Importante Desligar os celulares ou colocar no modo silencioso · Compostos entre elementos...

Importante

Desligar os celulares ou colocar no modo silencioso

ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS


Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre

1989-1994 Eng. Eletrônico - Peru1996-1999 Mestre em Eng. Elétrica - Unicamp1998-2003 Doutor em Eng. Elétrica - Unicamp2003-2005 Pósdoutorado Hokkaido University

2005-2006 Pósdoutorado Unicamp


Capítulo 01Propriedades da Matéria

Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre


Classificação Funcional dos Materiais

AerospacialBiomedicaMateriais EletrônicosEnergia e MeioambienteMateriais MagnéticosFotônicos ou Materiais ÓpticosMateriais InteligentesMateriais Estruturais

Classificação Funcional

dos Materiais

MateriaisInteligentes

PZTLigas de Ni-Ti

Fluídos MRGels polímeros

AerospacialCompostos de

carbono,SiO2, silício amorfo,

ligas de alumínioZerodur

EstruturasAços

Ligas de alumínio,Concreto

Fibras de vidroPlásticosmadeiras

EstruturasAços

Ligas de alumínio,Concreto

Fibras de vidroPlásticosmadeiras

EletrônicaSi, GaAs,Ge, PZT,Al, Cu,

polymeros

MagnéticosFe, Fe-Si, NiZn

Ferritas,CoPtTaCr

Energia e Ambiental

Si:H amorfo, UO2,

NiCd, ZrO2

ÓpticosSiO2, GaAs,

Vidros, Al2O3,YAG, ITO


Structural feature Dimension (m)

atomic bonding

crystals (ordered atoms)second phase particlescrystal texturing

< 10 -10

10-10

10-8 -10-1

10-8 -10-4

> 10-6

Classificação dos Materiais – Metais

Elementos puros ou mistura de elementos metálicos(ligas) – ligações metalicas

• Bons condutores de eletricidade

• Bons condutores de calor

• Apariência brilhante – não transparentes

• Duros

• Deformáveis

• Algumas vezes 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


Classificação dos Materiais–Polímeros

Compostos orgânicos baseados em C, H e outroselementos não metálicos – ligações covalente e secundárias

• Propriedades variadas

• Densidade baixa

• Não condutores

• Ponto de fusão baixo

• Podem ser muito flexíveis


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 corpohumano



Exemplo de Aplicações Propriedades

Metais e LigasAço Automóveis Castable, machinable,

vibration dampingCerâmicos evidrosSiO2-Na2O-CaO Vidros Opticamente transparentes,

isolantes térmicosPolímerosPolietileno Embalagem de comidas Finas espesuras,

flexíveis


Exemplo de Aplicações Propriedades

SemicondutoresSilício Transistor e circuitos comportamento elétrico

integrados único

Compósitos Ferramentas de corte Duras e resistentes a Tungstênio carbide máquinas impactos-cobalt (WC-Co)


Estrutura AtômicaÂtomos 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.


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 atômicaConfigurações Eletrônicas dos Átomos e Tabela Periódica

Tipos de ligações interatômicasEnergias de Ligação

Distâncias e Energias de Equilíbrio


Tabela Periódica

Calcular o número de âtomos em 100 g de prata.

Peso atômico 107,868 g/mol

Exemplo


Calcular o número de âtomos em 100 g de prata.

SOLUÇÃO

Número de âtomos =)868.107(

)10023.6)(100( 23

molg

molatomsg ×

=5.58 × 1023

Exemplo


Pesquisadores estão considerando o uso de nanopartículas de materiaismagnéticos como um meio de armazenar gandes quantidades de dados. Estas partículas podem armazenar dados na ordem de um trilhão de bits porpolegada quadrada. 10 a 100 vezes a mais do que qualquer outro dispositivotais 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.

Exemplo



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 umananopartícula de Ferro será 1188.


Modelo atômico de Bohr

Estrutura Atômica


Comparação dos modelosTrês primeiros níveis


Energias relativas dos elétrons


Estrutura Eletrônica dos Elementos


Âtomo de sódio


Eletronegatividades

Eletronegatividade pequena Eletronegatividade grande


Eletronegatividades


Forças e Energias de Ligação

EL = EA + ER

EL =energia liquidaEA =energia de atraçãoER =energia de repulsão

∫= FdrE


Ligações Iônicas: Metal + não metal configurações estáveisdoa aceita elétrons

• acontece entre + and - íons.

• precisa de transferência de elétrons

• diferência entre as eletronegatividades deve ser grande

• Exemplo: NaClNeônio Argônio

Atração de Coulomb

Ligação iônica no cloreto de sódio NaCl


Ligações Iônicas:

rA

nrBEL = EA + ER = +−

( )( )eZeZA 2104

1πε

=

21, zz Valências dos dois tiposde íons.


Exemplo

Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-sesepadaros uma distância de 1,25 nm.


Exemplo ( )( )eZeZA 2104

1πε

=

Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-sesepadaros uma distância de 1,25 nm.


Ligação Covalente

Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentesSão fortes.

• Eletronegatividade similar• Example: CH4 C: tem 4 e- de valência

e precisa de mais 4

H: tem 1 e-,de valênciae precisa de mais 1

Electronegatividades sãosimilares


Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes

Ligação covalente molécula de metano CH4


Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes

Ligação covalente no silício


Exemplo

Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligaçõescovalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO2)


Exemplo

Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligaçõescovalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO2)

Solução

Sílicio tem 4 elétrons de valência e compartilha elétronscom 4 átomos de oxigênio, resultando em 8 elétrons paracada 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


%)100(x

1− e− (XA−XB)2

4

⎛

⎝

⎜ ⎜ ⎜

⎞

⎠

⎟ ⎟ ⎟

% caráter iônico =

%)100(x ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−

4)(

2BA

eXX

% caráter covalente =

Ex: MgO XMg = 1.3XO = 3.5

ionico 70.2% (100%) x e1 ionicocarater % 4)3.15.3(

2

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−


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.


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 %


Ligações Metálicas

Metais e suas ligas

Elétrons de valência não estãoligados aos átomos

Formam um mar de elétrons


Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargaselétricas em 10 cm3 de prata.

Densidade da prata é 10.49 g/cm3

O peso atômico da prata é 107.868 g/mol


Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargaselétricas 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

àtomos =

elétrons = (5.85 × 1023 atoms)(1 elétron valência/atom)

= 5.85 × 1023 elétrons de valência em 10 cm3

2323

1085.5/868.107

)/10023.6)(9.104(×=

×molg

molatomsg


Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas.


Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas.

Molécula de água


Propriedades Elétricas


Condução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão


Condução nos líquidos


Condução nos gases

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