ENG101 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS
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
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Capítulo 01Propriedades da Matéria
Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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.
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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
Calcular o número de âtomos em 100 g de prata.
Peso atômico 107,868 g/mol
Exemplo
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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
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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
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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.
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Eletronegatividades
Eletronegatividade pequena Eletronegatividade grande
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Forças e Energias de Ligação
EL = EA + ER
EL =energia liquidaEA =energia de atraçãoER =energia de repulsão
∫= FdrE
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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
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Ligações Iônicas:
rA
nrBEL = EA + ER = +−
( )( )eZeZA 2104
1πε
=
21, zz Valências dos dois tiposde íons.
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Exemplo
Calcule a força de atração entre um ion Ca+2 e O-2 cujos centros encontram-sesepadaros uma distância de 1,25 nm.
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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.
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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
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Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
Ligação covalente molécula de metano CH4
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Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes
Ligação covalente no silício
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Exemplo
Asumindo que a sílica (SiO2) tem 100% de ligaçõescovalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO2)
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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
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%)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
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
−−
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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.
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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 %
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Ligações Metálicas
Metais e suas ligas
Elétrons de valência não estãoligados aos átomos
Formam um mar de elétrons
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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
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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
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Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas.
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Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas.
Molécula de água
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Condução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão
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