aula 02 propriedades gerais dos...
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Universidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia Elétrica
Materiais Elétricos - Teoria
Aula 02Aula 02Propriedades Gerais dos MateriaisPropriedades Gerais dos Materiais
FlorianFlorianóópolis, setembro de 2006.polis, setembro de 2006.
Clóvis Antônio Petry, professor.
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BibliografiaBibliografiaPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
CapCapíítulos:tulos:- 1;- 12.
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Nesta aulaNesta aulaPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Cronograma:Cronograma:1. Propriedades gerais dos materiais;2. Materiais magnéticos;3. Materiais condutores;4. Materiais semicondutores;5. Materiais isolantes.
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Revisão da aula anteriorRevisão da aula anteriorPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
ElEléétrons de valência:trons de valência:- Propriedades químicas;- Natureza das ligações;- Características mecânicas;- Resistência mecânica;- Tamanho do átomo;- Condutividade elétrica;- Características ópticas.
Mecanismos para adquirir Mecanismos para adquirir configuraconfiguraçção estão estáável:vel:
- Receber elétrons;- Perder elétrons;- Compartilhar elétrons.
Tipos de ligaTipos de ligaçções:ões:- Iônica;- Covalente;- Metálica.
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Revisão da aula anteriorRevisão da aula anteriorPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
LigaLigaçção iônica:ão iônica:- Íons positivos (cátions)
e negativos (ânions);- Ligação forte.
LigaLigaçção covalente:ão covalente:- Ocorre o compartilhamento de elétrons;- Ligação forte entre átomos.
LigaLigaçção metão metáálica:lica:- Ocorre preferencialmente nos metais;- Íons positivos (cátions) e elétrons livres;- Ligação forte entre átomos;- Elevada condutividade elétrica e térmica.
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Revisão da aula anteriorRevisão da aula anteriorPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
LigaLigaçção metão metáálica:lica:- Ocorre preferencialmente nos metais;- Íons positivos (cátions) e elétrons livres;- Ligação forte entre átomos;- Elevada condutividade elétrica e térmica;- Elétrons livres absorvem energia luminosa (opacos).
Cobre
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Revisão da aula anteriorRevisão da aula anteriorPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Estruturas moleculares:Estruturas moleculares:- Pontos e ebulição e de fusão baixos;- São moles (escorregamento);- Idênticas na forma líquida ou na gasosa.
Estruturas cristalinas:Estruturas cristalinas:- O arranjo dos átomos se
repete a longas distâncias.
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Revisão da aula anteriorRevisão da aula anteriorPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Estruturas não cristalinas (amorfos):Estruturas não cristalinas (amorfos):- São aqueles nos quais os átomos não se repetem num arranjo
em largas distâncias atômicas.
B2O3 (vidro)H2O (água)
Gases
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Revisão da aula anteriorRevisão da aula anteriorPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Propriedades elPropriedades eléétricas:tricas:- Resistência elétrica;
- Resistividade;
- Condutância;
- Condutividade;
- Constante dielétrica;
- Rigidez dielétrica.
ohm = Ω
ohm cm = cm⋅ Ω ⋅
siemens = S
-1
siemens/m = S/mmho/cmmho = ohm
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Revisão da aula anteriorRevisão da aula anteriorPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Mecanismos de conduMecanismos de conduçção:ão:- Sólidos (elétrons livres na estrutura);- Líquidos (íons positivos e negativos, nos dois sentidos);- Gases (ionização e descarga).
Sólidos Líquidos
Gases
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Principais propriedades:Principais propriedades:- Resistência mecânica;- Elasticidade;- Ductilidade;- Fluência;- Dureza;- Tenacidade.
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Resistência mecânica:Resistência mecânica:- Qualidade dos materiais de
suportarem a aplicação de esforços externos sem cederem ou romperem.
DeformaDeformaçção:ão:- Ação de modificar a forma
(linear, superficial ou volumétrica);- Elástica (desaparece com
a cessação da causa);- Plástica (permanece após
cessada a causa).
Fibra de nanotubos de carbono
Tensão:Tensão:- Força por unidade de área;- Expressa em kgf/cm2;- Calculada dividindo a força pela área.
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Relação elástica Relação plástica
MMóódulo de elasticidade (mdulo de elasticidade (móódulo de Young):dulo de Young):- Relação entre a tensão aplicada e a deformação elástica;- Está relacionado com a rigidez do material, expresso em kgf/mm2.
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Ductilidade:Ductilidade:- Deformação plástica até o ponto de ruptura;- Pode ser expresso como alongamento.
Redução na área da seção reta do corpo
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
EstricEstricçção:ão:- Redução na área da seção reta do corpo, imediatamente
antes da ruptura;- É expresso em porcentagem:
área inicial - área finalEstricção = área inicial
Limites do material:Limites do material:- Limite elástico (de escoamento) → LE;- Limite de resistência → LRe;- Limite de ruptura → LRu.
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
- Material não dúctil;- Sem deformação plástica;- Frágil;- Ferro fundido.
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
- Material dúctil;- Possui LE;- Aço de baixo carbono.
Empregadas principalmente em grades e portões, esquadrias, máquinas, implementos agrícolas e rodoviários e na indústria mecânica em geral
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
- Material dúctil sem LE;- Limite convencional deescoamento = tensão paraprovocar uma deformação de 0,2%;- Alumínio.
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
- Curva verdadeira;- Calculada considerando a área real;
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Dureza:Dureza:- Definida pela resistência da
superfície do material à penetração;- BNH – Escala Brinell de dureza →
índice de medida da dureza;- Escala Rocwell.
Durômetro
Bilha
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Propriedades mecânicasPropriedades mecânicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Tenacidade:Tenacidade:- Energia necessária para romper o material;- Medida em kgf.cm;- Resistência à tração = tensão necessária para
romper o material.
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Propriedades tPropriedades téérmicasrmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Calor:Calor:- Energia térmica;- Expresso em calorias ou Btu.
Temperatura:Temperatura:- Nível de atividade térmica;- Expresso em:
o o oC ou F ou K
( )o oF=1,8 C 32+
( )o o5C= F 329⎡ ⎤−⎣ ⎦
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Propriedades tPropriedades téérmicasrmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Propriedades tPropriedades téérmicas mais importantes:rmicas mais importantes:- Calor específico;- Resistência ao calor;- Resistência ao frio;- Condutividade térmica;- Dilatação.
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Propriedades tPropriedades téérmicasrmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Calor especCalor especíífico mfico méédio (dio (CmCm):):- Relação entre a quantidade de calor necessário (Q)
para elevar a unidade de massa do corpo da temperatura θ0 a θ1 e a elevação de temperatura (θ1 – θ0):
( )1 0-QCm
m θ θ=
⋅
Jkg K⎡ ⎤⎢ ⎥⋅⎣ ⎦
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Propriedades tPropriedades téérmicasrmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Resistência ao calor:Resistência ao calor:- Capacidade dos materiais e peças suportarem, sem
prejuízo de suas propriedades, a manutenção por períodos curtos ou longos de altas temperaturas.
Resistência ao frio:Resistência ao frio:- Capacidade dos materiais e peças suportarem, sem
prejuízo de suas propriedades, a manutenção por períodos curtos ou longos de baixas temperaturas.
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Propriedades tPropriedades téérmicasrmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Condutividade tCondutividade téérmica:rmica:- Propagação do calor através dos corpos;- Nos metais a energia térmica é transferida pelos
elétrons;- Nos polímeros a transferência de energia é realizada
pelas cadeias de moléculas.
Cobre Isoprene
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Propriedades tPropriedades téérmicasrmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
DilataDilataçção tão téérmica:rmica:- Alteração (aumento)
nas dimensões do corpo em função da temperatura;
- Expressa em: ocm
cm C⎡ ⎤⎢ ⎥⋅⎣ ⎦
(α) = Coeficiente de dilatação linear
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Efeito da radiaEfeito da radiaçção:ão:- A estrutura molecular ou atômica do material
pode receber energia por meio de radiação.
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Corrosão:Corrosão:- É a deterioração e a perda de um material devido a
um ataque químico;- Representa alterações como: desgaste, variações
químicas ou modificações estruturais;- Pode ser por:
- dissolução;- oxidação eletroquímica.
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Corrosão por dissoluCorrosão por dissoluçção:ão:- Reação química em que moléculas de um sólido
são dispersadas como íons em uma fase líquida;- Moléculas e íons pequenos se dissolvem mais
facilmente (asfalto x plástico);- Solubilização ocorre mais facilmente quando o
soluto e o solvente tem estruturas semelhantes (cobre x zinco líquido – chumbo líquido);
- Dois solutos produzem maiores solubilidades que apenas um (carbonato de cálcio x água – ácido carbônico = água + gás carbônico).
Dissolução do brometode hidrogênio
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Corrosão eletroquCorrosão eletroquíímica:mica:- Processo de oxidação de um metal;- Oxidação é a remoção de elétrons de um átomo.
2+ -Fe Fe + 2e→
2+ 3+ -Fe Fe + e→
Ferro Íons ferrosos
Íons ferrosos Íons férricos
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
FormaFormaçção da ferrugem:ão da ferrugem:- Reação química com perda de elétrons;- Óxido férrico.
( )2 2 34Fe + 3O + 6H O 4Fe OH→
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Potencial de eletrodo:Potencial de eletrodo:- Eletrodo é o sistema formado pelo metal e pela
solução eletrolítica vizinha ao metal;- A imersão de um metal nas soluções eletrolíticas
determina o estabelecimento de uma diferença de potencial entre as fases (sólida e líquida).
- Dissolução do ferro em solução;- Formam-se íons de ferro;- Os elétrons produzem um potencial.
2+ -Fe Fe + 2e
Potencial negativo
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Eletrodo normal de hidrogênio:Eletrodo normal de hidrogênio:- Referencial para a tabela de
potenciais de eletrodo.
Potencial negativo:Fe > HFe = anodoH = catodo
Ag<HAg = catodoH = anodo
Anodo – cede elétrons (saem do). Catodo – recebe elétrons (entram no).
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Tabela de potenciais de eletrodoTabela de potenciais de eletrodo
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
CCéélulas galvânicas:lulas galvânicas:- É um dispositivo que
permite a conversão de energia química em energia elétrica.
Anodo (maior potencial)2+ -Fe Fe + 2e→
Catodo (menor potencial)+ -
2H 2H + 2e←
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
FormaFormaçção da ferrugem:ão da ferrugem:- A corrosão (perda de
elétrons) ocorre no anodo, mas a formação da ferrugem ocorre no catodo. + -
2H O H + OH
( )3+ -3
Fe + 3OH Fe OH→
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
ClassificaClassificaçção das cão das céélulas galvânicas:lulas galvânicas:- Células de composição (formada a partir de metais
diferentes);- Células de tensão (deformação a frio – encruamento);- Células de concentração (deficiência de oxigênio).
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Galvanoplastia:Galvanoplastia:- Deposição de metal no catodo.
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
PrevenPrevençção da corrosão:ão da corrosão:- Isolamento dos eletrólitos e eletrodos → camadas de
proteção;- Ausência de formação de pares galvânicos;- Proteção galvânica.
Placas de magnésioao longo de oleoduto
Placas de zinco emcasco de navio
Barra de magnésio emtanque industrial
Uso de eletrodos de sacrifício operando como anodos
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Propriedades quPropriedades quíímicasmicasPropriedades gerais dos materiaisPropriedades gerais dos materiais
Aplicação de uma tensão externa (fonte de elétrons)
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Cronograma:Cronograma:1. Propriedades gerais dos materiais;2. Materiais magnéticos;3. Materiais condutores;4. Materiais semicondutores;5. Materiais isolantes.