EXPERIMENTOS DE APOIO À DISCIPLINA MATERIAIS
ELÉTRICOS
José Antônio Cândido Borges da Silva1, Washington Luiz Araújo Neves2 e José Suassuna Filho3
Universidade Federal da Paraíba
Departamento de Engenharia Elétrica
Campus II - Bodocongó
58109-970 - Campina Grande - PB
[email protected]
Universidade Federal da Paraíba
Departamento de Engenharia Elétrica
Campus II - Bodocongó
58109-970 - Campina Grande - PB
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Universidade Federal da Paraíba
Departamento de Física
Campus II – Bodocongó
58109-970 - Campina Grande - PB
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Resumo. Materiais Elétricos é uma disciplina de formação profissional essencial nos cursos de
graduação em Engenharia Elétrica. Seu objetivo na UFPB é o entendimento das propriedades
físicas de dielétricos, materiais magnéticos, materiais condutores e semicondutores, visando suas
aplicações em Engenharia Elétrica. O conteúdo é muito abrangente e envolve tópicos como: física
do estado sólido; física de gases e física moderna. Portanto, na UFPB, é sentida a necessidade de
uma interação maior do Departamento de Engenharia Elétrica com o Departamento de Física.
Deste modo será proporcionada aos alunos a oportunidade de executarem experimentos de física
moderna, que contribuam para o entendimento das propriedades dos materiais e dos princípios de
funcionamento de dispositivos, como as células fotoelétricas. A interação hoje existente entre o
DEE e o DF foi iniciada através de um projeto conjunto de Iniciação Científica
(PIBIC/CNPq/UFPB), em que estão sendo realizadas atividades no Laboratório de Física, voltadas
para a preparação de guias de experimentos clássicos, que serão ministrados aos alunos da
disciplina Laboratório de Materiais Elétricos. Os experimentos abordam, entre outros conteúdos:
efeito fotoelétrico, dualidade onda-partícula e espectros atômicos. Neste artigo, discute-se como o
projeto vem sendo desenvolvido, sua importância, as dificuldades encontradas e perspectivas para
o futuro.
Palavras-chave: Materiais Elétricos, Física Moderna, Propriedades dos Materiais
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1.
INTRODUÇÃO
O conhecimento das propriedades dos materiais tem contribuído para a introdução de novos dispositivos
usados em engenharia elétrica. Para o entendimento dos princípios físicos de operação dos dispositivos, é importante o
conhecimento de conceitos básicos de ciência dos materiais e de física quântica, Kasap [4]. Nessa área, o avanço da
ciência está fortemente ligado ao desenvolvimento tecnológico da indústria eletro-eletrônica. Para evidenciar o
desenvolvimento da área, podemos citar: as fibras ópticas - que trouxeram maior confiabilidade e qualidade aos
sistemas de comunicações; as ligas amorfas - usadas em núcleos de transformadores de alto rendimento; varistores à
base de óxido de zinco – utilizados em pára-raios de subestações; e materiais poliméricos – utilizados em cadeias de
isoladores de alta-tensão.
Para o estudo das propriedades dos materiais é necessário o conhecimento de tópicos como: física do estado
sólido; física de gases e física moderna. Num artigo apresentado no COBENGE 2000, foi discutido como a disciplina
Materiais Elétricos vem sendo desenvolvida na UFPB, suas deficiências e oportunidades de melhorias, Neves e Costa
[10]. Para suprir as deficiências atuais, estabeleceu-se uma interação com o Departamento de Física através de um
projeto conjunto de Iniciação Científica (PIBIC/CNPq/UFPB) com o objetivo de desenvolver experimentos de física
que sirvam de apoio à disciplina, Silva [1]. No presente trabalho discute-se como o projeto vem sendo desenvolvido,
sua importância, as dificuldades encontradas e perspectivas para o futuro.
2.
MATERIAIS ELÉTRICOS ATUALMENTE NA UFPB
Materiais Elétricos é uma disciplina voltada para o entendimento das propriedades dos materiais utilizados em
engenharia elétrica e seu conteúdo é essencial para os engenheiros eletricistas de qualquer área de atuação. Ela tem uma
carga horária de 60 horas e apresenta como pré-requisitos as seguintes disciplinas: Introdução à Ciência dos Materiais;
Eletricidade e Magnetismo e Laboratório de Eletricidade e Magnetismo. Ela tem como co-requisito a disciplina
Laboratório de Materiais Elétricos com carga horária de 15 horas.
Ao cursar a disciplina, o aluno deverá ser capaz de:
• Conhecer as propriedades físicas dos materiais (dielétricos, materiais magnéticos, materiais condutores e
semicondutores) utilizados na engenharia elétrica;
• Entender os conceitos das diversas grandezas macroscópicas, tais como: polarização e constante dielétrica,
rigidez dielétrica, magnetização e permeabilidade magnética, condutividade elétrica e térmica, e outras;
• Relacionar essas grandezas macroscópicas com a microestrutura do material;
•
Identificar, a partir dos valores dessas grandezas, o material apropriado para a aplicação desejada em
engenharia elétrica.
Cerca de 40 alunos são matriculados por semestre na disciplina. Para o laboratório, são disponibilizadas 8
turmas, com vaga para 6 alunos cada. A seguir, é mostrada a ementa da disciplina Materiais Elétricos, juntamente com
os experimentos disponíveis atualmente para o Laboratório de Materiais Elétricos.
2.1.
Materiais Elétricos (Teoria)
Ementa. Campos em meios materiais. Propriedades elétricas. Polarização de dielétricos. Perdas em dielétricos
em campos alternados. Propriedades magnéticas. Perdas em materiais magnéticos em campos alternados. Modelos
atômicos. Interpretação atômica das propriedades dos dielétricos. Polarização espontânea. Relaxação dipolar.
Mecanismos de condução e ruptura em dielétricos. Materiais magnéticos. Magnetização espontânea. Mecanismos de
condução em materiais condutores e semicondutores. Aplicações de materiais usados em Engenharia Elétrica, Neves
[9].
2.2.
Laboratório de Materiais Elétricos
A disciplina Laboratório de Materiais Elétricos serve de suporte para a disciplina Materiais Elétricos.
Atualmente, o laboratório conta com os experimentos listados abaixo:
•
Estudo da Distribuição de Tensão em Cadeia de Isoladores;
•
Medição de Capacitância, Permissividade Relativa e Perdas em Dielétricos;
•
Determinação da Rigidez Dielétrica de Óleos Isolantes;
•
Introdução a descarga em gases;
•
Curva de Saturação e Ciclo de Histerese para Ferro de Transformadores;
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•
Caracterização Elétrica de Varistores.
O guia de cada experimento fica a disposição dos alunos com uma antecedência de 08 dias da realização do
experimento. Os experimentos são realizados no Laboratório de Alta Tensão, e a cada aula a turma é dividida em duas e
cada parte executa um experimento diferente, que tem duração aproximada de 02 horas, e é realizado a cada 02
semanas. A cada dois experimentos são apresentadas palestras, para todos os alunos, a fim de facilitar o entendimento
dos princípios físicos envolvidos. No laboratório, a turma do dia é submetida a um teste com duração aproximada de 20
minutos com o objetivo de identificar se o aluno entendeu o assunto necessário à execução e compreensão do
experimento. A avaliação é composta dos testes e dos relatórios entregues no máximo até 08 dias após a realização de
cada experimento.
3.
NOVOS EXPERIMENTOS
Comparando-se a ementa da disciplina teórica com os experimentos atualmente disponíveis na disciplina
Laboratório de Materiais Elétricos, nota-se que a maioria está mais ligada à área de Eletrotécnica, o que não caracteriza
a disciplina como de formação essencial. Percebe-se a necessidade de experimentos de Física Moderna que sirvam de
base para o entendimento das propriedades dos materiais usados em engenharia elétrica. Os seguintes experimentos
serão incorporados futuramente ao laboratório:
• Relação carga-massa do elétron;
• Levantamento de níveis de energia para moléculas gasosas;
• Efeito fotoelétrico;
• Índice de refração e constante dielétrica;
• Emissão Estimulada e Lasers e;
• Medição de Ressonância-Spins de elétrons.
Cada experimento poderá trazer as contribuições citadas a seguir.
3.1.
Relação carga-massa do elétron
O experimento é o mais básico a ser inserido e serve de introdução aos experimentos de Física Moderna. Tem
como objetivos, além de se calcular a relação carga-massa do elétron, se observar trajetórias circulares e helicoidais
possíveis para elétrons submetidos a um campo elétrico uniforme e a um campo magnético uniforme, porém de direção
variável. O método usado é similar ao desenvolvido por Thomson, em que é utilizado um tubo de raios catódicos,
preenchido com o gás hélio a baixa pressão, e uma escala espelhada como mostrados na Figura 1, PASCO Scientific
[5]. Precisa-se de duas fontes de alimentação: uma fonte de tensão para controlar o campo elétrico entre duas placas de
deflexão e uma fonte de corrente para controlar o campo magnético gerado por um par de bobinas de Helmholtz
(bobinas cujo raio é igual à distância que as separam).
Figura 1 – Equipamento utilizado no experimento da relação carga-massa do elétron.
Por excitação das moléculas do hélio contido no interior do tubo de raios catódicos, é visualizada uma
trajetória circular; cujo raio é dependente da corrente nas bobinas. Com os conhecimentos teóricos, chega-se a uma
relação entre r(raio da trajetória) e I(corrente). Medindo-se vários valores de r e I, e depois utilizando um programa
computacional de ajuste de curvas é encontrada a relação carga-massa do elétron utilizando-se o critério dos mínimos
quadrados. Os principais benefícios trazidos são: a aplicação dos conhecimentos de campos magnético e elétrico; e
observação do fenômeno de excitação de moléculas gasosas.
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3.2.
Levantamento de níveis de energia para moléculas gasosas
Os níveis de energia nas moléculas gasosas são discretos, e quando há uma transição de um nível para outro,
luz com certo comprimento de onda é emitida. O espectro contém apenas alguns comprimentos de onda permitidos e
todo elemento exibe um espectro único. Esse fato é importante para análise da composição de uma substância
desconhecida. O objetivo do experimento é fazer o levantamento do espetro de alguns tipos de lâmpadas disponíveis no
laboratório. Um dos benefícios que o experimento pode trazer é auxiliar na escolha de lâmpadas mais eficientes e de
espectro apropriado para a aplicação desejada.
Para a execução do experimento é utilizado um espectrômetro óptico, que é um instrumento que desvia um
feixe de luz com um prisma ou grade de difração, PASCO Scientific [6]. Se o feixe é composto de mais que uma cor de
luz, o espectro é formado, e as várias cores são refratadas em diferentes ângulos. Cuidadosamente mede-se o ângulo
desviado. O resultado é um espectro, que carrega a riqueza da informação sobre a substância pela qual a luz irradia. A
Figura 2 ilustra o esquema do espectrômetro utilizado.
TELESCÓPIO
LUZ VERMELHA
FENDA DO
COLIMADOR
COLIMADOR
LENTE
FONTE
DE
LUZ
ÂNGULO DE
DIFRAÇÃO
LUZ VERDE
FEIXE PARALELO
GRADE DE
DIFRAÇÃO
Figura 2 – Espectrômetro Óptico.
3.3.
Efeito fotoelétrico
Considere o circuito mostrado na Figura 3 para o estudo do efeito fotoelétrico, PASCO Scientific [7]. Um tubo,
com ar atmosférico a baixa pressão, contendo dois eletrodos metálicos é conectado a uma fonte de tensão V. Considere
um feixe de luz de freqüência f incidindo no catodo. Se a freqüência da luz for maior do que um valor crítico f0, o
nanoamperímetro registrará uma corrente I. Quanto mais positiva for a tensão no anodo mais elétrons serão coletados
por ele, proporcionando um crescimento da corrente até que o nível de saturação seja atingido, quando “todos” os
elétrons emitidos pelo catodo serão coletados pelo anodo. Se a tensão do anodo for reduzida a zero e em seguida se
tornar negativa, alguns dos elétrons não alcançarão o anodo e a corrente diminuirá. Um valor de corrente nula é
alcançado para uma tensão –V0. A distribuição de energia dos elétrons emitidos pelo catodo (fotoelétrons) é
independente da intensidade da luz incidente. Um raio luminoso de alta intensidade libera mais fotoelétrons que um raio
de baixa intensidade de mesma freqüência, mas em média a energia do elétron é a mesma. Para um limiar de freqüência
abaixo de um valor crítico para um metal em particular, não há emissão fotoelétrica. Para haver o fluxo de corrente, a
energia do fóton incidente deve ser maior ou igual que a função trabalho do eletrodo; que é uma característica do
material. Quanto maior a freqüência da luz incidente, maior será a energia cinética dos elétrons, Serway [3].
A realização desse experimento facilita a compreensão do funcionamento de células fotoelétricas e auxilia no
entendimento dos mecanismos de condução em gases. O efeito fotoelétrico é utilizado em diversas aplicações práticas
em dispositivos para portas automáticas, alarme antifurto, detectores de luz, etc.
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luz
Elétrons
catodo
anodo
-
nA
+
Figura 3 – Circuito para observação do efeito fotoelétrico.
3.4.
Índice de refração e constante dielétrica
Um feixe luminoso pode ser modelado como uma onda composta por campos elétrico e magnético. Quando
dois ou mais feixes cruzam-se no espaço, os campos se somam de acordo com o princípio da superposição. No
experimento, utiliza-se um interferômetro, instrumento que separa um feixe luminoso em dois feixes que seguem
caminhos diferentes. Em seguida os feixes são superpostos formando um padrão de interferência. Com um
interferômetro é possível medir-se o comprimento de onda de alguns tipos de luz em meios como o ar ou vidro. É
possível também fazer medições altamente precisas do comprimento de peças mecânicas. O interferômetro utilizado
está mostrado na Figura 4, PASCO Scientific [8].
Figura 4 – Interferômetro utilizado.
Com esse experimento podemos avaliar o índice de refração de materiais (que é diretamente proporcional à
raiz quadrada da constante dielétrica) e sua relação com a variação de outros parâmetros, como a pressão em meios
gasosos.
3.5.
Emissão estimulada e lasers
Um átomo emite radiação eletromagnética quando um elétron passa de um estado excitado para um estado de
mais baixa energia. Excitação atômica é o mecanismo pelo qual um átomo é levado de seu estado fundamental para um
estado de mais alta energia, levando-o a irradiar, Filho [2].
Há um processo de excitação atômica, chamado de emissão estimulada. Ele é de importância fundamental na
produção de lasers (light amplification by stimulated emission of radiation - amplificação de luz por emissão estimulada
da radiação). O experimento será uma base para conhecimento de dispositivos utilizando lasers.
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3.6.
Medição de Ressonância-Spins de elétrons.
Segundo o princípio de exclusão de Pauli, dois elétrons no mesmo átomo não podem ter a mesma energia a
menos que tenham spins opostos. Ao se juntar dois átomos para formar uma molécula, existem duas possibilidades para
os spins dos dois elétrons; eles podem ter o mesmo sentido (paralelos) ou podem ter sentidos opostos (antiparalelos).
Admitindo que eles tenham o mesmo sentido, então haverá uma tendência de repulsão entre os elétrons quando a
distância interatômica diminuir, devido ao princípio de exclusão. Se os spins forem antiparalelos, os dois elétrons
poderão existir na mesma órbita em torno de cada núcleo, passando boa parte do tempo no espaço entre eles.
Imaginando os elétrons que estão em órbita como nuvens eletrônicas, elas podem aparecer como mostrado na Figura 5,
Neves [11].
a) spins antiparalelos
b) spins paralelos
Figura 5 – Molécula de hidrogênio.
A compensação ou não dos spins é determinante para a classificação dos materiais em ferromagnéticos,
diamagnéticos, paramagnéticos, antiferromagnéticos. A grande importância do experimento é a avaliação experimental
das propriedades magnéticas dos materiais.
4.
METODOLOGIA DO TRABALHO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA
O primeiro ano de projeto tem conclusão prevista para agosto/2001. Inicialmente, foi dada ênfase a um
embasamento teórico necessário ao entendimento de conceitos básicos de física quântica, e ao manuseio dos
equipamentos. Posteriormente foram realizados os quatro primeiros experimentos, foi feita uma análise dos resultados
obtidos e realizada a confecção preliminar de guias de Laboratório de Materiais Elétricos. Espera-se que ao final do
primeiro ano sejam confeccionados os guias dos novos experimentos.
Foi encaminhada a renovação do projeto por mais um ano para fazer os ajustes finais nos guias preliminares, e
reformular o texto da disciplina teórica para acomodar os novos experimentos.
5.
DIFICULDADES ENCONTRADAS E PERSPECTIVAS FUTURAS
Os experimentos realizados atualmente na disciplina Laboratório de Materiais Elétricos, além de poucos,
funcionam precariamente, com bancada única e com equipamentos muito antigos. A adição dos novos experimentos
mencionados certamente trará benefícios aos alunos. Porém, precisa-se de maiores investimentos nos laboratórios de
graduação da UFPB, especialmente nos laboratórios de disciplinas essenciais. O Laboratório de Materiais Elétricos
precisa ser modernizado e melhor equipado para que os estudantes possam, através de procedimentos experimentais,
vivenciar o estado da arte do desenvolvimento de materiais e acompanhar as novas tendências do mercado de trabalho.
6.
CONCLUSÃO
Materiais Elétricos é uma disciplina de formação essencial do engenheiro eletricista em qualquer de suas
especialidades, e que tem por objetivo principal o entendimento das propriedades físicas de dielétricos, materiais
magnéticos, materiais condutores e semicondutores. O conteúdo da disciplina é muito abrangente e envolve tópicos
como: física do estado sólido; física de gases e física quântica. Apesar de constarem na ementa da disciplina na UFPB,
os tópicos citados estavam ausentes do laboratório por falta de experimentos adequados que pudessem facilitar o
aprendizado do aluno. Portanto, sente-se a necessidade de uma forte interação com o Departamento de Física; que
dispõe de alguns equipamentos que podem ser usados no Laboratório de Materiais Elétricos. A interação foi iniciada
através de um projeto conjunto de Iniciação Científica (PIBIC/CNPq/UFPB), visando desenvolver e incorporar
experimentos específicos ao Laboratório de Materiais Elétricos. O projeto está em vias de renovação por mais um ano,
para modificações no texto atual da disciplina teórica quanto para ajustes na metodologia a ser adotada na incorporação
dos novos experimentos.
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Neste trabalho foi apresentada a atual situação do Laboratório de Materiais Elétricos, a necessidade de novos
experimentos, o que está se fazendo para amenizar as deficiências existentes e oportunidades de melhorias para o
futuro. É nítida a necessidade de modernização do Laboratório de Materiais Elétricos visando contribuir para a
formação de profissionais mais qualificados. Para tanto é necessário: fortalecer as atividades experimentais existentes;
desenvolver novos experimentos viabilizando a absorção dos avanços científicos e motivar o aluno, através da
correlação entre a disciplina teórica e o Laboratório.
7.
REFERÊNCIAS
[1]
J.A.C.B. Silva, Experimentos de Apoio a Disciplina Materiais Elétricos, Projeto de Pesquisa de Iniciação
Científica, submetido ao PIBIC, Campina Grande, PB, Maio de 2000.
J.S. Filho, Conceitos Fundamentais de Ótica Quântica, Notas Didáticas, DF/UFPB, 1998.
R.A. Serway, Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Third edition Updated Version,
Saunders Golden Sunburst Series, Saunders College Publishing, Harcourt Brace College Publishers, 1992.
S.O. Kasap, Principles of Electrical Engineering Materials and Devices, McGraw Hill, 2000.
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
PASCO Scientific, e/m Apparatus, Instruction Manual and Experiment Guide, Model SE-9638, 1987.
PASCO Scientific, Advanced Spectrometer, Instruction Manual and Experiment Guide, Model SP-9416, 1991.
PASCO Scientific, h/e Apparatus and h/e Apparatus Accessory Kit, Instruction Manual and Experiment Guide,
Model AP-9368 and AP-9369, 1989.
PASCO Scientific, Precision Interferometer, Instruction Manual and Experiment Guide, Models OS-9255A thru
OS-9258A, 1990.
W.L.A. Neves, Plano de Curso da Disciplina Materiais Elétricos, Campina Grande, PB, 2000.
W.L.A. Neves e E.G. Costa, “O Ensino de Materiais Elétricos na UFPB”, COBENGE 2000.
W.L.A. Neves, Materiais Elétricos, Notas de aula, Campina Grande, PB, 2001.
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