas deforma a rede cristalina, aumentando o espalhamento dos elétrons. Em termos da concentração ci (%at) da impureza, i =Aci. (1 -ci) A = constante independente da composição e função tanto do metal de impureza quanto do hospedeiro 78

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Efeito dos defeitos sobre a resistividade elétrica de metais Para formar defeitos é necessário dispor de energia; Normalmente esta energia é dada na forma de energia térmica, isto é, quanto maior a temperatura maior será sua concentração de defeitos; Para muitos tipos de defeitos vale o seguinte: 79

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Coeficiente de temperatura Um metal quando aquecido aumenta sua amplitude de vibração dos átomos que o constituem, esta agitação interfere no deslocamento dos elétrons periféricos ao longo do corpo condutor. Portanto, em função direta da temperatura, há o aumento da resistência elétrica R do condutor metálico. onde: Ro: resistência do condutor medido a 0 o C Rt: resistência do condutor na temperatura t o: coeficiente de temperatura do condutor a 0 o C 82

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 1 – Propriedades elétricas dos condutores Coeficiente de temperatura Observação 1: Para os metais puros, o coeficiente de temperatura é próximo a 0, 004 1 / 273. Deduz-se disso que a resistência elétrica de um condutor aumenta aproximadamente 10% para cada 25 o C de variação de sua temperatura. Observação 2: Para os metais não puros , ligas metálicas por exemplo, o coeficiente de temperatura tem valor menor que para os metais puros. Para a manganina (liga de 84% de Cu, 12% de Mn, 4% de Ni) o coeficiente de temperatura é praticamente desprezível ( o = 0, 00001), isto é, manganina serve, por isso para a construção de padrões de resistência. 83

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Introdução: Entende-se por “Propriedades Térmicas” a resposta de um material a um estímulo térmico (aumento ou redução de temperatura). O que acontece quando fornecemos calor a um corpo? Variação dimensional Dilatação ou expansão térmica (em aquecimento); Contração (no resfriamento); Calor é absorvido ou transmitido; Transformações de fases. 88

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Todos os corpos possuem energia interna. Esta energia está de certa maneira "armazenada" nos corpos, e vem, entre outras coisas, do movimento ou da vibração dos átomos e moléculas que formam o corpo. Veja a animação abaixo. Os pontinhos vermelhos representam as moléculas de um sólido qualquer. Logicamente este é um exemplo bem simplificado. As vibrações são muito mais rápidas e não ocorrem de maneira tão organizada assim. Nos sólido as moléculas não se locomovem de um lado para outro do material, somente vibram. No caso dos líquidos e gases, as moléculas conseguem, além de vibrar, locomover 89 se de um lado para o outro, principalmente nos gases.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Capacidade térmica molar: quantidade de energia (calor) (J) necessária para aumentar em um grau (K) a temperatura de um mol de um material. Esta propriedade representa a capacidade do material de absorver calor do meio circundante. Na maioria dos sólidos, o conteúdo térmico e a energia vibracional dos átomos estão diretamente relacionados. A contribuição eletrônica para a capacidade térmica é, em geral, insignificante, a não ser para temperaturas próximas a zero graus Kelvin. 90

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Calor especifico de uma substância: Calor específico de uma substância (c ) a razão entre a quantidade de calor que a substância troca e o produto entre a sua massa e a variação de temperatura sofrida. Esta grandeza tem sua unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades ( S. I ) o J / kg. K, porém a mais usada é a cal/ g. o. C Quantidade de calor Massa vezes variação de temperatura CAPACIDADE TÉRMICA ( C ) Depende da massa e da substância CALOR ESPECÍFICO ( c ) Depende apenas da substância 91

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Os fenômenos de transferência de calor de um corpo pode ser medido através da equação da calorimetria: onde: Q quantidade de calor m massa c calor específico T variação de temperatura Observações: T > To T > 0 Q > 0 (calor recebido pelo corpo: o corpo ganha calor) (+) T < To T < 0 Q < 0 (calor cedido pelo corpo: o corpo perde calor) (-) 92

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores A energia vibracional de um material consiste de uma série de ondas elásticas de comprimento de onda muito pequeno e freqüências muito altas, que se propagam através do material com a velocidade do som. A energia vibracional é quantizada, e um quantum desta energia é chamado fônon. O fônon é análogo ao quantum de radiação eletromagnética, o fóton. O espalhamento dos elétrons livres que ocorre durante a condução elétrica é devido às ondas vibracionais. 93

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Fônons = ondas elásticas 94

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Condução térmica: fenômeno pelo qual o calor é transportado em um material de regiões de alta temperatura para regiões de baixa temperatura. Condutividade térmica: capacidade de um material de conduzir calor. A condutividade térmica pode ser definida em termos de: Q/A = fluxo de calor k = condutividade térmica d. T/dx = gradiente de temperatura O calor é transportado de regiões de quentes para regiões frias. A equação acima só é válida quando o fluxo de calor for estacionário (fluxo de calor que não se altera com o tempo) 95

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Mecanismos de condutividade térmica por elétrons (ke) Os elétrons livres que se encontram em regiões quentes ganham energia cinética e migram para regiões mais frias. Em conseqüência de colisões com fônons, parte da energia cinética dos elétrons livres é transferida (na forma de energia vibracional) para os átomos contidos nessas regiões frias, o que resulta em aumento da temperatura. Quanto maior a concentração de elétrons livres, maior a condutividade térmica por fônons (kq) A condução de calor pode ocorrer também através de vibrações da rede atômica. O transporte de energia térmica associada aos fônons se dá na mesma direção das ondas de vibração. 97

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores A condutividade térmica (k) de um material é a soma da condutividade por elétrons (ke) e a por fônons (kq): Transporte de calor = Fônons + elétrons livres k = kf + ke kf ke = condutividade por fônons = condutividade por elétrons 98

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Capacidade térmica Coef. Dilatação condutividade 99

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Condução de calor em metais Metal = grande número de elétrons livres O transporte eletrônico é muito eficiente! Condutividades entre 20 e 400 W/m-K Condução de calor em cerâmicas Cerâmica = isolante (poucos elétrons livres) Condutividade por fônons (pouco eficiente!) Condutividades entre 2 e 50 W/m-K 100

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Condução de calor em polímeros A transferência de calor ocorre através da vibração e da rotação das moléculas das cadeias. A condutividade depende do grau de cristalinidade. Estruturas mais cristalinas têm maiores condutividades. Polímeros, que, em geral, têm condutividades térmicas da ordem de 0, 3 W/m-K, são usados como isolantes térmicos. Ex. PS expandido (isopor). 101

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Condutividade térmica versus temperatura O aumento da temperatura provoca o aumento da energia dos elétrons e das vibrações da rede cristalina. Maior energia dos elétrons = maior número de portadores = maior condutividade Mais vibração da rede = maior contribuição dos fônons = maior condutividade 102

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores DILATAÇÃO TERMICA: Dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento do volume de um corpo ocasionado pela aumento de sua temperatura, o que causa o aumento no grau de agitação de suas moléculas e conseqüente aumento na distância média entre as mesmas. A dilatação ocorre de forma mais significativa nos gases, de forma intermediária nos líquidos e de forma menos explícita nos sólidos, podendose afirmar que: Dilatação nos gases > Dilatação nos líquidos > Dilatação nos sólidos. Nos sólidos, o aumento ou diminuição da temperatura provoca alteração nas dimensões lineares, como também nas dimensões superficiais e volumétricas. 103

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Dilatação Linear dos Sólidos: A maioria dos materiais sólidos se expandem no aquecimento e se contraem no resfriamento. A mudança no comprimento de um material sólido com a temperatura pode ser expressa da seguinte. ou Unidade: cm onde ΔL é a variação do comprimento, ΔL = Lf – L 0. Δt é a variação da temperatura, Δt = Tf – T 0. α é uma constante de proporcionalidade denominada de coeficiente de dilatação linear, e a sua unidade é o °C-1. Cada material tem um coeficiente de dilatação linear próprio, o do 104 alumínio, por exemplo, é 24. 10 -6°C-1.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Exemplo de dilatação linear: os fios de telefone ou luz. Expostos ao Sol nos dias quentes do verão, variam suas temperaturas consideravelmente, fazendo com que o fio se estenda causando um envergamento maior, pois aumenta seu comprimento que passa de um comprimento inicial (L 0) a um comprimento final (Lf). A mesma coisa acontece com o fio de cabelo quando se utiliza a "chapinha" para alisá-lo. Dizemos que a dilatação provocou um aumento no comprimento 105

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Na tabela podemos verificar o valor do coeficiente de dilatação linear de algumas substâncias. 106

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Dilatação Superficial dos Sólidos: Há corpos que podem ser considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é desprezível frente às outras duas, por exemplo, uma chapa. Neste caso, a expansão ocorre nas suas dimensões lineares, ou seja, na área total do corpo. Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação superficial utilizamos a seguinte equação: 107

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação superficial utilizamos a seguinte equação: onde: Unidade: cm 2 ∆S: variação da área da superfície do corpo que sofreu a dilatação superficial. S 0 : área inicial da superfície do corpo. β: coeficiente de dilatação superficial do material que constitui o corpo. É importante saber que o coeficiente de dilatação superficial de um material é igual ao dobro do coeficiente de dilatação linear do mesmo material, ou seja, β = 2α. ∆T: variação de temperatura sofrida pelo corpo. 108

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Dilatação Volumétrica dos Sólidos: É aquela em que predomina a variação em três dimensões, ou seja, a variação do volume do corpo. Imaginemos um paralelepípedo de volume inicial Vo e temperatura inicial To. Ao aquecermos este corpo para uma temperatura t ele passará a ter um novo volume V. Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação superficial utilizamos a seguinte equação: V = V 0 (1 + γ. Δθ) 109

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Para calcularmos a variação da área do corpo que sofreu a dilatação superficial utilizamos a seguinte equação: V = V 0 (1 + γ. Δθ) Unidade: cm 3 Onde: V = volume final V 0 = volume inicial Δθ = θ – θ 0 = variação da temperatura = 3α = coeficiente de dilatação volumétrico Relação entre os coeficientes de dilatação linear, superficial e volumétrica Partindo do coeficiente de dilatação linear ( ) notamos que o coeficiente de dilatação superficial (β) e volumétrica ( ) depende dele, pois 2 é igual a β e 3 é igual a γ, portanto podemos escrever a seguinte relação: 110

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Dilatação nos metais: Os coeficientes lineares de expansão térmica para alguns dos metais comuns variam na faixa de cerca de 5 x 10 -6 e 25 x 10 -6 (o. C)-1. Para algumas aplicações, um alto grau de estabilidade dimensional com flutuação da temperatura é essencial. Isso tem resultado no desenvolvimento de uma família de ligas ferroníquel e ferro-cobalto que têm valores de 1 da ordem de 1 x 10 -6 (o. C)-1. Uma tal liga foi projetada para ter características de expansão iguais àquelas do vidro Pyrex; quando ajuntada ao Pyrex e submetida a variações de temperatura, tensões térmicas e fratura possível na junção são evitadas. 111

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Dilatação nos cerâmicos: baixos coeficientes de entre cerca de 0, 5 x 10 -6 cerâmicos como refletidas nos comparativamente expansão térmica; valores tipicamente variam a 15 x 10 -6 (o. C)-1. Para cerâmicas não cristalinas e também aquelas contendo estruturas cristalinas cúbicas, 1 é isotrópico. Doutro modo, ele é anisotrópico e, de fato, alguns materiais cerâmicos, durante o aquecimento, contraem-se em algumas direções cristalográficas enquanto se expandem em outras. Para vidros inorgânicos, o coeficiente de expansão depende da composição. Sílica fundida (vidro de Si. O 2 de alta pureza) tem uma extremamente pequena expansão térmica, 0, 5 x 10 -6 (o. C)-1. Isso é explicado por uma baixa densidade de empacotamento atômico de maneira que expansão interatômica produz relativamente pequenas variações dimensionais macroscópicas. Adição de impurezas na sílica fundida aumenta o coeficiente de expansão térmica. 112

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 3. 2 – Propriedades térmicas dos condutores Dilatação nos polímeros: Alguns materiais poliméricos experimentam muito grandes expansões térmicas no aquecimento como indicado por coeficientes que variam desde aproximadamente 50 x 10 -6 até 300 x 10 -6 (o. C)-1. Os mais altos valores de 1 são encontrados em polímeros lineares e ramificados porque as ligações intermoleculares secundárias são fracas e existe uma mínima ligação cruzada. Com aumentada ligação cruzada, a magnitude do coeficiente de expansão térmica decresce, os mais baixos coeficientes são encontrados em polímeros reticulares termofixos tais como Baquelita, nos quais a ligação é quase que inteiramente covalente. 113

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. APLICAÇOES DOS CONDUTORES 115

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores Material condutor: é um elemento de baixa resistividade específica, formando objetos de pouca resistência elétrica - imposição a passagem de corrente elétrica. Essa propriedade é comum nos metais e podem ser explicadas pelas suas eletropositividades, característica que facilita a perda de elétrons, ideal para que ocorra o movimento ordenado. Alguns exemplos de aplicações de condutores: 4. 1. 1 Cobre: Possui excelente condutividade elétrica. E apresenta a resistência elétrica mais baixa de todos os metais não-preciosos, e é utilizado de uma forma geral como condutor elétrico, também em cabos subterrâneos, terminais de conexão, revestimento em haste de aterramento e tomadas, . . . 116

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores 4. 1. 2 Alumínio: Por ter uma menor densidade em relação ao cobre, o Alumínio tem uso especial em cabos aéreos, tornado o peso do cabo um o fator decisivo, portanto o alumínio é o mais utilizado, e devido a sua grande condutibilidade térmica e elétrica é utilizado como condutores isolados para eletrotécnica, condensadores, dissipadores e refletores. 118

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores 4. 1. 3 Ouro: Devido à sua boa condutividade elétrica, resistência à corrosão e uma boa combinação de propriedades físicas e químicas, ela é usada para cobrir com uma camada por meio eletrolítico as superfícies de conexões elétricas, para assegurar uma conexão de baixa resistência elétrica e livre do ataque químico do meio. 119

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores 4. 1. 4 Platina: É leve, dúctil, tem um alto ponto de fusão, e tem uma boa resistência contra corrosão e ataques químicos. Por isso é encontrado particularmente em peças de contato, anodos, fios de aquecimento. Sendo o metal mais adequado para a fabricação de termoelementos e termômetros resistivos até 1000 o. C, pois até essas temperaturas não sofre transformações estruturais, fazendo com que a resistividade varie na mesma proporção da temperatura. 120

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores 4. 1. 5 Prata: É o metal nobre de maior uso industrial, notadamente nas peças de contato. A prata, devido às suas características elétricas, químicas e mecânicas é usada em forma pura ou de liga, cada vez mais em partes condutoras aonde uma oxidação ou sulfatação viria criar problemas mais sérios. É o caso de peças de contato, notadamente nas partes em que se dá o contato mecânico entre duas peças e, onde, além de um bom material condutor, é conveniente ter-se um metal que não influa negativamente devido a transformações metálicas, além de soldas, contatos elétricos, baterias de alta capacidade (prata-zinco e prata-cádmio). 121

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores 4. 1. 6 Solda Estanho-Chumbo: A solda para eletrônica também é conhecida como solda 60/40, devido a sua composição de liga de 60% de estanho e 40% de chumbo. Essa composição dá à solda uma boa condução elétrica e um ponto de fusão não muito alto, evitando o superaquecimento de componentes no momento da soldagem. Dentro do fio há um núcleo de resina. O processo de solda consiste em aquecer os componentes a serem soldados e a placa onde serão soldados, se for o caso, com um equipamento denominado ferro de solda. Ao encostar o fio de solda nos componentes aquecidos, o núcleo de resina funde-se primeiro, cobrindo as superfícies a serem soldadas. A liga de solda então funde-se, cobrindo as superfícies, e solidificando-se ao resfriar-se. 122

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores 123

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores 4. 1. 7 Tungstênio: De cor branca acinzentada, brilhante, muito duro e denso, tem o ponto de fusão mais alto de todos os elementos. É utilizado em filamentos de lâmpadas incandescentes, resistências elétricas (elemento aquecedor em fornalhas elétricas), válvulas termiônicas, eletrodos para solda elétrica, e de conexão para circuitos integrados. 124

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 4. 1 – Aplicações do condutores 4. 1. 7 Grafite: Grafite é condutor de eletricidade, e serve como material para eletrodos em fornos a arco elétrico, que transportam energia elétrica para o derretimento da sucata de aço como parte do processo de fundição. Os elétrodos de grafite também são usados em processos de impressão. Eles são revestidos com uma fina camada de cera em impressões, debaixo de uma camada de cobre. Ele dá a conexão elétrica negativa utilizada para a eletrólise. 125

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 1 1) Qual a grande necessidade da indústria elétrica e eletrônica de usar novos materiais com melhores características e de fácil caracterização? 2) Quais são as regras práticas para seleção dos materiais elétricos? 3) Como é feita a classificação dos materiais na engenharia elétrica? 4) Como deve ser o comportamento dos materiais elétricos dos materiais? 5) O que são materiais condutores? 6) Do ponto de vista químico, qual a relação da formação de elétrons livre e a condução elétrica? 7) A boa condutividade elétrica dos metais quando comparado a outros materiais ocorre por que: (A) A carga iônica tem boa mobilidade no reticulado cristalino (B) a condução de eletricidade ocorre devido à difusão; (C) O elétron de Valencia responsável pelas ligações químicas entre os íons positivos tem alta mobilidade no cristal; (D) Todos os elétrons do metal são livres para se movimentar; (E) A movimentação dos elétrons ocorre nos defeitos do reticulado cristalino. 126

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 1 8) O Cobre é um metal muito utilizado devido à alta condutibilidade elétrica e térmica que possui. Pode-se afirmar que: (A) Quanto maior o teor de Oxigênio maior a condutibilidade elétrica. (B) Impurezas em solução sólida diminuem a condutibilidade elétrica. (C) A condutibilidade elétrica é pouco afetada pela presença de impurezas. (D) A condutibilidade elétrica só é afetada pela temperatura. (E)As alternativas (b) e (d) estão ambas corretas. 9) Como é a movimentação dos elétrons livres de um condutor quando se aplica uma ddp? Qual o sentido os elétrons? 10) O que é condutividade elétrica? Qual a faixa de condutividade nos condutores, isolantes e semicondutores? 11) O que é resistividade elétrica? Qual a faixa de resistividade nos condutores, isolantes e semicondutores? 12) Deduza a partir da primeira lei do Ohm a segunda lei da resistividade ( formula da resistividade)? 13) O que diz a regra de Mathiessen com relação o efeito da temperatura, impureza e defeitos? 127

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 1 14) O que é coeficiente de temperatura de um condutor? 15) O que é condutividade térmica? Como é o mecanismo da condutividade térmica por elétrons e fônons? 16) O que é dilatação térmica? E quais os tipos? 17) Pretende-se que corrente de 20 condução mínima um fio de 0, 2 cm de diâmetro por 1 m de comprimento transporte uma A. A potencia máxima dissipada ao longo do fio é de 4 W/s. Calcule a possível do fio em . m. 18) Para que um fio de cobre de pureza comercial possa conduzir uma corrente de 10 A com uma queda de tensão máxima de 0, 4 V/m, qual deve ser o diâmetro mínimo do fio? (Cu comercial = 5, 85. 107 ( . m)-1 19) Calcule a resistividade do cobre puro a 1320 C, usando o coeficiente de temperatura da resistividade do cobre. Dados: 00 C = 1, 6 . m. 128

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 1 20) (ENADE) Em um laboratório de maquinas elétricas de 20 m 2 de área, a tensão máxima disponível é 440 V. Para prevenir o risco de choques elétricos, emprega-se um tapete eletricamente isolante, que cobre todo o chão da sala. A espessura deste tapete foi calculado por um especialista considerando a corrente máxima permitida igual 1 m. A. A resistência do homem é desprezada e a área de contado do usuário com o tapete foi arbitrada em 1000 cm 2. O isolante empregado apresenta resistividade igual a 4, 4 108. cm. e massa especifica igual a 2 g/cm 3. Qual a massa em kg, deste tapete? 21) Uma amostra de fio (1 mm de diâmetro por 1 m de comprimento) de um liga de alumínio é colocada em um circuito elétrico como mostrado na figura abaixo. Uma queda de tensão de 432 m. V é medida entre as extremidades do fio quando este transporta uma corrente de 10 A. Calcule a condutividade dessa liga? 129

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 1 22) Calcule a velocidade de arraste dos elétrons livres no cobre para uma intensidade de campo elétrico de 0, 5 V/m. Dados: Cu = 3, 5. 10 -3 m 2 /V. s 23) Duas barras de 3 metros de alumínio encontram-se separadas por 1 cm á 200 C. Qual deve ser a temperatura para que elas se encostem, considerando que a única direção da dilatação acontecerá no sentido do encontro? Sendo Al 22. 10 -6 0 C-1 24) Uma peça de zinco é constituída a partir de uma chapa de zinco com lados 30 cm, da qual um pedaço de área 500 cm 2. Elevando-se a temperatura de 500 C a temperatura da peça restante, qual será a área final em cm 2 ? Dados: Zn= 2, 5. 10 -5 0 C-1 25) Um paralelepípedo de uma liga de alumínio ( Al 22. 10 -6 0 C-1) tem arestas que, à 00 C, medem 5 cm, 40 cm e 30 cm. De quanto aumenta seu volume ao ser aquecido à temperatura de 100 0 C? 130

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA B 1 131

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. ISOLANTES OU DIELÉTRICOS 132

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 1 – Definição Material Isolante (Dielétricos): materiais isolantes são substâncias em que os elétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicas como os condutores devido a presença de poucos elétrons livres e que resistem ao fluxo dos mesmos (alta resistência elétrica). Um material isolante, quando submetido a um campo elétrico externo, tem seus elétrons deslocados de distancia microscópica e esse fenômeno é chamado de polarização. Portanto, quando acontece esse fenômeno em materiais isolantes, chamamos esses materiais de dielétricos. Dielétrico: é o meio no qual é possível produzir e manter (armazenar) um campo elétrico com pequeno ou nenhum suprimento de energia de fontes externas. A energia requerida para produzir o campo elétrico pode ser recuperada, armazenada e após cessada quando o campo elétrico é removido. 133

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 2 – Polarização Dielétrica Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas partículas elementares, quando sujeitas à ação de um campo elétrico. Devido a essa polarização, os materiais dielétricos são capazes de armazenar energia elétrica. Define-se por polarização um deslocamento reversível dos centros das cargas positivas e negativas na direção do campo elétrico externo aplicado. 134

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 2 – Polarização Dielétrica A polarização de um dielétrico pode ocorrer das duas maneiras: 1) Se o isolante é constituído de átomos, que não apresentam momento dipolar, quando aplicado um campo elétrico externo, ocorre à separação entre o núcleo atômico positivo (fixado na matriz do dielétrico) e a nuvem eletrônica, a qual é deslocada na direção oposta ao campo elétrico aplicado, produzindo dipolos sem dissipar energia. Uma vez eliminado o campo externo, os átomos voltam à sua posição inicial, a polarização desaparece, pois os centros de cada grupo de cargas voltam à situação inicial (equilíbrio). 135

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 2 – Polarização Dielétrica 2) Se o dielétrico for constituído de partículas elementares (elétrons, prótons, etc. ) que por si só já são dipolos (por exemplo, moléculas) que, devido à sua constituição química já são dotados de cargas positivas e negativas, a ação do campo elétrico externo tenderá a orientar as partículas de acordo com a própria orientação do campo externo. Quanto mais intenso é o campo, tanto mais elevado é o trabalho de orientação das partículas elementares, observando-se de modo mais acentuado a elevação de temperatura, devido à transformação do trabalho de orientação em calor. + - + 136

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente a) gasosos: ar – amplamente utilizado como isolante em redes elétricas de transmissão e distribuição; hexafluoreto de enxofre (SF 6) – usado em isolamentos subterrâneos e disjuntores de alta potência (subestações); de cabos b) fibras naturais: papel impregnado em resinas ou óleos, algodão, seda – usados em suportes isolantes e em revestimentos de cabos, capacitores e bobinas; 137

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente c) cerâmicas: óxido de alumínio, titanato de bário, porcelana, etc. – utilizadas basicamente em isoladores de baixa, média e alta tensão, e em capacitores de baixa e alta tensão (elevada constante dielétrica); d) resinas plásticas: Poliéster, polietileno, PVC (Poli Cloreto de Vinila), Teflon, etc. – aplicados em revestimentos de fios e cabos, capacitores e peças isolantes; 138

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente e) líquidos: Óleos (mineral, óleo de silicone – atuam nas áreas de refrigeração e isolação em transformadores e disjuntores a óleo. Também empregados para impregnar papéis usados como dielétricos em capacitores. f) tintas e vernizes: compostos químicos de resinas sintéticas – Têm importante emprego na tecnologia de isolação de componentes eletrônicos como: esmaltação de fios e cabos condutores, isolação de laminados ferromagnéticos, circuitos impressos e proteção geral de superfícies; g) borrachas sintéticas: neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE (Polietileno Reticulado) e borracha butílica – usados como capa protetora de cabos; 139

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente h) mica: material mineral usado em capacitores e em ligações entre transistores de alta potência; i) Vidro e madeira: principal emprego em isoladores de linhas de transmissão. As fibras de vidro são usadas no lugar dos papéis em algumas aplicações. madeira: grande utilização em cruzetas dos postes de distribuição. 140

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 4 – Propriedades elétricas do isolantes 5. 4. 1 Capacitância (C): é a razão entre os módulos de sua carga Q e a diferença de potencial V entre elas. A unidade e Faraday. Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo placa, por exemplo), constituído de duas placas condutoras paralelas de área A separadas por uma distância L onde existe o vácuo ou algum material isolante (Figura), uma das placas torna-se positivamente carregada, e a outra negativamente, com o correspondente campo elétrico aplicado dirigido do terminal positivo para o negativo. Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica. 141

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 4 – Propriedades elétricas do isolantes Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica. 142

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 4 – Propriedades elétricas do isolantes Também pode ser: Q =carga em uma placa A = área da placa l = separação entre placas 0 = 8, 85 x 10 -12 F/m 5. 4. 2 Constante dielétrica (ou permissividade) (ε ou k): é uma propriedade do material isolante utilizado em capacitores que influi na capacitância total do dispositivo. Através da constante dielétrica, pode relacionar a densidade de fluxo elétrico e o campo elétrico do material, quanto maior a constante dielétrica, maior a densidade de fluxo elétrico no material para um mesmo campo elétrico, maior a capacitância. 143

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 4 – Propriedades elétricas do isolantes Da definição da carga Q resulta a propriedade dielétrica conhecida por constante dielétrica relativa, r, dada por; r ou seja, é a razão entre a carga Q, obtida com uma determinada tensão no capacitor que contém um dado dielétrico e a carga Q 0, que é a carga que existiria se os eletrodos estivessem separados pelo vácuo. A constante dielétrica relativa é adimensional. 144

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 4 – Propriedades elétricas do isolantes Compondo estas duas equações, temos, ainda, que Q = . Q 0 = . C 0. V e Temos ainda, para um dado valor de tensão constante, que a constante dielétrica é função de: r Muitos autores adotam outra nomenclatura: chamam permissividade à constante , e constante dielétrica à constante K. É preciso atenção a essa nomenclatura quando se lê um livro de Eletricidade. A constante dielétrica do ar ou do vácuo é dada 0 = 8, 8541878176 x 10 -12 F/m. 145

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 4 – Propriedades elétricas do isolantes 146

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 4 – Propriedades elétricas do isolantes 5. 4. 3 Rigidez Dielétrica: Corresponde ao valor limite de tensão aplicada sobre a espessura do material (k. V/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. Em outras palavras é a intensidade máxima do campo elétrico que um dielétrico pode suportar sem tornar-se um condutor de eletricidade (“ruptura dielétrica”). No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 (k. V/mm), 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. 147

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 5. 4 – Propriedades elétricas do isolantes 148

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. SEMICONDUTORES 149

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 1 – Definição Os semicondutores são os responsáveis por toda a moderna tecnologia eletrônica. Definição: São sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica. Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transistores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nano circuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes. 150

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 2 – Condutividade e resistividade dos semicondutores A condutividade elétrica nos materiais Metais ≈107 (Ω. m)-1 Semicondutores 10 -6 ≤ ≤ 104 (Ω. m)-1 Isolantes 10 -10 ≤ ≤ 10 -20 (Ω. m)-1 A resistividade elétrica nos materiais Metais ≈10 -2 a 10 (Ω. m) Semicondutores 10 ≤ ≤ 1012 (Ω. m) Isolantes 1012 ≤ ≤ 1024 (Ω. m) 151

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 3 – Comportamento dos semicondutores O valor numérico da condutividade é uma característica definida e intermediaria entre condutores e isolantes, e também define o comportamento funcional dos materiais. A condutividade elétrica de um semicondutor é sensivelmente influenciada também por eventuais perturbações da estrutura cristalina, o que, por sua vez, tem fundamental importância nos próprios processos de fabricação dos semicondutores. Tais perturbações podem ser provocadas tanto por irregularidades na estrutura cristalina, pela presença proposital ou acidental de impurezas (intrínseco e extrínsecos). Esse grau de pureza deve atingir a níveis superiores a 10 -4 impurezas por átomo de metal de base, o que bem demonstra a elevada tecnologia necessária na fabricação destes componentes. 152

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 4 – Estrutura dos semicondutores O Na tabela periódica, os principais elementos estão situados na família 4 A Carbono (C), germânio (Ge) e, sendo o mais utilizado, o silício (Si). Os outros elementos podem ser utilizados como semicondutores se encontram nas colunas 3 A, 5 A e 6 A da Tabela Periódica 153

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 4 – Estrutura dos semicondutores Exemplos: Silício (Si), silício-germânio (Si. Ge), arseneto de gálio (Ga. As), sulfeto de cádmio (Cd. S) (liga binária). Podem ser formados até por ligas ternárias ou quaternárias: Al. Ga. As, In. Ga. As. P. 154

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 4 – Estrutura dos semicondutores 155

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 4 – Estrutura dos semicondutores A maioria dos semicondutores são: Cristalinos, mas existem entretanto alguns sólidos amorfos comportamentos semicondutor. Maioria possui estrutura igual à do diamante. Ligações covalentes e iônicas. 156

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 5 – Níveis de energia A maneira com que os elétrons se distribuem nas órbitas em torno do núcleo do átomo não é aleatória. Segue regras bem definidas, que são as mesmas para todos os elementos. Conforme a Teoria Quântica os estados da matéria não variam continuamente, mas sim em pequenos intervalos discretos, chamados quanta. Um elétron em órbita tem uma energia potencial que depende da sua distância até o núcleo e uma energia cinética que depende da sua velocidade. A soma de ambas é a energia total do elétron. Assim, a energia total dos elétron ocupa determinadas órbitas ou níveis de energia determinada por 4 números quânticos. 157

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 6. Números quânticos: é o conjunto de 4 números que identificam um elétron de um átomo. Os números quânticos indicam a energia do elétron no átomo e a região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron. 1. Número quântico principal (n): Identifica o nível de energia do elétron; • • A eletrosfera é dividida em 7 partes chamada camadas eletrônicas ou níveis de energia ; Do núcleo para fora estas camadas são representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. • Os elétrons de um átomo são colocados, inicialmente, nas camadas mais próximas do núcleo 158

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 6. Números quânticos Período ou series: O número do período corresponde à quantidade de níveis (7 camadas) que os elementos químicos apresentam. 159

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 6. Números quânticos • Atualmente, esses níveis são identificados pelo chamado número quântico principal (n) que é um numero inteiro (varia de 1 a 7). 2. Número quântico secundário (l): Identifica o subnível de energia do elétron. • Os subníveis são preenchidos sucessivamente, na ordem crescente de energia, com o número máximo de elétrons possível em cada subnível; • Esses subníveis são identificados pelo chamado numero quântico secundário ou azimutal (l) que assume valores de 0, 1, 2, 3 que são designados pelas letras s, p, d, e f respectivamente. 160

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 6. Números quânticos 3. Número quântico magnético (m): Identifica o orbital (orientação no espaço) do elétron. • • É a região do espaço onde é máxima a probabilidade de se encontrar um determinado elétron. Nesse diagrama, cada orbital e representado simbolicamente por um quadradinho. Através que os subníveis s, p, d, f contêm sucessivamente 1, 3, 5, 7 orbitais; Essas orbitais nessas condições são identificados pelo chamado número quântico magnético (m) e são exemplificados como: 161

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 6. Números quânticos 3. 1 Princípio de exclusão de Pauli: • • Em um mesmo orbital encontraremos, no máximo, 2 elétrons com spins opostos; Em um mesmo átomo, não existem dois elétrons com quatro números quânticos iguais; Em um mesmo orbital os elétrons possuem SPINS opostos 3. 2 Regra de Hund: • Coloca-se um elétron em cada orbital, da esquerda para a direita e, quando todos os orbitais tiverem recebido o primeiro elétron é que colocamos o segundo elétron, com sentido oposto 162

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 6. Números quânticos 4. Número quântico de spin (s): Identifica o spin (rotação do elétron) • • • Cálculos matemáticos provaram que um orbital comporta, no máximo, dois elétrons; Os elétrons podem girar no mesmo sentido ou em sentidos opostos criando campos magnéticos que repelem ou atraem. Essa rotação é chamada de número quântico spin (s) cujos valores são: 163

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 6. Números quânticos Estudos sobre as energias dos subníveis, mostram que: • • O cientista LINUS PAULING criou uma representação gráfica para mostrar a ordem CRESCENTE de energia dos subníveis; Esta representação ficou conhecida como DIAGRAMA DE LINUS PAULING 164

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 6. Números quânticos Diagrama de Linus Pauling 165

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 7 – Valência Designa-se valência é um número que indica a capacidade que um átomo de um elemento tem de se combinar com outros átomos, capacidade essa que é medida pelo número de elétrons que um átomo pode dar, receber, ou compartilhar de forma a constituir uma ligação química. Seja o exemplo a seguir da distribuição dos elétrons em um átomo de Germânio, número atômico 32. O nível mais externo (4, neste exemplo) é denominado nível de valência e os elétrons presentes nele são os elétrons de valência. Nível = 1 2 3 4 Subnível = s s p d s p Elétrons = 2 2 6 10 2 2 O número de elétrons de valência é um fator importante do elemento. Ele define a capacidade do átomo de ganhar ou perder elétrons e de se combinar com outros elementos originando uma banda designada banda de valência do sólido. Esta é a banda que possui maior energia. A convenção adotada para a representação gráfica da distribuição de elétrons no átomo do elemento é a indicação seqüencial do níveis e respectivos sub-níveis, com o número de elétrons de cada subnível na forma de expoente. Para esse caso do germânio: k L M N camada de Valencia = 4 elétrons 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 10 4 s 2 4 p 2 b 166 Banda de condução

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 7 – Valência 167

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 7 – Valência Átomo isolado (germânio Z = 32) Orbitais de Valencia 168

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 7 – Valência A capacidade de um átomo de se combinar com outros depende do número de elétrons de valência. A combinação só é possível quando este é menor que 8. Elementos com 8 elétrons de valência não se combinam. São estáveis e inertes. Considera-se agora o silício, que é o semicondutor mais usado, dispondo de 4 elétrons de valência. No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos forma a chamada ligação covalente, de modo que cada átomo fica no estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa. 169

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 8 – Banda de energia Designa-se por banda de energia o conjunto dos níveis de energia que os elétrons num sólido podem possuir. Num cristal, em que um grande número de átomos se encontram ligados muito próximos uns dos outros, formando uma rede, os elétrons são influenciados por um determinado número de núcleos adjacentes e os níveis de energia dos átomos transformam-se em bandas de energia permitidas. Esta aproximação aos níveis de energia nos sólidos é muitas vezes conhecida por teoria das bandas. Segundo esta teoria, cada banda representa um grande número de estados quânticos permitidos e existem algumas denominadas proibidas. Os elétrons de valência “mais externos” originam uma banda designada banda de valência do sólido. Esta é a banda que possui maior energia. 170

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 8 – Banda de energia A estrutura das bandas dos sólidos explica as suas propriedades elétricas. Deste modo, com o objetivo de se movimentarem através do sólido, os elétrons têm de passar de um estado quântico para outro, o que acontece se existirem estados quânticos vazios com a mesma energia. Regra geral, os elétrons não podem mudar para um novo estado quântico da mesma banda se a banda de valência se encontra totalmente preenchida. Para que ocorra a passagem da corrente elétrica, é necessário que os elétrons se encontrem numa banda não completa, designada por banda de condução. 171

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 8 – Banda de energia Os metais são bons condutores da corrente elétrica não só porque a banda de valência e a banda de condução se encontram semi-preenchidas, mas também porque a banda de condução se sobrepõe à banda de valência. No caso dos isolantes, as bandas de condução e de valência encontram-se separadas por uma larga zona energética proibida e, deste modo, os elétrons não possuem energia suficiente para transitar de uma para outra. No caso dos semicondutores, o nível de energia que separa a banda de energia superior completamente ocupada possui uma largura muito pequena relativamente à banda imediatamente superior desocupada, bastando um pequeno acréscimo de energia para fazer passar os elétrons para a banda desocupada, possibilitando assim a condução de correntes elétricas. 172

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 8 – Banda de energia 173

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores Os semicondutores são divididos de acordo com sua pureza e estrutura em: SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS: são aqueles cujo comportamento elétrico depende basicamente da estrutura eletrônica do material puro. Sua condutividade elétrica geralmente é pequena e varia muito com a temperatura. SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS: são aqueles cujo elétrico depende fortemente do tipo e da concentração impurezas. A adição de impurezas para a moldagem do elétrico dos semicondutores é chamada de DOPAGEM. comportamento dos átomos de comportamento A maioria dos semicondutores comerciais elementares são extrínsecos; o mais importante exemplo é o Si, mas também estão nesta categoria o Ge e o Sn. É a possibilidade de adicionar impurezas diversas ao material puro que permite a fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos a partir do mesmo material semicondutor. 174

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS: Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos elétrons de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns elétrons livres no semicondutor. 175

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS: Um semicondutor se torna extrínseco quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco). As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas de átomos doadores e impurezas de átomos receptores. Se o semicondutor for adicionado por impurezas doadores é chamado de semicondutor tipo N e se for adicionado por impurezas receptoras é chamado de semicondutor tipo P Átomos doadores têm cinco elétrons de valência (são penta valentes): Arsênio (AS), Fósforo (P) ou Antimônio (Sb). Átomos receptores têm três elétrons de valência (são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al). 176

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores SEMICONDUTORES TIPO N: A introdução de átomos penta valentes (como o Arsênio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam elétrons livres no seu interior. Como esses átomos fornecem (doam) elétrons ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas doadoras ou átomos doadores. Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas doadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do elétrons). 177

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores SEMICONDUTORES TIPO P: A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos recebem (ou aceitam) elétrons eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo -se à falta da carga negativa do eletros). 178

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores 179

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores 180

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores A condutividade elétrica dos materiais semicondutores pode ser representada pela equação: A condutividade elétrica dos semicondutores intrínsecos aumenta à medida que a temperatura aumenta. 181

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 6. 9 – Tipos de semicondutores 182

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 0 – Técnicas de dopagem A dopagem pode ser feita em quatro situações, conforme discriminamos a seguir: Durante o crescimento do cristal: o material de base sofre um aquecimento até se transformar em massa cristalina fundente, estado em que se efetua o acréscimo do material de dopagem, durante esse processo térmico, o cristal vai "crescendo“ posicionando-se os átomos da dopagem na própria cadeia cristalina que se forma. Por liga: o material de base é levado a fusão conjuntamente com o de acréscimo, formando-se assim uma liga. apos essa formação e esfriamento, os dois materiais estão agregados entre si. 183

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 0 – Técnicas de dopagem Por implantação iônica: átomos eletricamente carregados (com íons) de material dopante em estado gasoso são acelerados por um campo elétrico I njetados na cadeia cristalina do semicondutor. método da implantação iônica é o mais preciso e o mais sofisticado entre os mencionados, permitindo um ótimo controle tanto de posicionamento quanto de concentração da dopagem feita. Por difusão: nesse processo, vários discos de metal tetravalente básico são elevados a temperaturas da ordem de 1000°C e, nessas condições, colocados na presença de metais em estado gasoso (por exemplo, boro). os átomos de metal em estado gasoso se difundem no cristal sólido. Sendo o material sólido do tipo N, cria-se, assim, uma zona P. 184

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 1 – Método de purificação Destilação e Sublimação: a acentuada influencia das impurezas sobre as características elétricas do semicondutor, leva em muitos casos a exigência de se repetir o processo de purificação sobre a matéria prima fornecida pela industria química, antes de manufaturá-la. A diferença entre destilação e sublimação, é que na sublimação as modificações do estado físico eliminam o estado liquido, o que traz dificuldades de fracionamento dos materiais envolvidos, precipitando-se freqüentemente muito próximos entre si os elementos, facilmente e dificilmente sublimáveis. A vantagem da sublimação esta na facilidade dos meios necessários a sua obtenção. 185

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 1 – Método de purificação Eletrolise: a purificação eletrolítica das matérias primas básicas pode levar a graus de pureza bastante elevados, se esta for realizada com cuidados especiais e eventualmente repetida dado numero de vezes. Através da eletrolise, um metal pode ser separado de outros metais menos nobres e de partículas insolúveis no eletrólito, a eficiência da separação ou eliminação simultânea de diversos metais, depende da relação dos potenciais destes metais em relação à solução (eletrólito) utilizada, e menos da grandeza da corrente. 186

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 1 – Método de purificação Fusão Zonal: o necessário e elevado grau de purificação faz com que, para os semicondutores, os métodos anteriores, via de regra, não tragam o resultado final desejado. A fusão zonal utiliza-se do fato de que, num sistema de dois elementos em condição de equilíbrio entre a fase sólida e liquida, a composição de ambas a fase é geralmente diferente e que, no limite do diagrama de estado, as curvas liquida e sólida encontram-se segundo um ângulo definido, isto significa que mesmo no caso de uma concentração mínima de um elemento no outro, apresenta-se uma diferença de concentrações na passagem do estado liquido para o sólido. 187

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 2 – Elementos Nem todos os elementos classificados como semicondutores pela Tabela Periódica dos Elementos, permitem uma fácil e precisa verificação dessa propriedade; em algum desses elementos a semi-condutância ainda não pode ser determinada com segurança ou, então, a característica não se apresenta estável a temperatura ambiente. Conseqüentemente existe uma família de materiais semicondutores de uso industrial, a família central dos materiais semicondutores é encontrada nos materiais de Valencia IV, o primeiro elemento é: Carbono: apesar de apresentar características semicondutoras, o carbono é antes utilizado como condutor em alguns casos, em outros casos, como material resistivo ou como componente capaz de suportar determinadas condições térmicas ou químicas. 188

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 2 – Elementos Germânio: é um dos materiais semicondutores mais antigos; é encontrado em pequenas quantidades em minérios de zinco, pó de carvão e mesmo nas águas do mar, em face disso, a extração do germânio é extremamente difícil e onerosa, é uma substancia dura porem quebradiça não suportando qualquer tipo de esforço mecânico, oxida-se na presença do ar, formando uma finíssima película de oxido, é usado para a fabricação de componentes semicondutores. Silício: é termicamente mais estável do que o germânio, podendo por isso ser usado a temperaturas ambientes de até 150°C, permite reduzir a corrente inversa, o que reduz as perdas, fato esse que eleva o rendimento e simplifica os métodos de refrigeração. O silício é o elemento mais freqüentemente encontrado na natureza, após o hidrogênio, na forma natural, é encontrado nas rochas e em minérios. 189

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 3 – Aplicações dos Materiais Semicondutores O semicondutor é um material-chave na indústria eletrônica. Os dispositivos que utilizam o semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos. Os dispositivos semicondutores mais comuns são o diodo, o transistor e os dispositivos fotossensíveis, conforme discriminamos abaixo: Diodo semicondutor: é formado pela junção p e n e tem como utilidade básica permitir o fluxo de corrente elétrica apenas em um sentido (o sentido de polarização direta) Transistor: é formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do meio é chamado base e os outros, emissor e coletor. O transistor funciona basicamente como um amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um interruptor de corrente se esta for próxima de zero. Dispositivos fotossensíveis: dividem-se em Células fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e Células fotovoltaicas. 190

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA 7. 3 – Aplicações dos Materiais Semicondutores As Células fotocondutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo luminoso incide sobre o material semicondutor, os fótons podem fornecer aos elétrons energia suficiente para produzir a ruptura de ligações covalentes. A ação dos fótons ocasiona a produção de par elétron-lacuna, o que provoca um aumento da condutividade do semicondutor. Esse fenômeno é conhecido como fotocondutividade. Quanto às Células fotovoltaicas, conforme o nome indica, tais células produzem uma tensão elétrica quando submetidas à ação de um fluxo luminoso. Sua utilidade se estende na busca por energia alternativa. Microeletrônica: O advento da Microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços tecnológicos no campo da eletrônica, sendo fundamentalmente oriundo das necessidades inerentes ao programa espacial americano com relação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestes casos eram impossíveis de serem satisfeitas com os circuitos convencionais, usando componentes discretos. Um dos setores da Microeletrônica é responsável pelos Circuitos Integrados (CIs). Os circuitos integrados ou chips são uma fina pastilha de silício, onde estão agrupados circuitos microscópicos que podem conter milhões de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, transistores, etc. 191

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 2 1) Responda: a) O que é um material isolante ou dielétrico? b) Explique o processo de polarização em materiais dielétricos e mostre quais são os dois tipos de polarização c) O que é capacitância ? d) O que é Constante dielétrica? e) O que é Rigidez dielétrica ? 2) Um capacitor cerâmico convencional consegue armazenar 2, 1. 10 -10 C de carga elétrica, possui uma constante dielétrica relativa de 6, 0 e está posicionado dentro da região entre placas a uma tensão de 30 V. Calcule a capacitância e a permissibilidade (constante dielétrica) do meio dielétrico. : 0 = 8, 85. 10 -12 F/m. 192

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 2 3) Considere um capacitor de placas paralelas que possui uma área de apresenta uma separação entre placas de 2. 10 -3 m, através da qual um aplicado. Se o material que possui uma constante dielétrica relativa de dentro da região entre placas, calcule a capacitância. : 0 = 8, 85. 10 -12 F/m. 6, 45. 10 -4 m 2 e que potencial de 10 V é 6, 0 for posicionado 4) Pretende-se construir um capacitor simples de placas paralelas para armazenar 5, 0. 10 -6 C a um potencial de 8 k. V. A distancia de separação entre as placas é de 0, 30 mm. Calcule a área em m 2 que as placas devem ter, se o dielétrico entre elas for a) vácuo ( = 1) b) alumina ( = 9) 193

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 2 5) Qual a definição de um semicondutor, e seu emprego é muito utilizada em qual ramo da indústria eletrônica. 6) Que tipos de perturbações um semicondutor pode receber para ter uma influencia condutividade elétrica? na 7) Demonstre através da distribuição eletrônica de Linnus Pauling o 4 números quânticos (nível, subnível, orbital e rotação dos elétrons) e mostre também a representação da banda de Valencia em termo de orbitais dos seguintes elementos semicondutores: Si (Z = 14) Ge ( Z= 32): 8) Como que funciona a teoria de bandas de energia de um condutor, isolante e um semicondutor? 9) Explique o que é um semicondutor intrínseco, extrínseco tipo P e extrínseco tipo N? 10) Para o silício intrínseco, a condutividade elétrica à temperatura ambiente é de 4. 10 -4 (. m)-1 ; as mobilidades de elétrons e buracos são respectivamente, de 0, 14 e 0, 048 m 2/V. s. Calcule as concentrações de elétrons livres à temperatura ambiente. : e = carga do elétron = 1, 6. 10 -19 C 194

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA ELETRICA Lista 2 11) Qual são os tipos de técnicas de dopagem de um semicondutor: a) b) c) d) e) Durante o crescimento boreal, Por fusão, Por implantação iônica, Eletrolise Eletrodeposição, Blindagem iônica, Por liga, nitretação iônica. Durante o crescimento do cristal, Por liga, Por implantação iônica, Por difusão Eletrodeposição eletrólise Valência, liga silício-Germânio Durante o crescimento do cristal, eletrodeposição, Por implantação iônica, fusão zonal 12) Dê um exemplo de um semicondutor que você utiliza em seu trabalho? 195

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