Importante
Desligar os celulares ou colocar no
modo silencioso
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre
1989-1994 Eng. Eletrônico - Peru
1996-1999 Mestre em Eng. Elétrica - Unicamp
1998-2003 Doutor em Eng. Elétrica - Unicamp
2003-2005 Pósdoutorado Hokkaido University
2005-2006 Pósdoutorado Unicamp
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Capítulo 01
Propriedades da Matéria
Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação Funcional dos
Materiais








Aerospacial
Biomedica
Materiais Eletrônicos
Energia e Meioambiente
Materiais Magnéticos
Fotônicos ou Materiais Ópticos
Materiais Inteligentes
Materiais Estruturais
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estruturas
Aços
Ligas de alumínio,
Concreto
Fibras de vidro
Plásticos
madeiras
Materiais
Inteligentes
PZT
Ligas de Ni-Ti
Fluídos MR
Gels polímeros
Ópticos
SiO2, GaAs,
Vidros, Al2O3,
YAG, ITO
Aerospacial
Compostos de
carbono,
SiO2, silício amorfo,
ligas de alumínio
Zerodur
Classificação
Funcional
dos Materiais
Magnéticos
Fe, Fe-Si, NiZn
Ferritas,
CoPtTaCr
Estruturas
Aços
Ligas de alumínio,
Concreto
Fibras de vidro
Plásticos
madeiras
Eletrônica
Si, GaAs,
Ge, PZT,
Al, Cu,
polymeros
Energia e
Ambiental
Si:H amorfo,
UO2,
NiCd, ZrO2
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação dos Materiais – Metais
Elementos puros ou mistura de elementos metálicos
(ligas) – ligações metalicas
• Bons condutores de eletricidade
• Bons condutores de calor
Structural feature
Dimension (m)
• Apariência brilhante – não transparentes -10
< 10
atomic bonding
• Duros
10 -10
• Deformáveis
crystals (ordered atoms)
10 -8 -10-1
• Algumas
vezes particles
magnéticos
second phase
10 -8 -10-4
crystal texturing
> 10 -6
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação dos Materiais – Cerámicos
Compostos entre elementos metálicos e não metálicos
- Ligações iônicas ou covalentes
• Duros
• Quebradiço
• Isolantes elétricos
• Condução térmica baixa
• Resistentes ao calor e corrosão
• Podem ser transparentes ou opácos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Classificação dos Materiais–Polímeros
Compostos orgânicos baseados em C, H e outros
elementos não metálicos – ligações covalente e
secundárias
• Propriedades variadas
• Densidade baixa
• Não condutores
• Ponto de fusão baixo
• Podem ser muito flexíveis
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Outras sub-classes de materiais
Compósitos
-Consistem em mais de um tipo de material
Semicondutores
-Tem propriedades elétricas intermediárias entre as
dos condutores e isolantes
Biomaterials
- Materiais para implantação no interior do corpo
humano
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo de Aplicações
Propriedades
Metais e Ligas
Aço
Automóveis
Cerâmicos e
vidros
SiO2-Na2O-CaO
Castable, machinable,
vibration damping
Vidros
Polímeros
Polietileno
Embalagem de comidas
Opticamente transparentes,
isolantes térmicos
Finas espesuras,
flexíveis
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo de Aplicações
Semicondutores
Silício
Transistor e circuitos
integrados
Compósitos
Ferramentas de corte
Tungstênio carbide máquinas
-cobalt (WC-Co)
Propriedades
comportamento elétrico
único
Duras e resistentes a
impactos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Atômica
Âtomos compostos de núcleo (prótons e nêutrons) circundado por elétrons.
Q=1,6 x 10-19C
Mp=Mn=1,67x10-27kg Me=9,11x10-31 kg
Elementos químicos caracterizados pelo número atômico Z.
Z: 1-94.
Massa atômica A = soma da massa de nêutrons e prótons
Peso atômico (média ponderada da massa dos isótopos)
Unidades g/mol.
1 mol = 6,023 x 1023 Âtomos ou moléculas
Fe 55,85 g/mol.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Atômica
Porque estudarmos a estrutura atômica?
Algumas propriedades importantes dos materiais dependem dos
arranjos geométricos dos átomos e também das interações que
existem entre os átomos ou moléculas constituintes.
Estrutura atômica
Configurações Eletrônicas dos Átomos e Tabela Periódica
Tipos de ligações interatômicas
Energias de Ligação
Distâncias e Energias de Equilíbrio
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Tabela Periódica
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Calcular o número de âtomos em 100 g de prata.
Peso atômico 107,868 g/mol
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Calcular o número de âtomos em 100 g de prata.
SOLUÇÃO
Número de âtomos
=
(100 g )( 6 .023 × 10 23 atoms mol )
(107 .868 g mol )
=5.58 × 1023
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Pesquisadores estão considerando o uso de nanopartículas de materiais
magnéticos como um meio de armazenar gandes quantidades de dados.
Estas partículas podem armazenar dados na ordem de um trilhão de bits por
polegada quadrada. 10 a 100 vezes a mais do que qualquer outro dispositivo
tais como discos rígidos
Se os pesquisadores estão considerando o uso de partículas de Ferro (Fe)
com diâmetro de 3nm. Quantos átomos existem em cada partícula?
Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3.
Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Solução
O rádio de uma partícula é 1.5 nm.
Volume de cada nanopartícula magnética de Ferro
= (4/3)π(1.5 × 10-7 cm)3
= 1.4137 × 10-20 cm3
Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3.
Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol.
Peso de cada nanopartícula de Fe
= 7.8 g/cm3 × 1.4137 × 10-20 cm3
= 1.102 × 10-19 g.
Um mol de 55,85 g de Fe contem 6.023 × 1023
átomos, então, o número de átomos em uma
nanopartícula de Ferro será 1188.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Atômica
Modelo atômico de Bohr
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Três primeiros níveis
Comparação dos modelos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Energias relativas dos elétrons
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Eletrônica dos Elementos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Estrutura Eletrônica dos Elementos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Âtomo de sódio
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Eletronegatividades
Eletronegatividade pequena
Eletronegatividade grande
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Eletronegatividades
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Forças e Energias de Ligação
E = ∫ Fdr
EL = EA + ER
EL =energia liquida
EA =energia de atração
ER =energia de repulsão
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Iônicas: Metal + não metal
doa
aceita elétrons
configurações estáveis
• acontece entre + and - íons.
• precisa de transferência de elétrons
• diferência entre as eletronegatividades deve ser grande
• Exemplo: NaCl
Neônio
Argônio
Atração de Coulomb
Ligação iônica no cloreto de sódio NaCl
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Iônicas:
EL = EA + ER =
A=
z1 , z 2
1
4πε 0
−
A
r
+
B
rn
(Z1e )(Z 2e)
Valências dos dois tipos
de íons.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se
sepadaros uma distância de 1,25 nm.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
A=
1
4πε 0
(Z1e )(Z 2e)
Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-se
sepadaros uma distância de 1,25 nm.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
São fortes.
• Eletronegatividade similar
• Example: CH4
C: tem 4 e- de valência
e precisa de mais 4
H: tem 1 e-,de valência
e precisa de mais 1
Electronegatividades são
similares
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
Ligação covalente molécula de metano CH4
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligação Covalente
Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
Ligação covalente no silício
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações
covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a
sílica (SiO2)
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Exemplo
Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligações
covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a
sílica (SiO2)
Solução
Sílicio tem 4 elétrons de valência e compartilha elétrons
com 4 átomos de oxigênio, resultando em 8 elétrons para
cada átomo de silício.
Porém, o oxigênio tem valência 6 e ompartilha elétrons
com 2 átomos de silício resultando em 8 elétrons para
cada átomo de oxigênio.
Na figura a seguir é ilustrada uma estrutura possível
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
% caráter iônico =
% caráter covalente =
Ex: MgO
⎛
(X A −X B )2 ⎞
−
⎜
⎟
4
⎜1− e
⎟ x (100%)
⎜
⎟
⎝
⎠
⎛ − (XA −XB)
4
⎜e
⎜
⎝
2
⎞
⎟
⎟
⎠
x (100%)
XMg = 1.3
XO = 3.5
( 3.5−1.3)
⎛
−
4
% carater ionico = ⎜1 − e
⎜
⎝
2
⎞
⎟ x (100%) = 70.2% ionico
⎟
⎠
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2)
tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e
covalente.
Determine a porcentagem dessas ligações.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO2)
tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e
covalente.
Determine a porcentagem dessas ligações.
Solução
Da tabela periódica obtem-se que a eletronegatividade do
silício é 1,8 e a do oxigênio é 3,5.
% covalent = exp[-0.25(3.5 - 1.8)2] x 100%
= exp(-0.72) x 100% = 48,6%
% iônica
= (1- exp[-0.25(3.5 - 1.8)2]) x 100 %
= (1 - exp(-0.72)) x 100%= 51,4 %
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações Metálicas
Metais e suas ligas
Elétrons de valência não estão
ligados aos átomos
Formam um mar de elétrons
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas
elétricas em 10 cm3 de prata.
Densidade da prata é 10.49 g/cm3
O peso atômico da prata é 107.868 g/mol
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas
elétricas em 10 cm3 de prata.
Solução
A valência da prata Ag é 1, e apenas os elétrons de valência
conduzem cargas elétricas. Densidade da prata é 10.49 g/cm3
O peso atômico da prata é 107.868 g/mol.
Peso de 10 cm3 = (10 cm3)(10.49 g/cm3) = 104.9 g
23
(
104
.
9
g
)(
6
.
023
×
10
atoms / mol )
àtomos =
= 5 . 85 × 10 23
107 . 868 g / mol
elétrons = (5.85 × 1023 atoms)(1 elétron valência/atom)
= 5.85 × 1023 elétrons de valência em 10 cm3
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares
Ligações fracas.
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares
Ligações fracas.
Molécula de água
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Propriedades Elétricas
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos líquidos
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos gases
ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
Condução nos gases