Propriedades eltricas

MEE....Aula X

Prof. Dlcio.Propriedades eltricase magnticasPropriedades eltricasIntroduoAs propriedades eltricas dos materiais constituem importantes caractersticas que determinam suas aplicaes.

Dentro de um mundo movido basicamente pela eletricidade, o entendimento das caractersticas eltricas dos materiais, fundamental especialmente para os futuros engenheiros da rea.

A ideia bsica a de que, devido a uma srie de fenmenos microscpios, tais como o dos eltrons ao caminharem pelo corpo de um material slido cria-se uma barreira que no campo macroscpico chamamos de resistncia eltrica.1- Propriedades eltricasIntroduoExistem muitos efeitos a nvel microscpico que contribuem para impedir o movimento dos eltrons num metal e limitam os valores possveis para a sua condutividade.

Quando eltrons se movimentam pela ao do campo eltrico externo, eles colidem com os tomos que constituem o material, transferindo a esses, toda a sua energia cintica adquirida pela ao do campo .

O resultado destas colises uma transferncia de energia dos eltrons para o material como um todo, que provoca o aquecimento do material.Efeito Joule!Anlogo mecnico macroscpico para a conduo eltrica.Analogia entre um experimento mecnico e a condutividade do material.Altura H seria o anlogo mecnico macroscpico ao campo eltrico E

Tbua inclinada de pregos fixados aleatoriamenteBolinha(eletron livre)solta de cimarolando tbua abaixo ...Anlogo mecnico macroscpico para a conduo eltrica.Propriedades eltricasLei de Ohm n1Em 1827 Georg Simon Ohm, baseado em evidncias experimentais e utilizando o conceito RESISTNCIA ELTRICA (R) de uma barra metlica formulou uma lei que relaciona a VOLTAGEM (U ou V) aplicada sobre o corpo com a CORRENTE ELTRICA (I) que o atravessa.

Material V ( volts)Lei de Ohm n1 : R( ohms) = ------- I ( amperes)H relao direta entre a voltagem aplicada ao material e a corrente eltrica que nele surge.5Propriedades eltricasLei de Ohm n2Uma outra forma de expressar esta importante lei por meio do campo eltrico (e no a voltagem) e a densidade de corrente (corrente por unidade de rea) fluindo no sistema.Vamos imaginar agora uma Voltagem aplicada na nossa barra metlica que resulta num campo eltrico E, constante ao longo da barra. O resultado da ao deste campo eltrico sobre as cargas mveis do metal o aparecimento de uma densidade de corrente J

MaterialLei de Ohm n2 : J = . E

Existe tambm uma relao direta entre o campo eltrico aplicado e a densidade de corrente que surge na barra.A constante de proporcionalidade uma caracterstica do metal e mede a facilidade ou no de conduo.6Propriedades eltricasResistividade eltrica de um materialPara uma barra cilndrica de comprimento L e seo transversal de rea A define-se a RESISTIVIDADE ELTRICA () do materialcomo sendo: = R (A / L)

Barra metlicaUnidade SI : (Ohms-metro) ou ( .m)A resistividade uma PROPRIEDADE DO MATERIAL do qual o corpo constitudo.Os materiais, para os quais essa relao vlida so chamados condutores hmicos. H muitos materiais que no obedecem esta relao ( no hmicos.).L7Propriedades eltricasCondutividade eltrica de um materialA CONDUTIVIDADE ELTRICA () de um material uma medida da facilidade com que ele capaz de conduzir uma corrente eltrica.A condutividade o inverso da resistividade.LOGO= 1/

MaterialUnidade SI : em (Ohms-metro) ou ( .m) -1-1Nos metais, os eltrons que podem ser acelerados na presena de um campo eltrico so os que participam do processo de conduo e so chamados de ELTRONS LIVRES.( Nuvem de eletrons ou gs de eletrons )

A condutividade eltrica uma caracterstica bastante prpria para materiais como os metais. Quanto mais facilmente os eltrons fluem quando submetidos a um campo eltrico, maior a condutividade do material.8Efeito da temperatura na condutividade eltricaA temperatura uma grandeza macroscpica que representa a vibrao dos tomos do metal . Quanto maior a temperatura, mais rpido eles vibram.

Hastes de ao de sustentao da tbuaque permitem vibrao elstica provocadas por oscilaes acionadas por um motor eletrico/placa fora de centro.A frequencia de oscilaes determinada pela rotao do motor. placaMotorResultado comprovado da experinciaQuanto maior a vibrao mais tempo leva a bolinha a percorrer o trajeto.Quanto maior a frequencia maior a resistencia passagem da bolinha.Microscopicamente falando significa que:Quanto mais os obstculos vibram (maior temperatura do material)torna-se mais difcil para os eltrons livres passarem, diminuindo a condutividade.

9Os materiais slidos podem ser classificados, de acordo com a magnitudede sua condutividade eltrica, em trs grupos principais: CONDUTORES,SEMICONDUTORES e ISOLANTES.

1 - GaAs: Arsenieto de Glio.(material semicondutor muito utilizado na construo de circuitos integrados)2 Dopagem (processo qumico no qual tomos estranhos so introduzidos na estrutura cristalina )EletromagnetismoA compreenso do eletromagnetismo fundamental para o estudo da engenharia eltrica pois ele a chave para a operao de grande parte dos mecanismos utilizados na industria e no nosso cotidiano .Todos os motores e geradores eltricos independente de sua potencia se utilizam dele para a converso de energia mecnica em eltrica e vice-versa.Lei de AmpereO eletromagnetismo tem como lei bsica ,como ponto de partida a lei descoberta por Ampre em 1820.

Propriedades magnticas dos slidosLei de AmpereO eletromagnetismo tem como lei bsica ,como ponto de partida a lei descoberta por Ampre em 1820.

A Lei de Ampere relaciona a corrente constante que atravessa um slido condutor com o campo magntico em torno deste slido , criado por esta corrente.

B= campo magntico ou induo magntica ou Densidade de Fluxo Magntico ( weber/ metro2)

EXEMPLOFio com corrente i B = i/2r?????Campo magntico ouDensidade de fluxo magnticoexistente na regioBA constante de proporcionalidade denominada de permeabilidade magntica . Experincias mostram que ela depende do meio em que se encontra o fio condutor(vcuo, ar, ferro, etc).Quando o meio o ferro nota-se que h uma maior penetrao do campo magntico numa dada regio, ou em outras palavras a densidade de fluxo magntico B aumenta e muito.O seu valor no vcuo de : 0 = 4 * 10 N / ampere

PERMEABILIDADE MAGNTICA

2 Na prtica a permeabilidade (r ) expressa de forma relativa ou seja em relao do vacuo(0) Assim r = -------- 0

EXEMPLO

Campo num solenideO solenoide basicamente uma soma de N espiras enroladasNo seu interior, os campos se somam e o campo total constante e uniforme.No seu exterior, os campos se cancelam, e o campo aproximadamente nulo.Solenoide ideal teria o comprimento infinito e uma densidade de espiras infinita.

B= 0 i.nn=N/mNum solenide :

N= n de espiras

n = N/m ( densidade de espiras)BEXEMPLO

Campo no interior de um toride

B =0NI / 2rO toroide basicamente um solenoide curvado e com as extremidades identificadas.N= nmero de espiras.I= corrente constante

EXEMPLO

Campo no interior de um toride

B =0NI / 2rO toroide basicamente um solenoide curvado e com as extremidades identificadas.N= nmero de espiras.I= corrente constante

PreliminaresPara se entender o comportamento magnticos dos slidos necessrio um exame microscpico.

Um tomo quando colocado num campo magntico experimenta um torque que chamado de momento magntico ou momento do dipolo magntico.Este torque pode ser afetado por um tomo adjacente.ExemploQuando ento dois tomos de hidrogenio se aproximam para formar a molcula de H20, as rotaes opostas de cada tomo se opem entre si, de forma que o momento magntico resultante nulo.

Materiais como esses so chamados de diamagnticos.Teoria do magnetismo

Momentos magnticos que se neutralizam. Surge da tendncia das cargas eltricas em blindarem o interior dos materiais da presena de campos magnticos externos.Sob ao de um campo externo alinham-se no sentido contrrio, repelindo-o Nos materiais diamagnticos, a permeabilidade ligeiramente menor que a do vcuo(1).

Cessado ou removido o campo externo a magnetizao desaparece...Sem campo externo os momentos ficam distribudos aleatoriamente...

Ausencia de campo externo(distribuio aleatria dos momentos magnticos )IntroduoA grande maioria dos materiais comportam-se de forma dia ou paramagntica, ou seja diferem ligeiramente do comportamento do vcuo.

Existem porm uma categoria de metais que para os quais sua permeabilidade relativa muito superior do vcuo.So chamados de ferromagnticos e sua importncia grande para a Engenharia Eltrica.Exemplos: Fe, Ni-Fe, Co e Alumnio.

O FERROMAGNETISMO

Materiais ferromagneticos

Estes materiais se caracterizam por ter uma magnetizao espontnea abaixo de uma temperatura Tc.ou seja tem uma facilidade de alinhar os momentos magnticos na mesma direo A magnetizao tende a se alinhar ao longo de direes fceis determinadas pela estrutura cristalina, pela textura em escala atmica e pela forma macroscpica do material.

1423Materiais ferromagneticos

A magnetizao nosmateriais ferromagnticos sofregrande influncia datemperatura.A magnetizao diminui com oaumento datemperatura eacima de um valorcrtico se torna nula.Tc( Temperatura Curie)

Valores experimentais da temperatura crtica de Curie para slidos ferromagnticos

HISTERESE MAGNTICACurva experimental entre a magnetizao M de um material ferromagntico em funo do campo externo H aplicado

01) Inicia-se com a amostra desmagnetizada.

2) Trecho de 0 at Ms : comeamos a crescer o campo H at que se atinge a saturao da amostra (Ms), onde todos os momentos magnticos de todos os domnios esto alinhados na mesma direo. Esta curva chamada de 1 magnetizao..:3) Trecho Ms at Mf : Diminuimos o campo e quando este atinge zero existe uma magnetizao remanescente. devido a um grande n de domnios ainda alinhados.

4)Trecho Mf at Hc: Invertemos o sentido do campo , os dominios se re-orientam at a total desmagnetizao da amostra ( M = zero). Chamamos este campo de coercivo (Hc)

5) Trecho de Hc at Ms : continuando a aumentar o campo na direo oposta a magnetizao atinde a saturao no sentido oposto.

6) Novamente aumentamos o campo no sentido positivo e voltamos a saturar positivamente a amostra retornando ao ponto Ms e completando o ciclo.

- MsA curva mostra que a magnetizao depende no apenas da intensidade magntica mas tambm da histria magntica anterior do material. A magnetizao residual denominado por histerese magntica e exibido em algum grau por todas substncias ferromagnticas.

Vamos voltar ao trecho onde paramos no ponto a e ento reduzimos gradualmente o campo H outra vez.

Quando fazemos isto, a magnetizao no retrocede na curva a0 e sim segue a trajetria ab.

Quando H reduzido a zero, o ponto b atingido.

Neste, embora a intensidade magntica seja zero, uma grande proporo dos dipolos atmicos retm seu primeiro alinhamento e h, portanto, uma magnetizao residual Mr , a qual freqentemente denominada magnetizao remanescente da amostra.

Agora temos um im permanente que possui uma magnetizao igual a b e produz seu prprio campo embora no haja corrente ( H=zero).

Pode-se definir histerese magntica como inrcia magntica. ou seja,quando um corpo magnetizado temporariamente por um campo externo H, ocorre, por ocasio do afastamento deste, uma manuteno breve do estado magntico ( 0b) uma reao sada do campo externo. HISTERESE MAGNETICA