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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
-UEZO-
Trabalho de Física II
Materiais e conduções elétricas
Alunas:
Gysele Martins de Oliveira
Tailand Oliveira de Amorim
INTRODUÇÃO
Neste trabalho falaremos dos materiais quanto sua condução elétrica.
Das diversas formas que conhecemos em nosso dia-a-dia a respeito de
condução de eletricidade, talvez não saibamos nada diante da abrangência
deste tema, ou não da forma como será aqui apresentado.
Do ponto de vista da condutividade elétrica, os materiais podem ser
divididos em quatro tipos básicos: condutores, dielétricos, semicondutores
e supercondutores. Desses, os mais conhecidos são os dois primeiros. Cada
material possui suas características próprias, com isso passaremos a
entender melhor todo o processo de eletrização entre substâncias portadoras
essencialmente de carga elétrica, os elétrons e os prótons. Esta abordagem
pode ser simplificada desprezando-se a atração gravitacional frente à
interação eletromagnética. Podemos fazer outra simplificação, considerando
apenas as cargas estacionárias. Eletrostática é a área do eletromagnetismo
que aborda interações entre cargas estacionárias ou quase estacionárias.
Os materiais comuns são constituídos por átomos, os quais são
constituídos de núcleo e eletrosfera. No núcleo encontram-se os prótons e
os nêutrons, enquanto que na eletrosfera encontram-se os elétrons,
distribuídos em diversas camadas ou níveis. O número de elétrons varia de
material para material. Com isto existe uma variação no número de elétrons
da última camada (camada de valência). Para que um átomo esteja estável é
necessário que a primeira camada possua dois elétrons e a última oito, para
este ficar em condição estável, como um gás nobre. Isto se consegue na
natureza, muitas vezes através de doação e recepção de elétrons, ou através
do compartilhamento de elétrons entre dois átomos de dois materiais,
covalência.
1. DEFINIÇÃO DE CADA MATERIAL
1.1 Condutores
Um condutor é qualquer meio em que se propaga a corrente elétrica. A
explicação pra essa propagação de corrente é devida a perda de elétron com
grande facilidade na última órbita eletrônica, em razão da grande distância
entre essa última camada e o núcleo, os elétrons ficam fracamente ligados
com o núcleo, podendo, dessa forma, abandonar o átomo em virtude das forças
que ocorrem no interior dos átomos. Esses elétrons recebem o nome de
"elétrons livres", e são encontrados em alguns tipos de átomos,
especialmente os que compõem os metais (ferro, ouro, platina, cobre, prata
e outros).
No interior dos metais os elétrons livres vagueiam por entre os
átomos, em todos os sentidos. Mas os átomos que perdem elétrons também os
readquirem com facilidade dos átomos vizinhos, para voltar a perdê-los
momentos depois. Devido à facilidade de fornecer elétrons livres, os metais
são usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos, pois são
bons condutores do fluxo de elétrons livres.
Materiais condutores
A circulação de uma corrente elétrica é notada em materiais sólidos
e nos líquidos, e, sob condições favoráveis, também nos gasosos. Sob o
ponto de vista prático, a maior parte dos materiais condutores são sólidos,
e dentro desse grupo, com destaque especial, os metálicos. No grupo dos
líquidos, vale mencionar os metais em estados de fusão, eletrólitos e o
caso particular do mercúrio, único metal que, à temperatura ambiente, se
encontra no estado líquido. O mercúrio solidifica-se apenas a – 39 ºC.
Quanto aos gasosos, estes adquirem características condutoras sob a ação de
campos muito intensos, quando então se podem ionizar. É o caso das
descargas através de meios gasosos, como na abertura arco com a formação de
um meio condutor conhecido por plasma, e tanto, normalmente, os gases,
mesmo os de origem metálica, não podem ser utilizados nem considerados como
condutores.
1.2 Dielétricos
Embora os materiais condutores não possam armazenar energia em seu
interior, os materiais dielétricos, podem. Isso é possível porque ao se
aplicar um campo elétrico externo em um dielétrico não ocorre a
movimentação de cargas livres, mas um deslocamento nas posições relativas
das cargas negativas (elétrons) e positivas (prótons), dando origem às
cargas polarizadas. Esse armazenamento de energia potencial ocorre contra
as forças moleculares e atômicas normais do átomo.
O mecanismo real de deslocamento varia conforme o tipo de dielétrico.
Alguns tipos de dielétricos são constituídos por moléculas ditas
polarizadas (por exemplo, a água), que possuem um deslocamento permanente
entre os centros geométricos das cargas positiva e negativa. Cada par de
cargas age como um dipolo; um conjunto formado por uma carga positiva e uma
carga negativa, separadas por uma distância d. Normalmente esses dipolos
estão orientados e dispostos aleatoriamente no interior do material. Quando
um campo elétrico externo é aplicado, eles se alinham em sua direção.
Matériais Dielétricos
São materiais ou substâncias que possuem alta resistência ao fluxo da
corrente elétrica.Nas substâncias dielétricas (isolantes) os elétrons estão
fortemente ligados ao núcleo de seus átomos. Mas, o que acontece quando um
dielétrico é colocado num campo elétrico?
Nesta circunstância aparece sobre os elétrons do isolante uma força tal que
poderá ou não arrancá-los de seus átomos. Se o valor do campo for pouco
elevado, os elétrons não serão arrancados de seus átomos e a substância
permanece dielétrica. Aumentando a intensidade do campo, os elétrons do
isolante se transformam em elétrons livres, pois são arrancados de seus
átomos; ai a substância passa a ser condutora de eletricidade. O maior
valor do campo que um dielétrico suporta sem torna-se condutor é chamado
rigidez dielétrica. A rigidez dielétrica varia de material para material. A
do ar em condições normais, por exemplo, é de aproximadamente 3. 106 N/C,
situação em que ele se comporta como isolante. Acima desse valor, o ar
passa a conduzir eletricidade.
Este, para desempenhar corretamente a sua função, é escolhido através
de certos requisitos, tais como:
Elevada resistência elétrica, para garantir o isolamento entre a peça e o
eléctrodo;
Elevado poder refrigerante, pois este deve arrefecer a peça e o
eléctrodo, visto que o aquecimento excessivo pode originar fissuração;
Viscosidade estável, pois deve evacuar as partículas da zona de corte com
eficácia;
Não tóxico, para não libertar substâncias tóxicas quando exposto a
temperaturas elevadas;
Filtrabilidade, para manter as partículas em suspensão, facilitando a
filtragem posterior;
Elevado calor latente, pois deve ser resistente às temperaturas elevadas
e à oxidação, evitando a degradação;
Não corrosivo, para não corroer os componentes constituintes da máquina;
Transparência, para facilitar a visualização da zona de trabalho.
" "
"Estrutura de um material semicondutor "
1.3 Semicondutores
Os materiais semicondutores são materiais, os quais possuem uma
resistência situada 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. Recentemente
está sendo investindo em pesquisas com materiais semicondutores para
aplicação na eletrônica fabricado a partir do carbono, pesquisas estas que
já obtiveram sucesso. 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.
Devido a tendência de transformar-se em uma estrutura simétrica, um
material semicondutor quase não possui elétrons livres. Para se utilizar
efetivamente os materiais semicondutores, são introduzidos elementos
adicionais, nas estruturas cristalinas denominadas "impurezas", através de
processos de injeção ou difusão. Estas impurezas são elementos cujos átomos
possuem três ou cinco elétrons na camada de valência. Estas são
introduzidas dentro do material semicondutor em pequenas quantidades. A
tendência de formar uma estrutura simétrica faz com que os átomos de
"impurezas" se acomodem de tal maneira que produzam elétrons livres,
portanto que podem ser deslocados com facilidade (o quinto elétron de cada
átomo da impureza). Ou a falta de elétrons no caso da adição de elementos
com três elétrons na última camada. Nos condutores, um aumento na
temperatura ocasiona um aumento da resistência oferecida a passagem da
corrente elétrica. Já nos semicondutores, acontece o contrário, um aumento
da temperatura ocasiona uma redução da resistência oferecida a passagem da
corrente elétrica, devido a maior repulsão causada na união dos mesmos.
1.4 Supercondutores
São materiais que se esfriam a temperaturas extremamente baixas, para
conduzir corrente sem resistência nem perdas, funcionando também como um
diamagnético perfeito abaixo de uma temperatura crítica. Esta propriedade
foi descoberta em 1911 pelo físico neerlandês Heike Kamerlingh Onnes,
quando observou que a resistência elétrica do mercúrio desaparecia quando
resfriado a 4K (-452°F,- 269.15°C). O mercúrio não é o único material
supercondutor, mesmo a baixas temperaturas. A supercondutividade foi
descoberta em muitos outros metais, abaixo de 10 K, como o alumínio, o
chumbo, o estrôncio, o zinco e o cádmio, etc. Em 1981 foram descobertos
compostos orgânicos que são supercondutores a baixas temperaturas, para não
falar (ainda) da descoberta em 1986 de uma nova classe de materiais
supercondutores a "altas" temperaturas: Os materiais cerâmicos, que como a
porcelana, normalmente são isolantes.
O material supercondutor exibe duas características: resistividade
nula, quando resfriado abaixo de certa temperatura crítica, Tc, e
diamagnetismo perfeito, ou seja, exclusão do campo magnético de seu
interior. Esta última característica é denominada efeito Meissner.
Observação:
Consideremos um supercondutor. Acima da temperatura crítica o metal (não
magnético) comporta-se comoo vácuo e as linhas de força do campo magnético
atravessam-no sem sofrerem alterações, figura da esquerda. Abaixo da
temperatura crítica o campo magnético é expelido do interior do
supercondutor, figura da direita. O processo é reversível: se aquecermos o
supercondutor acima da temperatura crítica, as linhas de força magnéticas
voltam atravessar o metal.
A aniquilação da fase supercondutora se dá pela ocorrência de um ou mais
dos seguintes fatores: a aplicação de campo externo, a elevação da
temperatura na região experimental e, por fim, a aplicação de correntes de
transporte, Jtr. Curiosamente acima de Tc (estado normal) os materiais
supercondutores não são bons condutores. Material como cobre, prata e ouro
não exibem o fenômeno da supercondutividade.
2. DIFERENÇA ATÔMICA ENTRE CONDUTORES E DIELÉTRICOS
Numa linguagem bastante simples, podemos dizer que um dielétrico é
diferente de um condutor porque este tem elétrons livres, que se encarregam
de conduzir a eletricidade. Assim, quando uma certa quantidade de carga
elétrica é colocada num material dielétrico, ela permanece no local em que
foi colocada. Ao contrário, quando esta carga é colocada num condutor, ela
tenderá a se distribuir até que o campo no interior do material seja nulo.
Bem, como os nomes sugerem, um material condutor tem facilidade para
conduzir a eletricidade, enquanto um dielétrico não conduz a eletricidade,
ou melhor, um dielétrico quase não conduz a eletricidade. Há circunstâncias
em que ele também conduz.
2. APLICAÇÕES
A aplicabilidade do material depende de uma série de fatores
característicos deste.
Ex.:
2.1 Condutores: São usados na transmissão e distribuição de energia
elétrica. São muito usados também em equipamentos elétricos e em bimotores.
O cobre, o alumínio, algumas ligas especiais, dentre outros, são
materiais condutores. O cobre em geral utilizado em cabos de potência, de
baixa ou média tensão, controle, instrumentação, sinalização, informática e
telefonia. Suas principais características é a combinação de bom desempenho
elétrico, mecânico, compatibilidade com os dielétricos e relativa
abundância na natureza, viabilizando custos. Deve-se ainda considerar, em
relação ao cobre as múltiplas possibilidades construtivas, quais sejam:
graus de flexibilidade (encordoamento), resistência a tração (têmpera),
possibilidade de revestimentos metálicos (estanho, prata, etc.). Estas
possibilidades permitem as mais variadas aplicações em condutores
elétricos.
O alumínio, pela combinação de elevada condutividade e baixa
densidade, tem extensa aplicação em circuitos aéreos, reduzindo
sobremaneira as estruturas de sustentação (particularmente em linhas de
transmissão). A pequena resistência à tração é contornada, quando
necessário, pela adoção do condutor de alumínio com alma de aço (CAA ou
ACSR), ou de ligas de alumínio. Os condutores de alumínio (CA) encontram
ainda aplicações como substitutos do cobre em cabos de potência, nas
situações em que o peso do cabo seja relevante, em que o diâmetro externo
não seja fator determinante, ou ainda quando o ambiente externo (em geral,
pela presença de agentes químicos) impeça o uso do cobre.
Ligas especiais, em geral, são utilizadas em aplicações específicas,
como por exemplo em cabos de extensão de termopares (Cromel, Alumel, Ferro
Constantan, Níquel Cromo, etc.).
2.2 Dielétricos: O uso de um dielétrico em um capacitor apresenta uma
série de vantagens. A mais simples destas é que as placas condutoras podem
ser colocadas muito próximas sem o risco de elas entrarem em contato. Além
disto, qualquer substância submetida a um campo elétrico muito alto pode se
ionizar e se tornar um condutor. Os dielétricos são mais resistentes à
ionização que o ar, deste modo um capacitor contendo um dielétrico pode ser
submetido a uma tensão mais elevada. Camadas de dielétricos são comumente
incorporadas ao capacitores para melhorar sua performance com relação aos
capacitores que contém apenas ar ou vácuo entre suas placas. O termo
dielétrico pode se referir tanto a esta aplicação quanto à isolação
utilizada em cabos de potência.
Temos aplicações também de alguns dielétricos básicos que podem ser
sólidos, líquidos ou gasosos. Os dielétricos sólidos são provavelmente o
tipo mais utilizado na engenharia elétrica pois muitos sólidos são bons
isolantes. Alguns exemplos incluem a porcelana, vidro e plásticos. Ar e
hexafluorido sulfúrico são dois dielétricos gasosos comumente utilizados.
3.3 Semicondutores: São importantes na fabricação de componentes
eletrônicos tais como diodos, transistores e outros de diversos graus de
complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em
nanotecnologia. Portanto atualmente, o elemento semicondutor é primordial
na indústria eletrônica e confecção de seus componentes. Além disso, tem
sido implementada novas tecnologias em indústrias, usando os
semicondutores como base em geradores pulsados de alta tensão. O
desenvolvimento continuado pela indústria, de novos semicondutores para
aplicações em tração e em fontes comutadas de alta freqüência criou uma
família de dispositivos que combinam características únicas de comutação.
Estes dispositivos semicondutores produzidos atualmente, estão mais
próximos do interruptor ideal. A utilização de semicondutores com
características mais próximas do interruptor ideal é crítico para o bom
desempenho em muitas aplicações dos geradores pulsados de alta tensão.
Atualmente há disponíveis semicondutores com tempos de comutação reduzida
e que com um mínimo de potência de comando são capazes de, com elevado
rendimento, comutar potências elevadas mesmo a freqüências elevadas.
3.4 Supercondutores: As aplicações são várias, como construção de bobinas
com fios supercondutores, que possibilitam gerar campos magnéticos
intensos, os quais seriam impraticáveis se fossem utilizados fios comuns,
como exemplo, fios de cobre. Essas bobinas podem ser usadas na construção
de Maglev, trens que levitam; aparelhos de ressonância magnética nuclear,
que geram um campo magnético homogêneo na região onde o paciente é colocado
e um sensor capta informações que formarão as imagens e, por fim, sensores
SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), que permitem realizar
medidas magnéticas extremamente sensíveis. É interessante citar também, a
aplicação dos supercondutores no ramo da Física: Óptica Quântica. As
cavidades que são usadas para gerar estados quânticos (por exemplo: estados
de Fock) são supercondutoras, pois é necessária uma reflexão perfeita da
onda eletromagnética confinada dentro da cavidade supercondutora, o que é
possível pela falta de resistência do material. E ainda, a descoberta de
novos supercondutores. O trabalho do físico Paul Chu desencadeou novas
descobertas e outros físicos chegaram a mais de 100 supercondutores, de
temperaturas críticas até maiores do que as dos melhores supercondutores
convencionais. Os novos materiais levaram o meio acadêmico a uma questão:
os supercondutores podem seguir os passos de seus "primos" semicondutores e
mudar a vida humana para melhor? Hoje em dia, não só cientistas, mas também
as indústrias sabem que a resposta é afirmativa. Tanto que a
supercondutividade pode tornar quase perfeitos os sistemas de armazenamento
de alta energia e permitir a construção de computadores ultra-rápidos e
ultra-compactos. Os estudiosos ainda vislumbram outras aplicações, tais
como geração, transmissão e armazenagem eficientes de eletricidade,
detecção de sinais eletromagnéticos pequenos demais para serem percebidos
por métodos convencionais e desenvolvimento de tecnologia na área de
telecomunicações, a ponto de tornar mais rápida a telefonia celular e os
aparelhos mais compactos.
4. CONCLUSÃO
O tema proposto acima, nos trouxe um entendimento mais amplo do que
seria condutores elétricos. Vimos que no contexto do eletromagnetismo, que
são classificados em: condutores, dielétricos, semicondutores e
supercondutores. Além das suas características dentro de cada conceito,
suas aplicabilidades, entre outros.
A condutividade elétrica depende sim de alguns fatores relacionadas a
cada condutor, selecionamos os materiais ou substâncias utilizadas com
maior freqüência para exemplificar, e ajudar numa maior compreensão.
Concluímos então, que esses materiais estão mais presentes do que
pensávamos, eles estão a nossa volta, principalmente no meio industrial,
onde as novas tecnologias têm sido aplicadas para facilitar ou melhorar a
prestação de serviços. Têm gerado cada vez mais, empregos e novas pesquisas
para o aperfeiçoamento de idéias. E sabemos então, que ainda há muito mais
a ser descoberto a respeito das tecnologias que vem sido implementada no
meio industrial.
5. REFERÊNCIAS
1.https://www.google.com.br/
2.http://www.yahoo.com.br/
3.http://www.mundovestibular.com.br/categories/Bolsas-de-Estudos/
4.http://jansencoutinho.blogspot.com/2008/06/supercondutividade.html
5.http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?idSecao=110&idSubSecao
=&idTexto=49
6.http://cftc.cii.fc.ul.pt/PRISMA/capitulos/capitulo3/modulo3/topico2.php
7.http://www.portalimpacto.com.br/docs/01RennanVestF4Aula04CampoEletrico1.pd
f