Notas de aula_propriedades elétricas

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Notas de aula_propriedades elétricas
Faculdade Sudoeste Paulista
Engenharia Civil/Produção
Notas de aula
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE
MATERIAIS
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
Prof. Msc. Patrícia Corrêa
Avaré, 2014
Ciência e Tecnologia de Materiais
a.
Prof Msc. Patrícia Corrêa
Propriedades de materiais:
2. Elétrica
As propriedades elétricas estão relacionadas aos mecanismos de transporte de carga elétrica
através de um corpo. Isso ocorre por elétrons livres e lacunas, e são chamados portadores de
carga livre, pois reagem a campos elétricos e magnéticos e podem se locomover facilmente
pelo material com pouco fornecimento de energia. Estão presentes em todos os tipos de
materiais, mas as lacunas apenas nos semicondutores.
Propriedades relacionadas a substância:
Resistividade elétrica (ρ) 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. Essa propriedade apresenta dependência da temperatura é geralmente
apresentada para temperatura de 20 ºC. No caso dos metais aumenta à medida que aumenta a
temperatura enquanto que nos semicondutores diminui à medida que a temperatura
aumenta.
Exemplos:
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Condutividade elétrica ( ) é usada para especificar o caráter elétrico de um material. 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). As discussões sobre propriedades elétricas usam
tanto a resistividade quanto a condutividade.
Relação entre condutividade e resistividade:
Condutividade em alguns materiais:
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Propriedades relacionadas ao corpo:
Resistência elétrica:
É a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando
existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Primeira Lei de Ohm: U =
R.i, onde U é a diferença de potencial; R é a resistência (valor constante para validar a Lei) e i a
intensidades de corrente elétrica, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é
medida em ohms.
Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito
elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons
colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons
encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem
da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas definiram uma grandeza
que denominaram resistividade elétrica.
Os fatores que influenciam na resistência de um material são:
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



A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento.
A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção
transversal, isto é, quanto mais fino for o condutor.
A resistência de um condutor depende do material de que ele é feito.
A resistência de um condutor depende da temperatura na qual ele se encontra.
Esses fatores que influenciam a resistência de um condutor podem ser resumidos pela
Segunda Lei de Ohm:
sendo que:
ρ é a resistividade elétrica do condutor (em ohm metros, Ωm);
R é a resistência elétrica do material (em ohms, Ω);
é o comprimento do condutor (medido em metros);
A é a área da seção do condutor (em metros quadrados, m²).
Condutância elétrica é o recíproco da resistência elétrica. A unidade derivada do SI de
condutância é o siemens (símbolo S, igual a Ω-1). Oliver Heaviside criou esse termo em
Setembro de 1885.
Condutância elétrica não deve ser confundida com condutividade elétrica, que é uma
característica específica de um material e recíproca da resistividade elétrica.
Classificação dos materiais quanto ao potencial de condução:
Condutores:
São materiais nos quais as cargas elétricas se deslocam de maneira relativamente livre.
Quando tais materiais são carregados em alguma região pequena, a carga distribui-se
prontamente sobre toda a superfície do material.
Nos sólidos que possuem elétrons livres, como os metais, é possível que a carga elétrica seja
transportada através deles, por isso dizemos que são condutores de eletricidade. Nesses
materiais, o movimento de cargas elétricas é composto por cargas negativas. Materiais como o
cobre, o alumínio e a prata são bons condutores.
Sais, quando dissolvidos ou fundidos, subdividem-se em partículas eletricamente carregadas
que, agora livres, também permitem o movimento de cargas em seu interior.
Semicondutores:
São sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e
isolantes. Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas,
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excelentes isolantes. Ao contrário do comportamento observado nos metais, contudo, a
condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta significativamente com a
temperatura. Usualmente, à temperatura ambiente, exibem ainda baixa condutividade, sendo
por tal bons isolantes quando em condições de manuseio. Tornam-se condutores se
consideravelmente aquecidos, contudo.
Os materiais semicondutores podem ser tratados quimicamente de diferentes maneiras de
forma a tornarem-se tão condutores quanto o necessário à temperatura ambiente (dopagem).
A combinação de semicondutores com diferentes tipos de dopagens faz emergir propriedades
elétricas não observáveis quando separados, propriedades muito úteis sobretudo no controle
de correntes elétricas.
Isolantes:
Conhecidos como dielétricos são materiais cujas cargas elétricas não conseguem se mover
livremente.
Os isolantes elétricos podem ser separados de acordo com sua rigidez dielétrica, uma
propriedade que influencia na tensão elétrica máxima que pode ser aplicada entre as
extremidades do isolante sem se romper. Vidro, borracha e óleos são exemplos de isolantes
elétricos.
Diagrama de bandas de energia para condutores, semicondutores e isolantes:
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Bandas de Valência: é uma banda de energia formada por níveis de energia, ocupada por
elétrons semilivres, que estão um pouco mais separados do núcleo que os demais. É nesta
banda de energia que se acumulam as lacunas eletrônicas ou buracos eletrônicos, após serem
criadas no material por processos energéticos, como por exemplo, a incidência de radiação
eletromagnética. É nela também que se dá o transporte de lacunas (buracos) sob a influência
de campo elétrico aplicado. Esta banda tem energias menores que a banda de condução, onde
se dá o transporte dos elétrons.
Banda de Condução: é o intervalo de energias de energia superior à da banda de valência. É
nesta região que se estabelece a condução elétrica.
Condução nos diferentes meios:
Sólidos:
Nestes materiais existem elétrons livres que podem se deslocar com um movimento que
depende da temperatura e de outras condições físicas a que estejam sujeitos. Estes elétrons
estão constantemente submetidos a um movimento de agitação térmica, com velocidades da
ordem dos 100 km/s, movimento desordenado e equilibrado no seu conjunto, não
constituindo, portanto, uma corrente elétrica.
Se, no entanto, esta substância for sujeita a um campo elétrico, os elétrons vão sendo
arrastados no seu movimento, formando assim uma corrente elétrica.
O sentido positivo desta corrente foi arbitrado como o contrário ao do deslocamento dos
elétrons. A corrente elétrica dá-se a uma velocidade muito mais baixa que a da agitação
térmica, na ordem dos cm/s.
Quando são arrastados os elétrons se chocam com as moléculas do material condutor,
perdendo parte da sua energia sob a forma de calor.
Líquidos:
Sabemos que, quando se dissolve um ácido, uma base ou um sal na água, dá-se a dissociação
das suas moléculas em íons que podem se deslocar no seio do líquido. Sob a ação de um
campo elétrico estes íons, positivos ou negativos, irão se deslocar em sentidos contrário, de
acordo com a respectiva carga.
Daqui se conclui que a corrente elétrica nos eletrólitos é conduzida de forma diferente da que
ocorre nos condutores sólidos, já que nos líquidos há movimento nos dois sentidos. As
acelerações dos anions e cátions são diferentes porque dependem das suas massas e da carga
elétrica.
Permissividade elétrica: É determinada pela habilidade de um material de polarizar-se em
resposta a um campo elétrico aplicado e, dessa forma, cancelar parcialmente o campo dentro
do material. Está diretamente relacionado com a susceptibilidade elétrica.
Quando um material condutor isolado for mergulhado em um campo elétrico externo seus
elétrons livres se rearranjam formando uma carga superficial de tal forma a anular o campo
elétrico no seu interior. Se procedermos da mesma forma, porém, com um material isolante
(dielétrico), devido a sua pequena concentração de elétrons livres, o campo elétrico no seu
interior não será totalmente anulado. Isto ocorre devido à polarização das moléculas (dipolos
elétricos) do material isolante formando também uma carga superficial.
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Rigidez dielétrica: Corresponde ao valor limite de tensão aplicada sobre a espessura do
material (kV/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.
No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 x 106 N/C, 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.
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