Materiais Elétricos

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Curso Superior de Tecnologia em Instalações Elétricas

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

FA

TE

C

S

P

2018

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Aula 01

2018

(3)

• 1 – Introdução

O

objetivo do curso de Materiais Elétricos é habilitar os

estudantes de todas as modalidades da Engenharia Elétrica e da Engenharia de Produção Elétrica nas quais o profissional

especialista, de nível superior, em Instalações Elétricas se insere, a distinguir e recomendar os diversos materiais utilizados em equipamentos e componentes elétricos e magnéticos,

correlacionando as propriedades dos metais, ligas, materiais cerâmicos, semicondutores, plásticos e outros tipos de

polímeros com suas propriedades estruturais, além de conhecer as tendências atuais e perspectivas futuras no campo da ciência dos materiais.

• 1 – Introdução

O

objetivo do curso de Materiais Elétricos é habilitar os

estudantes de todas as modalidades da Engenharia Elétrica e da Engenharia de Produção Elétrica nas quais o profissional

especialista, de nível superior, em Instalações Elétricas se insere, a distinguir e recomendar os diversos materiais utilizados em equipamentos e componentes elétricos e magnéticos,

correlacionando as propriedades dos metais, ligas, materiais cerâmicos, semicondutores, plásticos e outros tipos de

polímeros com suas propriedades estruturais, além de conhecer as tendências atuais e perspectivas futuras no campo da ciência dos materiais.

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• Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades estiveram intimamente ligados às habilidades de seus membros em produzir e

manipular materiais para satisfazer as suas necessidades.

• Assim, as civilizações antigas foram designadas pelos pesquisadores de acordo com seu nível de desenvolvimento em relação aos materiais:

• Idade da Pedra (50000 AC) • Idade do Bronze ( 3800 AC)

• Idade do Ferro ( 1500 AC)

e assim por diante.

• Não seria nenhum exagero chamar a época atual com sendo a _Idade

do Silício, uma vez que o Silício é o elemento químico fundamental para a fabricação de componentes eletrônicos atualmente tão presentes na vida de todos.

• Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades estiveram intimamente ligados às habilidades de seus membros em produzir e

manipular materiais para satisfazer as suas necessidades.

• Assim, as civilizações antigas foram designadas pelos pesquisadores de acordo com seu nível de desenvolvimento em relação aos materiais:

• Idade da Pedra (50000 AC) • Idade do Bronze ( 3800 AC)

• Idade do Ferro ( 1500 AC)

e assim por diante.

• Não seria nenhum exagero chamar a época atual com sendo a Idade do Silício, uma vez que o Silício é o elemento químico fundamental para a fabricação de componentes eletrônicos atualmente tão presentes na vida de todos.

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• Voltando a um passado muito remoto, os primeiros seres humanos, tiveram acesso a apenas um número muito limitado de

materiais, apenas aqueles que ocorriam na Natureza que os cercava:

• pedras, madeiras, argila, peles de diversos animais, ossos, etc.

• Voltando a um passado muito remoto, os primeiros seres humanos, tiveram acesso a apenas um número muito limitado de

materiais, apenas aqueles que ocorriam na Natureza que os cercava:

• pedras, madeiras, argila, peles de diversos animais, ossos, etc.

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Idade da Pedra Idade da Pedra

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• Com o passar do tempo, o homem primitivo pode desenvolver técnicas para a produção de outros materiais que teriam propriedades

superiores àquelas dos materiais até então, apenas encontrados na Natureza.

• Com o passar do tempo, o homem primitivo pode desenvolver técnicas para a produção de outros materiais que teriam propriedades

superiores àquelas dos materiais até então, apenas encontrados na Natureza.

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• Esses novos materiais incluíam cerâmicas e vários metais.

(9)

O homem percebeu ainda que as propriedades de um dado material poderiam ser

modificadas através da ação do fogo( ação térmica ) e pela adição de outras substancias. O homem percebeu ainda que as propriedades

de um dado material poderiam ser

modificadas através da ação do fogo( ação térmica ) e pela adição de outras substancias.

(10)

• O desenvolvimento de muitas das tecnologias que tornam a existência do homem na face da Terra, uma existência confortável, está

intimamente ligado ao acesso a materiais adequados.

• O desenvolvimento de muitas das tecnologias que tornam a existência do homem na face da Terra, uma existência confortável, está

intimamente ligado ao acesso a materiais adequados.

(11)

• Os grandes avanços na Engenharia Elétrica se devem ao conhecimento cada vez mais

profundo e detalhado das propriedades e

características dos materiais conhecidos como • Materiais Isolantes,

• Materiais Condutores • Materiais Magnéticos.

• Materiais Semicondutores.

• Os grandes avanços na Engenharia Elétrica se devem ao conhecimento cada vez mais

profundo e detalhado das propriedades e

características dos materiais conhecidos como • Materiais Isolantes,

• Materiais Condutores • Materiais Magnéticos.

(12)

• Nos tempos atuais, onde os computadores,

microprocessadores, as novas TVs digitais e as

lâmpadas de estado sólido ( LED), tomaram conta do quotidiano das pessoas , os chamados Materiais

Semicondutores tem máxima importância . • ]]]] m

• Nos tempos atuais, onde os computadores,

microprocessadores, as novas TVs digitais e as

lâmpadas de estado sólido ( LED), tomaram conta do quotidiano das pessoas , os chamados Materiais

Semicondutores tem máxima importância . • ]]]] m

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• 2 - Classificação dos Materiais

A moderna Engenharia de Materiais , agrupa os materiais presentes nas tecnologias atuais, no seguintes grupos básicos:

• Metais

• Cerâmicas • Polímeros

• Materiais Avançados

• Para um melhor entendimento, em termos das características que distinguem cada grupo, numa análise inicial, podemos fazer uma breve descrição:

• 2 - Classificação dos Materiais

A moderna Engenharia de Materiais , agrupa os materiais presentes nas tecnologias atuais, no seguintes grupos básicos:

• Metais

• Cerâmicas

• Polímeros

• Materiais Avançados

• Para um melhor entendimento, em termos das características que distinguem cada grupo, numa análise inicial, podemos fazer uma breve descrição:

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• Metais

:

• Os materiais desse grupo, são compostos por um ou mais elementos químicos metálicos, tais como Alumínio, Cobre, Ferro, Prata, Ouro, Platina, Níquel, Titânio, entre outros.

• Além da presença (em quantidades bem menores) de elementos químicos não metálicos, tais como Carbono, Nitrogênio e Oxigênio.

• Metais

:

• Os materiais desse grupo, são compostos por um ou mais elementos químicos metálicos, tais como Alumínio, Cobre, Ferro, Prata, Ouro, Platina, Níquel, Titânio, entre outros.

• Além da presença (em quantidades bem menores) de elementos químicos não metálicos, tais como Carbono, Nitrogênio e Oxigênio.

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(16)

• Metais

:

• Os átomos nos metais e nas suas ligas, estão arranjados em uma forma muito ordenada ( estrutura cristalina), e quando

comparado com as cerâmicas e com os polímeros, são relativamente mais densos.

• Em termos de características mecânicas, os metais se

apresentam rígidos e resistentes, além de serem dúcteis, isto é, são capazes de sofrer deformações sem haver fratura.

• Metais

:

• Os átomos nos metais e nas suas ligas, estão arranjados em uma forma muito ordenada ( estrutura cristalina), e quando

comparado com as cerâmicas e com os polímeros, são relativamente mais densos.

• Em termos de características mecânicas, os metais se

apresentam rígidos e resistentes, além de serem dúcteis, isto é, são capazes de sofrer deformações sem haver fratura.

(17)

• Como característica elétrica importante, os metais e materiais metálicos, possuem em grande quantidade, aquilo que em Física se denomina “elétrons não localizados“, isto é, elétrons não

ligados a nenhum átomo em particular.

• Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons “livres”.

• Os metais, as ligas metálicas e os materiais metálicos são

condutores de eletricidade ( elevada condutividade elétrica ) e de

calor (elevada condutividade térmica ) extremamente eficientes. • Além disso, alguns metais apresentam propriedades magnéticas

notáveis, como por exemplo: o Ferro ( Fe) ,o Cobalto (Co) e o Níquel (Ni ).

• Como característica elétrica importante, os metais e materiais metálicos, possuem em grande quantidade, aquilo que em Física se denomina “elétrons não localizados“, isto é, elétrons não

ligados a nenhum átomo em particular.

• Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons “livres”.

• Os metais, as ligas metálicas e os materiais metálicos são

condutores de eletricidade ( elevada condutividade elétrica ) e de

calor (elevada condutividade térmica ) extremamente eficientes. • Além disso, alguns metais apresentam propriedades magnéticas

notáveis, como por exemplo: o Ferro ( Fe) ,o Cobalto (Co) e o Níquel (Ni ).

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Moeda de bronze Romana 65 ACMoeda de bronze Romana 65 AC

Peça de cobre Etrusca 900ACPeça de cobre Etrusca 900AC

Mascara mortuária Faraó

Tutankamon 1500 AC em ouro Mascara mortuária Faraó

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Condutores de cobreCondutores de cobre

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• Cerâmicas:

• As cerâmicas são compostos formados entre elementos químicos metálicos e não metálicos, sendo na maioria das vezes óxidos, carbetos, nitretos, além de titanatos.

A título de ilustração, podemos citar materiais cerâmicos que incluem:

• óxido de alumínio ou alumina ( Al2O3 ) ,

• dióxido de silício ( SiO2 ) ,

• titanato de bário ( BaTiO3 ),

• carbeto de silício ( SiC ) ,

entre tantos outros.

• Cerâmicas:

• As cerâmicas são compostos formados entre elementos químicos metálicos e não metálicos, sendo na maioria das vezes óxidos, carbetos, nitretos, além de titanatos.

A título de ilustração, podemos citar materiais cerâmicos que incluem:

• óxido de alumínio ou alumina ( Al2O3 ) ,

• dióxido de silício ( SiO2 ) ,

• titanato de bário ( BaTiO3 ),

• carbeto de silício ( SiC ) ,

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(22)

• São também considerados materiais

cerâmicos, aqueles materiais compostos por : • argilas e minerais argilosos ( as conhecidas

porcelanas ) • cimento

• vidro

• São também considerados materiais

cerâmicos, aqueles materiais compostos por :

• argilas e minerais argilosos ( as conhecidas porcelanas )

• cimento

(23)

Ânfora Grega Cerâmica 450 ACÂnfora Grega Cerâmica 450 AC

Vaso Sumério Cerâmica 2500 AC

Azulejos vitrificados de Sakkara , Egito 3500 ACAzulejos vitrificados de Sakkara , Egito 3500 AC

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Isoladores de cerâmica e porcelana

(25)

VidroVidro

(26)

• Em termos de características mecânicas, os

materiais cerâmicos são relativamente rígidos e resistentes (compatíveis com os materiais

metálicos ).

• Historicamente, as cerâmicas sempre exibiram grande fragilidade por não serem dúcteis, sendo altamente suscetíveis a fraturas.

• Com as tecnologias atuais é possível obter

cerâmicas de elevada resistência a fratura, sendo utilizadas em diversos ramos da Engenharia.

• Em termos de características mecânicas, os

materiais cerâmicos são relativamente rígidos e resistentes (compatíveis com os materiais

metálicos ).

• Historicamente, as cerâmicas sempre exibiram grande fragilidade por não serem dúcteis, sendo altamente suscetíveis a fraturas.

• Com as tecnologias atuais é possível obter

cerâmicas de elevada resistência a fratura, sendo utilizadas em diversos ramos da Engenharia.

(27)

• Os materiais cerâmicos são tipicamente

isolantes a passagem de corrente elétrica

(baixa condutividade elétrica ) e a transmissão de calor( baixa condutividade térmica).

Alguns óxidos cerâmicos apresentam

comportamento magnético, como o oxido de ferro Fe₃O₄.( Ferritas)

• Os materiais cerâmicos são tipicamente

isolantes a passagem de corrente elétrica

(baixa condutividade elétrica ) e a transmissão de calor( baixa condutividade térmica).

Alguns óxidos cerâmicos apresentam

comportamento magnético, como o oxido de ferro Fe₃O₄.( Ferritas)

(28)

• Polímeros

:

• Os polímeros incluem os materiais conhecidos genericamente como “ plásticos “ e as

borrachas ( elastômeros ) .

• Na sua grande maioria, são materiais

fabricados a partir de compostos orgânicos, que tem sua química baseada no Carbono, no Hidrogênio e em outros elementos químicos não metálicos tais como Oxigênio (O) e Nitrogênio (N) .

• Polímeros

:

• Os polímeros incluem os materiais conhecidos genericamente como “ plásticos “ e as

borrachas ( elastômeros ) .

• Na sua grande maioria, são materiais

fabricados a partir de compostos orgânicos, que tem sua química baseada no Carbono, no Hidrogênio e em outros elementos químicos não metálicos tais como Oxigênio (O) e Nitrogênio (N) .

(29)

PVCPVC Polietileno

(30)

• Polímeros

:

• São materiais com estruturas moleculares

muito grandes, em geral na forma de cadeias formadas por átomos de Carbono

• Polímeros

:

• São materiais com estruturas moleculares

muito grandes, em geral na forma de cadeias formadas por átomos de Carbono

(31)

Macromolécula de PVCMacromolécula de PVC

Macromolécula de Polietileno

(32)

Isoladores de alta tensão em polímeroIsoladores de alta tensão em polímero

Capa isolante em PVC e XLPECapa isolante em PVC e XLPE

Capa Capa isolanteisolante em PVC em PVC

borracha de silicone

(33)

• A título de exemplo, podemos citar alguns polímeros largamente utilizados em diversos campos da Engenharia tais como :

• polietileno ( PE ) • poliestireno ( PS ) • policarbonato ( PC ) • cloreto de polivinila ( PVC ) • nylon • borracha de silicone.

• Em geral, estes materiais apresentam baixo peso específico ( baixa densidade ) .

• A título de exemplo, podemos citar alguns

polímeros largamente utilizados em diversos campos da Engenharia tais como :

• polietileno ( PE ) • poliestireno ( PS ) • policarbonato ( PC ) • cloreto de polivinila ( PVC ) • nylon • borracha de silicone.

• Em geral, estes materiais apresentam baixo peso específico ( baixa densidade ) .

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• Em termos de características mecânicas, os polímeros apresentam elevada rigidez e

resistência em relação a sua massa.

• Em geral são extremamente dúcteis e flexíveis (plásticos ) , o que torna possível de serem

facilmente conformados em formas complexas.

• Uma desvantagem notável dos polímeros é a sua tendência a amolecer e/ou se decompor em temperaturas relativamente baixas, o que em algumas aplicações, limita o seu uso.

(35)

• Os polímeros, dada sua estrutura complexa, são tipicamente isolantes a passagem de

corrente elétrica ( baixíssima condutividade

elétrica ).

Não apresentam comportamento magnético. • Os polímeros, dada sua estrutura complexa,

são tipicamente isolantes a passagem de

corrente elétrica ( baixíssima condutividade

elétrica ).

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• Materiais Avançados:

Os materiais utilizados em aplicações de alta

tecnologia ( high tech ), tais como equipamentos

eletrônicos , computadores, sistemas de fibras ópticas, lasers, armazenamento de informações, aeronaves,

satélites, equipamentos militares, etc , são conhecidos como materiais avançados . Podem ser materiais

tradicionais que tiveram suas propriedades

aprimoradas ou materiais de elevado desempenho desenvolvidos recentemente.

São materiais que apresentam em geral custo muito

elevado.

• Materiais Avançados:

Os materiais utilizados em aplicações de alta

tecnologia ( high tech ), tais como equipamentos

eletrônicos , computadores, sistemas de fibras ópticas, lasers, armazenamento de informações, aeronaves,

satélites, equipamentos militares, etc , são conhecidos como materiais avançados . Podem ser materiais

tradicionais que tiveram suas propriedades

aprimoradas ou materiais de elevado desempenho desenvolvidos recentemente.

São materiais que apresentam em geral custo muito

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• São considerados Materiais Avançados :

• Semicondutores

• Compósitos

• Biomateriais

• Materiais Inteligentes

• Nanomateriais

(38)

• Semicondutores

:

• Os chamados materiais semicondutores possuem propriedades elétricas que são

intermediárias entre aquelas exibidas pelos

materiais condutores : metais e ligas metálicas e

(39)

• Os materiais semicondutores possibilitaram o

desenvolvimento de vários componentes presentes na eletrônica moderna, bem como os chamados

circuitos integrados, os quais revolucionaram a indústria ao longo das três últimas décadas.

• Os materiais semicondutores possibilitaram o

desenvolvimento de vários componentes presentes na eletrônica moderna, bem como os chamados

circuitos integrados, os quais revolucionaram a indústria ao longo das três últimas décadas.

As características elétricas

destes materiais são sensíveis a mínima presença de átomos de impurezas .

As características elétricas

destes materiais são sensíveis a mínima presença de átomos de impurezas .

(40)

(41)

• Compósitos

:

• Um compósito é um material composto por dois ou mais materiais individuais, os quais se enquadram nos materiais comentados

anteriormente: Metais, Cerâmicas e Polímeros. • O objetivo do projeto de um compósito é

conseguir uma combinação de propriedades que não é encontrada em qualquer material isolado, bem como incorporar as melhores características de cada um dos materiais componentes.

(42)

• Um grande número de materiais compósitos é obtido por diferentes combinações de metais, cerâmicas e polímeros.

• Um dos materiais compósitos mais comum e familiar é aquele conhecido como “compósito de fibra de vidro“ ( fiber glass ), onde pequenas fibras feitas de vidro são

encerradas dentro de um material polimérico

( normalmente uma resina epoxy ou uma resina de poliéster ).

(43)

• As fibras de vidro são rígidas porém frágeis, enquanto que o material polimérico é flexível. Assim, o material compósito resultante é relativamente rígido, resistente e flexível.

(44)

• Outro compósito tecnologicamente importante é aquele composto de um

polímero reforçado com fibras de carbono , conhecido como PRFC.

(45)

• Neste material compósito, as fibras de carbono são colocadas no interior de um

polímero, resultando num material mais rígido

e mais resistente do que os compósitos reforçados com fibras de vidro, porém de custo bem mais elevado.

(46)

• Biomateriais

:

• Os biomateriais são utilizados em componentes

implantados no corpo humano, para a substituição de partes do corpo doentes ou danificadas.

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Estes materiais não podem produzir substancias

tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos que formam as diversas partes do corpo, não devendo produzir reações adversas.

• Metais, cerâmicas e polímeros podem ser utilizados como biomateriais, desde que reúnam características de não toxidade e compatibilidade com as estruturas biológicas que formam os tecidos do corpo humano.

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• Materiais Inteligentes

:

• Os materiais inteligentes formam um grupo de materiais de última geração, que estão sendo atualmente desenvolvidos e que terão

influência significativa em diversas tecnologias.

• Dizer que o material é inteligente, significa dizer que este material é capaz de sentir

mudanças nos seus ambientes e desta forma responder a estas mudanças segundo

(49)

A troca iônica que ocorre no eletrólito polimérico faz com que as camadas de polímero ( polipirrol ) se movimentem em direções proporcionais a polaridade definida pelos íons ( sentido da corrente )

Esquema de funcionamento de um músculo artificial baseado em plásticos inteligentes.

Aplicações de plásticos inteligentes em dispositivos onde o estímulo de uma

corrente elétrica seja respondido com um movimento mecânico, da mesma forma como nos músculos de animais

Esquema de funcionamento de um músculo artificial baseado em plásticos inteligentes.

Aplicações de plásticos inteligentes em dispositivos onde o estímulo de uma

corrente elétrica seja respondido com um movimento mecânico, da mesma forma como nos músculos de animais

Materiais Inteligentes

(50)

• Os componentes de um material classificado como inteligente, incluem algum tipo de

sensor, para detectar o sinal de entrada, e

algum tipo de atuador, que executa uma função de resposta e adaptação.

• Os atuadores podem provocar mudanças de forma, de posição, de frequência ou mesmo de características mecânicas em resposta a mudanças na temperatura, nos campos

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• As cerâmicas piezoelétricas se expandem e se contraem em resposta à aplicação de um

campo elétrico (aplicação de uma diferença de potencial) .

De maneira inversa, estas cerâmicas geram um campo elétrico (diferença de potencial) quando suas dimensões são alteradas .

(52)

• Nanomateriais:

• Um novo conjunto de materiais tem surgido recentemente,

apresentando propriedades muito interessantes e prometendo uma grande revolução tecnológica.

São os nanomateriais.

• Nanomateriais

:

• Um novo conjunto de materiais tem surgido recentemente,

apresentando propriedades muito interessantes e prometendo uma grande revolução tecnológica.

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• Nanomateriais

:

O termo “nano” significa que as dimensões das estruturas associadas a esses materiais é da ordem de nanômetro ( 10-9 m )

(54)

• Estes materiais podem ser formados por qualquer um dos materiais já vistos , tais como os metais , cerâmicas, polímeros e compósitos.

• Nesta nova classe de materiais, os

nanomateriais não são diferenciados com

base nas suas propriedades físico químicas, mas sim pelo seu tamanho extremamente reduzido .

(55)

nanomateriaisnanomateriais

(56)

( 10( 10-9_{m )}

(57)

• Nanomateriais –Algumas Aplicações

• Cosméticos e protetores solares : nanopartículas de TiO2 e ZnO são

atualmente utilizados em protetores solares , por serem transparentes a luz visível e por refletirem a radiação UV.

• Cosméticos e protetores solares : nanopartículas de TiO2 e ZnO são

atualmente utilizados em protetores solares , por serem transparentes a luz visível e por refletirem a radiação UV.

(58)

Compósitos : Utilização de nanopartículas e nanotubos, melhorando as propriedades mecânicas, ópticas, elétricas e magnéticas destes materiais.

(59)

• Materiais de revestimento de superfícies: Aumento da resistência

mecânica, oferecendo maior proteção contra ação de agentes externos. Como exemplo: revestimento de pisos com nanopartículas de Prata , que tem ação bactericida ou nanopartículas de TiO2, que apresenta ação

repelente a água.

• Ferramentas industriais: Ferramentas mais resistentes , utilizando nanocristais de carbeto de Tungstênio, carbeto de Tântalo e Titânio.

Materiais Elétricos - Lapa - aula 01 2018.ppsx

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