Propriedades elétricas e térmicas de Metais, Trabalhos de Metalurgia

Baixe Propriedades elétricas e térmicas de Metais e outras Trabalhos em PDF para Metalurgia, somente na Docsity! Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos - EESC Departamento de Engenharia de Materiais e Manufatura - SMM T4: Propriedades Elétricas e Térmicas SMM0326 - Metalurgia Física Resumo Callister Grupo 9 Bárbara dos Santos Migliato 9285360 Júlia Piovezan Altarugio 10308530 Lara Corrêa Rodrigues 10308777 Maria Carolina C Campos 10308395 Tainah Aguiar Zucco 10289620 São Carlos 2019 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 1. Condução Elétrica A facilidade de transmitir corrente elétrica pode ser uma forma pelo qual um material pode ser classificado. E uma das maneiras de se obter propriedades elétricas de um material está no uso da Lei de Ohm e na determinação de resistividade elétrica ou condutividade elétrica. Figura 1:​ Sistema de medição de resistividade elétrica Fonte: ​CALLISTER, William. ​Ciência E Engenharia de Materiais: Uma Introdução ​. Grupo Gen-LTC, 2000. A Lei de Ohm relaciona corrente com voltagem aplicada: ​ ​(Equação 1).RV = I E a resistividade elétrica não depende da geometria da amostra: (Equação 2)ρ = l R.A Combinando as Equações 1 e 2, tem-se: (Equação 3)ρ = I .l V .A De acordo com a figura 2, bandas não podem ser formadas para as subcamadas mais próximas do núcleo, sendo este o espaçamento necessário de equilíbrio. No entanto, quando existe espaçamento entre as bandas adjacentes, as energias internas ao espaçamento não podem ser fornecidas para a ocupação de elétrons. A figura 3 apresenta as bandas eletrônicas dos sólidos à ​OK. Figura 3: ​ Bandas eletrônicas dos sólidos à 0K Fonte: ​CALLISTER, William. ​Ciência E Engenharia de Materiais: Uma Introdução ​. Grupo Gen-LTC, 2000. Podem ser observados a partir da figura 3 o preenchimento parcial da banda mais externa (energia de Fermi – energia do estado preenchido mais alto), tendo como exemplo o cobre. Além disso, a superposição entre uma banda vazia e uma preenchida. Exemplo: magnésio. O amplo espaçamento entre as bandas, com preenchimento completo da banda de valência e banda de condução vazia. Um exemplo são os materiais isolantes. E por fim, o pequeno espaçamento entre as bandas, com preenchimento completo da banda de valência e banda de condução vazia, tendo como exemplo os semicondutores. 4. Condução em Termos de Banda e Modelos de Ligação Iônica Os Elétrons livres possuem energias maiores que a energia de Fermi, participando da condução já que se movimentam na presença de um campo elétrico externo. Os Buracos, por sua vez, apresentam energias menores em comparação com a energia de Fermi. Vale ressaltar que são muito comuns em isolantes e semicondutores. Já os Metais apresentam ligação metálica que forma um “gás eletrônico”. Apesar desses elétrons não estarem ligados a nenhum átomo específico, é preciso que eles sofram excitação para que conduzam corrente. Com isso, os metais apresentam alta condutividade, mesmo que apenas uma parte de todos os elétrons sejam excitados. Por fim, os Semicondutores e Isolantes não possuem disponibilidade em seus espaços vazios adjacentes ao topo da banda de valência, de tal forma que os elétrons devem ser movidos para estados vazios na parte inferior da banda de condução, o que requer o fornecimento de uma diferença de energia, a qual pode ser aumentada de acordo com a elevação da temperatura. Em relação aos isolantes, a sua ligação pode ser iônica ou covalente, de maneira em que os elétrons estão bem localizados e não estão livres para se moverem no cristal. 5. Mobilidade Eletrônica O aparecimento de forças de fricção ocorre quando a corrente elétrica atinge um valor constante no momento em que o campo elétrico é aplicado. Estas forças surgem do espalhamento dos elétrons devido a imperfeições da rede cristalina, como por exemplo, discordâncias e lacunas. Estas imperfeições, por sua vez, agem como uma espécie de resistência à passagem da corrente. O espalhamento pode ser descrito via velocidade de arraste (Equação 5) e a condutividade (Equação 6) e podem ser expressas como função da mobilidade eletrônica: (Equação 5)a µe . εv = (Equação 6). µeσ = n e| | . Em que: µe = mobilidade eletrônica (m²/V.s) n = número de elétrons livres ou de condução por unidade de volume |e| = carga elétrica de um elétron (1,6 x 10​-19​ C) 6. Resistividade elétrica dos metais Como exemplificado no tópico 5, os defeitos cristalinos agem como centros de espalhamento para os elétrons. Nesse sentido, observa-se um aumento da resistividade e uma redução da condutividade com a elevação do número de elétrons. A regra de Matthiessen demonstra as contribuições das resistividades térmica (ρt), impurezas (ρi) e deformações plásticas (ρd): ρ ​total​ = ρ​t​ + ρ​i​ + ρ​d ​ (Equação 7) ρ​t​ = ρ​0​+ a.T (Equação 8) ρ​i​ = A.c​i​.(1 – c​i​) (Equação 9) Vale ressaltar que, para ligas bifásicas, compostas por fases α e β, deve-se usar a seguinte equação: ρ​i​ = ρ ​α​. V ​α​ + ρ ​β​ . V ​β ​ (Equação 10) 7. Características Elétricas de Ligas Comerciais Os materiais semicondutores possuem importantes características elétricas que os tornam singulares. A respeito do comportamento elétrico desses materiais, pode-se mencionar a grande influência da estrutura eletrônica inerente ao metal modo, forma-se um buraco, o qual pode ser liberado do átomo de impureza através da transferência de um elétron de uma ligação adjacente. Portanto, o elétron e o buraco trocam de posição. Em relação ao condutores do tipo n e p, estes são feitos a partir de materiais com altos níveis de impurezas. Com a adição de doadores e receptores, ocorre o processo de dopagem. Destaca-se que estes materiais apresentam elevadas condutividades elétricas à temperatura ambiente e podem ser usados como dispositivos eletrônicos, por exemplo. 10. A Variação da Condutividade e da Concentração de Portadores com a Temperatura A relação entre condutividade intrínseca e temperatura pode ser expressa da seguinte forma: ln σ = C-(Ee)/(2kT) (Equação 12) Em que: C = constante da temperatura Ee = energia de espaçamento entre bandas k = constante de Boltzmann Já a relação entre a concentração do portador e temperatura é dado a partir da equação 13: ln n = ln p =C' - (Ee)/(2kT) (Equação 13) Em que: C = constante independente da temperatura. Ademais, existe outra maneira de representar essa última relação e esta é expressa a seguir: Ee = -2k((Δlnp)/(Δ(1/T))) (Equação 14) 11. O Efeito Hall O efeito Hall pode ser entendido como um fenômeno em que um campo magnético perpendicular à uma partícula carrega aplica uma força perpendicular à direção dessa partícula e dele próprio. É usado para determinar o tipo de concentração e a mobilidade dos portadores de carga. Figura 6: ​ Efeito Hall Fonte: ​CALLISTER, William. ​Ciência E Engenharia de Materiais: Uma Introdução ​. Grupo Gen-LTC, 2000. É aplicado um campo elétrico externo, onde elétrons e buracos se movimentam na direção x originando a corrente Ix. Um campo magnético é aplicado em z (Bz), os buracos serão refletidos para direita em y e os elétrons para a esquerda em y. Em y a voltagem Hall será estabelecida (VH). Assim, tem-se a seguinte relação: VH = (RH.Tx.Bz)/d (Equação 15) Em que: RH = 1/ (n|e|) µe= |RH| σ é a mobilidade do elétron 12. Dispositivos semicondutores A junção retificadora p-n é constituída de uma peça de semicondutor dopada (tipo n de uma lado e p do outro). Os buracos são portadores dominantes do lado p e os elétrons do lado n. Uma junção com polaridades distintas estabelece um potencial elétrico externo entre a junção p-n. No fluxo para frente, os buracos do lado p e os elétrons do lado n se atraem para a junção, que se recombinam continuamente. Já no fluxo reverso, os buracos e elétrons se afastam da junção. Este afastamento deixa a região da junção isenta de transportadores de carga móveis, tornando-a isolante. Transistores podem ser classificados como transistores de junção e MOSFET. Figura 7: ​Diagrama de um transistor de junção tipo p-n-p Fonte: ​CALLISTER, William. ​Ciência E Engenharia de Materiais: Uma Introdução ​. Grupo Gen-LTC, 2000. Já para um capacitor contendo vácuo entre suas placas, a capacitância é calculada da seguinte forma: C = ϵ​0​(A/l) (Equação 19) Onde A é a área das placas, l a distancia entre elas e ϵ​0 a permissividade do vácuo (8,85x10^​-12 F/m). Quando um material dielétrico é colocado na região entre as placas, ϵ se tornará a permissividade desse meio dielétrico, maior que ϵ​0​. A permissividade relativa (ou constante dielétrica) é calculada por: ϵ​r​ = ϵ/ϵ ​0 (Equação 20) A qual, representa o aumento da capacitância pela inserção deste material dielétrico. 16. Vetores de campo e polarização Os vetores de campo auxiliam na compreensão do termo ​capacitância​. Um momento dipolo elétrico (p) é representado pela equação: p = qd (Equação 21) Em que: q = carga de cada dipolo d = distância entre eles Cada dipolo é formado por uma carga elétrica positiva e uma negativa separadas. O momento dipolo elétrico é direcionado da carga negativa para a positiva. A polarização é definida como a orientação de um dipolo elétrico na direção de um campo elétrico gerado por um campo elétrico (ξ). A densidade de cargas (D) – ou deslocamento dielétrico – na superfície de um capacitor é representada pela seguinte fórmula na presença de vácuo: D​0​ = ϵ​0​ ξ (Equação 22) Considerando o exemplo de um capacitor no vácuo, onde uma carga +Q é aplicada em uma placa e uma –Q é aplicada em outra, quando um material dielétrico é introduzido e um campo é aplicado, todo o sólido no interior das placas fica polarizado, gerando um acúmulo de carga negativa próxima a placa carregada positivamente e um de carga positiva na placa carregada negativamente, anulando parte da carga gerada no vácuo. A voltagem imposta no vácuo é mantida pelo aumento das cargas nas placas, fazendo com que os elétrons geram uma corrente que se direciona da placa positiva para a negativa, restabelecendo a voltagem apropriada, fazendo, assim, com que a carga em cada placa aumente uma quantidade Q’. Na presença de um dielétrico, a densidade de cargas D também pode ser representada pela seguinte fórmula: D = ϵ​0​ ξ + P (Equação 23) Onde P é a polarização, ou momento dipolo total por unidade de volume do material dielétrico e pode ser definido por P = ϵ​0​ (ϵr – 1) ξ (Equação 24) 17. Tipos de Polarização Existem três tipos ou fontes de polarização. Os materiais dielétricos apresentam pelo menos um destes tipos, dependendo do material e da maneira de aplicação do campo externo. Tem-se, a Polarização eletrônica que pode ser induzida, em maior ou menor grau, nos átomos e ocorrer quando um campo elétrico desloca o centro de uma nuvem eletrônica negativa em relação ao núcleo positivo de um átomo. Ocorre em todos os materiais dielétricos. Existe a Polarização iônica na qual ocorre em materiais iônicos. Surge quando um campo faz ocorrer o deslocamento de um cátion em uma direção e um ânion em outra, resultando em um momento dipolo líquido. Por fim, a Polarização de orientação relaciona-se somente em substâncias que possuem momentos de dipolos permanentes, onde resulta em uma rotação destes na direção do campo aplicado. Este alinhamento é contraposto pelas vibrações térmicas dos átomos, fazendo diminuir a polarização com o aumento da temperatura. Vale ressaltar que, a quantidade de polarização total equivale à soma de todos os tipos de polarizações apresentadas, podendo alguma delas ser igual a zero ou de magnitude desprezível. 18. Dependência da constante dielétrica em relação à frequência Corrente alternada (CA) é aquela em que a voltagem ou o campo elétrico aplicado muda de direção ao longo do tempo. Os dipolos de um material dielétrico, mediante a polarização por corrente alternada tentam se reorientar com o campo a cada mudança de direção, exigindo um tempo finito. Para cada tipo de polarização um determinado tempo é requerido, dependendo da facilidade de cada dipolo de se realinhar. O inverso deste tempo mínimo de reorientação é definido como a frequência de relaxação. Quando a frequência do campo elétrico aplicado excede a frequência de relaxação, o dipolo não pode manter a alteração da direção de orientação. Existe uma queda brusca na constante dielétrica quando um mecanismo de polarização para de funcionar. A perda dielétrica é definida como a absorção de energia elétrica por um material dielétrico sujeito a um campo elétrico, sendo desejada uma baixa perda dielétrica na frequência de utilização. PROPRIEDADES TÉRMICAS A propriedade térmica é o comportamento de um material frente a aplicação de calor, o que pode gerar alterações em sua temperatura e em suas dimensões. Capacidade calorífica, expansão térmica e condutibilidade térmica são propriedades discutidas a seguir relacionadas a esse processo. 1. Capacidade Calorífica A capacidade calorífica é a energia necessária para aquecer o material em uma unidade de temperatura, ou seja, elevar 1 ºC na temperatura deste. É representada pela letra C, especificada por mol de material (por exemplo, J.mol​-1​.K​-1​, ou cal.mol​-1​.K​-1​: ( Equação 25) Em que o calor específico, c, representa a capacidade calorífica por unidade de massa (J.kg​-1​.K​-1​, cal.g​- 1​.K​-1​, Btu. Lbm​-1​.oF​-1​). Esse conceito se relaciona com as vibrações dos átomos, que se propagam devido às ligações existentes entre os átomos. Uma unidade dessa energia (quantum) é chamado de fônon, mesmo nome dado para as ondas vibracionais. Portanto, o que se espera é que a capacidade calorífica varie com a temperatura, aumentando rapidamente com o aumento da temperatura até que atinja o valor de 3R. O ponto em que a capacidade calorífica, Cv, passa a ser independente é chamado temperatura de Debye. 2. Expansão Térmica A expansão térmica está relacionado com a variação das distâncias entre os átomos. Em geral, os materiais tendem a expandirem com o aumento da temperatura e contrair com o resfriamento. A variação do comprimento de um corpo, conhecida como dilatação linear, é proporcional à variação de temperatura sob um coeficiente 𝛼𝑙. Uma abordagem mais ampla do assunto permite expandir esse conceito para o plano e também até para dilatações volumétricas. A expansão térmica dos metais tendem a ser intermediárias. Nas cerâmicas, como a força de ligação entre os íons é extremamente forte os coeficientes de expansão térmica tende a ser pequeno. O comportamento de anisotropia também é observado nesses materiais, isto é, o material expande em algumas direções e contrai nas demais. Por fim, os polímeros são os que tendem a apresentar os maiores coeficientes de expansão devido a mobilidade das cadeias, polímeros lineares e com poucas ramificações são mais suscetíveis ao aumento de temperatura se comparados com os termofixos. 3. Condutividade Térmica A condução térmica se baseia no transporte de energia de regiões de alta energia (quente) para regiões de baixa energia (frio) buscando a obtenção de um equilíbrio térmico, caso exista um sistema isolado. Isso acontece devido às vibrações da rede e aos elétrons livres existentes no material. Portanto, a condução de calor pode ser expressa como uma combinação de ambos mecanismos. A Equação 25 mostra o cálculo para o fluxo de calor, ou escoamento de calor, por unidade de tempo por unidade de área (área sendo tomada como aquela perpendicular à direção do escoamento), k é a condutibilidade térmica e dT/dx é o gradiente de temperatura através do meio condutor. q = - k (dT/dx) (Equação 26) O sinal negativo na expressão indica que o sentido de escoamento de calor é do quente para o frio, ou em sentido de descida do gradiente de temperatura. Como os metais possuem elétrons livres dispersos em todo o material. o mecanismo de transporte de calor é muito mais intenso. A condutividade térmica e elétrica nos metais podem ser relacionadas devido ao transporte através dos elétrons. A composição dos metais também interfere na condução térmica, já que possuem precipitados sólidos que agem como barreira e espalham a energia recebida. Os materiais cerâmicos tendem a ser isolantes por não apresentar elétrons livres em grandes quantidades. Outro fator que dificulta a transferência de calor é a existência de poros na estrutura cerâmica. Nos polímeros, a condução acontece por vibrações e rotações da cadeia, fazendo com que a condução de calor seja muito menos intensa que os metais e cerâmicos. 4. Tensões Térmicas As tensões térmicas podem ser geradas caso exista uma restrição do material durante o aquecimento ou resfriamento. Os encaixes com interferência, quando se trata de elementos de máquina, são exemplos típicos de tensões causadas pela restrição da expansão térmica. Quando um corpo sólido é aquecido ou resfriado, a distribuição de temperatura interna dependerá do seu tamanho e da sua forma, da condutibilidade térmica do material e da taxa de mudança de temperatura. Tensões são resultado de gradientes de temperatura, através de um corpo, causadas por rápido aquecimento ou resfriamento, em que a parte externa muda mais rapidamente do que a parte interna. O choque térmico é um fenômeno importante relacionado com tensões térmicas. Caso ocorra um gradiente de resfriamento/aquecimento muito acentuado, há possibilidade de tensões trativas serem induzidas no material. Em materiais dúcteis, o impacto ocasionado por esses concentradores de tensão são menos severos que nos materiais frágeis devido à mobilidade maior das discordâncias na rede. Desta maneira para materiais frágeis, a resistência a essa fragilização é resistência ao choque térmico (RCT).