APRESENTAÇÃO DE PROPRIEDADES ELÉTRICAS (2).pptx

PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS
MATERIAIS
Alunos: Carlos Neto, Douglas Queiroz, Lidiany Veloso e Téo Silva

Fundamento de Ciência e
Tecnologia dos Materiais (UFRRJ)

Ementa:
• 1° e 2° Lei de Ohm;
• Condutividade Elétrica;
• Resistividade Elétrica;
• Semicondutores Elétricos;
• Comportamento Dielétrico;
• Outras Características Elétricas dos Materiais

Introdução:
Na engenharia de materiais faz se necessário, por parte do engenheiro, o
conhecimento das características, propriedades, e comportamentos dos
materiais a serem utilizados, assim como suas limitações de utilização.
Os materiais de maneira geral, apresentam propriedades físicas,
químicas, mecânicas, elétricas, térmicas, magnéticas e ópticas, além de
seu custo, que deve ser levado em consideração na escolha para uma
determinada aplicação na engenharia.
Essa aula terá como objetivo apresentar os princípios gerais sobre as
propriedades elétricas dos materiais.

PROPRIEDADES ELÉTRICAS
DOS MATERIAIS

Propriedades Elétricas
As propriedades elétricas dos materiais são características que
determinam a capacidade de um material transportar cargas elétricas.
Essas características são classificadas dentro de três classes:
 Condutores
 Semicondutores
 Isolantes

1° Lei de Ohm
A intensidade da corrente elétrica (I) que percorre
um circuito é diretamente proporcional à força
eletromotriz voltagem (V) aplicada e inversamente
proporcional à resistência total do circuito (R).
Fonte: Callister, Cap. 18, 2024.
Onde I é a intensidade de corrente elétrica, medida
em ampère – A (C/s) , V é a tensão elétrica aplicada,
medida em volt – V (J/C) e R a resistência elétrica
do circuito, medida em ohm - (V/A).

1° Lei de Ohm
Exemplo 1: Um fio condutor foi ligado a um gerador ideal, que mantém entre
seus terminais uma tensão U = 12 volts. Determine o valor da resistência desse
fio.
Exemplo 2: Na figura ao abaixo temos o gráfico da tensão (U) aplicada a um
condutor em função da intensidade da corrente (i) que o percorre. Determine o
valor da resistência quando a tensão vale 20 V e 60 .

2° Lei de Ohm
A resistividade apesar de independente da geometria da amostra está
relacionada a R :
 l é a distância entre os dois pontos onde é medida a voltagem
 A é a área da seção reta perpendicular à direção da corrente e é expresso em [.m].

Condutividade Elétrica
Para se especificar a natureza elétrica de um material, muitas vezes usa-se a
condutividade elétrica, que nada mais é do que o inverso da resistividade,
ou seja:
Intensidade do campo magnético
Densidade da Corrente

Resistividade Elétrica dos Metais
Em função dos metais possuírem alta
condutividade, discute-se esta em
termos da resistividade.
Os materiais com resistividade
destinam-se à transformação da
energia elétrica em térmica
(chuveiro, forno, secador e etc.) e para
criar em um circuito certas condições
para criar quedas de tensão.
Resistor é o componente eletrônico
mais simples, mais comum e mais
barato de um circuito elétrico. Este
componente não armazena energia,
apenas a dissipa na forma de calor.
• Condutores – condutividade da ordem de 107
(m)-1
• Semicondutores – entre 10-6
e 104
(m)-1
• Isolantes – entre 10-20
e 10-10
(m)-1

Influência da Temperatura na Resistividade
Para o metal puro e para todas as ligas
cobre-níquel mostradas na figura ao lado, a
resistividade aumenta linearmente com a
temperatura acima de cerca de –200o
C.
Dessa forma, em que ρ0 e a são constantes
para cada metal específico. Essa
dependência do componente térmico da
resistividade em relação a temperatura
deve-se ao aumento das vibrações térmicas
e de outras irregularidades da rede (por
exemplo, lacunas), que servem como
centros de espalhamento dos elétrons, com
o aumento da temperatura.

Influência da Temperatura na Resistividade
Fonte: Haynes, W.M., Handbook of Chemistry, 93 a Ed, 2012.

Influência das Impurezas na Resistividade
Um aumento na resistividade dos materiais
ocorre também quando se realiza a liga de
dois metais. Assim, dois metais de
determinados valores próprios de
resistividade, quando entram na formação
de uma liga, esta apresenta uma
resistividade maior que a de seus
componentes. Tal fato é devido às alterações
na disposição cristalina do produto
resultante, cuja irregularidade dificulta a
passagem dos elétrons. Conclui-se então
que, quanto mais puro o metal, menor será
sua resistividade
A figura ao lado mostra a variação da
resistividade da liga de cobre e níquel.

Materiais Elétricos Metálicos mais Utilizados
 Prata (Ag): É um condutor de menor resistividade
a temperaturas normais, mas sua aplicação está
limitado devido ao alto custo.
 Cobre (Cu): Baixo custo, existe em abundância e
alta condutividade.
 Alumínio: Apresenta valores de condutividade 50%
do valor da ρ do cobre, porém apresentam
resistência corrosão bem superior.
 Elementos de Aquecimento: Altos valores de
resistividade e boa resistência a oxidação em altas
temperaturas.
Ex: FeCrAl.
Fonte: Ewaldo Mehl, FPR, 2023

Semicondutores
Os materiais semicondutores são materiais que possuem resistividade
intermediária entre a dos materiais condutores e isolantes. Os principais
materiais semicondutores utilizados na eletrônica são o Germânio (Ge) e o
Silício (Si), sendo este último o mais utilizado.
Materiais modernos que utilizam semicondutores:
Nos materiais semicondutores, a camada de valência possui 4 elétrons, como o
material tende a possuir oito elétrons na camada de valência, e o elemento
semicondutor só possui quatro, este acomoda os seus átomos, simetricamente
entre si, constituindo uma estrutura cristalina, através de ligações covalentes.
Chips Celulares Computadores

Semicondutores
Semicondutores intrínsecos: São aqueles em que o comportamento elétrico
está baseado na estrutura eletrônica inerente ao metal puro.
Semicondutores extrínsecos: São as características elétricas são devidas
aos átomos de impurezas.
Dispositivos Semicondutores
A invenção dos dispositivos semicondutores possibilitou a construção de
circuitos miniaturizados propiciando o grande desenvolvimento tecnológico que
conhecemos.
 Diodos
 Transistores
 Capacitores

Diodos
O diodo semicondutor é um dispositivo básico numa grande variedade de
circuitos que vão dos mais simples aos mais complexos.
Além disso, ele faz a conversão da corrente alternada para contínua. Por isso,
são utilizados em placas fotovoltaicas uma vez que convertem a energia solar
em energia elétrica, assim como os diodos emissores de luz (LED).
Fonte: Henrique Matted, 2020

Transistores
São dispositivos eletrônicos capazes de modificar sinal elétrico de saída como
resposta a um de entrada, servindo como amplificadores, comutadores,
osciladores ou retificadores.
Exemplos práticos: rádio, relógios ou lâmpadas, entre outros.
Fonte: LDE, 2016

Capacitores
Capacitores ou condensadores são elementos
elétricos capazes de armazenar carga elétrica
e, consequentemente, energia potencial
elétrica.
Podem ser esféricos, cilíndricos ou planos,
constituindo-se de dois condutores
denominados armaduras que, ao serem
eletrizados, num processo de indução total,
armazenam cargas elétricas de mesmo valor
absoluto, porém de sinais contrários.
Fonte: Arantes Vera, 2018.

PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS
MATERIAIS POLÍMEROS E
CERÂMICOS

Propriedade Elétrica de Materiais Cerâmicos
Os materiais cerâmicos são condutores ou isolantes elétricos?
Os materiais cerâmicos têm sido usados

para uma infinidade de aplicações,
inclusive na indústria elétrica como condutores, isolantes e resistores. As
cerâmicas possuem propriedades elétricas únicas que as diferenciam de outros
materiais, como metais e polímeros.

Propriedade Elétrica de Materiais Polímeros
A maioria dos materiais poliméricos possui baixa condutora de eletricidade em
razão da indisponibilidade de grande número de elétrons livres para participar
do processo de condução. Os elétrons nos polímeros estão fortemente ligados
em ligações covalentes. O mecanismo da condução elétrica nesses materiais
não é bem compreendido, mas acredita-se que a condução nos polímeros de alta
pureza seja de natureza eletrônica.

Comportamento Dielétrico
Um material dielétrico é um isolante elétrico (não metálico) e exibe ou pode
ser produzido para exibir uma estrutura de dipolo elétrico; ou seja, ao nível
molecular ou atômico, há uma separação entre as entidades positivas e
negativas eletricamente carregadas.
Capacitância
Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor, uma placa fica
carregada positivamente, enquanto a outra fica carregada negativamente, com
o campo elétrico correspondente direcionado da carga positiva para a negativa.
A capacitância C está relacionada com a quantidade de carga armazenada em
cada uma das placas Q pela relação em que V e a voltagem aplicada através do
capacitor. A unidade para a capacitância e o coulomb por volt, ou farad (F).

Constante Dielétrica

Vetores de Campo e Polarização
A melhor forma de explicar o fenômeno da capacitância é
com o auxílio de vetores de campo. Para começar, para
cada dipolo elétrico existe uma separação entre uma
carga elétrica positiva e uma negativa, como está
demonstrado ao lado. Um momento de dipolo elétrico p
está associado a cada dipolo, como a seguir:
 q é a magnitude de cada carga do dipolo
 d é a distância de separação entre elas.
Um momento de dipolo é um vetor que está direcionado da carga negativa
para a positiva, como indicado na figura.

Polarização
Na presença de um campo elétrico, que também é uma
grandeza vetorial, uma força atuará sobre o dipolo
elétrico para orientá-lo em relação ao campo aplicado.
Este processo de alinhamento de um dipolo é
denominado polarização.
A densidade de cargas na superfície D, ou a quantidade de cargas por unidade
de área da placa do capacitor (C/m2
), é proporcional ao campo elétrico. Quando
vácuo está presente, então:
em que a constante de proporcionalidade é e0. Além disso, existe uma
expressão análoga para o caso de um dielétrico; ou seja,
Algumas vezes, D também é chamado de deslocamento dielétrico.

Tipos de Polarização
Existem três tipos ou fontes de polarização:
eletrônica, iônica e de orientação. Os materiais
dielétricos exibem normalmente pelo menos um
desses tipos de polarização, dependendo do
material e também da maneira como é aplicado o
campo externo.
a) Polarização eletrônica resultante da distorção em nuvem
eletrônica de um átomo devido a um campo elétrico.
b) Polarização iônica resultantes do descolamentos relativos de íons
eletricamente carregados em resposta ao campo magnético.
c) Resposta de dipolos elétricos permanentes à aplicação de um
campo elétrico, produzindo polarização de orientação.

Polarização Eletrônica
Em resumo a polarização eletrônica pode ser definida como um fenômeno que
acontece quando o campo elétrico de uma onda eletromagnética interage com
os elétrons de um material.
A polarização iônica é um fenômeno em que os cátions e ânions de um
composto iônico se deslocam em direções opostas quando um campo elétrico é
aplicado.
Polarização Iônica

Polarização de Orientação
A polarização de orientação é um fenômeno que ocorre em ondas
eletromagnéticas, quando as ondas são separadas e selecionadas de acordo
com a orientação de suas vibrações.
A polarização total P de uma substância é igual à soma das polarizações
eletrônica, iônica e de orientação (Pe, Pi e Po), respectivamente.

OUTRAS CARACTERÍSTICAS
ELÉTRICAS DOS MATERIAIS

Ferroeletricidade
O grupo de materiais dielétricos chamados de ferroelétricos exibe polarização
espontânea, ou seja, polarização na ausência de um campo elétrico. Eles são
os análogos dielétricos aos materiais ferromagnéticos, os quais podem exibir
um comportamento magnético permanente. Devem existir dipolos elétricos
permanentes nos materiais ferroelétricos, cuja origem é explicada para o
titanato de bário, um dos materiais ferroelétricos mais comuns. A polarização
espontânea é consequência do posicionamento dos íons Ba2+, Ti4+ e O2 na
célula unitária.

Piezoetricidade
Um fenômeno não usual exibido por alguns poucos materiais cerâmicos
(assim como alguns polímeros) é a piezoeletricidade, ou, literalmente, a
eletricidade pela pressão. A polarização elétrica (isto é, um campo elétrico ou
voltagem) é induzida no cristal piezoelétrico como resultado de uma
deformação mecânica (alteração dimensional) produzida pela aplicação de
uma força externa conforme figura ao lado.
Os materiais piezoelétricos podem ser usados
como transdutores entre as energias elétrica e
mecânica. Uma das primeiras utilizações das
cerâmicas piezoelétricas foi em sistemas de
sonares, em que objetos submersos (por
exemplo, submarinos) são detectados e suas
posições são determinadas usando um sistema
de emissão e recepção ultrassônico.

Resumindo
As propriedades elétricas dos materiais desempenham um papel crucial em
diversas áreas da ciência e da tecnologia, desde a condução de eletricidade
até as aplicações mais avançadas, como a fabricação de dispositivos
eletrônicos, sensores e sistemas de armazenamento de energia. A
compreensão dessas propriedades, como a condutividade, a resistividade, a
constante dielétrica e a mobilidade dos portadores de carga, é fundamental
para o desenvolvimento de novos materiais e tecnologias que atendem às
demandas cada vez mais exigentes do nosso mundo moderno.

Referências Bibliográficas
Callister Jr., D. William, Ciência e Engenharia de
Materiais: Uma Introdução. William D. Callister, Jr., David
G. Rethwisch; tradução Sergio Murilo Stamile Soares. - 10.
ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2024. Cap 18. pág. 579 a pág. 623.
Haynes, W.M., Handbook of Chemistry, 93 a Ed, 2012.
Ewaldo Mehl, FPR, 2023
Arantes Vera, 2018.
LDE, 2016

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