Apostila Materiais Elétricos

5/16/2018 Apostila Materiais El tricos - slidepdf.com

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Materiais Elétricos

Robson Edgard Faria

• Propriedades Magnéticas da Matéria;

• Materiais Magnéticos;

• Diamagnetismo, paragnetismo e ferromagnetismo;

• Propriedade Eletromagnética;

• Circuito RL;

• Campo de indução na matéria;

• Permeabilidade e suscetibilidade magnéticas;

• Histerese magnética;

• Circuito magnético;

• Eletro-imãs.

• Condutores dielétricos e semicondutores;



Objetivo

Fornecer um estudo dos materiais usados em eletricidades, capacitando o aluno no

reconhecimento e utilização dos materiais isolantes, condutivos ferromagnéticos e materiais

semicondutivos.

• Fornecer conhecimento básico sobre as estruturas internas dos

materiais.

• Fornecer conhecimento na aplicação de alguns materiais aplicados na

eletricidade.

Classificação dos materiais

• Os materiais sólidos têm sido convenientemente agrupados em três classificações

básicas: metais, cerâmicos e polímeros.

• Esse esquema está baseado principalmente na composição química e na estruturaatômica, e a maioria dos materiais se encaixa em um ou outro agrupamento distinto,

embora existam alguns materiais intermediários.

• Adicionalmente, existem três outros grupos de materiais importantes na engenharia –

compósito, semicondutores e biomateriais.

• Os compósitos consistem em combinações de dois ou mais materiais diferentes

• Os semicondutores são utilizados devido às suas características elétricas peculiares

• Os biomateriais são implantados no interior do corpo humano. Uma explicação

sucinta dos tipos de materiais e suas características representativas é apresentada a

seguir.

Metais

• Materiais metálicos são normalmente combinações de elementos químicos metálicos.

• Eles possuem um número grande de elétrons livres, isto é, estes elétrons não estão

ligados a qualquer átomo em particular.

• Muitas propriedades dos metais são atribuídas diretamente a estes elétrons.

Propriedades?

• bons condutores de eletricidade e calor

• opacos à luz visível

• muito resistentes

Cerâmicos

• Os materiais cerâmicos são compostos por elementos químicos metálicos e não-

metálicos.

• Exemplo:óxidos, nitretos e carbetos.

• A grande variedade de materiais que se enquadra nesta classificação inclui cerâmicos

que são compostos por minerais argilosos, cimento e vidro.

Propriedades:

• Geralmente isolantes à passagem de eletricidade e calor (não possuem elétrons livres

para condução)

• Boa resistência a altas temperaturas e a ambientes adversos (alta estabilidadequímica) e abrasivos – são mais resistentes do que os metais e polímeros.



• Duros, porém muito quebradiços.

Polímeros

• Muitos polímeros são compostos orgânicos, carbono, hidrogênio e outros elementos

não-metálicos.

• Possuem estruturas moleculares muito grandes.

Propriedades:

• Estes materiais possuem tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente

flexíveis.

• Exemplos?

• plástico, borracha, teflon, etc.

Semicondutores

• Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre

aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes.

• São compostos por materiais específicos e similares aos de cerâmicas.• As características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença

de minúsculas concentrações de átomos de impurezas, concentrações que podem ser

controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas.

• Os semicondutores tornaram possível o advento dos dispositivos e circuitos integrados

eletrônicos, que revolucionaram totalmente as indústrias de produtos eletrônicos.

• No caso do semicondutor de Si, este apresenta também propriedades mecânicas

excelentes que o torna utilizável em dispositivos micromecânicos (micromotores,

microinjetores, microsensores, etc).

Compósitos

• Vários materiais compósitos, que consistem em mais de um tipo de material, têm sidodesenvolvidos pela engenharia.

• Exemplo: fibra de vidro, no qual fibras de vidro são incorporadas no interior de um

material polimérico e, desta forma, obtém-se um material relativamente robusto

(devido ao vidro) e relativamente flexível (devido ao polímero).

• Um compósito é projetado para mostrar uma combinação das melhores características

de cada um dos materiais que o compõe.

Muitos dos desenvolvimentos recentes de materiais têm envolvido materiais compósitos

Quais são os tipos de materiais?

• metais, cerâmicos, polímeros, compósito, semicondutores e biomateriais.

Propriedades Magnéticos da Matéria;

• Na natureza existem alguns materiais que na presença de um campo magnético é

capaz de se tornar um ímã, sendo ele fraco ou não. Esses materiais são classificados

em f erromagnéticos, paramagnéticos e diamagnéticos.

• As substâncias ferromagnéticas são fortemente atraídas pelos ímãs. Já as substâncias

paramagnéticas e diamagnéticas são, na maioria das vezes, denominadas de

substâncias não magnéticas, pois seus efeitos são muito pequenos quando sobre ainfluência de um campo magnético.



Paramagnéticos

• Possuem elétrons desemparelhados e que, quando na presença de um campo

magnético, se alinham, fazendo surgir dessa forma um ímã que tem a capacidade de

provocar um leve aumento na intensidade do valor do campo magnético em um

ponto qualquer.

• Esses materiais são fracamente atraídos pelos ímãs.

• Exemplos:o alumínio, o magnésio, o sulfato de cobre, etc.

Diamagnéticos

• Na presença de um campo magnético tem seus ímãs elementares orientados no

sentido contrário ao sentido do campo magnético aplicado.

• Exemplos:

• o bismuto, o cobre, a prata, o chumbo, etc.

Ferromagnéticos

• As características são bem diferentes das características dos materiais paramagnéticos

e diamagnéticos.• Esses materiais se imantam fortemente se colocados na presença de um campo

magnético.

• É possível verificar, experimentalmente, que a presença de um material

ferromagnético altera fortemente o valor da intensidade do campo magnético.

• Os materiais ferromagnéticos são muito utilizados quando se deseja obter campos

magnéticos de altas intensidades.

• Exemplos?

• Ferro, o cobalto, o níquel e as ligas que são formadas por essas substâncias.

Campo de indução na matéria;

Campo Magnético

Campo Magnético é a região ao redor de um imã, na qual ocorre um efeito magnético.

Esse efeito é percebido pela ação de uma Força Magnética de atração ou de repulsão.

O campo magnético pode ser definido pela medida da força que o campo exerce sobre o

movimento das partículas de carga, tal como um elétron.

A representação visual do Campo Magnético é feita através de Linhas de Campo Magnético,

também conhecidas por Linhas de Indução Magnética ou ainda por Linhas de Fluxo Magnético,

que são linhas envoltórias imaginárias.

As linhas de campo magnético são linhas fechadas que saem do pólo norte e entram no pólo

sul.



As características das linhas de campo magnético:

• São sempre linhas fechadas: saem e voltam a um mesmo ponto;

• As linhas nunca se cruzam;

• Fora do ímã, as linhas saem do pólo norte e se dirigem para o pólo sul;

• Dentro do ímã, as linhas são orientadas do pólo sul para o pólo norte;

• Saem e entram na direção perpendicular às superfícies dos pólos;

• Nos pólos a concentração das linhas é maior: quanto maior concentração de linhas, mais

intenso será o campo magnético numa dada região;

No caso de um imã em forma de ferradura, as linhas de campo entre as superfícies paralelas

dispõem-se praticamente paralelas, originando um campo magnético uniforme.

No campo magnético uniforme, todas as linhas de campo têm a mesma direção e sentido em

qualquer ponto.



Densidade de Campo Magnético ou Densidade de Fluxo Magnético

O Fluxo magnético, simbolizado por φ, é definido como o conjunto de todas as linhas de

campo que atingem perpendicularmente uma dada área. A unidade de Fluxo Magnético é o

Weber (Wb). Um Weber corresponde a 1x108 linhas do campo magnético.

A Densidade de Campo Magnético também conhecida como Densidade de Fluxo Magnético ou

simplesmente Campo Magnético, é uma grandeza vetorial representada pela letra B, cuja

unidade é o Tesla

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(T) e é determinada pela relação entre o Fluxo Magnético φ e a área de umadada superfície perpendicular à direção do fluxo magnético. Assim:



• A densidade de fluxo em um ímã é de 0,5 T e a área da seção transversal deste ímã é

0,06 m². Determine o fluxo em Weber:

Materiais Magnéticos

• Desde a antiguidade os gregos já conheciam o fato de que certas pedras tinham a

capacidade de atrair pequenos pedaços de alguns metais.

• Como muitas destas pedras foram encontrados em Magnésia, na Ásia Menor, os

gregos chamaram a substância de magnetita ou magnética.

• A extremidade que aponta em direção ao norte é chamada de pólo norte do imã e a

outra extremidade é o pólo sul. Os dois pólos de um imã, ou seja, os pólos norte e sul,

formam um “dipolo magnético”.



Dipolos Magnéticos Elementares (d.m.e.)

• O que acontecerá se tentar dividir ao meio o imã? Serão obtidos pólos norte e sul

separados?• Dividindo um ímã em duas partes, não se obtém um pólo norte e um sul, mas dois

outros ímãs.

• Os pólos norte e sul de um ímã são inseparáveis.

• A estrutura magnética mais simples que existe é o dipolo magnético elementar: a

menor partícula que ainda conserva as propriedades magnéticas do material.



CLASSIFICAÇÃO DOS CORPOS QUANDO A IMANTAÇÃO

• Um corpo pode ser classificado de acordo com sua imantação, i.e. com o grau de

orientação dos seus dipolos magnéticos elementares, podendo estar:

• Fortemente imantado: quando os d.m.e. possuem forte orientação;

• Fracamente Imantado: quando os d.m.e. estão ligeiramente orientados;

• Não-Imantado: quando a disposição dos d.m.e. é aleatória.



Permeabilidade Magnética

• Permeabilidade magnética é a capacidade de um material concentrar o fluxo

magnético. Em geral, a permeabilidade dos materiais é expressa em relação à dovácuo, que vale

μ0 = 4π × 10-7 H/m. Assim:

• onde μ é a permeabilidade absoluta e μr é a permeabilidade relativa do material.



• A permeabilidade magnética relaciona a intensidade H e a densidade de campo

magnético B, através da seguinte relação:

• B = μH

Materiais Ferromagnéticos

• Os materiais ferromagnéticos caracterizam-se também por apresentar regiões onde os

d.m.e. possuem uma orientação bem definida.

• Este agrupamento de d.m.e. é denominado domínio magnético elementar .

Materiais Paramagnéticos

• Os materiais paramagnéticos caracterizam-se por permitir fraca orientação dos seus

d.m.e. em paralelo com o campo. Exemplos: vidro, madeira, ar.

• Nestes materiais, a permeabilidade μr é aproximadamente 1.

Materiais Diamagnéticos

• Os materiais diamagnéticos apresentam uma leve orientação dos seus d.m.e. de forma

antiparalela com o campo magnético externo aplicado. Exemplos:

• água, prata, ouro, cobre e diamante. Nestes materiais, a permeabilidade μr é

aproximadamente 1.

TIPOS DE IMÃ

• Os imãs podem ser classificados em três tipos: imã natural, imã artificial permanente

e imã artificial transitório. Imãs Naturais

• Imãs naturais são materiais com características magnéticas próprias, obtidas

diretamente da natureza.

• Estes materiais, que foram utilizados inicialmente na confecção de bússolas,

apresentam uma orientação bem definida dos dipolos magnéticos elementares

(d.m.e.).

• Minérios como a magnetita (Fe3O4)

Imãs Artificiais Permanentes

• São materiais que apresentam comportamentos distintos quando da presença ou não

de um campo magnético externo, ou seja: na ausência de um campo magnético



externo estes materiais apresentam, de uma forma geral, uma disposição aleatória

para os seus d.m.e.

Imãs Artificiais Permanentes

• Sendo submetidos a um campo externo, tendem a alinhar os d.m.e. no sentido deste

campo, ficando então imantados.

• Supondo agora que o campo externo seja retirado, boa parte dos d.m.e. permanecerá

com a orientação anterior, podendo-se dizer, portanto, que o material permanecerá

imantado.

• Esta característica de imantação residual (ou permanente) depende do tipo de

material considerado.

• Algumas ligas metálicas como: aço, aço-carbono (aço com elevado teor de carbono),

alnico 5

• (liga composta por: alumínio, níquel e cobalto), etc.

Imãs Artificiais Transitórios

• Estes materiais também apresentam comportamentos distintos quando da presençaou ausência de um campo magnético externo, a saber: na ausência de um campo

magnético externo estes materiais apresentam, como os anteriores, uma disposição

aleatória para os seus d.m.e.

• Sendo submetidos a um campo externo, promovem um alinhamento dos d.m.e. no

sentido deste campo, ficando então imantados. No caso da retirada do campo externo,

uma parcela reduzida dos d.m.e. permanecerá com a orientação anterior, podendo-se

dizer que o material praticamente perderá sua imantação.

• Ferro, ligas metálicas como o ferro-silício, etc.

INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA

Temperatura de Curie • Um imã quando aquecido, perde as suas propriedades magnéticas pois o calor provoca

um desarranjo na disposição das suas partículas.

• Como consequência, acima de uma determinada temperatura os condutores perdem

suas propriedades magnéticas.

• Esta temperatura, que é constante para cada substância, é denominada Temperatura

de Curie ou Ponto de Curie.

• Nesta temperatura os materiais perdem suas propriedades ferromagnéticas. Esta

transição é reversível através do resfriamento do material.

• Esta temperatura crítica foi descoberta porPierre Curie

(1859 - 1906) quando efetuava

estudos sobre o estado cristalino.

Exemplos de temperaturas de Curie:

• Ferro : Temperatura de Curie: 770°C

• Cobalto : Temperatura de Curie: 1075°C

• Níquel : Temperatura de Curie: 365°C

• Gadolínio : Temperatura de Curie: 15°C

• O campo residual pode atrair e reter cavacos ou limalhas, em uma operação de

usinagem posterior, prejudicando o acabamento da peça;

• Peças que trabalham em rotação, como rolamentos, o campo residual pode atrair

cavacos ou limalhas, que irão apressar o desgaste das mesmas;



• Os campos de fuga presentes em peças a serem utilizadas, perto de equipamentos

sofisticados podem interferir no bom funcionamento destes;

• A presença de campos residuais pode dificultar a remoção de limalhas e cavacos das

peças na operação de limpeza.

Campo Magnético de um Condutor

• “Se um condutor percorrido por uma corrente for seguro pela mão direita com o

polegar apontando para o sentido convencional, os dedos irão apontar na direção das

linhas de fluxo magnético”.

• É comum representar um condutor de forma que ele esteja entrando

ou saindo do plano definido pelo papel. Estas situações são descritasnas figuras abaixo. A regra da mão direita permite determinar osentido do fluxo.



Observe que entre os dois condutores existe uma força magnética, que pode ser

de atração ou de repulsão, a depender dos sentidos das correntes. Neste caso,

onde F é a força em Newton, I1 e I2 são as correntes nos condutores em Ampère,

l é o comprimento dos condutores e r, a distância entre eles, ambos em metros.O conhecimento do campo magnético em torno de um condutor permite avaliar

o campo estabelecido no interior de uma bobina ou solenóide. Dessa forma, uma

segunda regra da mão direita pode ser utilizada:

“Se uma bobina é segura de forma que os dedos envolvam a espira na direção da

corrente, o polegar irá indicar a direção do fluxo magnético dentro da mesma”.

A figura a seguir ilustra este conceito:

Força Magnetomotriz

O fluxo magnético no interior de uma bobina depende da corrente e do número

de espiras de condutor sobre a mesma. Define-se força magnetomotriz como o



produto entre o número de espiras e a corrente:

F = NI

A força magnetomotriz é expressa em Ampère-espira (Ae) e é responsável pela

criação do fluxo magnético na bobina. Observe que a força magnetomotriz é

análoga à força eletromotriz para circuitos elétricos.

Normalmente, a bobina é enrolada sobre um núcleo magnético, cuja função é

estabelecer um caminho para a circulação do fluxo. O referido caminho tem um

comprimento principal l , medido ao longo de sua linha central.A intensidade de campo magnético H é definida como a força magnetomotriz

por unidade de comprimento do caminho percorrido pelo fluxo. Sua unidade é o

(Ae/m). Assim:

ExemploO toróide de aço da figura abaixo possui um comprimento principal de 0,09 m e

uma bobina de 350 espiras conduzindo uma corrente de 1,2 A. Calcule:

a) Força magnetomotriz;

b) Intensidade de campo magnético.

Solução

a) Sabendo que F = NI vem:

F = 350× 1,2 = 420 Ae

b) A intensidade de campo magnético vale:

Histerese Magnética

Quando uma corrente alternada circula em uma bobina, a histerese provoca uma



perda de energia em seu núcleo. O termo histerese significa “seguir atrás”, i.e. o

fluxo magnético num núcleo de ferro segue atrás dos aumentos ou diminuições

da força magnetizante.

A curva de histerese (veja figura a seguir) é formada por uma série de curvas

que mostram as características de um material magnético. Correntes em sentidos

opostos produzem intensidades de campo +H e –H em sentidos opostos. De

maneira análoga, encontram-se polaridades opostas para a densidade de fluxo

magnético +B e –B.

A corrente começa no centro 0 (zero), quando o material não está magnetizado.

A linha pontilhada corresponde à curva de magnetização. Os valores positivos

de H aumentam até a saturação em Bmáx. A seguir, H diminui caindo a zero, mas

B cai para o valor Br, devido à histerese. A corrente que causou a magnetização

original agora é invertida, de modo que H torna-se negativo. B cai a zero e

continua até –Bmáx. À medida que os valores de –H diminuem, B é reduzido até

–Br, quando H é zero. Agora, com uma oscilação positiva de corrente, H tornase

positivo, produzindo a saturação em Bmáx novamente.

O valor de Br, i.e. a densidade de fluxo residual depois da força magnetizadora

chegar a zero, é chamado de retentividade ou remanência do material. O valorde Hc, i.e. a força magnetizadora que deve ser aplicada no sentido inverso para



reduzir a densidade de fluxo a zero, é chamado de força coerciva do material.

⇒ “Quanto maior a área abrangida pela curva de histerese, maior a perda devida

à histerese”.

Os materiais com altos valores de retentividade e força coerciva são chamados

de materiais magnéticos duros e são utilizados como ímãs permanentes e em

dispositivos que requerem elevado magnetismo residual, como alto-falantes,

telefones e medidores.

Já os materiais com baixo magnetismo residual são conhecidos como materiais

magnéticos moles. Por apresentarem pequenas áreas de ciclo de histerese, estes

materiais são utilizados na confecção de núcleos de transformadores e máquinas

elétricas rotativas (motores e geradores elétricos), implicando pequenas perdas.

Correntes Parasitas

Os núcleos magnéticos maciços apresentam imperfeições que formam trajetórias

fechadas, comportando-se como espiras quando um fluxo magnético variável

atua sobre o núcleo. De acordo com o princípio da indução eletromagnética,uma corrente será induzida nestas “espiras”, causando perdas e o conseqüente

aquecimento do núcleo. Estas correntes são conhecidas como correntes parasitas

ou correntes de Foucault , sendo indesejáveis na maioria das aplicações práticas.

Para se reduzir os efeitos destas correntes, os núcleos magnéticos costumam ser

laminados e suas chapas isoladas entre si através de uma película isolante. Desta

forma, consegue-se aumentar a resistência das “espiras”, reduzindo as perdas no

núcleo. SUSCEPTIBILIDADE MAGNÉTICAS

Nos materiais e substâncias paramagnéticas e diamagnéticas, existe uma

proporcionalidade entre a corrente superficial de Ampère por unidade de comprimento(M) e a intensidade de campo magnético (H). Esta relação de proporcionalidade pode

ser expressa por:

Onde:

Constante de proporcionalidade entre “M” e “H”, definida como sendo xm

a susceptibilidade magnética do material ou substancia (grandeza

adimensional).

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