- CAPÍTULO 1 - PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS

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1 MATERIAIS ELÉTRICOS Prof. Rodrigo Rimoldi - CAPÍTULO 1 - PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS (Aula 3)

2 Propriedades magnéticas Permeabilidade magnética (μ) Definição: propriedade que determina o nível de magnetização dos materiais quando sujeitos a campos magnéticos; Os materiais podem: atrair (concentrar), repelir ou nem mesmo perturbar o campo magnético. Por exemplo, quando colocados próximos ao pólo de um imã certos materiais são: Fracamente atraídos (paramagnéticos); Fracamente repelidos (diamagnéticos); Fortemente atraídos (ferromagnéticos) ; Não exercem ação sobre as linhas de fluxo magnético. Unidade: H/m (Henry/metro).

3 Propriedades magnéticas Permeabilidade magnética (μ) Permeabilidade magnética do vácuo (µ 0 ): [ H / m] Permeabilidade relativa (µ r ): r Paramagnéticos: µ r > 1 ou µ > µ 0 (ligeiramente); Diamagnéticos: µ r < 1 ou µ < µ 0 (ligeiramente); Ferromagnéticos: µ r >> 1 ou µ >> µ 0 ; Indiferentes: µ r = 1. 0

4 Propriedades magnéticas Permeabilidade magnética (μ) Material Permeabilidade magnética relativa (µ r ) Classificação Ar, cobre e madeira 1, Indiferentes Prata 0, Diamagnético Zinco 0, Diamagnético Alumínio 1, Paramagnético Ferro 5500 Ferromagnético Aço 500 a 5000 Ferromagnético

5 Propriedades magnéticas Suscetibilidade magnética (Χ m ) Definição: menor ou maior facilidade com que o material se deixa atravessar pelo fluxo magnético circulante; A magnetização (M) de um material representa o grau de polarização dos dipolos magnéticos do material quando o mesmo é atravessado por um campo magnético (H). Tem-se: M 1 H H [ A/ m] r m

6 Propriedades mecânicas Para selecionar materiais apropriados e então obter um projeto eficiente, é essencial que se conheçam as propriedades relevantes dos materiais; As propriedades mecânicas dos materiais são medidas em termos do comportamento do material quando sujeito a uma força e são determinadas pelas deformações.

7 Propriedades mecânicas Resistência mecânica: qualidade dos materiais de suportarem a aplicação de esforços externos sem cederem ou romperem; Tensão mecânica (T): Expressa em kgf/cm 2 ; É proporcional à deformação. Deformação (ε): T Elástica: desaparece quando a tensão é retirada; Inelástica ou plástica: deformação permanente. F A

8 Deformação (ε) continuação: Propriedades mecânicas ε Δl = l 0 Onde: Δl = variação de comprimento; l 0 = comprimento inicial. Módulo de elasticidade (módulo de Young): ME = T ε

9 Propriedades mecânicas Tensão deformação L.E.: limite elástico (de escoamento); L.Re.: limite de resistência; L. Ru.: limite de ruptura.

10 Propriedades mecânicas Tensão deformação Até o ponto L.E.: deformação é proporcional, ou seja, obedece a lei de Hooke, sendo ME calculado pela razão entre a tensão e a deformação correspondente;

11 Apenas revisando... Robert Hooke ( ): Estabeleceu a relação entre tensões mecânicas e deformações de corpos submetidos a esforços mecânicos; Para uma mola: F K x

12 Propriedades mecânicas Tensão deformação Ponto L.E.: limite de elasticidade ou de escoamento. Em materiais como os aços doces, o limite de escoamento é bem definido quando o material escoa, ou seja, a deformação plástica ocorre sem que, praticamente, ocorra aumento da tensão;

13 Curiosidade... Primeiramente: Aço = Ferro + Carbono. Aço doce: Baixo teor de carbono na liga; Adequado à dobras, estampas, etc; Exemplo: lataria de veículos. Quanto maior o teor de C: Liga fica mais dura e quebradiça; Exemplo: facas.

14 Propriedades mecânicas Tensão deformação Além do ponto L.E.: Deformação será em parte elástica e em parte inelástica; Material estica rapidamente e a máxima tensão é aplicada no ponto L.Re.; No ponto L.Ru. ocorre a fratura.

15 Propriedades mecânicas Tensão deformação Figura (a): Materiais frágeis (não dúcteis); Se rompe sem que haja deformação plástica; Exemplos: ferro fundido, telhas de barro, ligas de amianto, etc.

16 Propriedades mecânicas Tensão deformação Figura (b): Materiais dúcteis (é o caso dos aços doces); Limite de escoamento definido; Exemplos: grades, portões, esquadrias, máquinas, implementos agrícolas e rodoviários, indústria mecânica em geral, etc.

17 Propriedades mecânicas Tensão deformação Figura (c): Materiais dúcteis sem L.E.; Escoamento (deformação plástica): dado por tensão capaz de provocar uma deformação de 2%; Exemplos: peças de alumínio em geral.

18 Propriedades mecânicas Ductilidade Refere-se ao grau de flexibilidade ou maleabilidade dos materiais; É a deformação plástica total até o ponto de ruptura; Pode ser expressa como o alongamento ou como a redução na área da seção reta do corpo imediatamente antes da ruptura, chamada estricção; No material dúctil: Região do regime plástico é muito maior que a do regime elástico; Alongamento e a estricção são grandes.

19 Propriedades mecânicas Dureza e tenacidade Dureza: Definida pela resistência da superfície do material à penetração; Tenacidade: Energia total necessária para provocar a fratura do corpo de prova; Pode ser representada pela área sob a curva tensão-deformação.

20 Fonte: Univ. Federal Fluminense, curso de Resistência dos materiais, prof. Salete S. O. Buffoni. CAP. 1 PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS Propriedades mecânicas Curva tensão deformação

21 Propriedades térmicas Calor: Energia térmica; Expresso em calorias ou BTU (ou Btu acrônimo para British Thermal Unit). Temperatura: Nível de atividade térmica; Expresso em o C, o F ou K. º F = 1,8(º C) + 32 K = º C + 273,15

22 Resistência ao calor: CAP. 1 PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS Propriedades térmicas Resistência térmica Capacidade dos materiais e peças suportarem, sem prejuízo de suas propriedades, a manutenção por períodos curtos ou longos de altas temperaturas. Resistência ao frio: Capacidade dos materiais e peças suportarem, sem prejuízo de suas propriedades, a manutenção por períodos curtos ou longos de baixas temperaturas.

23 Propriedades térmicas Dilatação térmica Coeficiente de dilatação linear: aumento do comprimento do material em uma determinada direção, quando aquecido. Chamando de L 0 o comprimento inicial e de L 1 o comprimento final, correspondentes às temperaturas θ 0 e θ 1, tem-se: Onde: α = L1 - L0 L ( θ -θ 0 α = coeficiente médio de dilatação linear entre as temperaturas θ 0 e θ 1. Por não serem iguais os coeficientes de dilatação de todos os materiais, surgem várias dificuldades, entre as quais a soldadura de diferentes corpos. 1 0 )

24 Dilatação linear (ΔL): CAP. 1 PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS Propriedades térmicas ΔL = L1 - L0 = α L0 Dilatação térmica Importante no estudo de linha de transmissão onde o efeito da temperatura na dilatação de cabos aéreos deve ser considerada; Nos casos de união ou junção de materiais diferentes (ex.: par bimetálico) este fator é importante para a avaliação da dilatação diferencial (a curvatura sofrida pelo bimetal devido a diferença de dilatação entre os dois metais. Δθ

25 Propriedades térmicas Condutividade térmica (K) Definição: quantidade de calor Q transmitida perpendicularmente à seção A de um corpo de comprimento d, o qual está submetido a uma diferença de temperatura Δθ durante um certo tempo t. Onde: d Q d K cal /º C A t A Φ (fluxo de calor ou corrente térmica): quantidade de calor que atravessa um corpo por unidade de tempo; cm s

26 Propriedades térmicas Expressa a facilidade com que um material se deixa atravessar por um fluxo de calor; Quanto maior for a vibração das partículas de um corpo durante de o fluxo, maior será a retentividade térmica e menor será a condutividade; K elevado: material dissipa calor; Condutividade térmica (K) K baixo: material é isolante térmico.

27 Propriedades químicas Radiação Efeito da radiação nos materiais: originado pela energia extra que ela fornece, facilitando a ruptura das ligações existentes e o rearranjo dos átomos em novas estruturas; O botânico observa os efeitos da fotossíntese, o fotografo usa esse fato na exposição de seus filmes, o físico utiliza essas interações para aplicações de fluorescência, o médico aplica radiações em terapia; Em materiais poliméricos à base de polietileno utilizados em lacres de medidores de energia, a radiação UV, assim como o calor e a umidade, causam degradação.

28 Propriedades químicas Oxidação Logo que se conheceu a estrutura dos átomos verificou-se que, quando um elemento ou uma substância combinavase com o oxigênio, esta espécie química perdia elétrons; Atualmente o termo oxidação ainda significa perder elétrons, mas não necessariamente em presença de oxigênio (quando um elemento perde elétrons o seu estado de oxidação aumenta); A Oxidação pode ocorrer em três circunstâncias: Quando se adiciona oxigênio à substância; Quando uma substância perde hidrogênio; Quando a substância perde elétrons.

29 Propriedades químicas Oxidação Exemplos: O manuseio de peças de cobre causa sua oxidação diminuindo a vida útil do material; Aço Corten aplicado na construção de um estúdio para um artista, localizado em New Jersey EUA. Oxidação e corrosão em uma vela de automóvel. O material dos eletrodos oxidou, e quando a oxidação é pesada a superfície apresenta-se esverdeada.

30 Propriedades químicas Corrosão Definição: transformação de um material pela sua interação química ou eletroquímica num determinado meio de exposição; Representada por alterações como: desgaste, variações químicas ou modificações estruturais; Causas comuns: dissolução ou oxidação eletroquímica; A deterioração de materiais não-metálicos, como o concreto, borracha, polímeros e madeira, devido à ação do meio ambiente, pode ser considerada também, como corrosão.

31 Propriedades químicas Corrosão Também deriva de correntes ocasionadas por potenciais externos que produzem casos severos de corrosão; Exemplo: tubulações enterradas e cabos telefônicos estão freqüentemente sujeitos a esses casos devido às correntes elétricas de interferência que abandonam o seu circuito normal para fluir pelo solo ou pela água. Esse tipo de corrosão é chamada de corrosão por eletrólise ou eletrolítica. Como é uma forma de corrosão localizada, em pouco tempo ocorre a perfuração das instalações.

32 Propriedades químicas Corrosão por dissolução Ocorre quando o material entra em contato com um solvente (ácido). Exemplo: ácido sulfúrico em contato com zinco.

33 Propriedades químicas Corrosão eletroquímica A corrosão metálica (por mecanismo eletroquímico) está associada à exposição do metal ou uma liga metálica a um meio com presença de moléculas de água, juntamente com o gás oxigênio ou íons de hidrogênio num meio condutor.

34 Uso de inibidores de corrosão; Propriedades químicas Prevenção à corrosão Isolamento elétrico dos materiais de nobrezas diferentes: quando for inevitável a existência de grandes diferenças de potencial (por exemplo, chapas de alumínio sobre estruturas de aço, juntas de latão em canalizações de aço, etc.) deverá sempre ser especificada a colocação, nos pontos de conexão não metálica, materiais como neoprene, teflon, etc., que agirão como isolantes; Aplicação de revestimentos protetores:

35 Eletro-eletrônicos e computadores em geral: Propriedades químicas Oxidação e corrosão Oxidação e corrosão se iniciam naturalmente em função do acúmulo da umidade e do sal, provenientes do meio-ambiente; Mudanças físicas e químicas na superfície de conexões eletromecânicas, por exemplo, são a causa primária de degradação do desempenho em componentes e equipamentos. Quando superfícies de contato são expostas à sujeira, fumaça, gases, fuligem e outros sólidos suspensos na atmosfera, "filmes" não metálicos se formam, inibindo a condutividade; O aumento da resistência e a fricção entre superfícies metálicas também causa ruídos, travamentos e em alguns casos, aumento no consumo de energia.