materiais eletricos - parte i
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ndice :
1. Estrutura Atmica: Modelos e aplicaes tecnolgicas..................................... 01 1.1. Introduo........... ..........................................................................................................................01 1.2. As leis ponderais e o incio da qumica moderna............................................................................02 1.3. A natureza eltrica da matria........................................................................................................03 1.4. As novas imagens para um mundo real ...e invisvel......................................................................04 1.5. As evidncias mostram-se inexplicveis.........................................................................................05 1.6. O modelo quntico: pode-se, enfim, explicar..................................................................................06 1.7. Novas vises do mundo sub-nuclear...............................................................................................08 1.8. A ltima parte do tomo..................................................................................................................11 1.9. O tomo moderno e as novas tecnologias.......................................................................................12 1.10. Bibliografia....................................................................................................................................15
2. Materiais Condutores..............................................................................................16 Processo de Conduo dos metais................................................................................................ 16 2.1. Cobre............................................................................................................................................. 21 2.2. Produo do Cobre.................. ..................................................................................................... 22 2.3. Caractersticas do Cobre................................................................................................................ 24 2.4. Alumnio..........................................................................................................................................26 2.5. Variao da Resistividade com a Temperatura................................................................................29 2.6. Outros Condutores.................................................................. ........................................................30 2.7. Condutores Comerciais................................. ..................................................................................31
2.7.1. Correntes Mximas................................................................................................................33 2.7.2. Propriedades Mecnicas........................................................................................................35 2.7.3. Efeito Pelicular.......................................................................................................................37 2.7.4. Corrente de Fuso.................................................................................................................38
3. Materiais Isolantes.................................................................................................. 39 3.1. Bandas de Energia..........................................................................................................................39 3.2. Equacionamento. ............................................................................................................................41 3.3. Caractersticas dos Materiais Isolantes........................................................................................... 43 3.4. Propriedades Isolantes de Gases e Lquidos...................................................................................45 3.5. Efeito Corona..................................................................................................................................46 3.6. Propriedades Dieltricas dos Isolantes Slidos................................................................................47
4. Materiais Semicondutores Intrnsecos.................................................................................48
4.1. Conduo Eltrica nos Semicondutores................................................................................48
4.2. Semicondutores Tipo N e P..................................................................................................48
4.3. O Diodo Semicondutor.........................................................................................................49
4.3.1. A Juno PN..........................................................................................................49
4.3.2. Polarizao Direta da Juno PN............................................................................51
4.3.3. Polarizao Reversa da Juno PN.........................................................................51
4.3.4. Principais Especificaes do Diodo.........................................................................51
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FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA
ENGENHARIA DE COMPUTAO - MATERIAIS ELTRICOS Prof.JOEL 1
1. Estrutura Atmica: Modelos e aplicaes tecnolgicas
1.1. Introduo
A Qumica a cincia que estuda as transformaes da matria, que formada pr substncias, e essas,
pr molculas, que, pr sua vez, so formadas de tomos, que so formados pr... .Mas como falar
sobre tomos se eles no podem ser vistos?
Como no so vistos, deles so feitos modelos de acordo com o conhecimento de suas propriedades.
Aqueles que se interessam em estudar Qumica precisam buscar o entendimento de um mundo
microscpico para explicar as realidades deste mundo que nos cerca.
Quando se fala em tomos, molculas, reaes qumicas, est-se referindo a realidades sobre as quais
se conhece mais do que o resultado de algumas interaes. Por isso so construdos modelos mais ou
menos aproximados do que se conhece do modelado, na busca de facilitar nossas interaes com ele,
de modo que, atravs dos modelos, nas mais diferentes situaes, possam ser feitas interferncias e
previses de propriedades.
Na verdade, so simplificaes da realidade, ou porque esta complexa demais, ou porque sobre ela
pouco se conhece.
Uma simplificao no significa que o modelo errado e sim menos sofisticado e talvez mais
adequado para tratar certos conhecimentos.
A concepo do tomo vem sendo modelada e modificada atravs do desenvolvimento da humanidade
e da cincia. Podemos perguntar: "qual o modelo mais adequado?", ao que pode ser respondido:
"depende de para que os tomos modelados vo ser usados depois".
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1.2. As leis ponderais e o incio da qumica moderna
Embora pudesse perceber e admirar a transformao de certas matrias, quando postas em contato com
outras, apenas a partir do final do sculo XVIII o homem pode, baseado em evidncias experimentais,
chegar a concluses relativas transformao da matria. Eram comuns, essa poca, procedimentos
de pesquisa que envolviam a medida das massas das substncias reagentes e dos produtos.
Segundo a teoria do flogisto, de Stahl, quando um corpo queimava, liberava seu flogisto, ocasionando
a converso de metais na sua "cal " . Acreditava-se que o carvo era formado de flogisto praticamente
puro. Isso porque, na queima, ele quase desaparece, deixando pouqussima cinza. Unindo a cal do
metal ao flogisto, isto , aquecendo o produto da combusto do metal com o carvo, se regenerava o
metal.
Lavoisier (1743 - 1794) pressentiu a fundamentao errnea da teoria do flogisto e procurou outra
explicao, executando diversos experimentos de combusto de substncias conhecidas, pesando com
preciso o material antes e depois do experimento. fcil conceber que, se o flogisto liberado na
queima, ento o pedao metlico deve ficar mais leve. A constatao oposta. A massa da suposta
"cal", cinza metlica, sempre maior que a do metal.
A partir de experincias bem controladas, Lavoisier demonstrou que a queima uma reao com o
oxignio. O que os alquimistas chamavam de cal do metal na verdade, um novo composto, o xido
metlico. A regenerao da cal ao metal feita porque, sendo o carvo constitudo pelo elemento
qumico carbono, durante o aquecimento se formar gs carbnico, por combinao com o oxignio do
xido, deixando o metal livre.
Portanto, h transformao dos metais em seus xidos, atravs da combusto, por efeito de uma
combinao do metal queimado com o oxignio do ar e no por haver sido perdido o flogisto.
A superao da idia flogisticista e o esclarecimento da combusto trazem novos direcionamentos para
as investigaes sobre a natureza das substncias.
Lavoisier observou certa regularidade em muitas reaes qumicas por ele realizadas. Utilizando-se do
estudo sistemtico das reaes e da medida rigorosa das massas envolvidas, ele pde generalizar algo
que vinha observando: "Quando uma reao qumica ocorre em ambiente fechado, a massa total antes
da transformao igual massa total aps a transformao."
Tratando-se de um fato natural que se repete invariavelmente, tal observao entendida como uma
lei; no caso, Lei da Conservao da Massa, ou Lei de Lavoisier.
Nos anos que se seguiram, Lavoisier e os qumicos Guyton de Morveau e Antoine de Fourcroy
reorganizaram a nomenclatura qumica luz da nova teoria, dando a cada substncia um nome que
descrevia sua composio qumica e definindo seus elementos, de acordo com princpios anteriormente
estabelecidos por Boyle, para quem os elementos seriam melhor descritos como substncias,
perfeitamente homogneas, nas quais os corpos mistos podem, em ltima instncia, transformar-se. Era
um sistema muito semelhante ao empregado hoje. Dois anos depois, Lavoisier apresentou o Tratado
Elementar de Qumica, o qual, por sua clareza e abrangncia, popularizou as novas idias. A era da
qumica moderna, afinal, se iniciava.
Passados vinte anos, em 1797, Joseph-Louis Proust, investigando a composio das substncias, pde
afirmar que, em uma reao qumica, seja ela qual for, as massas dos elementos envolvidos guardam,
entre si, uma relao fixa. Tal verificao experimental levou Proust a enunciar a Lei das Propores
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Definidas: "Uma determinada substncia, independentemente de sua origem ou de seu processo de
preparao, sempre formada pelos mesmos elementos, na mesma proporo em massa."
Embora fossem sustentadas por alguns dos qumicos mais progressistas da poca, estas leis no
podiam explicar por que as massas eram conservadas durante uma transformao qumica, e por que
certos tipos de matria pareciam ter a mesma composio.
Tais explicaes surgiram quando John Dalton (1766-1844), meteorologista autodidata, colocou-se
algumas questes bsicas sobre a atmosfera.
1.3. A natureza eltrica da matria
Michael Faraday (1791-1867) acreditava na impossibilidade de se explicar a existncia de materiais
condutores e isolantes luz da hiptese atmica, que, para ele, admitia que os tomos no se tocavam,
uma vez que havia espao entre eles.
Sendo assim, o espao seria a nica parte contnua da matria. Como ele imaginava que a eletricidade
necessitava de um meio material para fluir, perguntava-se: como o espao poderia apresentar natureza
dupla: condutor, nos corpos condutores, e isolante, nos corpos isolantes?
Faraday verificou que determinadas substncias, quando dissolvidas em gua, possibilitavam a
conduo de corrente eltrica e se decompunham por ao dela, dando origem a duas outras. Esse
fenmeno reafirmava a natureza eltrica da matria e fazia crer que ela seria constituda de partculas
carregadas, tanto positiva quanto negativamente. Isto sugeria um tomo, no mais uma esfera macia,
homognea, mas constitudo de outras partculas.
O que contribuiu decisivamente para novas descobertas foram as descargas eltricas em ampolas de
vidro contendo gases a baixa presso. Nessas ampolas, de aproximadamente 40 cm de comprimento,
eram instalados dois eletrodos metlicos, ligados aos extremos de um gerador. Se o tubo estivesse
cheio de gs presso atmosfrica, mesmo com o emprego de alta voltagem, nada se observava.
Reduzindo-se a presso do gs com uma bomba de vcuo, verificava-se o surgimento de luminescncia
no interior do tubo. Este brilho parecia ser causado por alguma coisa procedente de eletrodo negativo,
o ctodo.
O fsico William Crookes tentou explicar esses "raios catdicos", afirmando que se deviam s poucas
molculas de gs ainda remanescentes no tubo, as quais se eletrificavam, sendo ento repelidas pelo
ctodo. Em 1894, o fsico alemo Phillipp Lenard pde demonstrar que os raios catdicos no eram
molculas de gs, como supunha Crookes. Lenard pensava que fossem algum tipo de radiao
eletromagntica. John Joseph Thomson dedicou-se a estudar esses raios. Ao medir sua velocidade,
percebeu que era 1600 vezes mais lenta que a da luz, vindo a adotar o ponto de vista de que eram
partculas. Em 1897, concluiu que deviam ser pequenas, comparadas com as dimenses dos tomos e
molculas ordinrios, e que eram as mesmas em todos os gases analisados. Estudos posteriores, sobre a
carga e a massa dessas partculas, permitiram concluir que se tratava de alguma coisa com massa
aproximadamente 1800 vezes menor que a do tomo mais leve e que possua carga negativa. Assim, ao
findar o sculo, a existncia do "eltron ", como passou a ser designada, estava estabelecida. A
importncia da descoberta foi provar que os tomos no eram as menores partculas da matria.
Em 1896, o fsico alemo E. Goldstein, usou um tubo Crookes modificado, para produzir um novo tipo
de raio. Goldstein observou um fluxo incandescente, que parecia mover-se em direo ao nodo.
Chamou esse fluxo de raio canal e, pela observao da deflexo do raio canal em um campo eltrico ou
magntico, foi capaz de provar que o raio consistia de partculas carregadas positivamente. No entanto,
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diferentemente dos eltrons, essas partculas no eram todas iguais. Elas apresentavam diferentes
cargas, embora cada partcula tivesse uma carga sempre mltipla da carga definida para o eltron.
Alm do mais, as massas dessas partculas mostravam-se muito maiores que a massa de um eltron.
Pelos resultados dos diversos experimentos realizados com as ampolas de Crookes, pode-se chegar s
seguintes concluses: os eltrons esto presentes em qualquer substncia utilizada como ctodo; sob
influncia de alta voltagem, os eltrons deixam o ctodo e, alguns deles, colidem com o gs residual no
tubo; com o choque, um ou mais eltrons adicionais deixam a molcula, que se torna uma espcie
qumica carregada positivamente, um on positivo.
1.4. Novas imagens para um mundo real ... e invisvel
Diante dessas evidncias que comprovam a natureza eltrica da matria, obtidas nos diversos estudos
envolvendo ampolas com gases rarefeitos, Thomson props um novo modelo para o tomo: uma esfera
carregada positivamente, na qual alguns eltrons esto incrustados.
mesma poca, Ernest Rutherford (1871-1937) investigava outras radiaes que, acidentalmente,
haviam sido detectadas pouco tempo antes, os Raios X, e Antoine Henri Becquerel (1852-1908), que
vinha estudando a fosforescncia de alguns minrios, chegava a importantes concluses sobre o
fenmeno que passou a ser conhecido como radioatividade.
Rutherford decidiu estudar a radioatividade detalhadamente, vindo a descobrir as radiaes. Trabalhos
posteriores, realizados com Frederick Soddy, no entanto, levaram-no a concluir que no se tratava de
raios, mas de partculas.
Com a assistncia do jovem fsico alemo Hans Geiger, Rutherford descobriu que as partculas a
apresentavam o mesmo espectro do tomo do gs hlio e tinham a mesma massa, carregando, porm,
cargas positivas. Uma experincia posterior provou que as partculas do raio b eram eltrons de alta
velocidade.
Trabalhando com a radioatividade, Rutherford, Geiger e E. Marsden lanaram um fluxo de partculas a
emitidas por uma pequena quantidade do elemento polnio em folhas finas de diversos materiais,
como mica, papel e ouro. Observaram que, embora muitas partculas atravessassem as folhas em linha
reta, algumas foram espalhadas ou desviadas. A fim de medir o ngulo do desvio sofrido pelas
partculas a , os trs cientistas projetaram um aparelho em que estas bombardeavam uma finssima
folha de ouro, e os desvios eram detectados por um anteparo mvel revestido de sulfeto de zinco
fosforescente. Os resultados dos experimentos foram surpreendentes. A amplitude dos ngulos
medidos variava de valores muito pequenos at valores acima de 90o. O espalhamento em ngulos
maiores do que 90o no havia sido previsto pelos cientistas; isto significava que algumas partculas a
realmente emergiam da superfcie do ouro, ou seja, as partculas eram rebatidas aps o choque, sem
atravessar a folha.
Pensando no modelo atmico proposto por Thomson, Rutherford concluiu que o fato de muitas
partculas a atravessarem a folha com pouca ou nenhuma deflexo poderia significar que as cargas
eltricas positivas e negativas estivessem espalhadas, mais ou menos ao acaso, pelos tomos da folha,
sendo a matria algo no suficientemente slido, que impedisse as partculas a de atravess-las. Mas
essas concluses no explicavam os grandes desvios sofridos por algumas das partculas a.
Em 1911, Rutherford foi capaz de mostrar o que os resultados experimentais realmente significavam.
Retomando a idia publicada, em 1904, pelo fsico japons H. Nagaoka, segundo a qual um tomo
seria uma partcula dotada de uma regio central, carregada positivamente, rodeada por eltrons
girando com uma velocidade angular comum, Rutherford compreendeu que: (1) se eltrons carregados
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negativamente estavam distribudos na maior parte do tomo e (2) se a carga positiva compreendendo a
maior parte da massa estava concentrada em um minsculo ncleo no centro do tomo, ento no
somente muitas partculas a passariam em linha reta, sem apresentar deflexo, mas aquelas partculas a
que passassem prximas do ncleo seriam fortemente repelidas por sua carga positiva.
As medidas realizadas levaram-no a concluir que o tomo teria um raio muitssimo maior que o raio do
ncleo, numa relao compreendida entre 104 e 10
5. Como a massa atmica praticamente
determinada pelo ncleo, pois os eltrons tm massa desprezvel em relao aos prtons, concluiu que
o tomo um grande "vazio".
Em razo de sua descoberta, Rutherford sugeriu que o tomo teria uma estrutura planetria, com o
ncleo correspondendo ao sol, e os eltrons aos planetas que se movem por um espao vazio, em
rbitas fixas. A fora capaz de manter os eltrons em contnua trajetria curva seria a atrao eltrica
existente entre as partculas de sinais contrrios.
1.5. As evidncias mostram-se inexplicveis
As constataes de Rutherford sobre a estrutura do tomo eram incontestveis, no entanto o prprio
Rutherford reconheceu que havia uma imperfeio neste modelo simples. Se o eltron no estivesse em
movimento, ento, de acordo com a fsica clssica, a atrao entre o ncleo, carregado positivamente, e
o eltron, carregado negativamente, provocaria a movimentao do eltron em direo ao ncleo,
ocasionando um colapso quase imediato do tomo. Porm, estando o eltron em movimento em torno
do ncleo, a direo deste movimento precisaria ser constantemente corrigida, a fim de manter a rbita
em torno do ncleo. De acordo com a fsica clssica, quando uma partcula carregada sofre uma
mudana na direo de seu movimento, emite energia radiante. Se o eltron perdesse energia por
radiao, cairia e alteraria o raio de sua rbita, diminuindo sua distncia para o ncleo, at chocar-se
com ele. Essas concluses apresentaram realmente um dilema para os cientistas do incio do sculo
XX: estando o eltron parado, ou em movimento em torno do ncleo, de qualquer forma, em poucos
segundos levaria o tomo ao colapso, o que, obviamente, mostra-se inconsistente com a realidade. Na
verdade, as leis da fsica clssica mostravam-se insuficientes para descrever o movimento de partculas
to pequenas.
Importantes tentativas para desenvolver um modelo no-clssico foram feitas por Niels Bohr (1895-
1962), um fsico dinamarqus que, chegando ao laboratrio de Rutherford, em 1912, acabou
interessando-se em compreender os tomos.
Em 1913, alertado por um estudante, Bohr procurou conhecer os estudos sobre espectros, realizados
por J. J. Balmer, professor secundrio interessado em numerologia. Empiricamente, Balmer havia
relacionado as regularidades nas freqncias das linhas espectrais do gnio com o modelo atmico.
Bohr, ento, fez uma importante unificao de reas aparentemente distantes: a espectroscopia e a
radioatividade; aproveitou a idia de quantizao de Planck e ilustrou, graficamente, as rbitas
permitidas para o eltron, em um tomo.
Max Planck (1858-1947), fsico alemo, havia feito, em 1900, uma descoberta que viria a determinar
uma revoluo na descrio dos fenmenos. Ele concebeu, por exemplo, que a energia emitida por um
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corpo no contnua, mas formada por quantidades pequenas e finitas de energia, que ele denominou
de quanta. Bohr admitiu que um gs emite luz quando atravessado por uma corrente eltrica, devido
aos eltrons em seus tomos primeiro absorverem energia eltrica e, posteriormente, liberarem aquela
energia, em forma de luz. Ele deduziu que, em um tomo, um eltron no est livre para ter qualquer
quantidade de energia. Mais ainda, estabeleceu que um tomo tem um conjunto de energias
quantizadas, ou nveis de energia, disponvel para seus eltrons, e que em cada nvel de energia h um
nmero mximo de eltrons.
Sugerindo que um tomo est, normalmente, em seu estado fundamental - o estado no qual todos os
seus eltrons esto nos nveis de energia mais baixos que lhes esto disponveis - Bohr props, ento,
um modelo atmicohidro planetrio modificado, no qual cada nvel de energia corresponde a uma
rbita eletrnica circular, especfica e estvel, com raio quantizado: rbitas com raios grandes
correspondendo a nveis de energia altos.
Com estas explicaes, Bohr pde minimizar o dilema do tomo estvel: os eltrons no emitem
energia continuamente, pois, sendo a energia de um eltron quantizada, a radiao contnua no
possvel; e o tomo no sofre colapso com o choque de eltrons no ncleo, porque a menor energia
utilizvel por um eltron no zero, ou seja, um tomo no entra em colapso porque no pode ter
menos energia do que apresenta no seu estado fundamental.
A existncia de possveis nveis de energia em um tomo foi bem recebida por Rutherford, que, no
entanto, tambm opunha crticas a ela, dizendo que o eltron tinha que saber, de antemo, para que
rbita iria saltar. Foi Einstein quem deu uma contribuio decisiva ao modelo quando, em 1917,
introduziu o conceito de probabilidade.
1.6. O modelo quntico: pode-se, enfim, explicar
Embora as hipteses de Bohr sobre a quantizao fossem arbitrrias e seus resultados fossem eficientes
apenas para sistemas muito simples, sua coragem em abandonar as leis clssicas da fsica , juntamente
com o trabalho de Einstein e Planck, foram fundamentais para o estabelecimento da nova teoria
quntica, que no negou nenhum dos seus resultados significativos, mas, ao contrrio, confirmou a
qualidade da intuio de suas hipteses.
Bohr, e mesmo Eisntein, tinham conscincia da fragilidade do modelo at ento estabelecido. Era
preciso buscar explicaes mais consistentes para as evidncias que se apresentavam, e a mecnica
quntica apresentava-se como excelente instrumental matemtico. O primeiro cientista a dar um passo
revolucionrio nesse sentido foi Louis de Broglie (1892-1986), um prncipe francs. Sua hiptese sobre
o dualismo da matria abriu um novo caminho para pensar o eltron. Assim como a luz, que, quando
se propaga atravs do espao, tem um comportamento ondulatrio e, quando interage com a matria,
em processos de energia, assume uma natureza corpuscular, tambm o eltron, que j havia sido
identificado como uma diminuta partcula, apresenta, em um tomo, o comportamento de uma onda
estacionria, possuindo diferentes modos naturais de "vibrao". Dessa forma, fizeram-se duas
imagens do eltron: uma partcula pequena e compacta carregada negativamente, e uma nuvem difusa,
tipo ondulatria, carregada negativamente: a partcula-onda.
Essa nova maneira de imaginar o eltron levou a novas pesquisas e importantes contribuies, como a
de W. Heisenberg (1901-1976), que, em 1925, props um modelo baseado na incerteza de se localizar
a posio de um eltron em um tomo e, ao mesmo tempo, descrever o seu movimento, passando do
conceito de rbita definida para o conceito probabilstico de orbital.
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Um ano depois, em 1926, E. Schrdinger (1877-1961) formulou a equao de onda, instrumental rico e
verstil para explicar a natureza da matria.
possvel descrever qualquer movimento ondulatrio pela equao matemtica conhecida como
equao de onda, na qual se baseia a teoria moderna de tomos:
Para o sistema atmico mais simples, tomo de hidrognio, ela :
Esta equao um modo simblico de estabelecer que a energia total do tomo de hidrognio, E, a
soma da energia potencial (termo que contm V) com a energia cintica (contida no 10 termo).
Como a maioria das equaes algbricas, ela contm incgnitas, indicadas pela letra grega y (psi), mas,
contrariamente maioria das equaes algbricas, existem muitos y que so solues. Os y dependem
das coordenadas do eltron, portanto, so funes que, uma vez encontradas, podero nos dizer quase
tudo o que desejamos saber sobre o comportamento do eltron. Os y , apesar das muitas informaes
que podem dar, no podem dizer, exatamente, a posio do eltron no espao, num instante
determinado. Em vez disso, eles nos informam qual a probabilidade de se encontrar um eltron numa
pequena regio prxima ao ncleo. A interpretao, em termos de probabilidade, consistente com a
idia de que o eltron uma partcula, embora descrita por uma funo de onda.
Num certo sentido, o eltron pode agora ser olhado como uma nuvem difusa, ao invs de uma partcula
individual discreta. Uma vez que a mecnica ondulatria diz que existe uma probabilidade finita,
embora pequena, de se encontrar o eltron, mesmo a grandes distncias do ncleo, estas nuvens tm
fronteiras bastante difusas. Para distinguir estas novas imagens das antigas e bem definidas rbitas de
Bohr, deu-se a estas nuvens o nome de orbital. O orbital define, no espao, o volume mais provvel
onde o eltron pode estar.
O tamanho e a forma do orbiltal dependem de qual das funes y est-se considerando. Como
conseqncia da equao de Schrdinger, a cada orbital y esto associados trs nmeros qunticos,
interrelacionados. Estes nmeros qunticos aparecem naturalmente, na soluo da equao de
Schrdinger e no so, de forma alguma, hipteses, como eram os nmeros qunticos de Bohr.
O nmero quntico principal determina o tamanho do orbital, a distncia mdia do eltron ao ncleo e
tambm define os nveis de energia permitidos para o tomo.
O nmero quntico secundrio, ou azimutal, especifica o subnvel, ou seja, a forma do orbital, sua
geometria.
O nmero quntico magntico no traduz o tamanho nem a forma do orbital, mas fornece indicaes
sobre a sua orientao no espao. Vrios orbitais compem um subnvel; na ausncia de um campo
magntico externo, todos os orbitais de um mesmo subnvel tm a mesma energia.
O quarto nmero quntico o nmero quntico de spin, que especifica o sentido da rotao do eltron.
Ele no vem da equao de Schrdinger e foi introduzido pelos pesquisadores antes mesmo desta ter
sido postulada. Uhlenbeck e Goudsmit chegaram concluso de que boa parte dos dados
espectroscpicos poderia se explicada se fosse postulado que o eltron capaz de girar em torno de um
eixo arbitrrio, passando pelo seu centro.
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A equao de Schrdinger s foi resolvida exatamente para sistemas de um eltron. Mesmo num
tomo bastante simples, como o do hlio, a repulso entre os dois eltrons a tornaria, necessariamente,
muito mais complexa. Entretanto, existem muitos fatos experimentais que indicam que o
comportamento de tomos maiores tambm governado por algo semelhante ao descrito pelos quatro
nmeros qunticos. Conseqentemente, extrapolamos os resultados dos orbitais de um eltron para
tomos maiores.
1.7. Novas vises do mundo sub-nuclear
O estudo do mundo sub-nuclear conduziu descoberta de muitas novas partculas elementares, dentre
as quais:
anti-eltron, psitron (e+), detectado em 1932 por Carl Anderson, tem a mesma massa do eltron e
carga eltrica de mesmo valor e sinal contrrio; foi a primeira vez que se detectou a antimatria;
neutrino (n ), postulado por Wolfgang Pauli em 1931-33, associado ao eltron, de massa nula.
Heisenberg props que os prtons e os neutrons estariam trocando entre si, ininterruptamente, uma
carga eltrica, o mson, que os converteria um no outro, milhes de vezes por segundo.
Em 1947, o fsico brasileiro Cesar Lattes, com 22 anos, fazia parte da equipe, liderada por Cecil F.
Powel, que estudava fsica nuclear na Universidade de Bristol, Inglaterra.
Lattes acreditava que, nas pesquisas de registros de imagens resultantes da coliso em altas velocidades
de prtons e eltrons, em lugar da utilizao de aceleradores de partculas seria possvel aproveitar os
raios csmicos, j que, propagando-se com velocidade prxima da luz, continham muito maior
energia do que os projteis acelerados artificialmente.
Sendo os registros feitos em chapas fotogrficas, ele inventou um meio de aumentar a sensibilidade das
chapas, cobrindo-as com uma camada de brax .
No final de 1946, levou o equipamento para os Pirineus suos na tentativa de capturar os raios
csmicos que bombardeiam a Terra.
De volta a Bristol, Lattes e seu ex-professor no Brasil, Giuseppe Occhialini, com o uso de microscpio,
identificaram duas marcas histricas nas imagens produzidas; os sinais do mson.
Querendo obter mais detalhes sobre o novo fragmento subatmico, Lattes conseguiu instalar chapas
fotogrficas na ponta do monte Chacaltaya, na Bolvia, a 5500 metros de altitude, altura duas vezes
maior que a do pico suo. Com a revelao das chapas, a equipe descobriu umas 30 imagens do mson
p ou pon, que pode ter carga neutra, positiva ou negativa.
Houve repercusso imediata nos centros mundiais de pesquisa.
Niels Bohr convidou Lattes para fazer palestras no Instituto de Fsica Terica de Copenhague e, nos
Estados Unidos, com Eugene Gardner, ele comeou a calcular condies para aceleradores de
partculas mais modernos, ciclotron, permitirem a deteco de msons pi (pons) nos laboratrios, fato
que ocorreu logo em seguida, em 1947.
A questo de os msons no serem facilmente detectveis se deve ao fato de que o mais estvel deles
ter uma vida mdia de 2,15 x 10 -3
s.
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De volta ao Brasil, Lattes canalizou esforos para dar uma estrutura slida cincia nacional. Juntou-
se a Jos Leite Lopes e a outros fsicos para, em 1948, fundar o Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas,
o CBPF, no Rio de Janeiro; participou da criao do Conselho Nacional de Pesquisas, que atualmente
a instituio central da investigao cientfica brasileira: o Conselho Nacional de Desenvolvimento
Cientfico e Tecnolgico, o CNPq.
So conhecidas hoje mais de 100 partculas sub-nucleares, que podem ser classificadas de acordo com
alguns critrios, tais como:
quanto sua massa: brions ( pesado), msons (intermedirios) e lptons (leves);
quanto ao tipo de interaes:
sofrem interaes fortes, os hdrons (forte);
sofrem interaes fracas, eletromagnticas, os lptons .
Nos anos 60, mostrou-se que os hdrons poderiam ter constituintes mais elementares , os quarks.
Atravs de clculos matemticos, o fsico Murray Gell-Mann - Nobel de fsica, 1969 - deduziu que
neutrons, prtons e outras partculas, como os msons, so formadas por quarks, os quais considerou
como entidades elementares, puramente matemticas, que desempenham , de certa forma, um papel
anlogo aos tringulos de Plato.
Como se chegou evidncia de que o prton formado por partculas mais elementares, mais tarde
identificadas com os quarks e gluons ?
Em 1968 foi feito um experimento em que o eltron espalhado por um prton com grande
transferncia de energia, que ficou conhecido como "espalhamento profundamente inelstico" .
Da anlise dos dados obtidos pode-se concluir que a carga eltrica do prton localizada em pequenos
centros espalhadores, sem estrutura.
Em ltima anlise, este fato anlogo ao resultado da experincia de Rutherford, ao concluir que os
tomos deveriam ter um ncleo de dimenses 10000 menor que o raio caracterstico dos tomos.
Cerca de 60 anos foram necessrios entre a descoberta do prton como partcula elementar e o
descobrimento da sua sub-estrutura.
Pode-se resumir o quadro terico atual dos constituintes ltimos da matria.
Existem doze partculas sem estrutura: seis quarks e seis lptons. Observando os seis lptons
conhecidos hoje, eles so grupados em trs partes: o eltron (e-) e seu neutrino associado (ne), o mon
(m) e seu neutrino associado (nm), o tau (t) e seu neutrino (nt ).
Os seis quarks so: quark u (up) e d (down) - constituintes do prton e neutron - quark c (charm) e s (
strange), quark b (bottom) e t (top).
Prtons e neutrons so constitudos por um grupo de 3 quarks:
prton = u + u + d neutron = d + d + u
A coeso dos quarks dentro dos msons e brions feita por partculas neutras chamadas gluons ( glue,
cola ), que, de certa forma se assemelham aos ftons..
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Em 1995 Frederick Reines e Martin Perl ganharam o Nobel de fsica referente ao estudo dos lptons:
detectaram neutrinos e tau; estas partculas apiam a teoria da Grande Exploso - Big Bang - da criao
do universo.
"George Gamow estudando a formao dos elementos traou os contornos gerais da teoria do Big
Bang, na dcada de 1940.
A exploso primordial que deu origem a tudo ocorreu entre 15 a 20 bilhes de anos atrs. A partir dela
o universo no parou mais de expandir-se e resfriar-se, ocorrendo a progressiva estruturao da
matria, das partculas elementares aos tomos mais simples, at a formao das galxias , dos
planetas...e da vida.
Os conhecimentos atuais permitem retroceder at 10- 48
segundos depois do chamado instante zero.
Nessa condio de temperatura elevadssima a energia resultante manifestou-se na forma de partculas
e antipartculas, que se moviam com velocidade prxima da luz, interagindo-se , criando-se e
aniquilando-se sem cessar. Esse plasma ou "sopa" primordial era constitudo por quarks, em seguida
incorporaram-se os lptons".
(Globo Cincia, 1, 10)
Reines conduziu seus primeiros experimentos em um reator nuclear, onde se calcula que o fluxo de
neutrinos seja de centenas de bilhes de partculas por centmetro por segundo.
" O neutrino criado no centro do Sol chega na Terra em aproximadamente oito minutos. A luz criada
no mesmo local leva quase um milho de anos para atingir a superfcie da Terra"
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1.8. A ltima parte do tomo
Uma caracterstica importante das famlias de quarks e de lptons que todos os seus integrantes se
comportam como elementares, no sentido de no apresentarem nenhuma estrutura, pelo menos at as
dimenses mais extremas exploradas at o presente, cerca de 10-18
metros.
Para a Qumica, as partculas elementares podem ser identificadas como os eltrons, prtons e nutrons
para a Fsica Moderna, perde-se a convico de que a indivisibilidade est diretamente relacionada
indestrutibilidade, e o carter elementar passa a depender da resoluo experimental.
Foi com os aceleradores de partculas que os fsicos descobriram que a matria no apenas formada
por prtons, eltrons e neutrons. As colises dentro dos aceleradores permitem vislumbrar e detectar as
partculas sub-nucleares.
O ltimo quark detectado, o Top, s foi observado no incio de 1995 por dois grandes experimentos no
FERMILAB - Laboratrio Nacional Fermi - , em um dos quais participa um grupo brasileiro: LAFEX /
CBPF - Laboratrio de Cosmologia e Fsica Experimental de Altas Energias.
Era a ltima partcula que faltava para os cientistas avanarem com firmeza nos estudos para decifrar o
Universo.
Um observador mais descuidado poderia perguntar: "O que mais poderemos conhecer? o fim da
Fsica de partcula?"
O fsico Alberto Santoro, diretor do LAFEX / CBPF , em 1995, responderia: "Com o pleno domnio
das interaes fundamentais da matria, poderemos reescrever o livro da cincia, com personagens
autnticos; s se teria aprendido o alfabeto, e fica toda a literatura para ser escrita"
Em 01/07/97, foi inaugurado o maior acelerador de partculas do Brasil, em Campinas, So Paulo, no
Laboratrio Nacional de Luz Sincroton (LNLS).
"A luz sincroton - nome que surgiu da abreviao de synchronous electron, eltron sincrnico -
produzida a partir de eltrons que, dentro da mquina, so emitidos em feixes acelerados e entram num
tubo de vcuo, o anel de armazenamento. Para acumular a energia necessria produo da luz
sincroton, preciso que os eltrons viajem quase velocidade da luz; parte deles desviada por um
campo eletromagntico e produz os ftons, que saem pelas linhas de luz direto para as estaes
experimentais, as "cmaras de amostras", onde se instala o material a ser analisado . O equipamento foi
desenvolvido com tecnologia nacional.
A partir do conhecimento que os pesquisadores obtiverem com o acelerador, ser possvel a realizao
de vrios estudos, tais como: pesquisa e desenvolvimento de novos materiais; estudos de processos de
oxidao e corroso ; anlise de propriedades de cristais semicondutores e caracterizao de metais e
ligas avanadas. Nas reas mdica e da engenharia gentica, a luz sincroton tem aplicaes bem
amplas: no estudo da estrutura de protenas, que vital para processar medicamentos com mais rapidez
e preciso; no conhecimento de complexos e variados vrus e bactrias, permitindo o desenvolvimento
de novos medicamentos e o combate a insetos nocivos agricultura".
( Jornal do Brasil, 02 / 07 / 97 e Globo Cincia, 2, 14 )
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1.9. O tomo moderno e as novas tecnologias
Com a evoluo dos modelos atmicos, os comportamentos das partculas sub-atmicas transferiram-
se dos laboratrios para as indstrias, transformando-se em instrumento da tecnologia.
H sculos os chineses j conheciam os fogos de artifcio, mas a essncia do seu colorido
compreendida a partir da utilizao do modelo de Bohr - a quantizao - que implica na absoro ou
emisso de energia pelos eltrons: quando eles saltam de uma rbita mais baixa para outra mais
elevada, absorvem; ao retornar para a de menor energia, emitem radiao eletromagntica, na forma de
luz de determinada freqncia, isto , monocromtica.
A cor da luz emitida depende dos tomos cujos eltrons so excitados. Por exemplo:
ltio carmin
sdio amarelo
potssio violeta
clcio vermelho-tijolo
estrncio vermelho
brio verde
cobre azul
chumbo azul-claro
Experimente: Produzir chamas coloridas
No sculo XIX, a descoberta das descargas eltricas em gases rarefeitos levou observao de cores
variadas, que dependiam da presso interna e do gs residual dentro dos tubos de raios catdicos.
Imediatamente a tecnologia desenvolveu as fontes de luz emitidas por lmpadas contendo gases a baixa
presso, excitados pela eletricidade: lmpadas de vapor de mercrio ou de sdio, utilizadas na
iluminao das vias pblicas, tneis, de uso domstico, etc.; de gases raros, nenio, letreiros
comerciais, abajures, automveis ou de halognios, faris de automveis, iluminao de aeroportos,
monumentos, etc..
A luminosidade obtida por efeito de excitao dos eltrons de certas substncias compe o fenmeno
da luminescncia, que se constitui em dois processos: fluorescncia e fosforescncia. Ambos consistem
na emisso de radiao luminosa por tomos, molculas ou cristais ao sofrerem a incidncia de luz
visvel ou ultravioleta.
No caso das substncias fluorescentes, a emisso de luz se d num tempo muito curto aps a excitao.
Quando cessa o estmulo da luz incidente, cessa o efeito.
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O nome fluorescncia vem do mineral fluorita, fluoreto de clcio, que emite luz violeta quando
iluminado por radiao ultravioleta.
A fosforescncia a propriedade dos materiais que emitem luz por um tempo aprecivel aps ter
cessado o estmulo externo.
Nas lmpadas fluorescentes de mercrio, o tubo de vidro revestido internamente por uma tinta
especial. Atravs da eletricidade, o mercrio vaporizado, e seus tomos emitem luz violeta e
ultravioleta. Os tomos da substncia que compe a tinta absorvem a luz emitida e a reemitem como
luz branca.
Nos interruptores e tomadas eltricas, adicionam-se substncias fosforescentes aos plsticos usados na
confeco dessas peas; no escuro tornam-se visveis, devido ao retorno gradual dos eltrons excitados.
Os metais tm uma estrutura formada por ons dispostos numa rede cristalina. Nos espaos vazios
dessa rede, agitam-se os eltrons perifricos, isto , da camada de valncia.
Quando a superfcie de certos metais, como os alcalinos e o alumnio, atingida por ftons de alta
freqncia, como a luz ultravioleta, ocorre a expulso de eltrons. o efeito fotoeltrico, que usado
na construo de clulas fotoeltricas, nas quais os eltrons so acelerados por campos eltricos, dando
origem a correntes eltricas que podem acionar alarmes, campainhas, motores, etc..
Se um fio metlico aquecido, a intensa agitao dos eltrons perifricos faz com que eles escapem da
rede cristalina e formem uma nuvem ao redor do fio: o efeito termoinico, que to mais intenso
quanto mais alta for a temperatura do metal. Essa excitao mltipla de eltrons determina a emisso
de luz branca, isto , policromtica.
Os metais de alto ponto de fuso, tais como a platina e o tungstnio, so usados nos filamentos
adequados para a efetivao do efeito termoinico.
As lmpadas incandescentes tm filamento de tungstnio, que o metal de maior ponto de fuso
(3410C), sendo o sistema mantido dentro de uma ampola de vidro que contm um gs raro,
geralmente argnio, sob presso reduzida.
O efeito termoinico permitiu, em 1908, o invento da vlvula eletrnica, que possibilitou o
desenvolvimento da radiotelegrafia e radiofonia. Hoje ainda so usadas na retificao da corrente
eltrica (passagem da corrente alternada para a contnua) nos fornos de microondas.
Outra aplicao tecnolgica do efeito termoinico deu origem aos cinescpios. Neles, feixes de
eltrons de um filamento aquecido so modulados por campos eltrico e / ou magntico. Quando esses
feixes atingem, com maior ou menor energia, um anteparo de vidro revestido de material fluorescente,
produzem pontos claros e escuros que formam o desenho dos smbolos e imagens movimentadas.
Descendentes dos tubos de raios catdicos, esses dispositivos constituem o equipamento essencial de
aparelhos de televiso, monitores de computador, osciloscpios, etc..
A pesquisa de dispositivos especiais para excitao eltrica em cristais ou gases levou produo da
luz laser - light amplification by stimulated emission of radiation - ou seja, amplificao da luz por
emisso estimulada de radiao.
O mais antigo e mais simples aparelho desse tipo o laser de rubi, que um slido, Al2O3 , contendo
pequenas quantidades de Cr3+
, responsvel por sua cor vermelha caracterstica. No laser, eltrons dos
ons Cr3+
so excitados atravs de uma lmpada que emite luz tipo flash; ao retornarem ao estado
fundamental os eltrons ficam num nvel energtico intermedirio, chamado estado metaestvel, no
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qual permanecem alguns segundos. Por meio de um processo denominado "emisso estimulada de
radiao", os eltrons so forados a retornar, simultaneamente, para o estado fundamental, obtendo-se
um feixe de luz de alta intensidade e de freqncia bem definida, o "raio laser".
Hoje o laser muito comum nos sistemas de leitura de dados armazenados, usado em aparelhos de
compact discs, CD, na informtica, CD-ROM, na indstria e na medicina.
No s luz que pode ser produzida pelos "saltos dos eltrons" .
Se um feixe de eltrons acelerados por um campo eltrico intenso incidir sobre tomos de metais
pesados, isto , multieletrnicos, a excitao decorrente pode dar origem aos raios X, hoje com
aplicaes nos laboratrios de pesquisa, nas indstrias e na medicina.
Uma aplicao tecnolgica de fenmenos nucleares a ressonncia magntica nuclear (RMN).
Esse fenmeno baseado no fato de alguns ncleos atmicos serem magnticos, por exemplo: 1H,
13C,
31P, e em seu comportamento quando submetidos radiao hertziana e de um campo magntico
bastante intenso.
Inicialmente, a tcnica RMN foi empregada em anlise qumica, mas desenvolvimentos posteriores
tambm transformaram esse processo em instrumento de diagnstico mdico baseado em contrastes,
como a tomografia computadorizada ( tcnica que capta a RMN de certas substncias injetadas na
corrente sangnea), fornecendo imagens com extraordinrio poder de resoluo.
No so necessrios mais exemplos para mostrar como podem ser amplas as aplicaes cientficas e
tecnolgicas nos mais variados campos de assuntos, eventualmente tratados sob um ponto de vista
puramente terico. Tudo depender do trabalho dos pesquisadores, dos seus equipamentos e dos
limites de resoluo experimental.
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1.10. Bibliografia
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elementar. Cincia Hoje. Sociedade Brasileira para o Progresso da Cincia. Rio de Janeiro.
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Nova. So Paulo, Sociedade Brasileira de Qumica. Maio/Junho, 1997.
CHASSOT, A. Catalisando as Transformaes na Educao. IJU, UNIJU, 1993.
Sobre Provveis Modelos de tomos. Qumica Nova na Escola, SBQ,3,5,1996
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COMPANION, A. L. Ligao Qumica. So Paulo, Edgard Blcher, 1970
CRAIEVICH, A. e UGARTE, D. Eltron Revela o Invisvel. Cincia Hoje, Sociedade Brasileira para o
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FONSECA, M. R. M. da. Qumica. Fsico-qumica. So Paulo, FTD, 1992
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2. Materiais Condutores
Processo de Conduo nos Metais
Na ligao metlica, os tomos tm poucos eltrons na ltima camada, os quais compem o chamado
gs eletrnico.
Existe uma srie de nveis de energia livres e prximos em cada tomo de modo que os eltrons podem
facilmente trocar de tomo.
Distribuio de Eltrons
2 8 18 32 50 72
Elementos Nmero K L L M M M N N N N O O O O O P P P P P P
Atmico 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s 6p 6d 6f 6g 6h
Li (ltio) 3 2 1
Be (berlio) 4 2 2
Na (sdio) 11 2 2 6 1
Mg (magnsio) 12 2 2 6 2
Al (alumnio) 13 2 2 6 2 1
K (potssio 19 2 2 6 2 6 1
Mn (mangans) 25 2 2 6 2 6 5 2
Fe (ferro) 26 2 2 6 2 6 6 2
Co (cobalto) 27 2 2 6 2 6 7 2
Ni (nquel) 28 2 2 6 2 6 8 2
Cu (cobre) 29 2 2 6 2 6 10 1
Ag (prata) 47 2 2 6 2 6 10 2 6 9 2
Sn (estanho) 50 2 2 6 2 6 10 2 6 10 2 2
W (tungstnio) 74 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 4 2
Pt (platina) 78 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 8 2
Au (ouro) 79 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 9 2
Hg (mercrio) 80 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 2
Pb (chumbo) 82 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 2 2
Todos esses elementos tem 1 ou 2 (no mximo 4, caso do estanho e do chumbo) eltrons na ltima
camada. Tais elementos so denominados Condutores, por motivos que sero vistos a seguir.
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Um eltron, trocando de tomos, em uma situao de temperatura normal, apresenta uma trajetria
aleatria, com deslocamento mdio nulo.
Aplicando um campo eltrico E externo, atravs de uma bateria, por exemplo, temos:
V L
e
E
F Ematerial condutor
Campo Eltrico E EV
L
Surgiro foras nos eltrons, dadas por F = e.E ,
onde e = carga do eltron, forando o movimento do eltron a ter uma direo preferencial, isto , os
eltrons passam a ter uma velocidade de deriva diferente de zero.
Esse deslocamento mdio significa um deslocamento de carga, portanto, uma corrente eltrica. Tal
material um condutor de corrente eltrica.
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Equacionamento:
F = e.E
F = m.a a = acelerao do eltron
Assim: e.E = m.a aE e
m
.
O eltron acelerado (a) at colidir com o outro tomo.
percorrido em segundos
Admitindo que o tempo mdio de percurso entre duas colises. Durante o tempo , o eltron
acelerado uniformemente (acelerao constante), temos:
t
v
v
A velocidade aumenta linearmente de 0 a v. Portanto a velocidade mdia ser v/2 onde:
v = a.
vE e
m
. .
Portanto:
Velocidade mdia, denominada velocidade de deriva vd dos eltrons vale:
vE e
md
. .
.
2
A frao e
m
.
.
2 chamada de mobilidade dos eltrons () do material e constante para um material
em determinada temperatura. Assim:
v Ed .
Onde: vd = velocidade de deriva (m/s)
E = campo eltrico (V/m)
= mobilidade dos eltrons (m2/V.s)
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O material tem eltrons livres por unidade de volume, ou seja, o material possui uma densidade de
cargas livres igual a (c/m2).
O nmero de eltrons (n) que cruza uma determinada rea S em um determinado perodo de tempo t,
vale:
s
Svd E
s = espao percorrido em um determinado perodo de tempo t
s = vd . t
v = volume percorrido pelos eltrons
v = S . s
v = S . vd . t
n = nmero de eltrons que cruza uma determinada rea S em um determinado perodo de tempo t
n = volume . densidade
n = v .
n = S . vd . t .
Q = carga eltrica que se movimenta
Q = n . e
Q = v . . e
Q = S . vd . t . . e
Q/t = densidade de carga eltrica no tempo t = corrente eltrica = I (ampres) [A]
Q/t = S . vd . . e
I = S . . E . . e
condutividade eltrica do material (m/mm2) ou (/m) = . . e
Portanto:
I = . S . E
Logo:
I
SE .
J = densidade corrente eltrica (A/m2) J = I / S
J = . E lei de ohm na forma pontual
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Assim:
I = . S . E mas, EV
L
V = tenso eltrica (volts) [V]
Ento: I SV
L . . ou: V
l
SI
1
* *
= resistividade eltrica (.mm2/m) = 1/
Assim; Vl
SI
**
R = resistncia eltrica () Rl
S *
Logo: V = R . I (lei de Ohm)
ou: I = V / R
G = condutncia (mho) [] ou (siemens) [s] G = 1/R
I = G . V
Alguns Valores de Condutividade e de Resistividade
Metal Condutividade (x 106 /m) Resistividade (x 10-6 m)
Prata 62,9 0,0159
Cobre 58 0,01724
Ouro 41 0,0244
Alumnio 35,5 0,0282
Nquel 12,8 0,078
Platina 10 0,10
Ferro 10 0,10
Bronze 5,5 0,18
Ao Silcio 1,6 0,62
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2.1. Cobre
O cobre foi o primeiro metal usado pelo homem. Acredita-se que por volta de 13.000 a.C. foi
encontrado na superfcie da Terra em forma de "cobre nativo ", o metal puro em seu estado metlico.
Usado inicialmente, como substituto da pedra como ferramenta de trabalho, armas e objeto de
decorao, o cobre tornou-se, pela sua resistncia, uma descoberta fundamental na histria da evoluo
humana.
Os historiadores concordam que as primeiras descobertas importantes do cobre deram-se na rea
compreendida entre os rios Tigre e Eufrates, ao Norte do Golfo Prsico.
Nesta rea, considerada como o lugar da primeira civilizao do mundo, foram encontrados objetos de
cobre de mais de 6.500 anos.
Os Romanos designaram o cobre com o nome de "Aes Cyprium", o Metal de Cyprus, j que a Ilha de
Cyprus ( Chipre ) foi uma das primeiras fontes do metal. Com o tempo, o nome se transformou em
Cyprium e depois em Cuprum, originando o smbolo qumico "Cu".
Atravs dos sculos, o cobre foi identificado pelo smbolo , que uma forma modificada do antigo
hiergrafo usado pelos antigos egpcios para representar a vida eterna.
O fato de se ter encontrado objetos de cobre to antigos em diversos lugares do mundo prova das
propriedades nicas do metal : durabilidade, resistncia corroso, maleabilidade, ductibilidade e fcil
manejo.
Apesar de sua antigidade, o Cobre manteve, aliado aos metais mais novos, um papel predominante na
evoluo da humanidade, sendo utilizado em todas as fases das revolues tecnolgicas pelas quais o
ser humano j passou.
As minas de cobre mais importantes do mundo, esto localizadas no Chile, Estados Unidos, Canad,
Rssia e Zmbia.
Em 1874, foi descoberta a mina Caraba, no serto da Bahia. Somente aps 70 anos que foram
iniciados os trabalhos de prospeco. Em 1969 , 25 anos mais tarde, o empresariado brasileiro, sob a
liderana do Grupo Pignatari, estabeleceu uma planta de metalurgia em Dias D'vila, Bahia, para a
produo de cobre eletroltico. No incio da dcada de 80, a Caraba comeou a produzir cobre
eletroltico e, no final da dcada, em 1988, ocorreu o desmembramento entre a mina e a planta de
metalurgia, com a privatizao desta ltima, que adotou o nome de Caraba Metais.
As minas de cobre so classificadas de acordo com o sistema de explorao: Minas Cu Aberto so
aquelas cujo mineral se encontra prximo da superfcie e Minas Subterrneas, aquelas em que o
mineral se encontra em profundidade, necessitando de explosivos para sua extrao.
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2.2. Produo do Cobre
Da mina sai o minrio contendo de 1% a 2% de cobre. Depois de extrado, britado e modo, o minrio
passa por clulas de flotao que separam a sua parte rica em cobre do material inerte e converte-se
num concentrado, cujo teor mdio de cobre de 30%. Este concentrado fundido em um forno onde
ocorre a oxidao do ferro e do enxofre, chegando-se a um produto intermedirio chamado matte, com
60% de cobre. O matte lquido passa por um conversor e, atravs de um processo de oxidao ( insufla
oxignio para a purificao do metal ), transformado em cobre blister, com 98,5% de cobre, que
contm ainda impurezas como resduos de enxofre, ferro e metais preciosos. O cobre blister, ainda no
estado lquido, passa por processo de refino e, ao seu final, moldado, chegando ao nodo com 99,5%
de cobre.
Aps resfriados, os nodos so colocados em clulas de eletrlise. So ento intercalados por finas
chapas de cobre eletroltico, denominadas chapas de partida. Aplicando-se uma corrente eltrica, o
cobre se separa do nodo e viaja atravs do eletrlito at depositar-se nas placas iniciadoras,
constituindo-se o catodo de cobre, com pureza superior a 99,99% .
Este catodo moldado em suas diferentes formas comerciais para, posteriormente, ser processado e
transformado em fios, barras e perfis, chapas, tiras, tubos e outras aplicaes da indstria.
Normalmente, o produto final originrio dos produtores de cobre (mineiros) so os catodos refinados e
os vergalhes de cobre, cuja produo vendida quase que inteiramente para a indstria de
transformao do cobre. J esta indstria, processa o catodo ou o vergalho e, atravs de processos de
laminao , extruso, forjagem, fundio e metalurgia do p, obtm uma larga variedade de produtos
tais como fios e cabos eltricos, chapas, tiras, tubos e barras que so usados principalmente na indstria
da construo civil, eletro-eletrnica , automobilstica e outras.
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2.3. Caractersticas do Cobre
O cobre um elemento metlico com nmero atmico 29 e peso atmico de 63,57. O seu smbolo
qumico Cu, e suas valncias so +1 e +2.
No magntico e pode ser utilizado puro ou em ligas com outros metais que lhe conferem excelentes
propriedades qumicas e fsicas.
- Densidade: 8,96 g / cm3 ( 20C )
- Ponto de fuso: 1083 C
- Ponto de ebulio: 2595 C
- Coeficiente de dilatao trmica linear: 16,5 x 10 -6
cm/cm/C ( 20C)
- Resistividade eltrica: 1,673 x 10 -6
ohm.cm (20C)
- Presso de vapor: 101 mm Hg 20 C
- Condutividade eltrica: 100 % IACS 20 C , padro = 58*106 (/m)
- Calor latente de fuso: 50,6 cal/g
- Calor especfico: 0,0912 cal/g/C (20C)
- Forma cristalina: Cbica de faces centradas
- O cobre o mais eficiente, resistente e confivel metal para ser utilizado em condutores
eltricos.
- O cobre o padro de condutibilidade.
Em 1913, a Comisso Internacional de Eletrotcnica adotou a condutibilidade do cobre como padro,
definindo-a como sendo 100% para cobre recozido
(IACS). Isto significa que o cobre proporciona uma maior capacidade de conduzir corrente eltrica
para um mesmo dimetro de fio ou cabo do que qualquer outro metal de engenharia usualmente
empregado como condutor eltrico.
Cabos eltricos de cobre requerem menor isolao e eletrodutos de menor dimetro quando
comparados com cabos de alumnio. O alumnio possui menor condutibilidade eltrica, necessitando,
portanto, de cabos de maior dimetro quando comparados com o cobre para conduzir a mesma
corrente. Este o motivo pelo qual num dado eletroduto possvel instalar uma maior quantidade de
fios ou cabos de cobre comparados com o alumnio. Alm disso, o cobre tambm proporciona uma
condutividade trmica superior (60% superior ao alumnio), o que leva a uma economia de energia e
facilita a dissipao de calor.
- O cobre compatvel com conectores e outros dispositivos
Resistncia mecnica, flexibilidade e resistncia corroso tornam o cobre ideal para ligaes a
conectores, realizao de soldas etc.
- O cobre possui resistncia e ductibilidade
Esta nica combinao faz do cobre o metal ideal para condutores. Normalmente quanto mais
resistente um metal, menos flexibilidade ele ter. Isto no ocorre com o cobre. Assim voc ter as
vantagens de durabilidade e ductibilidade quando especificar o cobre como material condutor.
- O cobre fcil de instalar
A resistncia, dureza e flexibilidade do condutor de cobre assegura ao mesmo tempo facilidade de
manuseio e instalao, reduzindo assim os custos de mo de obra associados. Quando voc puxa um
condutor de cobre atravs de um eletroduto, ele resiste ao estiramento e no quebra.
Podemos dobr-lo ou torc-lo, e ele ainda resiste quebra.
-
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- O cobre resiste corroso
O cobre puro (>99,9% de cobre), usado em condutores eltricos, um metal nobre que quando em
contato com outros metais (ferro, ao etc.) no est sujeito corroso galvnica. Os fios de cobre
tambm resistem corroso por umidade, poluio industrial e outras influncias atmosfricas que
possam causar danos ao sistema.
- O cobre atende s especificaes
Anos de confiabilidade e performance fazem do cobre o padro para o uso em condutores eltricos,
atendendo a todas s especificaes praticadas nos mais diferentes pases.
- O cobre econmico
Numa primeira avaliao, o condutor de alumnio algumas vezes mais barato que o condutor de
cobre, mas economia no medida somente pelo custo inicial de aquisio. O custo ao longo do
tempo, que inclui ferramentas extras de instalao, procedimentos, materiais, servios, reparos e
potencial para expanso do sistema, deve ser tambm avaliado. Estes custos normalmente so
esquecidos numa primeira avaliao. Ento considere todas as questes envolvidas e voc descobrir
que o cobre o condutor mais econmico.
Tipos de Cobre
Elemento
principal
Especificao
do produto
Grupo
RWMA
Dureza
Rockwel
Dureza
Brinell
Resistncia
trao
Kg/mm2
Condutividade
Eltrica %
IACS
Alongamento %
em 2*
Temperatura de
Amolecimento 0C
Cobre Eletroltico Fundido
Trefilado
- 30B
40B
75
80
17
28
95
100
50
35
200
200
Cobre Cdmio Trefilado 1 65B 116 45 85 15 400
Cobre
Zircnio
Trefilado - 73B 132 38 90 25 600
Cobre Cromo Fundido
Trefilado
2
65B
75B
116
137
35
52
70
75
20
15
500
500
Cobre Cromo
Zircnio
Trefilado 2 70B 125 54 80 10 550
Cobre Cobalto
Berlio
Fundido
Trefilado
3
95B
100B
210
240
66
77
48
48
06
10
500
500
Cobre Nquel
Berlio
Fundido
Trefilado
3
90B
95B
185
210
59
70
45
48
10
12
500
500
Cobre
Berlio
Fundido
Trefilado
4
38C
38C
352
352
77
115
20
23
02
04
400
400
Cobre
Alumnio
Fundido 5 75B 137 49 18 08 -
Cobre Tungtnio Denominao Composio Dureza RB G/cm3 Condutibilidade %
IACS
20C-I
25C-I
30C-I
40C-I
50C-I
20% Cu 80% W
25% Cu 75% W
30% Cu 70% W
40% Cu 60% W
50% Cu 50% W
101/105
95/100
92/97
70/85
65/75
15,4/15,8
14,7/14,9
14,0/14,3
12,3/12,9
11,8/12,3
38/45
42/49
44/52
47/57
51/65
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2.4. Alumnio
Aplicao:
O uso do alumnio, como material condutor de corrente eltrica, tem alcanado grande
desenvolvimento devido s suas caractersticas mecnicas e eltricas e, principalmente a economia que
representa em relao aos uso de outros metais condutores.
O uso do alumnio como material condutor exige que suas propriedades sejam expressas nas mesmas
unidades empregadas para outros materiais, de modo a permitir sua aplicao em termos comparativos.
O padro internacional de Cobre Recozido (IACS - International Annealed Copper stardard) fornece
uma base conveniente para a medida e comparao da condutividade e resistividade de todos os
materiais condutores.
Os valores bsicos so tambm fornecidos para o arame de ao zincado para alma de cabos de
alumnio ( ACSR - Aluminum Conductor Steel Reinforced ).
FIO NU: Obtido por trefilao do vergalho.
Processo: Retirados em bobinas de ao para a tranagem de cabos, ou para isolamento.
- Trefilados diretamente em rolos para a venda, podendo ser: duro ou mole quando recozido.
CABO NU: Condutor formado por um grupo de fios, dispostos concentricamente em relao a um fio
central, formando coroas compostas de fios torcidos helicoidalmente.
Tipos:
Cabos de Alumnio - CA
- Condutor formado exclusivamente de fios de alumnio.
Cabos de alumnio com Alma de Ao - CAA
- Condutor formado por uma alma de ao e coroas de fios de alumnio.
Caractersticas comparadas com o cobre
Caractersticas: Cobre Alumnio
Condutividade (%) 100% 61%
Resistividade (mm2/m) 0,0172 0,0283
Densidade (g/cm3) 8,89 2,7
Ponto de Fuso oC 1083 659
- O alumnio tem maior resistividade e consequentemente, menos condutividade, porm mais leve.
-
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- Comparao econmica cobre x alumnio:
Rcu = Ral apresentam as mesmas caractersticas eltricas.
cu
cu
Al
Al
cu
cu
Al
Al
l
S
l
S S S
* *
cu
Al
cu
Al
cu
Al
cu
Al
S
S
S
S
1
1
Al
cu
cu
Al
cu
Al
S
S
S
S
61
100
Portanto: S Scu Al 0 61, *
Para as mesmas caractersticas eltricas, o fio de cobre poder ter 61% da seo reta do fio de
alumnio.
Exemplo:
Alumnio # 10mm2 Cobre # 6mm2
Alumnio # 50mm Cobre # 35mm2
- Relao entre Peso:
Peso
Peso
Densidade Volume
Densidade Volume
S l
S l
S l
S l
Peso
Peso
cu
Al
cu cu
Al Al
Cu
Al
Al
Al
cu
Al
*
*
, * *
, * *
, * , * *
, * *,
8 89
2 7
8 89 0 61
2 72 0
Portanto: Peso Pesocu Al 2 0, *
O condutor de cobre, embora mais fino que o de alumnio, pesa o dobro.
- Relao entre Custos:
Custo
Custo
Kg Peso
Kg Peso
Custo
Custo
Kg
Kg
cu
Al
cu cu
Al Al
cu
Al
cu
Al
$ *
$ *, *
$
$2 0
Portanto: CustoKg
KgCustocu
cu
Al
Al 2 0, *$
$*
Os dois metais tem cotao internacional e o seu preo estipulado.
Preo (maro/95):
Cobre 2937 $/ton.
Alumnio 1827 $/ton.
Logo:
Custo Custocu Al 3 0, *
-
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Ento, por que o alumnio no usado mais intensamente em condutores eltricos?
O alumnio tem algumas desvantagens tcnicas.
O cobre apresenta:
capacidade de corrente superior com menos sees.
fcil instalao, no necessita de conectores especiais, ferramentas, procedimentos etc.
maior quantidade de fios por eletroduto.
elevada resistncia ao estiramento, ao creep, corroso, quebra e diminuio de seo do condutor.
ausncia de manuteno.
O cobre mais flexvel.
O cobre ocupa menos volume; importante em motores, transformadores, cabos isolados.
Existe uma certa dificuldade em se fazer emendas em condutores de alumnio, devido a camada de
alumina (xido de alumnio) que fica entorno do alumnio
- Utilizao:
Cobre Alumnio
Instalaes Eltricas de Baixa Tenso Linhas Areas de Transmisso e Distribuio
Enrolamentos de motores e transformadores Barramentos de Sub-Estao
Cabos Isolados Cabos Isolados
Barramentos de Alta Corrente
Aterramentos
-
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2.5. Variao da resistividade com a temperatura
A resistncia eltrica dos metais aumenta com a temperatura. Existem dois processos para a correo:
1a Processo:
R = Ro [ 1 + o ( -o) ]
= o [ 1 + o ( -o) ]
Onde:
R = resistncia temperatura
Ro = resistncia temperatura o
= resistividade temperatura
o = resistividade temperatura o
o = coeficiente da variao da resistncia com a temperatura para a temperatura o
Para cobre 100 % IACS:
o o(oC
-1)
0oC 0,00427
20oC 0,00393
25oC 0,00385
Valor de para cobre com condutividade n(%), pode ser estimado por:
n padraon
*(%)
100
O valor de R para uma temperatura R, pode ser calculado conhecendo-se o e a temperatura o:
R
o
R o
1
1
-
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2o Processo:
R(
C)
R
Ro
K
K = valor inferido de resistncia nula
O coeficiente angular da reta vale:
R
K
R
KR R
K
K
o
o
o
o
*
O valor de K s depende do material:
Exemplo:
Cobre 100% IACS K = 234,5oC
Cobre 97,3%IACS K = 242,0oC
2.6. Outros Condutores
Outros metais tem utilizao mais restrita como condutores de energia eltrica. Entre eles podemos
citar:
chumbo: placas de baterias
chumbo + estanho: solda para placas de circuito impresso
ouro; componentes eletrnicos
mercrio: minuteria
bronze: conectores
lato: terminais
tungstnio: filamentos de lmpadas
nquel-cromo: resistncias
ferro: condutor de retorno em linhas frreas
-
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2.7. Condutores Comerciais
Os condutores so comercializados em forma de fios e cabos, isolados ou no, obedecendo uma
padronizao.
Existem dois padres:
derivado dos padres americanos AWG (American Wire Gauge) derivado dos padres europeus IEC (International Eletrotechnical Comission)
A) Padro AWG/MCM:
Os fios so identificados por um nmero que originalmente correspondia ao nmero de trefilaes
necessrias para chegar ao fio.
Conseqncia disso que maior o nmero AWG, mais fino o fio.
AWG DIM.
mm
DIM.
pol.
SEO.
mm
AWG DIM.
mm
DIM.
pol.
SEO.
mm
0 8,2 53,5 28 0,320 0,0126 0,0804
2 6,5 33,6 29 0,287 0,0113 0,0647
4 5,189 0,2043 21,147 30 0,254 0,0100 0,0507
5 4,620 0,1819 16,764 31 0,226 0,0089 0,0401
6 4,115 0,1620 13,229 32 0,203 0,0080 0,0324
7 3,665 0,1443 10,550 33 0,180 0,0071 0,0254
8 3,264 0,1285 8,367 34 0,160 0,0063 0,0201
9 2,906 0,1144 6,633 35 0,142 0,0056 0,0158
10 2,588 0,1019 5,260 36 0,127 0,0050 0,0127
11 2,304 0,0907 4,169 37 0,114 0,0045 0,0102
12 2,052 0,0808 3,307 38 0,102 0,0040 0,0082
13 1,829 0,0720 2,627 39 0,089 0,0035 0,0062
14 1,628 0,0641 2,082 40 0,079 0,0031 0,0049
15 1,450 0,0571 1,651 41 0,071 0,0028 0,0040
16 1,290 0,0508 1,307 42 0,064 0,0025 0,0032
17 1,151 0,0453 1,040 43 0,056 0,0022 0,0025
18 1,024 0,0403 0,8235 44 0,051 0,0020 0,0020
19 0,912 0,0359 0,6533 45 0,0447 0,00176 0,00157
20 0,813 0,0320 0,5191 46 0,0399 0,00157 0,00125
21 0,724 0,0285 0,4117 47 0,0356 0,00140 0,00100
22 0,643 0,0253 0,3247 48 0,0315 0,00124 0,00078
23 0,574 0,0226 0,2588 49 0,0282 0,00111 0,00062
24 0,511 0,0201 0,2051 50 0,0251 0,00099 0,00049
25 0,455 0,0179 0,1626 51 0,0224 0,00088 0,00039
26 0,404 0,0159 0,1282 52 0,0198 0,00078 0,00031
27 0,361 0,0142 0,1024
Condutores de bitola maior que 0 AWG:
# 2 AWG 33,6 mm2
1/0 # 0 AWG 53,5 mm2
2/0 # 00 AWG 67,4 mm2
3/0 # 000 AWG 85 mm2
4/0 # 0000 AWG 107 mm2
MCM
-
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Condutores de maior bitola so especificados pela seo em MCM.
M abreviao de milsimo de polegada.
CM abreviao de circular mil.
1 mil = mil esimum = 10-3 polegadas = 0,001
1 mil = 0,001 . 25,4 mm = 0,0254 mm
1 circular mil = rea de um crculo de dimetro de 1 mil = 1 CM
14
0 0254
41 0 5067 10
2 2
3 2CMd
CM mm . . ,
, *
1 CM = 0,5067 * 10-3
mm2
1 MCM = 1000 CM
1 MCM = 0,5067 mm2
AWG MCM S (mm2)
1/0 105,5 53,48
2/0 133,1 67,43
3/0 167,8 85,03
4/0 211,6 107,2
250 127
300 152
900 456
1000 506,7
2000 1013,4
B) Padro IEC - Srie Mtrica
A bitola do fio dada simplesmente pela seo reta em mm2.
-
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2.7.1. Correntes Mximas
A corrente mxima de um condutor calculada de forma que o calor gerado por Efeito Joule no cause
aquecimento excessivo no isolante.
O PVC suporta, em regime, at 70oC.
Os valores das correntes mximas nos condutores so tabelados pela norma NBR 5410 e dependem de:
- Local da instalao do condutor (em eletroduto, suspenso no ar, ...)
- Material condutor (cobre ou alumnio)
- Material isolante (PVC, EPR, ...)
- Temperatura ambiente
- Nmero de condutores no eletroduto
A tabela a seguir vlida para condutores em eletroduto, at 3 condutores carregados, de cobre e
isolados com PVC.
S (mm2) Imx.(A) Variao da Capacidade Especfica de Conduo
(A/mm2)
1,5 15,5 10,3
2,5 21 8,4
4,0 28 7,0
6,0 36 6,0
10 50 5,0
25 89 3,6
35 111 3,2
50 134 2,7
95 207 2,2
150 272 1,8
300 419 1,4
400 502 1,25
500 578 1,16
0
2
4
6
8
10
12
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Seo (mm)
A/m
m
-
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A capacidade de conduo de corrente por mm2, decresce com o aumento da bitola.
L
SR
A seo reta (S) aumenta com o quadrado do raio (R) S = .R2
A rea de dissipao de calor (A) aumenta com o raio (R) A = .R.L
Consequentemente a Capacidade de Conduo, que tem relao com a temperatura no isolante e com a
seo de dissipao, varia menos do que a seo reta do condutor.
Dois condutores em paralelo suficientemente separados para haver dissipao de calor, conduzem mais
do que um nico fio de rea dupla.
Exemplo:
25 mm2 Imx. = 89 A
2 * 25 mm2 Imx. = 178 A
1 * 50 mm2 Imx. = 134 A
A norma permite que sejam ligados condutores em paralelo, desde que:
- tenham a mesma bitola
- conectados nos dois extremos
- seo maior que 35 mm2
-
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2.7.2. Propriedades Mecnicas
As propriedades mecnicas dos condutores dizem respeito deformao com a trao e com a
temperatura.
- Deformao com a trao:
Lo
SR
Lo
SR
L
L
Cabo com comprimento Lo em repouso
Cabo submetido a uma trao T; o comprimento
aumenta L
T
LL T
SE
o
Onde: L = acrscimo no comprimento (m)
Lo = comprimento inicial (m)
T = trao (Kgf)
S = seo (m2)
E = mdulo de elasticidade (Kgf/cm2)
Se o cabo tiver mais de um metal deve ser empregado um valor mdio de E.
O acrscimo no comprimento (L) o mesmo para os metais (ao e alumnio) dos cabos compostos.
Ao LL T
S E
o ao
ao ao
Alumnio LL T
S E
o Al
Al Al
Assim:
L S E L T I
L S E L T II
ao ao o ao
Al Al o Al
( )
( )
Fazendo (I) + (II), temos: L S E S E L T Tao ao Al Al o ao Al ( )
Logo: L
L T
S E S E
SS
o totsl
ao ao Al Al
total
total
*
-
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Portanto:
E
S E S E
Smedioao ao Al Al
total
- Variao do Comprimento com a Temperatura:
Os metais tm seu comprimento aumentado com a elevao de temperatura.
Lo
SR
Lo
SR
L
L
Cabo submetido uma Temperatura o
Cabo submetido um aumento de temperatura.
L L ko o . `.( )
Onde: k` = coeficiente de variao do comprimento com a temperatura.
L L ko o .[ `.( )]1
Para condutores compostos com: Stotal = Sao + Sal , temos:
kk S E k S E
S E S Eequao ao ao Al Al Al
ao ao Al Al
`` `
.
-
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2.7.3. Efeito Pelicular
Seja um condutor conduzindo corrente contnua.
A distribuio de corrente contnua no condutor uniforme.
A limitao de corrente no condutor devida a resistncia do condutor somente.
J no caso de corrente alternada, a indutncia prpria tambm limita a corrente devida a sua reatncia
(X = 2..f.L). Para os condutores elementares centrais, as linhas de fluxo concatenados so em maior
nmero que para os condutores elementares da periferia. Assim sendo, as indutncias desses
condutores elementares so maiores.
Portanto a corrente alternada tende a ser reconduzida pela parte mais externa do condutor.
Linhas de Fluxo
Conduo em CC Conduo em CA
No limite, para uma frequ6encia elevada, a corrente forma uma pelcula. Esse efeito que causa o
aumento da resistncia do condutor chamado de Efeito Pelicular
O aumento da resist6encia em CA em um condutor sem alma de ao pode ser aproximado pr:
RCA = RCC (1+YS)
Onde: YX
Xs s
s
4
4192 0 8, e X
f
Rs
xx
2 48 10
* e Rcc [/Km]
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2.7.4. Corrente de Fuso
Corrente de Fuso a corrente mxima necessria para fundir o condutor.
L
SR A = rea de dissipao = 2RL
I
Calor gerado = Calor Dissipado + Calor Acumulado
Sendo: = (temperatura do condutor) - a (temperatura ambiente)
Temos: RI Ae Hd
dt
n2
No regime: d
dt
0 RI Ae
n2
Onde: R = resistncia ()
I = corrente (A)
A = rea de dissipao (m2)
e = emissividade do material
n = expoente emprico
Rl
S
K
K o
* e RI Ae n2 Ae
l
S
K
KIn
o
* * 2
Assim: 2 22
RLe
L
R
K
KIn
o
* *
2 2 32
R e K
KI
n
o* *
Logo: Id e K
KI
e K
Kd
n
o
n
o
2 3 2
3 2
4 4
* * * /
Onde: ae K
K
n
o
2
4
* a constante para cada material
= temperatura de fuso - temperatura ambiente (30oC)
Portanto: Ifuso = a . d3/2
( Frmula de Preece), d = dimetro do condutor
Valores de a:
Material a
cobre 80
alumnio 59,3
liga chumbo-estanho 10,3
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3. Materiais Isolantes
Em contraste com os materiais condutores que so relativamente pouco numerosos, os materiais
isolantes so variados e em constante desenvolvimento.
Exemplo de materiais isolantes:
Slidos Lquidos Gases
porcelana (isoladores),
vidro(isoladores)
leo mineral
(transformadores e motores)
SF6: hexafluoreto de enxofre
(disjuntores SEs)
fenolite (separadores/isoladores) silicone ar (linhas de transmisso)
amianto (rels de A.T.) askarel proibido
PVC (cabos e fios)
polmeros
borracha (cabos e fios)
3.1. Bandas de Energia
A diferena entre materiais condutores e materiais isolantes est na distribuio dos eltrons nas
bandas de energia.
No material condutor, os eltrons da ltima camada de valncia no completam essa camada, de modo
que existe inmeras posies vazias no tomo, permitindo que os eltrons se movimentem livremente
de tomo para tomo, causando a corrente eltrica.
Um tomo formado por eltrons que giram ao redor de um ncleo composto por prtons e nutrons,
sendo que o nmero de eltrons, prtons e nutrons diferente para cada tipo de elemento qumico.
A ltima rbita de um tomo define a sua valncia, ou seja, a quantidade de eltrons desta rbita que
pode se libertar do tomo atravs do bombardeio de energia externa (calor, luz ou outro tipo de
radiao) ou se ligar a outro tomo atravs de ligaes covalentes (compartilhamento de eltrons da
ltima rbita de um tomo com os eltrons da ltima rbita de outro tomo).
Esta rbita mais externa recebe, por isso, o nome de rbita de valncia ou banda de valncia.
Figura 3.1 - Eltron Livre e Banda de conduo
Os eltrons da banda de valncia so os que tm mais facilidade de sair do tomo. Em primeiro lugar
porque eles tm uma energia maior e, em segundo lugar, porque, por estarem a uma distncia maior em
relao ao ncleo do tomo, a fora de atrao eletrosttica menor.
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Com isso uma pequena quantidade de energia recebida faz com que eles se tornem eltrons livres que,
sob a ao de um campo eltrico formam a corrente eltrica.
O fato dessas rbitas estarem a distncias bem-definidas em relao ao ncleo do tomo, faz com que
entre uma rbita e outra exista uma regio onde no possvel existir eltrons, denominada banda
proibida.
O tamanho dessa banda proibida na ltima camada de eltrons define o comportamento eltrico do
material, como na figura abaixo, onde trs situaes diferentes esto representadas.
Figura 3.2 - Isolantes, Condutores e Semicondutores
No primeiro caso, um eltron, para se livrar do tomo, tem que dar um salto de energia muito grande.
Desta forma, pouqussimos eltrons tm energia suficiente para sair da banda de valncia e atingir a
banda de conduo, fazendo com que a corrente eltrica neste material seja sempre muito pequena,
Esse materiais so chamados de isolantes.
No segundo caso, um eltron pode passar facilmente da banda de valncia para a banda de conduo
sem precisar de muita energia.
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