Ciência e Tecnologia dos Materiais Elétricos. Aula 3. Prof.ª Letícia chaves Fonseca

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1 Ciência e Tecnologia dos Materiais Elétricos Aula 3 Prof.ª Letícia chaves Fonseca

2 Aula 3 Propriedades Químicas Tipos de baterias Propriedades Ópticas Refração e reflexão Fibra ótica O Fator Custo dos Materiais 2

3 1.7 Propriedades Químicas Métodos de controle da corrosão A. Proteção por isolamento Ex: revestimento do ferro com película de zinco (ferro galvanizado) ou capa de alumínio. * Zinco e alumínio quando oxidados formam uma fina camada de material isolante resistente à corrosão (óxido de zinco e óxido de alumínio). B. Proteção por passivação: adição de outros materiais na liga metálica. Ex: - Aço inoxidável (liga de ferro + carbono + cromo + níquel) - Bronze (liga de cobre e estanho) - Latão (liga de cobre e zinco) C. Proteção catódica: Utiliza-se metais com maior potencial de oxidação (metal de sacrifício) para proteger os de menor potencial. Ex: - Aterramento: Lâminas de zinco protegem hastes de cobre. - Carcaças de navio são protegidas com pedaços de magnésio. D. Outros tipos de controle: Isolação resinosa e neutralização do meio 3

4 1.7 Propriedades Químicas Importante: 1) Eletrólito: solução condutora - Soluções básicas (alcalinas), ácidas ou sais. - Soluções iônicas Condutoras 2) Portadores de carga: - Sólidos Elétrons - Líquidos Íons (cátions e ânions) - Gases ionizados Elétrons e íons 4

5 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Eletroquímica: estuda o relacionamento entre corrente elétrica e reações químicas. Oxidação processo químico da óxido-redução Retirada de elétrons do material. Íon positivo flui para o meio iônico Pilha galvânica Dois metais com potenciais diferentes mergulhados em um eletrólito e ligados por um fio condutor. Fio condutor: fluxo de elétrons Eletrólito: fluxo de cátions * Conversão de energia química em energia elétrica Anodo sofre oxidação recebe elétrons - (eletrodo negativo) Catodo sofre redução recebe íons positivos - (eletrodo positivo) 5

6 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias A medida da capacidade de doar elétrons (se oxidar) é dada em volts. Potencial de oxidação depende: 1) Temperatura - Maiores temperaturas provocam maior potencial de oxidação. 2) Concentração do eletrólito - O aumento da concentração diminui o potencial de oxidação 6

7 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Baterias e pilhas: Fontes de tensão contínuas. Formadas por pares anodo-catodo Ligações em série e em paralelo Se diferenciam pela durabilidade e capacidade de corrente. Tipos de pilhas/baterias: A. PRIMÁRIAS Não recarregáveis Elétrólito formado por pastas absorventes Pilha seca B. SECUNDÁRIAS Recarregáveis Normalmente menor densidade de energia do que as primárias Maior densidade de potência (maior corrente) Descarga constante Desempenho razoável em baixas temperaturas 7

8 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Tipos de pilhas/baterias: A. PRIMÁRIAS A.1. Pilha seca ou de Leclanché: AAA, AA, C e D. Todas de 1,5V Recipiente de zinco (ânodo) e barra de grafita cercada de mistura de dióxido de manganês e carvão em pó (cátodo). Eletrólito: pasta úmida de cloreto de amônia com cloreto de zinco. Pequena corrente Baixo tempo de vida útil na estocagem Pilha seca do tipo B possui 9V: 6 pilhas em série de 1,5V cada. Aplicações: Flashes, rádios, brinquedos 8

9 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Tipos de pilhas/baterias: A. PRIMÁRIAS A.2. Pilhas alcalinas: Mesmo par anodo catodo das pilhas secas Eletrólito de hidróxido de potássio 2 a 10 vezes mais corrente que as secas Maior tempo de estocagem Aplicações: aparelhos com maior necessidade de corrente 9

10 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Tipos de pilhas/baterias: A. PRIMÁRIAS A.3. Pilhas de lítio Lítio como anodo Alta densidade de energia Pouco peso Alta tensão (entre 2V e 3,6V) Descarga constante Tempo de estocagem acima de 5 anos Perigosas quando explodem! Aplicações: Calculadoras programáveis, relógios, etc. 10

11 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Tipos de pilhas/baterias: A. PRIMÁRIAS A.4. Pilhas de zinco-óxido de mercúrio: Alta capacidade com relação ao volume Descarga constante Boa vida de estocagem Tensão: 1,2V Aplicações: aparelhos de audição, marca-passo, detectores, etc. 11

12 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Tipos de pilhas/baterias: A. PRIMÁRIAS A.5. Pilhas de eletrólito sólido: Pequena potência (microwatts) Vida útil muito grande Tensão: 2,8V Aplicações: marca-passo e circuitos de memória. 12

13 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Tipos de pilhas/baterias: B. SECUNDÁRIAS B.1 Baterias de chumbo-ácido: - Barata, largamente usada, diversos tamanhos e correntes. - Dióxido de chumbo (positivo), chumbo (negativo), ácido sulfúrico (eletrólito) - Não aceita carga em baixa temperatura, apresenta auto descarga - Aplicações: automóveis, tratores, caminhões, barcos, no breaks, etc. 13

14 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Tipos de pilhas/baterias: B. SECUNDÁRIAS B.2 Bateria de níquel-cádmio - Bateria alcalina - Alta capacidade de energia, ciclo de vida longo - Bom desempenho em baixa temperatura, robustez e confiabilidade. - Óxido de níquel (positivo), Cádmio (negativo), solução alcalina de hidróxido de potássio como eletrólito. - Pode ser estocada. - Requer pouca manutenção. - Aplicação: Celulares, iluminação de emergência. 14

15 1.7 Propriedades Químicas Tópico Complementar: eletroquímica, pilhas e baterias Tipos de pilhas/baterias: B. SECUNDÁRIAS B.3 Outras baterias - Bateria de Hidreto de níquel metálico (NiMH) - Bateria de ion de lítion (li-ion) Aplicações: Pagers Laptops Celulares Equipamentos que utilizam bastante energia. 15

16 1.8 Propriedades Ópticas Foco: Funcionamento das fibras óticas. Propriedades principais: reflexão e refração Conceito: Raio incide com ângulo θ i com a normal Raio reflete com ângulo θ r com a normal θ i = θ r Incide e reflete no mesmo meio Problemas de geometria plana Reflexão especular: Superfície lisa e polida Reflexão difusa: Superfície com reentrâncias e saliências Luz reflete em todas direções 16

17 1.8 Propriedades Ópticas Conceito: Mudança do meio de propagação Raio se propaga no meio 1 com velocidade v1 Incide na superfície de outro material (meio 2) com ângulo θ 1 com a normal Sofre desvio ou não e passa a propagar no outro meio com ângulo θ 2 e velocidade v2. Se incidir na vertical não muda de direção mas muda de velocidade (também é refração) Dióptro: E o conjunto meio 1 + meio 2 + fronteira Problemas de geometria plana 17

18 1.8 Propriedades Ópticas Índice de refração absoluto ou refringência do meio (n): Medida quantitativa do fenômeno da refração (adimensional) c = velocidade da luz no vácuo v = velocidade da luz no meio em questão 18

19 1.8 Propriedades Ópticas Lei de Snell Descartes: 1) Se n1=n2: Não há mudança de velocidade Não há mudança de ângulo Não há refração 2) Se n1>n2: θ 1 < θ 2 e v1 < v2 O raio se afasta da normal Velocidade do raio aumenta * Ângulo limite θ L : raio refratado sobre a superfície. Para ângulo incidente maior que o limite ocorre reflexão. 19

20 1.8 Propriedades Ópticas Lei de Snell Descartes: 3) Se n1<n2: θ 1 > θ 2 e v1 > v2 O raio se aproxima da normal Velocidade do raio diminui 20

21 1.8.1 tópico complementar: a fibra ótica Transmissão de grande volume de informações. Constituição: Camada interna (núcleo) mais refringente. Camada externa menos refringente (casca) Capa externa de polímero (proteção mecânica) Transmissão: Reflexão total pelo dióptro núcleo-casca Luz utilizada: Luz infravermelha Sofre menos atenuação que a luz visível 21

22 1.8.1 tópico complementar: a fibra ótica Sistema básico de transmissão: Fibra ótica: meio de propagação do sinal ótico Conector: Conexão emissor-fibra e fibra-receptor Transmissor: Converte sinal elétrico em sinal ótico Ex: LED Receptor: Converte sinal ótico em sinal elétrico. Ex: Fotodiodo + amplificador de sinais 22

23 1.8.1 tópico complementar: a fibra ótica Vantagens da fibra ótica: 1) Baixa atenuação maiores distâncias 2) Baixa manutenção 3) Largura de banda maior capacidade de transmissão 4) Imunidade à interferência eletromagnética 5) Baixo peso 30 g / km Instalada em aviões e carros 6) Pequena dimensão diâmetro externo de 125 micrômetros 7) Sigilo impossibilidade de retirar ou colocar sinais sem danificar o sistema 8) Isolação elétrica Fibra ótica em casa Internet 400MB - França 23

24 1.9 O Fator Custo dos Materiais Elaboração e execução do projeto ou produto Especificar propriedades intrínsecas do material com base na finalidade. Propriedades elétricas, magnéticas, físicas, químicas, etc. Produto competitivo qualitativamente Economia de mercado Custo e lucro PARÂMETROS ESSENCIAIS OTIMIZAR AO MÁXIMO! Quando custo não é limitante Máxima qualidade Competitividade comercial - Redução de custos - Viabilidade do projeto - Maior lucro - Analisar fator técnico e custo CUSTO NÃO É UMA PROPRIEDADE INTRÍNSECA DO MATERIAL Deficiências do material podem ser compensadas pelo baixo custo 24

25 Exemplos: 1.9 O Fator Custo dos Materiais Ouro e prata - Ótimos condutores - Não são usados como fios e cabos - São pesados (elevada massa específica) - Preço proibitivo - Usados com suas ligas - Grande resistência à corrosão Cobre é mais caro que o alumínio - Melhor condutor - Mais fácil de soldar e emendar - Mais usado para instalações de baixa tensão Alumínio - Mais frágil mecanicamente que o cobre - Mais leve e mais barato que o cobre Mais usado em linhas de transmissão Exige menores estruturas de sustentação Menor custo da obra 25

26 Questões (individuais) 1) Comente sobre as propriedades mais importantes dos materiais condutores, isolantes e magnéticos. 2) Dê exemplos de materiais usados em dispositivos elétricos que levam em conta seu estado físico. 3) O que é massa específica e densidade? 4) Defina resistência mecânica, ductiíidade, maleabilidade, dureza e tenacidade. 5) Explique a curva tensão x deformação que caracteriza a elasticidade de um material. 6) Comente sobre dilatação térmica, condutividade térmica e calor específico dos materiais. 7) O que é corrosão? Como ocorre e quais os mecanismos para o seu controle? 8) Como ocorre a reflexão interna total numa fibra ótica? 9) Comente sobre o fator custo dos materiais. Problemas Propostos: Data de entrega: 11/03 Grupos de 3 pessoas 26

27 Obrigada 27