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Ciência e Tecnologia dos Materiais Elétricos

Aula 4

Prof.Clebes André da Silva

Aula 4

• Capítulo 3 – Materiais Condutores

Objetivo do capítulo:- Breve estudo dos materiais condutores- Aplicações em componentes elétricos- Características, efeitos de emissão eletrônica e tópicos complementares do

assunto

3.1 Introdução

• Materiais condutores

Apresentam superposição entre Banda de Valência (BV) e Banda de Condução (BC)

Energia de gap entre as bandas é nula (𝐸𝐺 = 0)

Definição de condutor:Toda matéria que permite o estabelecimento de um fluxo ordenado de elétrons em seu meio, compatível com a diferença de potencial aplicada.

3.2 Materiais e Dispositivos Condutores

3.2.1 Os Metais e suas Características

• Único portador de carga elétron (em grande quantidade)

• Elevada condutividade

• Grande capacidade de:• Deformação

• Moldagem

• Condutividade térmica

• Outras aplicações• Dissipação de energia térmica

• Estruturas de sustentação

• Proteção mecânica


• Características:

• Elevada condutividade elétrica e térmica

• Geralmente sólidos em temperatura ambiente(exceto mercúrio)

• Estrutura cristalina regular

• Formação de ligas com diferentes metais

• Capacidade de deformação e moldagem

• Brilho elevada reflexão da luz

• Opacos até uma espessura de 0,001mm

• Encruamento endurecem quando deformados a frio e reduzem sua condutividade

• Transformam-se em derivados perante certos ambientes

• No oxigênio do ar transformam-se em óxidos

• Nos ácidos Formação de sais

* Regra geral: todos derivados conduzem menos que os metais originais


• COBRE

• ALUMÍNIO

• PRATA

• OURO

• FERRO

• CHUMBO

• ESTANHO

• PLATINA

• MERCÚRIO

• NÍQUEL

• ZINCO

• CROMO

• TUNGSTÊNIO

• CÁDMIO


• COBRE

- Um dos mais importantes para eletricidade- Baixa resistividade (pior apenas que a prata)- Boa flexibilidade- Fácil manuseio a frio e a quente- Alta condutividade térmica- Facilidade para laminar, soldar e emendar- Facilidade para capeamento por outros metais- Resistênte à corrosão- Baixa dureza- Média resistência à tração- Médio ponto de fusão (1083 graus)- Abundante


• ALUMÍNIO - Também um dos mais importantes na eletricidade- Segundo metal mais usado na eletricidade- Inferior ao cobre em:

- Propriedades mecânicas- Propriedades elétricas

- Devido à abundancia é mais barato- Ductil- Maleável- Pequena resistividade (maior que do cobre)- Grande longevidade no ar (resistência à corrosão)- Alta condutividade térmica- Baixo ponto de fusão (659 graus)- Mole- Leve- Camada de óxido de alumínio é altamente isolante- Difícil soldagem

- Diferença de 2V para o cobre predisposição à corrosão galvânica do alumínio


• PRATA- Condutor de menor resistividade- Aplicações especiais apenas devido ao custo- Resistente a corrosão- Usado para proteger outros metais – (prateação)- Fusão a 960 graus


• OURO - Condutor de uso mais especial- Metal nobre- Preço elevado- Médio ponto de fusão (1063 graus)- Baixa resistividade elétrica (maior que do cobre e

prata, menor que do alumínio)- Resistênte à oxidação e sulfatação- Grande maleabilidade e ductibilidade- Excelentes propriedades para o ramo eletrônico

- Peças de contato com baixas correntes


• FERRO

- Condutor- Grande resistência à tração, compressão, cisalhamento e

fadiga- Grande tenacidade- Alto ponto de fusão (1530 graus)- Ferromagnético (permeabilidade magnética de 8000)- Baixa resistividade- Forma a liga de aço- Ideal para lâminas de transformadores, relés, ferragens de

suporte, cabos resistentes, trilhos, barramentos, etc.

- Rápida e fácil corrosão- Elevado efeito pelicular mesmo em baixas frequências


• CHUMBO - Metal mole e plástico- Baixa resistividade (porém muito maior que dos outros

metais)- Fácil soldagem- Elevada resistência contra ação da água potável, sal e

ácidos. - Não resiste à água destilada, vinagre, materiais

orgânicos em decomposição, cal- É venenoso- Proteção contra raio X, acumuladores chumbo ácido,

soldas- Ponto de fusão de 327 graus


• ESTANHO- Mole (porém mais duro que o chumbo)- Resistividade baixa- Não se oxida- Água não o ataca. Ácidos diluídos atacam levemente.- Muito utilizado em ligas:

- Com o cobre Bronze- Com o chumbo Solda

- Usado em revestimento anti-corrosivo


• Outros metais importantes:

• PLATINA

• MERCÚRIO

• NÍQUEL

• ZINCO

• CROMO

• TUNGSTÊNIO

• CÁDMIO


• Acabamento de materiais

- Extrusão:- Método de moldagem

- Saída forçada na forma desejada

- Provoca endurecimento (encruamento)

- Trefilação:- Deformação a frio

- Tração da peça e moldagem pelo escoamento

- Produz encruamento

- Recozimento:- Tratamento térmico

- Aquecimento seguido de resfriamento lento

- Alivia tensão interna do material

- Reduz a dureza do encruamento

3.2.2 Carvão e Grafita

• Não metálicos

• Propriedades condutoras de eletricidade

• Grafita

• Baixa resistividade

• Comportamento inverso dos metais resistividade se reduz com a temperatura

• Matéria prima: Carvão

• Produção Processo de grafitização:• Redução do carvão em pó

• Compactação

• Longos ciclos de aquecimento em torno de 2200 graus por passagem do corrente elétrica

• Aplicações:• Resistores, potenciômetros, eletrodos de fornos, lubrificante, comutadores de motores.

• Aplicação em grão:• Capsulas de microfone

3.2.3 Ligas Metálicas

• Ligas condutoras:

• Ligas de cobre: maior dureza, menor condutividade e ductibilidade• Bronzes: cobre + estanho

• Latão: cobre + zinco

• Copperweld: condutor de cobre com núcleo de aço

• Ligas de alumínio: fácil usinagem, leves, maior resistência• Duralumínio: Cobre 4% + Magnésio 0,5% + Manganês 0,5% + Alumínio

• Alumoweld: fio de alumínio com núcleo de aço

• Aldrey: Magnésio 0,3% + 0,7% Silício + Ferro + Alumínio

• Ligas de chumbo e estanho: resistentes a corrosão


• Ligas resistivas:

• Objetivo: • Transformar energia elétrica em energia térmica

• Provocar quedas de tensão

• Controlar nível de corrente

• Resistência à corrosão à alta temperatura

• Características favoráveis em sua dilatação e irradiação

• Empregos industriais:• Potenciômetros de fio, reostatos (potenciômetro de potência)

• Resistores de alta dissipação

• Fornos de siderurgicas, fogões elétricos

• Ferro de soldar e passar

• Estufas


• Principais ligas resistivas:

• Ligas de níquel-cromo• Fornos elétricos, ferro de soldar e passar, estufas, fogões elétricos

• Ligas de níquel-cobre• Termopares, resistências de precisão, reostatos,

• Ligas famosas: Constantan, Prata alemã, Cuprothal, Alloy 45, Constanloy, Advance, Copel

• Ligas de cromo-ferro• Aquecimentos em geral

• Ligas de cobre-manganês• Resistores de medição

• Ligas de prata• Resistores de regulação resistência decresce com a temperatura

• Ligas de ouro-cromo• Resistores de precisão

3.2.4 Peças de Contato

• Características:• Boa condutividade elétrica

• Baixa dissipação de calor

• Elevada dureza, tenacidade e rigidez resistir a desgastes mecânicos e deformações

• Capacidade térmica elevada

• Abertura de contatos geram arcos elétricos até 6000 graus

• Alto ponto de fusão

• Suportar ambientes corrosivos (ácidos, salinos ou o ar)

• Materiais usados:• Metais nobres: geralmente ligas Relés

• Tungstênio: elevada dureza Relés, botoeiras

• Paládio: elevada resistência mecânica Relés

• Cobre: geralmente em ligas interruptores, plugues, tomadas, fusíveis, chaves

• Aço: alta resistência mecânica

• Carvão: escovas de motores baixo coeficiente de atrito.

3.2.5 Resistores

• Valor= (𝒙𝟏, 𝒙𝟐). 𝟏𝟎𝒙𝟑

• Tipos:

• Fixos

• Variáveis Potenciômetros

• Ajustáveis trimpotAjuste por parafuso

3.2.6 Fusíveis

https://www.youtube.com/watch?v=ItIIUPFOD9w

3.2.6 Fusíveis

• Tipos:• De rolha

• De cartucho

• Tipo faca

• Diazed

• De cartucho para alta tensões

• Para circuitos eletrônicos

Fórmula de Preece: Relação entre o diâmetro do fusível e a corrente de fusão:

3.3 Condutividade e Resistência Elétricas

• Densidade de corrente = 𝐽 (𝐴/𝑚2)• Corrente que flui através de uma área.

Corrente positiva no sentido do campo elétrico, corrente negativa no sentido contrário.AKI

Cargas positivas

Cargas negativas


• Aceleração da partícula

• e (C - coulombs)= carga do portador de carga (elétron)

• m (kg - kilos) = massa do portador de carga

• E (V/m) = campo elétrico

A velocidade da partícula não aumenta indefinidamente devido às colisões


Mobilidade dos elétrons livres Velocidade média por unidade de campo elétrico

Velocidade de deriva proporcional ao campo elétrico

Considere:- Condutor de comprimento = l (m)- Número de portadores livres = N- Cada portador com carga = e- Com velocidade média = v


Elétrons livres por unidade de volume = 𝑚−3

Volume do condutor


Resistência a passagem de corrente elétrica CC = Rcc

Dicas:

[email protected]

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