PMR-2330
Materiais para Sistemas
Eletromecânicos
Aula-3
Propriedades
Elétricas e Magnéticas dos
Materiais e suas Aplicações
Propriedades Elétricas
dos Materiais
As propriedades elétricas dos
materiais são uma consequência
importante de suas características
microscópicas e por isso elas são,
em muitos casos, utilizadas como
critério de quantificação para
defeitos estruturais presentes em
materiais condutores.
Figura 1. Modelo com
núcleos positivamente
carregados e imóveis,
imersos num gás de
elétrons livres.
Drude aplicou a teoria
cinética dos gases aos
elétrons de condução,
que se movem num
percurso cheio de íons
imóveis (movimento
difusivo).
A Figura 2. ilustra o
modelo difusivo de
condução.
Propriedades Elétricas:
a Resistividade e a Constante Dielétrica
As propriedades elétricas dos materiais são
descritas através de dois parâmetros físicos
constitutivos: a
resistividade (ρ)
e a
constante
dielétrica (K):
o primeiro associado à
movimentação das partículas transportadoras
de cargas livres
e o segundo à
movimentação
de curta distância associada às partículas
portadoras de cargas ligadas, presas aos
respectivos núcleos atômicos ou a superfícies
eletrizadas
.
Propriedades Elétricas:
a Resistividade e a Constante Dielétrica
o valor da
resistividade (ρ)
é uma medida da
indisponibilidade de cargas livres por unidade de
volume acrescida ao grau de dificuldade para sua
movimentação no meio material, sob a ação de um
campo elétrico aplicado, onde
cada material
apresenta um resistência diferenciada
o valor da
constante dielétrica (K)
vem associado
ao grau de assimetria na distribuição espacial das
cargas elétricas presas constituintes da unidade
celular do comportamento elétrico do meio material,
quando excitado por um campo elétrico aplicado.
Lei de Ohm
Quando iniciamos estudos sobre eletricidade em
condutores metálicos, temos contato com três
propriedades fundamentais:
corrente elétrica, resistência elétrica
e
potencial elétrico.
Estão relacionadas entre si pelo que conhecemos como Lei
de Ohm, expressada matematicamente por:
V = Ri
No modelo de Drude a resistência obedece a seguinte
equação:
R =
*L / A
Onde
é a resistividade característica do material que
forma o resistor, L é o comprimento e A é a área da seção
reta deste.
Resistividade VS Constante Dielétrica
A
resisitividade
é o parâmetro físico que possui um
dos maiores intervalos de variação na natureza, indo
desde 10
-8ohm para os metais mais condutivos até 10
16ohm para os isolantes (ou dielétricos) mais resistivos.
A
constante dielétrica
, quando capaz de ser
associada fisicamente aos fenômenos típicos decorrentes
da movimentação das cargas presas, varia no intervalo
que vai desde o seu limite inferior igual a 1, para o vácuo,
atinge os maiores valores em torno de 200 para família
dos minerais constituintes das rochas, mas podendo
chegar até 8.000 para materiais muito especiais
Resistividade VS Constante Dielétrica
Ambos os parâmetros, ρ e K, podem exibir
dispersão, ou seja, variar com a frequência do
campo elétrico aplicado, de modo
característico para cada material, inclusive
apresentando intervalo de frequência também
característico para a ocorrência deste
fenômeno. Para um mesmo material,
diferentes tipos de dispersão podem ocorrer
ao longo do espectro.
Aplicações em Condutores Elétricos
Para cada uso uma especificação adequada!
Aplicações da Resistividade
Potenciômetro
Converte o deslocamento linear ou angular em variação de resistência.
Potenciômetros de áudio e lineares.
Potenciômetros de uma volta e multivoltas. Trabalha como um divisor de tensão.
Materiais Piezoresistivo
Strain Gauges Baseiam-se no efeito piezoresistivo apresentado pelos materiais
quando são sujeitos a uma deformação (força). Esse efeito
traduz-se numa variação da resistência elétrica do material em função da força aplicada: R=R0(1-x), em que x=Se*e, em que R0 é a resistência do material quando nenhuma força está aplicada, Se é um fator (=2 para a maioria dos materiais, e
aproximadamente 6 para a platina) e e = dl/l é a deformação normalizada do material.
Condutividade Iônica
Alguns materiais em determinadas condições físicas não
conduzem eletricidade, entretanto, alterando-se estas condições o mesmo material pode passar a conduzir
eletricidade. Um exemplo simples a ser considerado é o sal de cozinha, NaCl. Este sal na temperatura ambiente é um
péssimo condutor de eletricidade e é caracterizado como um isolante. Entretanto, basta fundi-lo ou dissolvê-lo em água que se perceba uma elevada taxa de condução de eletricidade.
Fenômenos como este levaram cientistas do século passado a questionarem se o mecanismo de condução de eletricidade em metais era o mesmo observado, por exemplo, no NaCl.
O primeiro a sugerir que os mecanismos de condução eram
completamente distintos foi Arrhenius, que entre 1880 e 1890, estudou a condutividade elétrica de soluções ácidas, e sugeriu que o mecanismo de condução elétrica em determinadas
substâncias ocorria devido à migração de íons e não de elétrons como nos condutores metálicos.
• A condutividade iônica, derivada de migração de íons, não ocorre
em grande extensão na maioria dos sólidos iônicos e covalentes, tal como os óxidos e haletos.
• Pode parecer controverso mencionar condutividade iônica em
sólidos covalentes, entretanto, é preciso ter em mente que a expressão "sólidos covalentes" se refere à predominância da
covalência, sem desprezar qualquer parcela de caráter iônico nas ligações. Nestes casos, os átomos tendem a permanecer
essencialmente fixos em suas posições de retículo e só podem se mover através de defeitos no retículo cristalino.
• Somente em temperaturas altas, onde a concentração de defeitos
torna-se realmente alta e onde os átomos adquirem energia térmica, essa condutividade iônica torna-se apreciável. Como exemplo, a condutividade iônica do NaCl em aproximadamente 1073 K (800 °C), pouco abaixo de sua fusão, é aproximadamente 10 -1 ohm-1, enquanto na temperatura ambiente o NaCl é um isolante.
As condutividades são geralmente dependentes da temperatura e
aumentam com o aumento da temperatura para todos os
materiais, exceto os metais. Nos metais a maior condutividade é observada em baixas temperaturas. Em alguns metais ocorre
ainda o fenômeno da supercondutividade em temperaturas próximas do zero absoluto, isto é, -273 °C ou 0 K.
Tabela 1: Valores típicos de condutividade elétrica (W-1).
Condutores iônicos Cristais iônicos < 10-16 a 10-2 Eletrólitos sólidos 10-1 a 103 Eletrólitos fortes (líquidos) 10-1 a 103 Condutores Eletrônicos Metais 103 a 107 Semicondutores 10-7 a 105 Isolantes < 10-10
Eletrólitos
Eletrólito é toda a substância que dissociada
ou
ionizada
origina
íons
positivos ( cátions ) e íons
negativos ( ânions ), pela adição de um
solvente
ou por aquecimento. Desta forma torna-se um
condutor de
eletricidade
.
Uso mais comum pilhas e baterias
Ex. baterias de chumbo/ácido, níquel/cádmio,
• Os eletrólitos sólidos (condutores iônicos rápidos ou
condutores superiônicos), apresentam conjunto de íons, os ânions ou os cátions, que podem se mover livremente.
•Esses materiais tem frequentemente estruturas cristalinas
muito específicas, nas quais existem camadas ou túneis abertos, ao longo dos quais os íons podem se mover.
• Os valores de condutividade desses materiais são
comparáveis aos observados para eletrólitos líquidos fortes.
• Um exemplo é o valor de condutividade de 10-1 ohm-1
apresentada pelo íon Na+ em β-alumina, a 298 K (25 °C). Existe um grande interesse em estudar as propriedades
desses eletrólitos sólidos para desenvolver novos materiais, e em estender sua gama de aplicações em dispositivos
CAPACITORES
Qualquer circuito elétrico ou eletrônico, necessita de pelo
menos um dos seguintes componentes: Resistor (R); Capacitor (C); Indutor (L).
Num circuito contendo esses três componentes, dois deles
conservam energia, enquanto o terceiro dissipa energia.
Dois condutores isolados com formato qualquer, separados por
CAPACITORES
Uma vez conhecida a geometria do capacitor podemos
calcular a sua capacitância:
(a) considera-se uma carga q sobre as placas;
(b) calcula-se E entre as placas através da Lei de Gauss.
A capacitância depende
somente de fatores
geométricos, a área A da
placa e a separação entre
elas, d.
Esquemas simplificados de alguns dos
sensores capacitivos mais utilizados.
Sensores Capacitivos
As variações no valor nominal da capacidade podem
ser provocadas por redução da área frente a frente,
da
distancia de separação entre as placas
, ou por
variação da constante dielétrica do material
.
Os sensores capacitivos permitem medir com
grande precisão um grande número de grandezas
físicas, tais como: a posição, o deslocamento, a
velocidade e a aceleração linear ou angular de um
objeto, a força, o torque, a pressão e a temperatura,
assim como detectar a proximidade de objetos, a
presença de água e de pessoas, a umidade, a
concentração de gases e o nível de líquidos ou
sólidos
, etc.
Efeitos do material dielétrico
MATERIAL K MATERIAL K
vácuo 1 Porcelana 6
ar 1.0006 Alumina 8.1~9.5 teflon 2 Titanatos 50~10000 papel parafinico 2.5 Silício amorfo 3.8
plástico 3 Pyrex 5.1
papel 4~6 Poliestireno 2.5~2.6 óleo 4 água destilada 80
mica 3~7
Indutores
• Um
indutor
é um dispositivo elétrico passivo que
armazena
energia
na forma de
campo magnético
,
normalmente combinando o efeito de vários loops da
corrente elétrica
. O indutor pode ser utilizado em
circuitos como um filtro passa baixa, rejeitando as altas
freqüências.
• É geralmente construído como uma
bobina
de
material
condutor
, por exemplo, fio de
cobre
, e um
núcleo
de material ferromagnético, que aumenta a
indutância concentrando as linhas de força de campo
magnético que fluem pelo interior das espiras.
Indutores
•O campo magnético pode induzir uma tensão noutro
indutor, se este for enrolado sobre uma mesma forma ou
núcleo. Pela Lei de Faraday, a tensão induzida será
proporcional à velocidade de variação do fluxo, e ao
número de espiras deste indutor.
E2 = N2 df/dt
• Aplicando aos dois enrolamentos, a lei permite deduzir
a relação básica do
transformador
.
Aplicações em Transformadores e Sensores Indutivos
Usados para detectar objetos metálicos, o sensor indutivo
trabalha pelo princípio da indução eletromagnética.
Funciona de maneira similar aos enrolamentos primários e
secundários de um transformador. O sensor tem um
oscilador e uma bobina; juntos produzem um campo
magnético fraco. Quando um objeto entra no campo,
Ferroeletricidade
A partir da descoberta por Valasek de propriedades
ferroelétricas do denominado "sal de Rochelle", grande tem sido a atenção dos físicos em torno da pesquisa do fenômeno da ferroeletricidade, em vista de sua relevância tecnológica bem como pelos seus aspectos teóricos
fundamentais.
Os ferroelétricos são materiais que exibem um momento de
dipolo elétrico espontâneo, mesmo na ausência de um campo aplicado. A polarização permanente pode ser mudada, e mesmo invertida, por um campo elétrico.
Viários são os compostos que apresentam esta propriedade.
O magnetismo nos materiais ferroelétricos é causado pela forma de alinhamento dos seus átomos constituintes, os quais atuam como eletromagnéticos elementares.
Materiais Ferroelétricos
Os ferroelétricos são materiais dielétricos, que não conduzem corrente elétrica, e exibem dipolos elétricos orientados
espontaneamente mesmo sem a aplicação de um campo elétrico externo, cuja polarização deve poder ser reorientada com a
Ferroeletricidade
Um exemplo de material ferroelétrico é o Niobato de Chumbo e
Magnésio (PMN) de composição Pb(Mg1/3Nb2/3)O3. É um ferroelétrico que apresenta estrutura perovskita cúbica do tipo A(B',B'')O3 acima de Tm, como mostrado na figura abaixo.
O grande interesse por esse material se deve à vários fatores, dentre os
quais, destacam-se a sua alta constante dielétrica em Tm (Km > 15.000) que permite o aumento da eficiência volumétrica dos
capacitores, temperatura de sinterização relativamente baixa (~1000ºC) e Tm de -10ºC. Diferentemente dos ferroelétricos normais, que
possuem Tc, temperatura de Curie, os relaxores possuem Tm,
temperatura de máxima constante dielétrica. Os relaxores possuem a principal característica de ter uma transformação paraelétrica-
ferroelétrica, ao longo do
resfriamento, de forma difusa, ocupando um intervalo
considerável de temperatura. Os ferroelétricos normais
possuem uma forma aguda para essa transformação.
Ferromagnetismo
O ferromagnetismo é explicado
pelo conceito de que algumas espé- cies de átomos possuem um mo- mento magnético, que é um eletro- magnetismo elementar produzido
pelo movimento dos elétrons ao redor do núcleo e pelo spin dos seus elétrons sobre seus próprios eixos.
Abaixo da temperatura de Curie, os átomos se comportam
como minúsculos ímãs em materiais ferromagnéticos espontaneamente alinhados entre si. Eles se tornam
orientados na mesma direção então cada campo magnético reforça o outro.
Ferromagnetismo
Um requisito de um material ferromagnético é que
seus átomos ou íons devem ter
momento
magnético permanente
.
Outro requisito para o ferromagnetismo é a
existência de alguma força interatômica que deixe
os momentos magnéticos de muitos átomos
paralelos uns com os outros
. Sem essa força os
átomos estariam desordenados por agitação
térmica, os momentos dos átomos vizinhos
neutralizariam um ao outro e o alto momento
magnético que é característico do
Ferromagnetismo
O ferromagnetismo é um processo físico no qual
certos materiais eletricamente descarregados atraem
fortemente outros materiais. A magnetita, Fe3O4, é
um composto de óxidos de ferro II e III, (69% de FeO
e 31% de Fe2O3) e ferro são dois materiais
encontrados na natureza que têm a capacidade de
adquirir forças atrativas e por isso são frequentemente
chamados ferromagnéticos naturais.
Eles foram descobertos a mais de 2000 anos atrás e
serviram de base para os primeiros estudos científicos
do magnetismo.
Hoje em dia os materiais ferromagnéticos são usados
numa ampla variedade de aparelhos essenciais do
dia-a-dia como por exemplo
motores elétricos
, geradores,
transformadores, telefones e auto-falantes
.
Ferroelétrico/Piezelétrico/Piroelétrico
As propriedades de um ferroelétrico têm como base a simetria
de seu cristal. Os cristais que possuem um ou mais eixos polares apresentam o fenômeno da piezoeletricidade que consiste em provocar uma deformação mecânica através da aplicação de um campo elétrico e vice-versa.
Os cristais que possuem apenas um eixo polar podem adquirir cargas de sinais opostos sobre suas faces perpendiculares
quando submetidos a uma variação de temperatura. Este fenômeno é chamado de piroeletricidade.
Quando, através de um campo elétrico, pode-se inverter o
sentido dessa polarização, acontece o fenômeno da ferroeletricidade.
Materiais Piezelétricos
Em 1945, o descobrimento que cerâmicas ferro
elétricas de titanato de bário (BaTiO3) polarizadas
apresentam o efeito piezelétrico marcou o início da
geração das piezo cerâmicas.
Os estudos de soluções sólidas de PbZrO3-
PbTiO3, nos anos 50, resultaram na obtenção de
cerâmicas de titanato zirconato de chumbo (PZT),
que passaram a ser objeto de freqüentes
investigações para a otimização de suas
propriedades ou como motivação para o
Materiais Piezelétricos
Na atualidade materiais piezelétricos são utilizados
como elementos sensores e/ou atuadores em
aplicações tecnológicas desde baixas, na faixa de Hz,
até frequências da ordem de Giga-Hz.
As baixas frequências são cobertas principalmente
pelos materiais policristalinos (cerâmicos, polímeros
ou compósitos). Cristais e filmes finos são os mais
utilizados em aplicações de altas frequências.
As cerâmicas eletroeletrônicas constituem uma
importante classe de materiais para pesquisa científica
devido as suas inúmeras aplicações tecnológicas como
em osciladores, sensores, micromotores, memórias
Materiais Piezelétricos
A condição necessária para que um material possa
apresentar o fenômeno da piezeletricidade é a
ausência de um centro de simetria. Por isso todos os
materiais piezelétricos são anisotrópicos.
