Ciência e Tecnologia dos Materiais Elétricos. Aula 4. Prof.Clebes André da Silva

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1 Ciência e Tecnologia dos Materiais Elétricos Aula 4 Prof.Clebes André da Silva

2 Aula 4 Capítulo 3 Materiais Condutores Objetivo do capítulo: - Breve estudo dos materiais condutores - Aplicações em componentes elétricos - Características, efeitos de emissão eletrônica e tópicos complementares do assunto

3 3.1 Introdução Materiais condutores Apresentam superposição entre Banda de Valência (BV) e Banda de Condução (BC) Energia de gap entre as bandas é nula (E G = 0) Definição de condutor: Toda matéria que permite o estabelecimento de um fluxo ordenado de elétrons em seu meio, compatível com a diferença de potencial aplicada.

4 3.2 Materiais e Dispositivos Condutores Os Metais e suas Características Único portador de carga elétron (em grande quantidade) Elevada condutividade Grande capacidade de: Deformação Moldagem Condutividade térmica Outras aplicações Dissipação de energia térmica Estruturas de sustentação Proteção mecânica

5 3.2.1 Os Metais e suas Características Características: Elevada condutividade elétrica e térmica Geralmente sólidos em temperatura ambiente (exceto mercúrio) Estrutura cristalina regular Formação de ligas com diferentes metais Capacidade de deformação e moldagem Brilho elevada reflexão da luz Opacos até uma espessura de 0,001mm Encruamento endurecem quando deformados a frio e reduzem sua condutividade Transformam-se em derivados perante certos ambientes No oxigênio do ar transformam-se em óxidos Nos ácidos Formação de sais * Regra geral: todos derivados conduzem menos que os metais originais

6 3.2.1 Os Metais e suas Características COBRE ALUMÍNIO PRATA OURO FERRO CHUMBO ESTANHO PLATINA MERCÚRIO NÍQUEL ZINCO CROMO TUNGSTÊNIO CÁDMIO

7 3.2.1 Os Metais e suas Características COBRE - Um dos mais importantes para eletricidade - Baixa resistividade (pior apenas que a prata) - Boa flexibilidade - Fácil manuseio a frio e a quente - Alta condutividade térmica - Facilidade para laminar, soldar e emendar - Facilidade para capeamento por outros metais - Resistênte à corrosão - Baixa dureza - Média resistência à tração - Médio ponto de fusão (1083 graus) - Abundante

8 3.2.1 Os Metais e suas Características ALUMÍNIO - Também um dos mais importantes na eletricidade - Segundo metal mais usado na eletricidade - Inferior ao cobre em: - Propriedades mecânicas - Propriedades elétricas - Devido à abundancia é mais barato - Ductil - Maleável - Pequena resistividade (maior que do cobre) - Grande longevidade no ar (resistência à corrosão) - Alta condutividade térmica - Baixo ponto de fusão (659 graus) - Mole - Leve - Camada de óxido de alumínio é altamente isolante - Difícil soldagem - Diferença de 2V para o cobre predisposição à corrosão galvânica do alumínio

9 3.2.1 Os Metais e suas Características PRATA - Condutor de menor resistividade - Aplicações especiais apenas devido ao custo - Resistente a corrosão - Usado para proteger outros metais (prateação) - Fusão a 960 graus

10 3.2.1 Os Metais e suas Características OURO - Condutor de uso mais especial - Metal nobre - Preço elevado - Médio ponto de fusão (1063 graus) - Baixa resistividade elétrica (maior que do cobre e prata, menor que do alumínio) - Resistênte à oxidação e sulfatação - Grande maleabilidade e ductibilidade - Excelentes propriedades para o ramo eletrônico - Peças de contato com baixas correntes

11 3.2.1 Os Metais e suas Características FERRO - Condutor - Grande resistência à tração, compressão, cisalhamento e fadiga - Grande tenacidade - Alto ponto de fusão (1530 graus) - Ferromagnético (permeabilidade magnética de 8000) - Baixa resistividade - Forma a liga de aço - Ideal para lâminas de transformadores, relés, ferragens de suporte, cabos resistentes, trilhos, barramentos, etc. - Rápida e fácil corrosão - Elevado efeito pelicular mesmo em baixas frequências

12 3.2.1 Os Metais e suas Características CHUMBO - Metal mole e plástico - Baixa resistividade (porém muito maior que dos outros metais) - Fácil soldagem - Elevada resistência contra ação da água potável, sal e ácidos. - Não resiste à água destilada, vinagre, materiais orgânicos em decomposição, cal - É venenoso - Proteção contra raio X, acumuladores chumbo ácido, soldas - Ponto de fusão de 327 graus

13 3.2.1 Os Metais e suas Características ESTANHO - Mole (porém mais duro que o chumbo) - Resistividade baixa - Não se oxida - Água não o ataca. Ácidos diluídos atacam levemente. - Muito utilizado em ligas: - Com o cobre Bronze - Com o chumbo Solda - Usado em revestimento anti-corrosivo

14 3.2.1 Os Metais e suas Características Outros metais importantes: PLATINA MERCÚRIO NÍQUEL ZINCO CROMO TUNGSTÊNIO CÁDMIO

15 3.2.1 Os Metais e suas Características Acabamento de materiais - Extrusão: - Método de moldagem - Saída forçada na forma desejada - Provoca endurecimento (encruamento) - Trefilação: - Deformação a frio - Tração da peça e moldagem pelo escoamento - Produz encruamento - Recozimento: - Tratamento térmico - Aquecimento seguido de resfriamento lento - Alivia tensão interna do material - Reduz a dureza do encruamento

16 3.2.2 Carvão e Grafita Não metálicos Propriedades condutoras de eletricidade Grafita Baixa resistividade Comportamento inverso dos metais resistividade se reduz com a temperatura Matéria prima: Carvão Produção Processo de grafitização: Redução do carvão em pó Compactação Longos ciclos de aquecimento em torno de 2200 graus por passagem do corrente elétrica Aplicações: Resistores, potenciômetros, eletrodos de fornos, lubrificante, comutadores de motores. Aplicação em grão: Capsulas de microfone

17 3.2.3 Ligas Metálicas Ligas condutoras: Ligas de cobre: maior dureza, menor condutividade e ductibilidade Bronzes: cobre + estanho Latão: cobre + zinco Copperweld: condutor de cobre com núcleo de aço Ligas de alumínio: fácil usinagem, leves, maior resistência Duralumínio: Cobre 4% + Magnésio 0,5% + Manganês 0,5% + Alumínio Alumoweld: fio de alumínio com núcleo de aço Aldrey: Magnésio 0,3% + 0,7% Silício + Ferro + Alumínio Ligas de chumbo e estanho: resistentes a corrosão

18 3.2.3 Ligas Metálicas Ligas resistivas: Objetivo: Transformar energia elétrica em energia térmica Provocar quedas de tensão Controlar nível de corrente Resistência à corrosão à alta temperatura Características favoráveis em sua dilatação e irradiação Empregos industriais: Potenciômetros de fio, reostatos (potenciômetro de potência) Resistores de alta dissipação Fornos de siderurgicas, fogões elétricos Ferro de soldar e passar Estufas

19 3.2.3 Ligas Metálicas Principais ligas resistivas: Ligas de níquel-cromo Fornos elétricos, ferro de soldar e passar, estufas, fogões elétricos Ligas de níquel-cobre Termopares, resistências de precisão, reostatos, Ligas famosas: Constantan, Prata alemã, Cuprothal, Alloy 45, Constanloy, Advance, Copel Ligas de cromo-ferro Aquecimentos em geral Ligas de cobre-manganês Resistores de medição Ligas de prata Resistores de regulação resistência decresce com a temperatura Ligas de ouro-cromo Resistores de precisão

20 3.2.4 Peças de Contato Características: Boa condutividade elétrica Baixa dissipação de calor Elevada dureza, tenacidade e rigidez resistir a desgastes mecânicos e deformações Capacidade térmica elevada Abertura de contatos geram arcos elétricos até 6000 graus Alto ponto de fusão Suportar ambientes corrosivos (ácidos, salinos ou o ar) Materiais usados: Metais nobres: geralmente ligas Relés Tungstênio: elevada dureza Relés, botoeiras Paládio: elevada resistência mecânica Relés Cobre: geralmente em ligas interruptores, plugues, tomadas, fusíveis, chaves Aço: alta resistência mecânica Carvão: escovas de motores baixo coeficiente de atrito.

21 3.2.5 Resistores Valor= (x1, x2). 10 x3 Tipos: Fixos Variáveis Potenciômetros Ajustáveis trimpot Ajuste por parafuso

22 3.2.6 Fusíveis

23 3.2.6 Fusíveis Tipos: De rolha De cartucho Tipo faca Diazed De cartucho para alta tensões Para circuitos eletrônicos Fórmula de Preece: Relação entre o diâmetro do fusível e a corrente de fusão:

24 3.3 Condutividade e Resistência Elétricas Densidade de corrente = J (A/m 2 ) Corrente que flui através de uma área. Cargas positivas Cargas negativas Corrente positiva no sentido do campo elétrico, corrente negativa no sentido contrário. AKI

25 3.3 Condutividade e Resistência Elétricas Aceleração da partícula e (C - coulombs)= carga do portador de carga (elétron) m (kg - kilos) = massa do portador de carga E (V/m) = campo elétrico A velocidade da partícula não aumenta indefinidamente devido às colisões

26 3.3 Condutividade e Resistência Elétricas Mobilidade dos elétrons livres Velocidade média por unidade de campo elétrico Velocidade de deriva proporcional ao campo elétrico Considere: - Condutor de comprimento = l (m) - Número de portadores livres = N - Cada portador com carga = e - Com velocidade média = v

27 3.3 Condutividade e Resistência Elétricas Elétrons livres por unidade de volume = m 3 Volume do condutor

28 3.3 Condutividade e Resistência Elétricas Resistência a passagem de corrente elétrica CC = Rcc

29 Dicas:

30

31 Obrigada 31

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