Cm Cap 5 Mai 2012 Propriedades Cm Bergmann Vania 1

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Capítulo 5 Capítulo 5 --Relação entre Relação entre Estrutura e Estrutura e

PropriedadesPropriedades

Prof. C. P. Bergmann Prof. C. P. Bergmann –– DEMAT DEMAT -- EE EE –– UFRGS UFRGS -- 20112011

Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

5. RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA E 5. RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA E PROPRIEDADESPROPRIEDADES

55--1 INTRODUÇÃO1 INTRODUÇÃO

55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS

55--3 PROPRIEDADES ELÉTRTICAS3 PROPRIEDADES ELÉTRTICAS

55--4 PROPRIEDADES TÉRMICAS4 PROPRIEDADES TÉRMICAS

55--5 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS5 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS

55--6 PROPRIEDADES ÓTICAS6 PROPRIEDADES ÓTICAS


55--1 INTRODUÇÃO1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

Os materiais apresentam aplicabilidade limitada devido seucomportamento frente as propriedades de interesse

APLICAÇÃO COMPORTAMENTOESTRUTURAL mecânico: RM, E, y, ductilidadeTÉRMICA térmico: k, CP, CV, ELÉTRICA elétrico: R, , semi-condução, isolante,

ferroelétrico, piezoelétricoÓTICA ótico: transparente, opaco, translúcidoMAGNÉTICA magnético:r, m, diamagnético,

paramagnético, ferromagnético,ferrimagnético, antiferromagnético

Propriedades de interesse na utilização de materiais

55--1 INTRODUÇÃO1 INTRODUÇÃOCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

•• OBJETIVOOBJETIVO Compreender a engenharia pela relação

ESTRUTURA PROPRIEDADES

PROCESSO DE FABRICAÇÃO

CIÊNCIA DOS MATERIAIS

Apresentar as principais propriedades de materiais Relacionar propriedades com estrutura

Ciência dos Materiais

ESTRUTURA- ATÔMICA- CRISTALINA- MICRO-

ESTRUTURA- MACRO-

ESTRUTURA

MECÂNICASFÍSICASQUÍMICAS

FUNDIÇÃOLAMINAÇÃOEXTRUSÃOMETALURGIA DO PÓPRENSAGEMCOLAGEM

2


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS 2 PROPRIEDADES MECÂNICAS 5.2.1 INTRODUÇÃO5.2.1 INTRODUÇÃO

5.2.2 DIAGRAMA TENSÃO X DEFORMAÇÃO5.2.2 DIAGRAMA TENSÃO X DEFORMAÇÃO

5.2.3 RELAÇÃO COM A ESTRUTURA5.2.3 RELAÇÃO COM A ESTRUTURA

5.2.3.1 DUREZA5.2.3.1 DUREZA

5.2.3.2 FADIGA5.2.3.2 FADIGA

5.2.3.3 FLUÊNCIA5.2.3.3 FLUÊNCIA

5.2.3.4 IMPACTO5.2.3.4 IMPACTO

carga aplicada - tração- compressão- cisalhamento

forma de aplicação variável com o tempo

tempo de aplicação - curto - longo

condições do meio - constante com o tempo - temperatura- umidade


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS 2 PROPRIEDADES MECÂNICAS 5.2.1 Introdução5.2.1 Introdução

Diagrama x

FadigaImpacto

FluênciaFluência

Fadiga estáticaFadiga térmica

PROPRIEDADES MECÂNICAS: comportamento do material quando sujeito à esforços mecânicos: capacidade de resistir a estes esforços sem romper e sem se deformar de forma incontrolável estabelecidas por ensaios


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformaçãoRESISTÊNCIA À TRAÇÃO Medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração

crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento decomprimento do CP.

Diagrama tensão x deformação (típico em metais)

CURVAS x CARACTERÍSTICAS DE METAIS, POLÍMEROS E CERÂMICOS

Cerâmicos Flexão

Máquina de ensaios

55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICASCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

DuctilidadeElongação(%)= ((lf-lo)/lo) x 100

Def. Elástica Def. Plástica

max

rupturaescoamento

Resiliência Tenacidade

5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformaçãoInformações importantes a partir do diagrama x

Módulo de resiliênciaUr= y

2/2E

Energia absorvida até a ruptura

Máxima tensão=F/Ao

Tensões > escoamento Irreversível (átomos deslocados permanentemente de suas posições) Não desaparece quando a tensão é removida

Curva de engenharia e verdadeira

Precede à def. plástica É reversível: desaparece quando a tensão é removida É praticamente proporcional à tensão aplicada (lei de Hooke)

Capacidade de um material resistir à deformação plástica• Na curva “a”, não observa-se nitidamente ofenômeno de escoamento, a tensão deescoamento corresponde à tensão necessáriapara promover uma deformação permanentede 0,2% .• Na curva “b” , o limite de escoamento é bemdefinido (o material escoa- deforma-seplasticamente- sem praticamente aumento datensão). O serrilhado ocorre dev ido à interaçãoentre átomos de soluto (no caso dos aços, C eN principalmente) e as discordâncias, aindaem pequeno número. Principalmente emmetais recozidos.

Resistência ao escoamento escoamento

Não ocorre escoamento

EscoamentoLei de Hooke: = E

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11aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA xx

Região elástica:

Deformação elásticaMódulo de elasticidadeCoeficiente de PoissonMódulo de Cisalhamento


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.2.1 Região elástica5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformação

COEFICIENTE DE POISSON Qualquer elongação ou compressão de umaestrutura cristalina em uma direção produz umajustamento nas dimensões perpendiculares àdireção da força. Depende da rigidez do material.

= -x/z

E= 2 G (1 + )MÓDULO DE CISALHAMENTO Tensões de cisalhamento produzem deslocamento de umplano de átomos em relação ao plano adjacente . Relação entre atensão de cisalhamento e a deformação elástica decisalhamento.

Módulo de elasticidade E= / (GPa)


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2.1 Região elástica Quanto maior o E, mais rígido é o material ou

menor é a sua def. elástica para uma dada tensão

Relação com níveis da estrutura-Atômica energia de ligação-Cristalina densidade plana/linear -Microestrutural homogeneidade

e imperfeições

Polímeros(a) Aumento do comprimento das ligações(b) Endireitamento das ligações

Máx Mín Aleatório

Al CFC 75 60 70

Au CFC 110 40 80

CoHC 195 70 110

FeCCC 280 125 205

WCCC 345 345 345

E (GPa) Cristais IônicosMáx Mín Aleatório

MgO CFC 341 249 315

NaCl 33 44 37

E (GPa) Cristais Metálicos

Microestrutura

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Estrutura cristalina

Energia de ligações

E=E0(1-1,9P+0,9P2)POROSIDADE

Exemplos: whiskers em cerâmicosareia no asfalto, fibra em polímerosegunda fase de grãos finos metálicos em um uma matriz metálica

REFORÇO POR FIBRAS Efibra = fibraEmatriz matriz

ISOTROPIA / ANISOTROPIA

RELAÇÃO DE E COM TEMPERATURA

FeCu

AlMg

Não modifica o Edo material (apenasa ductilidade)

E1 = E2 = E3 = E4 = ...E9METAIS CERÂMICOS

[GPa]

Magnésio 45

AlumÍn io 69

Latão 97

Titânio 107

Cobr e 110

Níquel 207 Aço 207

Tungstên io 407

E de alguns metais

CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOSCRISTALINOS EM RELAÇÃO AOS DEMAIS. Escala microscópica:deformação plástica resulta do movimento dos átomos devido à tensãoaplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas.

22aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA xx 5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformação


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS

Região plástica:

Deformação plásticaResistência máximaDuctilidadePonto de ruptura

1a Hipótese: ruptura simultânea das ligações. A resistência mecânica seria extremamente elevada comparada à obtida na prática (1000 x!).2a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura.

QUESTÃO FUNDAMENTAL: COMO OS MATERIAIS DEFORMAM (e ROMPEM)?

metais podem ser solicitados portração, compressão ou cisalhamento,que podem ser decompostas em tensõesde cisalhamento puras. Cristaisapresentam menor resistência aocisalhamento que à tração ecompressão, logo esta é a solicitaçãoresponsável pela deformação destesmateriais.

3a Hipótese: O DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS é FACILITADO PELO MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS: resistência mecânica da mesma ordem de grandeza da prática!

No entanto, a resistência mecânica ainda bastante elevada (E/20!). Metais não são tão resistentes. Outro mecanismo!

Monocristal

TENSÃO CRÍTICA DE CISALHAMENTO

O deslizamento ocorre mais facilmente ao longo de certas direções e planos MAIS POVOADOS. O NÚMERO DE SISTEMAS (plano + direção) VARIA COM A ESTRUTURA CRISTALINA

5.2.2.2 Região Plástica


Exercício 1: Calcule a tensão tangencial resolvida no sistema de deslizamento (111)[011] de uma célula unitária de um monocristal CFC de níquel, quando é aplicada uma tensão de 13,7 MPa segundo a direção [001] da célula unitária.

55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2.2 Região plástica

Deslizamento em monocristal

Solução:

Célula unitária CFC onde está aplicada uma tensão de tração segundo a direção [001], que origina uma tensão tangencial resolvida no sistema de deslizamento (111) [011]

Na figura: = 45° Sistema cúbico: [hkl] direção plano (hkl) Direção normal ao plano (111), o plano de deslizamento é [111]

cos = a = 1 ou = 54,74°a 3½ 3½

r = cos cos =

r = (13,7MPa) (cos45°) (cos 54,74°)

r = 5,6MPa

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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAem cunha origina um degrau unitário de deslizamento.

Mecanismo de deslizamento associado a discordâncias

Mista

Discordância mista em umcristal. Discordância AB:hélice quando entra nocristal, e cunha quando sai

Cunha

Hélice

Nos metais deformados plasticamente cerca de 5% da energia éretida internamente, o restante é dissipado na forma de calor. A maiorparte desta energia armazenada está associada às tensões devido àsdiscordâncias. Presença de discordâncias promove uma distorção darede cristalina: algumas regiões ficam compridas e outrastracionadas.

IMPORTÂNCIA PARA AS PROPRIEDADES MECÂNICAS

DENSIDADES DE DISCORDÂNCIAS TÍPICASMateriais solidificados lentamente = 103 discord./mm2

Materiais deformados= 109 -1010 discord./mm2

Materiais deformados e tratados termicamente= 105 - 106 discord./mm2

Campos de deformação em torno (a) de uma discordância em cunha (b) de uma discordância em hélice

REPULSÃO

ATRAÇÃO

O deslizamento é facilitado pelo movimento de uma discordância. A ENERGIA (E) necessária depende:

- comprimento da discordância (l)- módulo de cisalhamento (G)- quadrado do vetor de deslizamento(b2)

E lGb2

Discordâncias mais sujeitas à geração e expansão, para propiciar a deformação plástica, estão associadas ao MENOR valor de b (MAIOR densidade linear) e MENOR valor de G (MAIOR densidade atômica planar). PLANOS MAIS COMPACTOS NAS DIREÇÕES MAIS COMPACTAS

- Região onde encontra-se adiscordância deixa a redecomprimida- Região abaixo da discordância arede fica tracionada- Quando a tensão decisalhamento é aplicada, planosinteratômicos são deslocados atéquebrar, forma-se um novo planoatômico no cristal

O serrilhado (ex.: metais recozidos) ocorre devido à interação entre átomos de soluto (no caso dos aços, C e N principalmente) e as discordâncias. Quando a tensão atinge um nível suficiente para vencer as barreiras (bandas de Lüders ou linhas de distensão) que retêm as discordâncias, define-se o limite de escoamento superior. A tensão então cai até o limite de escoamento inferior. A faixa se propaga ao longo do corpo, causando alongamento durante o escoamento. Durante

esta propagação, outras barreiras aprisionam as discordâncias, exigindo que a tensão novamente venha a subir e assim sucessivamente, gerando o serrilhado.

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55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2.2 Região plásticaMACLAGEM OU MACLAÇÃO Outro mecanismo, menos comum: maclas . Deformação plástica em metais CFC, como o cobre, é comum ocorrer por maclação.

Produção de maclas: uma força cisalhante age ao longo do contorno de grão,causando o deslocamento de átomos para novas posições. Uma parte da rede atômica deforma-se originando a sua transformação aimagem, num espelho plano, da parte não deformada da rede que lhe fica adjacente. PLANO DE MACLA: plano cristalográfico que separa as regiões deformada e nãodeformada da rede. DIREÇÃO DE MACLAGEM: direção específica em que ocorre a maclagem.

Átomos se movem em distâncias proporcionais às respectivas distâncias ao plano de macla

deslizamento MACLAGEMestrutura cristalina

microestrutura

Contorno de maclas interfere no escorregamento e RMDiferença básica entre o efeito do deslizamento e da maclagem na topografia da superfície de um material metálico deformado.


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformação

Deformação plástica em materiais cerâmicos5.2.2.2 Região plásticaCerâmicos cristalinos em elevadas temperaturas: necessidade de cinco sistemas de deslizamento ativos Ex. Al2O3 disponível a 1550°C

Plano no NaCl onde os íons estão alinhados (pode ocorrer deslizamento).

Dificuldade dedeslocamento emcerâmicos comcaráter iônico(repulsão).

Cerâmicos não-cristalinos (amorfos):

-estrutura atômica não regular-- deformam-se como um fluxo viscoso semelhante aos líquidos

Representação de um fluxo viscoso de um líquido ou fluido vítreo em razão de uma força aplicada.

Plano no MgO mostrando a direção de cisalhamento


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2.2 Região plástica A deformação plástica ocorre por deslizamento das cadeias moleculares umassobre as outras, quebrando e refazendo as forças de ligação secundáriasapolares.

Deformação plástica em materiais poliméricos

Curvas de tensão x deformação dopolimetacrilato de metilo, obtidas em ensaio detração realizados a várias temperaturas . A transiçãodúctil/frágil ocorre entre 86 e 104°C.

Ausência de deformação plástica

Deformação plástica

Curvas de tensão x deformação da borracha natural vulcanizada e não-vulcanizada. A formação de ligações cruzadas entre as cadeias poliméricas pelos átomos de enxofre aumenta a resistência mecânica da borracha vulcanizada.

REFORÇO POR AUMENTO DE CRISTALINIDADE

Curvas de tensão x deformação do polietileno expandido de baixa e alta densidade. O polietileno de alta densidade é mais resistente, porque tem maior grau de cristalinidade.

REFORÇO POR LIGAÇÕES CRUZADAS

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Curva da resistência mecânica em função da temperatura para diferentes materiais

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EFEITO DA TEMPERATURA

Exemplo em cerâmicos: alumina

EFEITO DA POROSIDADE

33aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA xx OCORRE DE MANEIRA DÚCTIL OU FRÁGIL E DE FORMA DIFERENCIADA PARA CADA TIPO DE MATERIAL


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2 Diagrama tensão x deformação5.2.2.3 Ruptura

METAIS: Ocorre, normalmente de maneira dúctil: há um aviso do material antes do rompimento. A fratura dúctil pode ser:

-transgranular (crescimento plástico fratura em taça ou cone)-intergranular (presença de vazios nos contornos de grão)-cisalhamento-formação de um pescoço (deformação plástica)

A fratura frágil (geralmente T muito baixas):-clivagem -intergranular

Etapas da formação de uma fratura dúctil em taça e cone. Fissuração interna na zona de estricção de um corpo policristalino de cobre de elevada pureza.

FRATURA DÚCTIL TRANSGRANULAR

CERÂMICOS: Tipicamente frágil

Transgranular Intergranular

Dúctil Frágil

OBSTRUÇÃO DO DESLIZAMENTO por:

1. Solubilização de um segundo elemento na rede

2. Precipitação de uma segunda fase

3. Contorno de grão

4. Deformação plástica (excesso de discordâncias)


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.3 Controle Propriedades Mecânicas5.2.3 Controle Propriedades Mecânicas

Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas

1. Solubilização de um segundo elemento na rede- movimento de discordâncias é dificultado

- segundo elemento é a barreira para tal movimento

- maior a quantidade, maior o efeito

- quanto maior a diferença de tamanho de átomos, mais acentuado é o efeito




INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS

Quando um átomo de uma impureza está presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento.

soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que metais puros de seus constituintes

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1. Solubilização de um segundo elemento na rede- Presença de um ELEMENTO INTERSTICIAL / SUBSTITUCIONAL reduz a mobilidade de movimento de discordâncias aumenta a resistência mecânica

-Discordância: regiões comprimidas e regiões tracionadas- Elemento intersticial compensa a região tracionada,aumentando a resistência mecânica;

-Elemento substitucional maiorcompensa a região tracionada,aumentando a resistência mecânica;

- Elemento substitucional menorcompensa a região comprimida,aumentando a resistência mecânica;

- Para deformar o material com o segundo elemento necessita-se de maior energia. Levando ao aumento da resistência ao escoamento




Resistência ao escoamento do metal puro

SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO

2. Precipitação de uma segunda fase- movimento de discordâncias é dificultado- segunda fase é a barreira para tal movimento- maior a quantidade, maior o efeito- comportamento similar a presença de um segundo elemento na rede




Resistência ao escoamento do metal puro

Aumento da resistência ao escoamento do metal devido à precipitação de uma segunda fase

Aumento da resistência ao escoamento do metal devido à formação de uma solução sólida

MICROESTRUTURAS POLIFÁSICAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO

Efeito da adição de P em uma liga Al-Si. (a) Si primário, grosseiro e (b) Si primário refinado com fósforo.

Efeito do conteúdo de silício e modificação da tensão de tração e % elongação para uma liga silício-alumínio

O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias. Devido às diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de escorregamento das discordâncias variam de grão para grão.

3. Contorno de grão




y= o + k . d-1/2

k - constante do materialy - resistência ao escoamentoo - resistência iniciald - diâmetro médio do contorno de grãoy

o

d-1/2

EQUAÇÃO DE HALL PETCH

menor tamanho de grão, mais descontinuidades para travar o movimento de discordâncias

grãos adjacentes tem diferentes orientações cristalográficas

Aumento da resistência ao escoamento do metal devido à formação de eutético

4. Deformação plástica ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA

Antes da deformação

Depois da deformação

%CW = % de trabalho a frioAo = área inicialAf = área final

% CW = [(Ao - Af)/Ao]*100

QUANTIFICAÇÃO DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

-a existência de muitas discordâncias impede o movimento de outras (encruamento)-- pode-se ter tantas discordâncias que nenhuma se move e o material rompe de forma frágil

- movimentação de discordâncias aumenta a resistência à deformação plástica- durante a movimentação de discordâncias, ocorre a multiplicação das discordâncias

É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio)Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicosÀ medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformaçãoO encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)




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Deformação a frio em função da tensão de ruptura e extensão até a fratura do Cu.

4. Deformação plástica

Deformação a frio em função da tensão de ruptura e extensão até à fratura da liga 40%Cu 30%Zn.




4. Deformação plástica ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURAMECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADOESTÁGIOS:RECUPERAÇÃOHá um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica. Redução do número de discordâncias e seu rearranjo.

depois da recuperação, os grão ainda estão um pouco tensionadosdiminuição da dureza. Cristais plasticamente deformados tem mais energia que os não deformados, devido a presença de discordâncias e imperfeições átomos se reacomodam sob temperatura elevada, através de recozimento ocorre um rearranjo dos átomos em grãos menos deformados em temperaturas elevadas, a recristalização, com o crescimento do grão o número de discordâncias reduz ainda mais e as propriedades mecânicas voltam ao seu estado originalA temperatura de recristalização é dependente do tempo e está entre 1/2 e 1/3 da temperatura absoluta de fusão

RECRISTALIZAÇÃO - (Processo de Recozimento para Recristalização)

CRESCIMENTO DE GRÃODepois da recristalização se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará à crescerEm geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência

TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃOChumbo - 4CEstanho - 4CZinco 10CAlumínio de alta pureza 80CCobre de alta pureza 120CNíquel 370CFerro 450CTungstênio 1200C

Deformação a quente: quando a deformação mecânico é realizado acima da temperatura de recristalização do material. Deformação a frio: a baixo.





55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4.1 DurezaMedida da resistência à penetração (ou ao risco). Varia com o método empregado (propriedade empírica).Metais: mede-se profundidade e largura da identação. Cerâmicos: mede-se microfissuras da identação.

Material Dureza KnoopDiamante 7000B4C 2800SiC 2500WT 2100Al2O3 2100Quartzo (SiO2) 800Vidro 550

Falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas (cíclicas) e flutuantes (tração, compressão, torção). Ocorre após determinado número de ciclos em tensões inferiores a tensões estáticas suportáveis. Ocorrem em eixos, barras de ligação, engrenagens, etc. Variação da tensão com o tempo: (a) tensões contrárias; (b) tensões repetidas; (c) tensões aleatórias.


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4.2 Fadiga

ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA

FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA À FADIGA1. Concentração de tensão: a resistência à fadiga é reduzida por concentradores de tensão como: entalhes; irregularidades; poros.

2. Ambiente: o ataque ou interações de natureza químico acelera a velocidade com que a trinca de fadiga se propaga: UMIDADE para cerâmicos

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INÍCIO em pontos de concentração de tensão: inclusões, porosidade acentuada, defeitos de solidificação, como segregação, concentração de defeitos na estrutura cristalina devido a processos de conformação e pontos de corrosão.


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4.2 Fadiga

Elementos de nucleação de trincas em componentes sujeitos a esforços cíclicos e concentradores de tensão estão na parte inferior

PROPAGAÇÃO FASE I: após aplicação de um determinado númerode ciclos de carregamento, formam-se extrusões e intrusões, onde éintensa a concentração de tensões. Taxa de crescimento de trinca:muito baixa (10-10 m/ciclo).PROPAGAÇÃO FASE II: ocorre a propagação de uma trinca bem definida com velocidade elevada (ordem de m), surgindo estrias com o avanço da trinca. Taxa de crescimento de trinca: muito elevada!FRATURA FINAL (CATASTRÓFICA!): trinca percorreu uma área suficiente e o material não consegue suportar a carga aplicada, ocorre a fratura.

Cobre:: extrusões e intrusões na superfície

MATERIAIS CERÂMICOS: não deformação plástica, não há deslizamento de planos há baixas temperaturas. No entanto, devido à baixa resistência a esforços trativos (concetradores de tensão) os materiais cerâmico podem romper por esforpos cíclicos (mecanismos?).

FADIGA TÉRMICA: corpo sólido aquecido e resfriado: = = E E TT


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4.2 Fadiga Mecanismos de Reforço em Materiais Cerâmicos

Distribuição da temperatura e tensão para uma amostra

submetida a fadiga térmica.

FADIGA ESTÁTICA: rompimento do material sob um estado de tensões constante, durante um certo tempo em ambientes úmidos.

Visualização de um mecanismo alternativo para explicar a influênciada umidade no crescimento subcrítico de trincas.

FLUÊNCIA: Material submetido a uma carga ou tensãoconstante pode sofrer uma deformação plástica ao longo dotempo. Variação do comprimento do corpo-de-prova ao longodo tempo em função do tempo.Curva de FLUÊNCIA: 3 estágiosI - Alongamento inicial instantâneo do corpo-de-prova: taxa de fluência diminui ao longo do tempo;II – Inclinação da curva de fluência é a taxa de fluência, que é constante nesta fase;III – Taxa de fluência aumenta rapidamente com o tempo até a ruptura


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4.3 Fluência

DEFORMAÇÃO A ALTAS TEMPERATURAS: Acima de temperaturas em que os átomos iniciam o movimento de difusão O contorno de grão é uma ponte de fraqueza para o material.

Tração numa direção, contração na outra. Átomos ao longo doscontornos verticais são aglomerados; átomos ao longo dos contornoshorizontais sofrem aumento no seu espaçamento. Ocorre a difusão doscontornos verticais para os horizontais e o efeito global é a mudança naforma do metal. Grãos menores, maior área de contorno, fluência mais rápida: existemmais “alçapões” para os átomos ao longo dos contornos horizontais e mais“fontes” de átomos de contornos verticais Materiais de granulometria fina as distâncias de difusão são bemmenores. Este mecanismo não ocorre a baixas temperaturas, pois o movimento dosátomos são desprezíveis Temperatura onde ocorre desses efeitos do tamanho de grão é função dotempo, da resistência e de impurezas

Fluência menos susceptível em uma palheta de turbina de um único cristal


55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4.3 Fluência

TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃOChumbo - 4CEstanho - 4CZinco 10CAlumínio de alta pureza 80CCobre de alta pureza 120CNíquel 370CFerro 450CTungstênio 1200C

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55--2 PROPRIEDADES MECÂNICAS2 PROPRIEDADES MECÂNICAS5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4 Relação com a estrutura5.2.4.4 ImpactoIMPACTO: Quantidade de energia (TENACIDADE) que o material absorve até a ruptura. Influenciado pela presença de imperfeições superficiais (trincas, ENTALHES, concentradores de tensões e pela temperatura (TEMPERATURA de TRANSIÇÃO).TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO: Temperatura ondeocorre a transição dúctil-frágil Baixas temperaturas: trinca se propaga maisvelozmente que os mecanismos de deformaçãoplástica: pouca energia é absorvida Temperaturas elevadas: fratura é precedida de umadeformação que consome energia Mudança brusca no comportamento característicode metais CCC

Causa: aumento da temperatura transição numa junta de solda devido ao crescimento de grão

EFEITO DO ENTALHE

ENSAIO

Transição dúctil/frágil de um aço em função do teor de C.


55--3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS

5.3.1 INTRODUÇÃO5.3.1 INTRODUÇÃO

5.3.2 MECANISMOS DE CONDUÇÃO E BANDAS DE ENERGIA5.3.2 MECANISMOS DE CONDUÇÃO E BANDAS DE ENERGIA

5.3.3 RESISTIVIDADE ELÉTRICA DOS METAIS E LIGAS5.3.3 RESISTIVIDADE ELÉTRICA DOS METAIS E LIGAS

5.3.4 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DOS MATERIAIS IÔNICOS5.3.4 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DOS MATERIAIS IÔNICOS

5.3.5 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DOS MATERIAIS COVALENTES5.3.5 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DOS MATERIAIS COVALENTES

5.3.6 SEMICONDUTORES5.3.6 SEMICONDUTORES

5.3.7 SUPERCONDUTIVIDADE5.3.7 SUPERCONDUTIVIDADE

5.3.8 COMPORTAMENTO DIELÉTRICO5.3.8 COMPORTAMENTO DIELÉTRICO


As propriedades elétricas servem para distinguir os materiais:

- geral: metal / não-metal

- específico: supercondutor ou não

Compreender as propriedades elétricas

METAISTEORIA DE BANDAS CONDUTORES

SEMICONDUTORESISOLANTES

Classificação geral dos materiais

segundo suas propriedades

elétricas

1 Introdução1 Introdução


Condutividade elétrica: É o movimento de cargaselétricas (elétrons ou íons) de uma posição paraoutra.

= condutividade elétrica (ohm-1.cm-1)= resistividade elétrica (ohm.cm)n= número de portadores de carga por cm3

q= carga carregada pelo portador (coulombs) [qdo elétron= 1,6x10-19 coulombs]

= mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s)

..1 qn


1 Introdu1 Introduççãoão

Para o conhecimento da teoria de bandas alguns conceitos devem estar presentes:

Resistência elétrica (R) de um fluxo de corrente é determinada pelas dimensões do material e por sua resistividade.

Conceitos:

AlR .

..1 qn


10


Resistividades elétricas e condutividades elétricas de alguns materiais1 Introdução1 Introdução

RESUMINDOMetais: > 104 -1m-1

Semicondutores: 10-3 a 104 -1m-1

Isolantes: <10-3 -1m-1

O diagrama mostra o range de condutividade elétrica para alguns

materiais, bem como sua classificação.

55--3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

2 Mecanismos de condução e bandas de energia2 Mecanismos de condução e bandas de energia

A condutividade elétrica do material depende:- n° de condutores ou transportadores de cargas por unidade de volume (n)- da carga de cada condutor (q) - da mobilidade do condutor (m)

n e m dependem da temperatura

condutores podem ser: ânions

cátions

elétrons

holes

..qn


Caminho livre médio(distância média que um elétron pode caminhar sem defletir a

onda)- elétrons de valência se movem através do metal como ondas

permanentes

- não há transporte de carga na ausência de campo elétrico

- ondas se movem através de estruturas periódicas sem interrupção

- cristal ordenado - excelente meio para movimentos eletrônicos

- irregularidade- deflete a onda

defeito- reduz velocidade efetiva (mobilidade, reduz a condutividade e aumenta a resistividade

Transportadores de carga

Metais - transportadores de carga são os elétrons individuais

Materiais iônicos - carga pode ser transportada por íons que se difundem

Elétrons e ânions - transportadores de carga negativa

Cátions e buraco eletrônico - transportadores positivo

11


LÍQUIDOS condutividade iônica

SÓLIDOS principais transportadores de carga são os elétronsátomo isolado e- em níveis e subníveis de energiacristal níveis de energia se superpõem BANDAS

Origem das bandas de energia devido a aproximação dos átomos.

A banda de energia corresponde a um nível de energia de um átomo isolado

- As bandas de energia nemsempre se sobrepõem

- As bandas de energia podem comportar no máximo dois elétrons

2 Mecanismos de condução e bandas de energia2 Mecanismos de condução e bandas de energia55--3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Estrutura da banda de energia dos sólidos

Magnitude da condutividade elétrica - depende donúmero de elétrons que está disponível para participar noprocesso de condução.

Número de elétrons disponível para a condução elétricaem um material está relacionado ao arranjo dos estadosou níveis eletrônicos em relação a energia, e como essesestados são ocupados pelos elétrons.

Bandas de energia

Sólido - consiste de um grande números de N átomos inicialmente separados uns dos outros

são agrupados e ligados

Átomos

o arranjo atômico ordenado (material cristalino)

Bandas

- elétrons sentem a ação dos elétrons e núcleos dos átomos adjacentes ou são perturbados por eles.

- cada átomo é independente

- terá níveis de energia atômica e configuração eletrônica que teria se estivesse isolado.

Átomos separados Átomos se aproximam Logo cada estado atômico

distinto se divide em uma sériede estados eletrônicosaproximadamente espaçados nosólido.

Formando a banda de energiaeletrônica

12

Bandas

- dentro de cada banda os estados de energia sãodiscretos

- no espaçamento entre as bandas adjacentes -as energias não estão disponíveis para ocupaçãode elétrons

Extensão da divisão

-depende da separação interatômica

-começa com as camadas eletrônicasmais externas


Bandas de energia:

banda de valência

banda proibida Eg: energia do gap

- É o espaço entre as bandas de energia- É o que distingue um semicondutor de um condutor ou isolante

banda de condução

Nível de Fermi (EF): É definido como o nível de energia abaixo do qual todos os estados de energia estão ocupados a 0K. EF

Probabilidade0,0 1,0

Banda de valência

Eelétron

2 Mecanismos de condu2 Mecanismos de conduçção e bandas de energiaão e bandas de energia55--3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS


Tipos característicos de estruturas de bandas de energia em sólidos

Condutor metálico(Cu)

Banda de condução

parcialmente ocupada

Condutor metálico (Mg)

Superposição da banda de valência com a banda de condução vazia

Isolante Semicondutor

Metal monovalente Metal bivalente

Apresentam banda proibida

Eg isolante > Eg semicondutor


13


METAIS

- elétrons não preenchem todos os estados possíveis da banda de valência e a condução ocorre na banda de valência alta condutividade elétrica, bandas

energia parcialmente preenchidas

- vazios entre os estados ocupados campo acelera e- e produz elétrico corrente elétrica

- passagem de e- da banda de valência para de condução é fácil

- dificultar o movimento de e- significa reduzir a condutividade elétrica.

Ex.: - vibração térmica- solutos- defeitos cristalinos

Nível de fermi

Banda de valência incompleta



SEMICONDUTORES- banda de valência preenchida e banda de condução vazia

- largura da banda proibida é pequena e pode ser suplantada facilmente levando e- à banda de condução ativação térmica

dopantes

- exemplos de largura de diamante - 6eV banda proibida: SiC - 3eV

silício - 1,1eVgermânio - 0,7evInSb - 0,18eVestanho cinzento - 0,08eV

Nível de fermi

BANDA DE

CONDUÇÃO

BANDA DE

VALÊNCIA

GAP DE ENERGIA



ISOLANTES

- polímeros

- cerâmicos

- banda proibida é muito larga e difícil de ser suplantada

CONDUTIVIDADE ELÉTRICAMUITO BAIXA

Nível de fermi

BANDA DE

CONDUÇÃO

BANDA DE

VALÊNCIA

GAP DE ENERGIA



EFEITO DA TEMPERATURA- metais: diminui a condutividade elétrica a agitação térmica reduz o livre percurso

médio dos elétrons, a mobilidade dos mesmos e como conseqüência a condutividade.

- semicondutoresisolantes

Efeito da condutividade elétrica em vários materiais

O aumento da temperatura fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais.

2 Mecanismos de condu2 Mecanismos de conduçção e bandas de energiaão e bandas de energia

T aumenta a condutividade elétrica


14


3 Resistividade elétrica de metais e ligas3 Resistividade elétrica de metais e ligas

- alta condutividade elétrica grande n° de e- livres podem ser promovidos acima de EF

- rede cristalina sem defeitos e vibrações (0 K) é nula

- resistência elétrica resulta do espalhamento de e- devido:vibrações da redeátomos de impurezadefeitos cristalinos

- resistividade elétrica de um material monofásico (Matthiessen)t vibrações térmicasi impurezasd deformação

= t + i +d


EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA NA RESISTIVIDADE DO MATERIAL



Variação da resistividade elétrica com a temperatura para o Cu puro e três soluções sólidas Cu-Ni. O efeito da deformação na resistividade da

liga Cu 1,2Ni também é apresentado.



- contribuição dos átomos de soluto em solução sólida é descrita por Nordheim

i = Aci (1-ci)

A - constanteci - fração atômica de soluto

Variação da resistividade elétrica com a composição para o sistema Ag-Au, para três diferentes temperaturas.

Obs.:Em ligas bifásicas é uma propriedade aditiva

3 Resistividade elétrica de metais e ligas3 Resistividade elétrica de metais e ligasEFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA NA RESISTIVIDADE DO MATERIAL


EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE

ESTRUTURA PERFEITA A

BAIXA TEMPERATURAMOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS

ALTA TEMPERATURA

MOVIMENTO DOS ELÉTRONS

EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS




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4 Condutividade elétrica dos materiais iônicos4 Condutividade elétrica dos materiais iônicos

- resultado das contribuições eletrônica e iônica

- importância de cada contribuição pureza e temperatura

- modelo de bandas é válido, porém o n° de e- na banda de condução é muito baixo portanto predomina a iônica

- difusão dos íons depende da presença de defeitos pontuais

- condutividade elétrica de sólidos iônicos temperatura abruptamente na

fusão


i = Ne2D/kT = (Ne2/kT) D0exp(-Q/kT)

N - n°de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volumee - carga do elétronD - difusividadek - constante de BoltzmanT - temperatura em KQ - energia de ativação para a difusão

4 Condutividade elétrica dos materiais iônicos4 Condutividade elétrica dos materiais iônicos

Condutividade iônica: i



- estrutura em bandas de polímeros é típica dos isolantes - 10-10 a 10-17 -1m-1

- polímeros de alta pureza a condução é eletrônica

- condução iônica pode ser ativada pela presença de impurezasrestos de monômeroscatalisadoresaumento da temperatura

- aditivos condutores podem aumentar entre 1 e 50 -1m-1 como em borrachas de silicones

- exemplos de polímeros condutores: poliacetileno e polianilina

5 Condutividade elétrica dos materiais covalentes5 Condutividade elétrica dos materiais covalentes55--3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS


GRAFITA: comportamento elétrico diferenciado

- plano basal (0001) de condutores metálicos

- na direção c (0001) é 105 vezes menor

- condução eletrônica origem na mobilidade eletrônica da cada anel hexagonal de átomos de C, ao longo de cada camada

- introdução de átomos estranhos entre as camadas aumenta o número de transportadores de carga e a condutividade elétrica

5 Condutividade elétrica dos materiais covalentes5 Condutividade elétrica dos materiais covalentes


16

PROPRIEDADES: Tem resistividade entre metais e isolantes

10-6-10-4.cm 1010-1020.cm

- A condutividade aumenta com o aumento de temperatura (ao contrário dosmetais)

- A condutividade aumenta com a adição de certas dopantes (impurezas)- A condutividade diminui com a presença de imperfeições nos cristais.


6 Semicondutores 6 Semicondutores –– Condutividade eletrônicaCondutividade eletrônica

EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES

- silício, germânio (Grupo IV da Tabela Periódica)- GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Periódica)- PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Periódica)

Observe: 95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com silício65% dos dispositivos de semicondutores do grupo III-V são para uso militar


Num semicondutor, os elétrons podem ser excitados para a banda de condução porenergia elétrica, térmica ou óptica (fotocondução)

e- excitado banda de conduçãoburaco ou uma vacância na banda de valência

contribui para a corrente

Dois tipos de conduçãocondução intrínseca semicondutor intrínsecocondução extrínseca semicondutor extrínseco


vai para

deixa

UTILIZAÇÃO: FABRICAÇÃO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E OPTOELETRÔNICOS

- Transistor- LEDS- Células solares- Diodos-Circuito integrado

6 Semicondutores 6 Semicondutores –– Condutividade eletrônicaCondutividade eletrônica55--3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros Um semicondutor pode ser tipo "p" ( condução devido aos buracos)

tipo "n" (condução devidos aos elétrons)

Este tipo de condução se origina devido à presença de uma imperfeição eletrônica ou devido à presença de impurezas residuais intrínsecas.

CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)

CONDUÇÃO INTRÍNSECA



Ex: Ge, Si (0.7 e 1,1 eV) - grupo IV , Grupo IIIA e VA - Arseneto de gálio (GaAs), antimoneto de índio (InSb)

Semicondução intrínseca - o comportamento elétrico se baseia na estrutura eletrônica inerente ao metal puro.

- BV completamente preenchida, separada de uma banda de condução vazia por

uma zona proibida de espaçamento estreito (<2ev).

(Figura d anterior)

17

- Portadores de cargas-

elétrons livres e buracos

- para cada elétron livre excitado p/ a BC é deixado um

elétron que fica faltando em uma das ligações covalentes( ou

um estado vazio na BV -buraco)

Semicondução Intrínseca

Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar elétrons ou buracos extras.

Os semicondutores extrínsecos podem ser:Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extrasTipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extras

Os processos utilizados para dopagem são: difusãoimplantação iônica

Deve-se considerar:Os elétrons tem maior mobilidade que os buracosA presença de impurezas pode alterar o tamanho do gap de energia do

semicondutor

CONDUÇÃO EXTRÍNSECA (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO)



SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P

Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopanteburacos extras

Impurezas tipo "p" ou aceitadores proporcionam buracos extra

Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com boro (valência 3)


BORO É UM DOPANTE TIPO P PARA O SILÍCIO PORQUE PROPORCIONA BURACOS EXTRA NIVEL DE FERMI

Nível aceitador


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Semicondução extrínseca do tipo p (portadores de carga

buracos)

- Ex: Si na rede de elementos do Grupo IIIA -trivalentes-Al, B, Ga

- ligações deficientes de em um elétron -buraco fracamente ligado ao átomo de

impureza- buraco liberado pela transferência de um elétron de uma ligação - elétron e buraco trocam de

lugar.

- buraco criado na BV pela excitação térmica do e na BV para esse estado eletrônico da impureza - buraco em movimento

-cada átomo de impureza introduz um nível de energia dentro do espaçamento entre as bandas - porém muito próximo da BVEn. p/ (e) saltar da BV -

Er<<E(Bv-BV)

SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N

Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopanteImpurezas tipo ”n" ou doadores proporcionam elétrons extra

Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com fósforo (valência 5)


FÓSFORO É UM DOPANTE TIPO NPARA O SILÍCIO PORQUE PROPORCIONA ELÉTRONS EXTRA NIVEL DE FERMI

Elétrons doadores


Semicondução extrínseca

do tipo n (portadores de carga elétrons)

(elétron que não forma ligação ficalevemente preso ao redor do átomo deimpureza (atração eletrostática fraca) -facilmente removido tornando-se elétronlivre ou de condução Ex: Elementos doGrupo VA(Ni, P, As, Sb) na rede do Si

Exemplos de materiais cerâmicos semicondutores extrínsecos tipo n, p e anfóteros.

Tipo nTiO2 Nb2O5 CdS Cs2Se BaTiO3 Hg2S

V2O5 MnO2 CdSe BaO PbCrO4 ZnF2

U3O8 CdO SnO2 Ta2O5 Fe3O4

ZnO Ag2S Cs2S WO3

Tipo p

Ag2O CoO Cu2O SnS Bi2Te3 MoO2

Cr2O3 SnO Cu2S Sb2S3 Te Hg2O

MnO NiO Pr2O3 CuI Se

Anfótero

Al2O3 SiC PbTe Si Ti2S

Mn3O4 PbS UO2 Ge

Co3O4 PbSe IrO2 Sn

CONDUÇÃO EXTRÍNSECA (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO)



Anfótero- variam seu comportamento com a presença de bases, ácido forte.

Quando próximo de base forte, se comporta como óxido de ácido.

Quando próximo de ácido forte, se comporta como óxido base.

19

APLICAÇÃO


Dispositivos eletrônicos comotransistores, circuitos integrados, chips,usam a combinação de semicondutoresextrínsecos tipo “p” e tipo “n” DIODO é um dispositivo que permite a

corrente fluir em um sentido e não em outro.É construído juntando um semicondutor tipo“n” e tipo “p”.

JUNÇÃO P-N

- Quando uma voltagem é aplicada como no esquema (b), os dois tipos de cargas se moverão em direção à junção onde se recombinarão. A corrente elétrica irá fluir.- No esquema (c), a voltagem causará o movimento de cargas para longe da junção. A corrente não irá fluir no dispositivo.


- ocorre quando a resistividade do material for nula

- temperatura crítica (Tc) resistividade torna-se bruscamente nula

- até 1986 melhores supercondutores Tc < 23 K material deveria ser resfriado em hélio líquido para tornar-se supercondutor

- mais tarde: supercondutores cerâmicos com Tc mais altas:

Y1Ba2Cu3O7-x Tc 100Knitrogênio líquido é suficiente para resfriar

- supercondutividade desaparece: acima da Tccampo magnéticocorrente elétrica


7 Supercondutividade elétrica7 Supercondutividade elétrica

PARÂMETROS QUE DEFINEM UM SUPERCONDUTOR


- MATERIAL DIELÉTRICO: material isolante

- RIGIDEZ DIELÉTRICA: tensão máxima que o material pode suportar antes de perder as características de ser isolante para vidros, polímeros e cerâmicos 10 a 40 V/mm

Constante dielétrica:Capacitor constituído de duas placas metálicas paralelas separadas por uma distância

"d" e de área "A".capacitância medida da habilidade de armazenar uma carga elétrica.

adição de um dielétrico aumenta a capacitância por umfator , proporcionalmente.

C = k A : constante dielétricad e: permeabilidade do meio

Propriedades Básicas dos Materiais Dielétricos


8 Comportamento dielétrico8 Comportamento dielétrico55--3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS Capacitor com vácuo entre

as placas paralelas

C = o A / l

A - área das placas

l - distância entre elas

o - permicividade do vácuo

(Figura 19.26 pg. 437)

Capacitor com material dielétrico entre as placas paralelas (>densidade de cargas nas placas)

C = A / l

- permicividade do meio dieletrico

Permicividade relativa -constante dielétrica (r)

r = / oRepresenta o aumento na capacidade de armazenamento de cargas pela inserção do meio dielétrico entre as placas

20

• Apresentam momento dipolar espontâneo, ou seja, são polarizados mesmo na ausência de qualquer campo elétrico.

• Polarização espontânea- conseqüência do posicionamento dos íons na célula unitária. O momento de dipolo resulta dos deslocamentos dos íons das suas posições simétricas.


FERROELÉTRICOS8 Comportamento dielétrico8 Comportamento dielétrico


FERROELÉTRICOS- não têm um centro de simetria formam um momento dipolar- polarização permanente propriedades PIEZOÉLETRICAS

Estrutura do BaTiO3. (a) Acima de 120ºC é cúbica. (b) Abaixo de 120ºC é levemente tetragonal, apresentando um momento dipolar elétrico.

8 Comportamento dielétrico8 Comportamento dielétrico55--3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 3 PROPRIEDADES ELÉTRICAS


- materiais dielétricos onde a polarização pode ser induzida pela aplicação deforças

Esquema dos dipolos elétricos em um material piezoelétrico. (a) Material em condições normais. (b) Tensão compressiva causa uma ddp.

(c) A aplicação de uma voltagem causa uma diferença dimensional.

8 Comportamento dielétrico8 Comportamento dielétricoPIEZOELÉTRICOS

(a)

(b)

(c)


PROPRIEDADES MAGNÉTICAS PROPRIEDADES MAGNÉTICAS 1 INTRODUÇÃO1 INTRODUÇÃO

2 CONCEITOS BÁSICOS2 CONCEITOS BÁSICOS

3 COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS MATERIAIS3 COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS MATERIAIS

4 DIAMAGNETISMO4 DIAMAGNETISMO

5 PARAMAGNETISMO5 PARAMAGNETISMO

6 FERROMAGNETISMO6 FERROMAGNETISMO

7 FERRIMAGNETISMO7 FERRIMAGNETISMO

8 ANTIFERROMAGNETISMO8 ANTIFERROMAGNETISMO

9 MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES E DUROS9 MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES E DUROS

21

MagnetismoFenômeno pelo qual os materiaisexercem forças de atração e derepulsão uns sobre os outros

Esta definição, embora útil e pratica, apresenta algumas limitações, por exemplo: o estado magnético de um material não é constante e pode ser alterado de diversas maneiras.

A magnetita é o único material que ocorre naturalmente no estado magnético.

PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICAS



Materiais magnéticos apresentam grande uso no cotidiano:- fita K 7 (fita magnética)- cartão magnético- componentes de computadores- geradores e transformadores de eletricidade- motores elétricos

Vantagem deste tipo de material: armazenam muita informação em pouco espaço Propriedades magnéticas estão relacionadas com a mobilidade dos elétrons, por isso propriedades elétricas e magnéticas são relacionadas. Fe, alguns aços, magnetita (Fe3O4) materiais magnéticos

Propriedades magnéticas são determinadas pela estrutura: eletrônicacristalinamicroestrutura

Átomos podem ou não apresentar momento magnéticoMateriais diferem em resposta a um campo elétrico e a um campo magnético

PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICASCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

- Relações entre o campo magnético aplicado (H) e a intensidade do campo magnéticoinduzido (B)


Em (a) H é gerado pela passagem de uma corrente i por uma espira cilíndrica de comprimento l e contendo Nvoltas, B é medido em termos de fluxo magnético no vácuo B0 (Wb/m2)

B0 = 0 H0 - permeabilidade magnética no vácuo (4 10-7 H/m)B - dado em Tesla (T)Em (b) a densidade de fluxo magnético b dentro do sólido é: B = H

Permeabilidade Magnética ()- é a intensidade de magnetização - varia em função da intensidade do campo- é característica do material

= tg B/H


- As propriedades magnéticas de um material podem ser medidas por diferentesparâmetros

Ex.: permeabilidade magnética relativa


r = 0

e r medem a facilidade com que um campo magnético B pode ser introduzido em um material sob a ação de um campo externo H

Ex.: suscetibilidade magnética relativa (m)m = r - 1

- Permeabilidade magnética relativa (r) de alguns materiaisFe “puro” (0,1% impurezas) 0,5 . 103

Aço silício (4,25% Si) 1,5 . 103

Aço silício (3,25% Si) com grão orientados (textura) 2,0 . 103

“Supermalloy” (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo) 1,0 . 104

Ferrita cerâmica (Mn, Zn)Fe2O4 1,5 . 103

Ferrita cerâmica (Ni, Zn)Fe2O4 0,3 . 103

22


- Materiais tendem a diferir sua resposta quando em presença deum campo magnético

- Efeitos magnéticos são originados em correntes elétricasassociadas a elétrons em órbitas atômicas ou a spins deelétrons

- Classificação de materiais quanto ao comportamento magnético:DiamagnéticosParamagnéticosFerromagnéticosFerrimagnéticosAntiferromagnético

1 Introdução1 Introdução TEMPERATURA DE CURIE TC X TEMPERATURA DE NÉEL TN

É a temperatura na qual os domínios magnéticos são destruídos.

Materiais ferro e ferrimagnéticos

Materiais antiferromagnéticos

Geralmente, os materiais ferromagnéticos acima da TC apresentam comportamento paramagnético.

DOMÍNIOS MAGNÉTICOS

São regiões da estrutura do materialonde todos os átomos cooperammagneticamente, ou seja, são zonas demagnetização espontânea (momentummagnético). Quando um campo magnético éaplicado, os domínios magnéticostendem a se alinhar com o campo e,então, o material exibe propriedadesmagnéticas.


PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICAS2 Diamagnetismo2 Diamagnetismo

-Comportamento diamagnético ocorre quando o átomo (sem um momento magnético) aceita um alinhamento no campo magnético, sendo a magnitude muito pequena ede direção oposta ao do campo aplicado

-Forma muito fraca de magnetismo: persiste enquanto um campo magnético externo for aplicado: ausência de campo externo momento magnético nulo-Todos materiais são diamagnéticos muito fracos: observa-se quando não há outro tipo demagnetismo.-Susceptibilidade de materiais diamagnéticos(m): -10-6 a -10-5 (não varia com a T)

Configuração de dipolos de um material diamagnéticos. (a) na ausência de um campo externo. (b) na presença de um campo externo.

Al2O3 -1,81 10-5

Cobre -0,96 10-5

Ouro -3,44 10-5

Silício -0,41 10-5

NaCl -1,41 10-5

- Susceptibilidade magnética (m) de diamagnéticos é negativa(dipolos se opõe ao H, causa magnetização negativa(m <0)- Diamagnéticos não apresentam Tc- Supercondutores tem comportamento diamagnético

23


PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICAS3 Paramagnetismo3 Paramagnetismo

- Átomos individuais possuem momentos magnéticos:orientações ao acaso magnetização nula para

um grupo de átomos

Dipolos podem ser alinhados na direção do campo aplicado

Configuração de dipolos em um material paramagnético: a) na ausência de campo externo; b) com campo externo aplicado

- Paramagnetismo: forma muito fraca de magnetismo sem aplicação prática- Paramagnetismo é observado: metais (ex.: Cr, Mn), gases diatômicos (O2 e NO), íons de metaisde transição, terras raras, seus sais e óxidos.- Susceptibilidade magnética: 10-5 a 10-3

(positiva e diminui com a temperatura)

m = KT

K= constante T = temperatura

- Paramagnéticos não apresentam Tc

Representação esquemática dos momentos magnéticos de um material paramagnético.

Alumínio 2,07 10-5

Cromo 3,13 10-4

Cloreto de cromo 1,51 10-3

Sulfato de Mn 3,70 10-3

Molibdênio 1,19 10-4

Sódio 8,48 10-6

Titânio 1,81 10-4

Zircônio 1,09 10-4

- Materiais metálicos com momento magnético na ausência de campo externo- Exemplos: Fe(CCC), cobalto, níquel, gadolíneo, ligas de manganês como MnBi e Cu2MnAl- Susceptibilidade magnética (m) alta de 106

- Temperatura crítica temperatura de currie (c), acima desta perdem o ferromagnetismo e tornam-se paramagnéticos

- c varia conforme o material: Fe (770°C), Ni (358°C), Co (1130°C), Gd (20°C), SmCo5 (720°C) e Nd2Fe14B (312°C).- Susceptibilidade magnética (m) diminui com o aumento da temperatura


PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICAS6 Ferromagnetismo6 Ferromagnetismo

(a) Configuração de dipolos de um material ferromagnéticos na ausência de um campo externo. (b) Configuração de dipolos no ferro .

m = CT-

C = constanteT = temperatura aproximadamente igual a c

As características de um material ferromagnético variam bastante com atemperatura.

Quando a temperatura aumenta, a energia térmica aumenta a mobilidadedas paredes dos domínios magnéticos tornando a magnetização edesmagnetização mais fáceis.

Se a temperatura, excede a temperatura de Curie, o comportamentoferromagnético desaparece.

Ferromagnetismo

Alta temperatura

Temperatura média

Baixa temperaturaCampo magnético

Densidade de fluxo

Temperatura

Temperatura de Curie

Mag

netiz

ação

de

satu

raçã

o

> T – causa desalinhamento dos dipolos independente do H reduzindo a Magnetização


PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICAS7 Ferrimagnetismo7 Ferrimagnetismo

Ferrimagnetismo ocorre em alguns materiais cerâmicos que apresentam forte magnetizaçãopermanente ferritas (fórmula geral: MFe2O4, e M é um elemento metálico)

• Protótipo das ferritas: Fe3O4 = Fe++O- -(Fe+++)2(O- -)3

- Momentos magnéticos dos 2 tipos de íons não se cancelam totalmente e o material apresenta magnetismo permanente

cátion Fe++ interstícios octaédricoscátion Fe+++ interstícios tetraédricos e octaedricosânion O- - magneticamente neutro

MAGNETITA

Configuração dos momentos magnéticos na

ferrita

- Temperatura crítica- Susceptibilidade magnética (m) diminui com o aumento da temperatura (T)

m KT±

K = constanteT = temperatura é diferente de c

Ex: Fe, Ni, Mn, Co, Cu, e MgNiFe2O4, (Mn, Mg)Fe2O4

24

Sítios Tetraedrais- 4 lados e 4 vértices

Sítios Octaedrais- 8 lados e seis vértices

FERRIMAGNETISMO

Ferrimagnetismo ocorre em alguns materiais cerâmicos que apresentamforte magnetização permanente. Ferritas (fórmula geral: MFe2O4, e M éum elemento metálico).

Protótipo das ferritas: Fe3O4 = Fe++O- -(Fe+++)2(O- -)3

Ex: Fe, Ni, Mn, Co, Cu, e Mg, NiFe2O4, (Mn,Mg)Fe2O4

MAGNETITA

• Fe 3+ (octaédricos)-momentos de spin de todos íons Fe 3+ alinhados paralelamente, porém em posição oposta aos dos íons Fe 3+

(tetraédricos) que também estão alinhados paralelamente.

• Leva pareamento antiparalelo de íons de Fe adjacente- momentos de spin de todos íons Fe 3+ se cancelam.Não contribuem para magnetização líquida

• Todos íons Fe 2+ possuem os momentos alinhados na mesma direção. Cujo momento total é responsável pela magnetizaçãolíquida do sólido

FERRIMAGNETISMO FERRIMAGNETISMO

25

- Protótipo deste caso é o MnO material cerâmico, com caráter iônico e estrutura cristalina CFC tipo NaCl

- momento magnético O- - é zero- momento magnético M++ é permanente num arranjo que forma momentos opostos ou antiparalelo


PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICAS8 Antiferromagnetismo8 Antiferromagnetismo

Diagrama esquemático mostrando a configuração de momentos magnéticos no MnO

- O material como todo não apresenta momento magnético- Alguns compostos de metais de transição apresentam este comportamento: MnO, CoO, NiO, Cr2O3, MnS, MnSe e CuCl2- Temperatura crítica temperatura de Néel (n)- Susceptibilidade magnética (m) da ordem dos materiais paramagnéticos e diminui com o aumentoda temperatura (T)

m CT±

C = constanteT = temperatura é diferente de n


PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICAS9 Comparação9 Comparação

Dependência da temperatura na susceptibilidade magnética (a) paramagnético, (b) ferromagnético (mostrando a transição para paramagnético), (c) antiferromagnético

(mostrando a transição para paramagnético).

a b c

(cerâmicos)

(cerâmicos)(cerâmicos)

(metais)

(metais)

CURVA DE MAGNETIZAÇÃO OU DE HISTERESE• Indução residual (Br) - é a indução

magnética que se conserva no corpo magnetizado, depois de anulada a intensidade do campo. (Gauss)

• Força coercitiva (Hc)- é a intensidade de campo que tem de ser aplicado para desmagnetizar. (Oersted)

• Material com elevado Hc: consome energia para alinhar os domínios magnéticos, de uma direção para outra. A quantidade de energia necessária para magnetizar é proporcional a área do ciclo de histerese.


PROPRIEDADES MAGNÉTICASPROPRIEDADES MAGNÉTICAS10 Magnéticos moles e duros10 Magnéticos moles e duros

Ferromagnéticos e Ferrimagnéticos

Curva de histerese ferromagnética.

26

CURVA HISTERÉTICA PARA LIGAS MAGÉTICAS DURAS E MACIAS



- Ligas magnéticas macias significa que é fácil de ser magnetizado e desmagnetizado

- Ligas magnéticas duras significa que ele permanece magnético ou é um magneto permanente

MAGNÉTICOS MACIOSMAGNÉTICOS DUROS



MATERIAL MAGNETO MOLE: Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixo Br. A área do ciclo de histerese e a perda de energia por ciclo são pequenas. Opera na presença de um campo magnético.

- São ligas organizadas. Geralmente metais puros com boa qualidade estrutural.- São empregadas como ligas a serem submetidas à magnetização alternada (núcleos de

transformadores) Ex.: geradores, motores elétricos e transformadores (para estas aplicações é necessário materiais magnéticos moles, de baixa remanência, como: Fe puro, aço ao silício, supermalloy e ferritas cúbicas do tipo espinélio).

EFEITO DA TEMPERATURA: As características de um ferromagnético (material magnético mole) variam com a TT energia térmica mobilidade das paredes

de Bloch dos domíniosmagnéticos

Paredes de Bloch: fronteira entre domínios vizinhos, região de transição, espessura 100 nm, onde a direção de magnetização muda gradualmente, é um defeito bidimensionalMAGNETIZAÇÃO E DESMAGNETIZAÇÃO: São facilitadas: T > Ccomportamento ferromagnético desaparece

Efeitos da T (a) ciclo de histerese, (b) magnetização de saturação.



MATERIAL MAGNETO MOLE: Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixo Br. A área do ciclo de histerese e a perda de energia por ciclo são pequenas.



é magnetizado durante a fabricação e deve reter o magnetismo após a retirada do campo magnético.

Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br Importante: resistência a desmagnetização (área BH é maximizada) Apresenta um ciclo de histerese grande. São ligas endurecidas com estruturas desequilibradas, dispersas São utilizadas na fabricação de imãs permanentes Aplicações: refrigeradores e fones de ouvido, utilizando- se: ferritas cerâmicas, SmCo5, Sm2Co17 e NdFeBMagnetos duros são constituídos de ferromagnéticos, e algumas ferritas hexagonais

MATERIAL MAGNETO DURO:

Aumento da eficiência (energia magnética máxima) dos

magnetos permanentes no século XX.

27



é magnetizado durante a fabricação e deve reter o magnetismo após a retirada do campo magnético.MATERIAL MAGNETO DURO: EFEITO DOS ELEMENTOS LIGA

Aumentam a força coercitiva ou “dureza” magnética

Diminuem o tamanho de grão

A formação de uma segunda fase, pela adição de elementos de liga (acima do limite de solubilidade),contribui para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a dispersão da segunda fase maior o Hc.

O endurecimento causado pela transformações de fase ou pela diminuiçãodo tamanho de grão aumentam o Hc, porque evitam a redistribuição ao acasodos domínios magnéticos.



Porosidade

A porosidade intergranular (no contorno de grão) impede o movimento da parede de domínios comprometendo as propriedades.

Porosidade

28

Tamanho de grão x Permeabilidade

A magnetização e a permeabilidadeaumentam pela facilidade dodeslocamento reversível da parededos domínios, e, para ocorrer essedeslocamento é necessário que aenergia do campo externo aplicadoseja maior que a energia de fixaçãoda parede.

Quanto maior o tamanho de grão, menor será a área de contorno de grão e mais fácil será o deslocamento da parede de domínios; conseqüentemente, maior será a magnetização e a permeabilidade.


55--5 PROPRIEDADES TÉRMICAS 5 PROPRIEDADES TÉRMICAS


5.5.2 CAPACIDADE TÉRMICA5.5.2 CAPACIDADE TÉRMICA

5.5.3 EXPANSÃO TÉRMICA5.5.3 EXPANSÃO TÉRMICA

5.5.4 CONDUTIVIDADE TÉRMICA5.5.4 CONDUTIVIDADE TÉRMICA

55--5 PROPRIEDADES TÉRMICAS5 PROPRIEDADES TÉRMICASCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

5.5.1 Introdução5.5.1 Introdução

Propriedades térmicas resposta ou reação de um material àaplicação do calor

Sólido absorve calor sua temperatura aumentasua energia interna aumenta

Dois principais tipos de energia térmica em um sólido:energia vibracional dos átomos ao redor de suas

posições de equilíbrio

energia cinética dos elétrons livres

Propriedades críticas p/ utilizar um sólido

• Capacidade calorífica ou capacidade térmica

• Expansão térmica

• Condutividade térmica

29


5.5.2 Capacidade térmica ou Capacidade 5.5.2 Capacidade térmica ou Capacidade CaloríficaCalorífica

Propriedade que indica a aptidão do material em absorver calor do meioexterno Representa a quantidade de energia necessária para aumentar atemperatura de um corpo em uma unidade. Matematicamente:

Calor específico representa a capacidade térmica por unidade de massa.Pode ser determinado mantendo-se o volume do material constante (cv), oumantendo-se a pressão externa constante (cp).

C = dQdT

C = capacidade térmica (J/molK, cal/molK)dQ = energia necessária para produzir uma mudança dT de temperatura

CV = ( dS/dT)V e CP = (dH/dT)P E é a energia internaH é a entalpia

Capacidade calorífica vibracional

Materiais sólidos

Principal modalidade de assimilação de energia térmica

Aumento de energia vibracional

Vibração coordenadas

(produz)

Ondas elásticas ou sonoras reticulares que se propagam

através do cristal

Energia térmica vibracional Série dessas ondas elásticas, que possuem uma variedade de distribuições e freqüências

Apenas certos valores de energia são permitidos (energia quantizada) e um único quantum de energia vibracional é chamado

de fônon.

OBS: As próprias ondas vibracionais são chamadas de fônons(fônon é análogo a um quantum de radiação eletromagnética)

Cp X temperatura> T > Cp Cv = A T3

> habilidade das ondas reticulares em elevar a sua energia média em resposta a um campo aplicado.

. Este aumento está diretamente associado com o consumo de combustível para aquecer um material cerâmico.

Temperatura (C) Silico aluminoso Silica Alumina MgO

20 0,167 0,211 0,192 0,233

500 0,228 0,240 0,245 0,263

700 0,245 0,249 0,259 0,272

900 0,256 0,257 0,268 0,281

1050 0,261 0,262 0,272 0,286

30

A capacidade calorífica molar não depende da microestrutura do material, porém a capacidade calorífica volumétrica depende da porosidade:

> Porosidade ↓ massa de um material / volume

Energia requerida para aquecer um material poroso é menor que para um denso.

Em outras palavras, um forno revestido com tijolos porosos pode ser aquecido com menor consumo de energia

A capacidade calorífica molar e do calor específico apresentam importância significativa para:

calculo do consumo de energia

técnicas analítica (análise térmica diferencial)

avaliar a resistência ao choque térmico, pois materiais com baixa capacidade calorífica, permitem rápida equalização da temperatura evitando as tensões térmicas


5.5.2 Capacidade térmica5.5.2 Capacidade térmica

Energia térmica vibracional conjunto de ondas elásticas em uma faixa de freqüências

a energia é quantizada

FÔNON

Contribuição eletrônica é significativa em materiais com elétrons livres como ocorre:

absorção de energia pelos e- aumentando Ecinética

Condutores: e- com energia nível de Fermi podem ser excitados e superá-lo.

Isolantes: contribuição eletrônica muito pequena ausência de e- livres


5.5.2 Capacidade térmica5.5.2 Capacidade térmica

Capacidade térmica depende da temperatura?

Experimentos de Einstein e Debye:O calor específico aumenta até uma certa temperatura(temperatura de Debye =D) (> habilidade das ondas reticulares em aumentar a energia média)e T> D constante. 3R 6cal/molK

Não há correlação entre D e o PF dos materiais

Capacidade térmica depende pouco da estrutura e da microestrutura do materialPorosidade influência prática

Material poroso exige uma menor quantidade de calor para atingir uma determinada temperatura, que uma cerâmica isenta de poros.

Variação da capacidade térmica com a temperatura para vários materiais

cerâmicos policristalinos.

> Porosidade ↓ massa de um material / volume


5.5.3 Expansão térmica5.5.3 Expansão térmica

Sólidos aumento de dimensões durante o aquecimento econtração no resfriamento, se não ocorrer transformações defases

L = lf - lili (Tf-Ti)

li = comprimento iniciallf = comprimento finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final

Coeficiente de dilatação térmica volumétrica

V = Vf - ViVi (Tf-Ti)

Vi = volume inicialVf = volume finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final

MATERIAIS ISOTRÓPICOS:

V3L

Coeficiente de dilatação térmica linear

31


5.5.3 Expansão térmica5.5.3 Expansão térmica Variação da expansão térmica com o aumento da temperatura de alguns

materiais.

Variação da expansão térmica com o aumento da temperatura para o

silício.

Porosidade não influencia na expansãotérmica (o poro dilata como se fosseo próprio material que o contém)


5.5.3 Expansão térmica5.5.3 Expansão térmica

Correlação entre e a energia de ligação (EL)Materiais com ligações químicas fortes apresentam Ex.: cerâmicos e metais com elevado PF (Mo, W)

Correlação entre e o PF de alguns materiais

Muitos materiais cristalinos apresentam anisotropia quanto a dilatação térmica, como alumina, titânia, quartzo.Exemplo extremo: grafita é 27 vezes mais baixo no plano basal que na direção ╨ a ele Dilatação térmica dos sólidos tem origem na variação assimétrica da EL ou FL com a distância interatômica.

Aquecimento: átomos aumentam a freqüência e amplitude de vibração, e como Fr > Fa, a distância média entre os átomos aumenta


Correlação entre e a energia de ligação (EL)5.5.3 Expansão térmica5.5.3 Expansão térmica

(a) EL x a: aumento na separação interatômica com o aumento da temperatura. Com o aquecimento, a separação interatômica aumenta de r0 para r1, para r2.

(b) Para uma curva hipotética de EL x a: simetria.

Não há variação

líquida ou global na sep. Interat .(=0)

Dilatação ou expansão térmica

Expansão deriva

-Curvatura assimétrica e não das vibrações dos átomos > T;

-Curva simétrica – não há variação líquida ou global na separação interatômica – não há expansão

> Energia de ligação atômica:

– mais profundo e estreito o poço

- Menor expansão

-> T > coef. de expansão

Polímeros e metais > expansão ( polímeros lineares e com ramificações lig. Intermoleculares fracas) Tabela

Cerâmicas ligações fortes – baixo coef. de expansão térmica

32

O coeficiente de expansão térmica apresenta uma relação inversamente proporcional àtemperatura de fusão. Materiais com alta temperatura de fusão apresentam um poço deenergia mais estreito e profundo, devido a necessidade de um superior nível de energiatérmica para superar as forças de atração entre os átomos.

Material Dilatação térmica(cm/cm/C a 0C)

Temperatura de fusão(C)

NaCl 40 800

Fe2O3 09 1560

SiO2 12 1710

Al2O3 08 2020

ZrO2 10 2700

MgO 09 2800

TiC 07 3190

Relação entre o coeficiente de expansão térmica e a temperatura de fusão


Condutividade térmica é a habilidade de um material paratransferir calor. Para um fluxo estacionário de calor:

5.5.4 Condutividade térmica5.5.4 Condutividade térmica

onde:q: fluxo de calor (W) Q: calor transmitido (J)t: tempo de transmissão de calor (s)k: condutividade térmica (W/mK)A: área perpendicular ao fluxo (m2)T: temperatura (K) x: comprimento na direção do fluxo (m)

xTQk x

q= dQ = k A dTdt dx

Calor é transportado nos sólidos de duas maneiras: por fônons e pela movimentação de e- livres

Analogia: elétrons ou fônons livres como partículas de um gás. A condutividade térmica é diretamente proporcional ao número de elétrons livres ou de fônons (n); velocidade média das partículas (v); ao calor específico (cv) e à distância média entre colisões ():

k ∞ n . v . Cv .

kTOTAL = kf +ke


METAISke >> kf pois os e- tem maior velocidade e

não são espalhados facilmentepelos defeitos como os fônons

Nestes materiais pode-se relacionar condução térmica e elétricaLei de Wiedemann-Franz:

se a condução térmica ocorresse apenas por e- livres L seria igualpara todos os metais. Valor real entre 2 e 3 x 10-8 W/K2


L = kT

L teórico = 2,44 x 10-8 W/K2

k = condutividade térmica = condutividade elétricaT = temperatura

33


Elementos liga e impurezas diminuem a condutividade térmicafuncionam como pontos de espalhamento, piorando a

eficiência do transporte eletrônico


Efeito do zinco em solução sólida na condutividade térmica do cobre

METAIS


CERÂMICOSke << kf fônons são facilmente espalhados

pelos defeitos cristalinos, otransporte de calor é menoseficiente que nos metais

Alguns cristais não metálicos puros e de baixa densidadeapresentam em algumas faixas de temperatura k metais:

Diamante melhor condutor que Ag de Tamb a 30KSafira condutor térmico entre 90 a 25K

Compostos cerâmicos:(BeO, SiC, B4C) pesos atômicos semelhantes k relativamente alto

(UO2, ThO2) pesos atômicos diferentes k cerca de 10x menor(menor interferência na propagação quando átomos com semelhantes pesos atômicos)



CERÂMICOS5.5.4 Condutividade térmica5.5.4 Condutividade térmica

onde:k: condutividade térmicav: volume da faseQ: kc/kpP: quantidade de poros

K=v1k1+v2k2+...

1/k=v1/k1+v2/k2+... k= 1+2P(1-Q/2Q+1)ks 1-P(1-Q/2Q+1)

Efeito da microestrutura

Íons em solução sólida diminuem acentuadamente kFases amorfas são piores condutoras que cristalinas de igual composição químicaPoros diminuem a condutividade térmica de cerâmicos

kP = k 1-P1 - 0,5P

kP = condutividade térmica do material com porosP = fração volumétrica de poros

- composição; - condições de queima;- quantidade e tipo de porosidade;- quantidade e tipo de fases;- forma e orientação de grãos;


POLÍMEROS (Transferência de energia por vibração e rotação dasmoléculas da cadeia)

ke << kf além disso são parcialmente outotalmente amorfos, não tendo e-livres e são piores condutores queos materiais cerâmicos.

Poros em espumas poliméricas diminuem ainda mais k(> cristalinidade e ordenação > condutividade térmica(vibração coordenadamais efetiva das cadeias moleculares no estado cristalino)


34


EFEITO DA TEMPERATURA


Diferenças de condutividade térmica com a temperatura não são tão acentuadas quanto na condutividade elétrica.

Materiais cerâmicos densos sem poros k ↓ com ↑ T(>espalhamento das vibrações

dos retículos )Ex.: BeO, MgO e Al2O3

Explicação: k ∞ n . v . Cv . Outros cerâmicos como: ZrO2 estabilizada e densa, sílica fundida e materiais refratários com poros k ↓ com ↑ T

Explicação: k ∞ n . v . Cv . Efeito da temperatura na condutividade térmica de vários materiais


55--6 PROPRIEDADES ÓTICAS 6 PROPRIEDADES ÓTICAS


5.6.2 CONCEITOS BÁSICOS5.6.2 CONCEITOS BÁSICOS

5.6.3 PROPRIEDADES ÓTICAS DOS MATERIAIS METÁLICOS5.6.3 PROPRIEDADES ÓTICAS DOS MATERIAIS METÁLICOS

5.6.4 PROPRIEDADES ÓTICAS DOS MATERIAIS NÃO METÁLICOS5.6.4 PROPRIEDADES ÓTICAS DOS MATERIAIS NÃO METÁLICOS

PROPRIEDADES ÓTICAS

•Como os materiais respondem a uma radiação eletromagnética externa. Em particular, a luz visível.•Assim, um material pode ser: Transparente Translúcido Opaco

35

Espectro eletromagnético da rad. –abrange larga faixa desde raios (emitidos por mat. Radioativos) = 10-12m até ondas de rádio = 105m.

Luz visível- faixa estreita do espectro- = 0,4 m a 0,7 m

1. Introdução

• Sensação de cor é percebida no cérebro-resulta do efeito de ondas eletromagnéticas numa faixa estreita de freqüências ao incidir na retina do olho humano

• Cor percebida – determinada pelo comprimento de onda

1.Introdução-Sensibilidade Relativa x Comprimento de onda

Resende, S.M. -A Física de materiais e Dispositivos Eletrônicos. 1996

1. Introdução

-A presença de impurezas (íons) introduz níveis de energia que promovem aemissão de fótons com diferentes comprimentos de onda, a resultante torna osmateriais coloridos;Ex:Cristal de alumina de elevada pureza-transparente e incolorAlumina + óxido de Cromo- cristal vermelho -RUBI

36

55--6 PROPRIEDADES ÓTICAS6 PROPRIEDADES ÓTICASCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

5.6.1 Introdução5.6.1 Introdução

Propriedades óticas resposta ou reação de um material à incidência deradiação eletromagnética, e em particular a luz visível

Luz fenômeno ondulatórioevidência: ocorrência de difração

Trabalho experimental a luz é uma ondaeletromagnética

Einstein feixe de luz consiste em pequenospacotes de energia

quanta de luz: FÓTON

Fóton incidindo na superfície de um metaltransfere energia para o elétron,que pode escapar do material

Radiação eletromagnéticamecânica clássica ondasmecânica quântica fótons

Formas de radiação eletromagnética: luz, calor, ondas de radar, ondas de rádio e raios X

Espectro de radiações eletromagnéticas


5.6.2 Conceitos básicos5.6.2 Conceitos básicos Todos os corpos emitem radiação eletrromagnética movimento térmico de átomos e

moléculas

radiação térmica visível depende de TEx.: 300°C radiação infravermelha

800°C radiação visível Luz visível espectro de radiações pequeno 0,4m 0,7m CORES Radiação eletromagnética atravessa o vácuo com a

velocidade da luzc = velocidade da luz 3x108 m/s 0 = permissividade elétrica no vácuo0 = permeabilidade magnética no vácuo

c = 1(00)½

0,40 a 0,45 µm – violeta0,45 a 0,50 µm – azul0,50 a 0,55 µm – verde0,55 a 0,60 µm – amarelo0,60 a 0,65 µm – laranja0,65 a 0,70 µm – vermelho Feixe de luz incide no sólido com intensidade I0

parte é transmitida Itparte é absorvida Ia relacionadas por:parte é refletida Ir

I0 = It + Ia + Ir (em W/m2)ouT + A + R = 1T = transmitância (It/I0)

A = absorbância (Ia/I0)R = refletância (Ir/I0)

Se: T >> A+R: materiais transparentesT << A+R: materiais opacosT pequeno: materiais translúcidos

INTERAÇÕES ATÔMICAS E ELETRÔNICAS

A radiação eletromagnética interage com átomos, íons

e/ou elétrons, originando os fenômenos ópticos.

Dois mecanismos importantes da interaçãoda luz com a partícula em um sólido são:

• A- Polarização• B- Transição de elétrons entre

diferentes níveis de energia.

A. Polarização Distorção de uma nuvem de elétrons de um átomo por um campo elétrico.

Alinhamento de dipolos.

Absorção de energia (deformação elástica),

resultando em aquecimento

Propagação de ondas eletromagnéticas

(radiação eletromagnética)

INTERAÇÕES ATÔMICAS E ELETRÔNICAS A. Polarização

37

A. POLARIZAÇÃO ELETRÔNICADeslocamento da nuvem eletrônica com relação ao núcleo do átomo com cada mudança de direção do componente do campo elétrico.

Conseqüências:

Pode haver absorção

Alteração da velocidade das ondas (refração)

B. TRANSIÇÕES ELETRÔNICAS

-Transições eletrônicas

O fóton incidente com uma freqüênciacaracterística é absorvido pelo elétron,excitando este para um nível de maiorenergia.

Em seguida, com o decaimento desteelétron para níveis menores de energia(liberação E na forma de fóton).

PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS METAIS

Conseqüência: OPACIDADE, todas as freqüências do espectro visível são absorvidas e reemitidas. Possuem um estado vazio imediatamente acima do nível de Fermi

Rad. incidente com freqüência dentro do espectro visível, excita os e para os estados de energia não ocupados acima da em. de Fermi.

Materiais Metálicos -A freqüência de onda absorvida é igual a onda emitida devido ao decaimento doelétron;-Macroscopicamente a refletividade é observada nos metais;

Rad. incidente excita os elétrons p/ os estados de energia vazios acima de Fermi

Radiação incidente é

ABSORVIDA

Rad. Absorvida é Reemitida na forma de luz vizível- com o mesmo comprimento de onda , que aparece como luz refletida

38


Refletância dos metais entre 0,90 e 0,95 dissipação do calor Metais são opacos a radiações eletromagnéticas de

ondas de rádio, TV, microondas, infravermelho, luz visível Metais são transparentes a radiações eletromagnéticas de

raios X e raios

5.6.4 Propriedades óticas dos materiais metálicos5.6.4 Propriedades óticas dos materiais metálicos55--6 PROPRIEDADES ÓTICAS6 PROPRIEDADES ÓTICAS


Cor do metal: distribuição dos comprimentos de onda refletidos5.6.4 Propriedades óticas dos materiais metálicos5.6.4 Propriedades óticas dos materiais metálicos

Ex.: o ouro reflete quase que completamente a luz vermelha e a amarela e absorve parcialmente mais curtos. A prata reflete eficientemente quase todos os do espectro visível, por isso sua cor esbranquiçada.


5.6.5 Propriedades óticas dos materiais não5.6.5 Propriedades óticas dos materiais não--metálicosmetálicos Cerâmicos e polímeros não apresentam e- livres (que absorvem fótons de luz) e podem sertransparentes à luz visível

Fenômenos importantes: Refração, Transmissão, Reflexão e Absorção

REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO (R) Velocidade de propagação da luz no sólido transparente () é menor que no ar

feixe de luz muda de direção na interface ar/sólido Índice de refração: = permissividade elétrica do material

= permeabilidade magnética do materialn = c = ()½

(00)½

Índice de refração de alguns materiais cerâmicosMaterial Índice de refraçãoVidro de sílica 1,458Vidro pyrex 1,47

Vidro óptico “flint” 1,65Al2O3 – α 1,76MgO (periclásio) 1,74Quartzo 1,55

R

Quanto maior n do material, maior R

A magnitude do efeito(grau de dobra) é proporcional .

REFRAÇÃOA luz transmitida sofre uma diminuição de velocidade, resultando

em uma “dobra” na interface do material.

EX: Dispersão ou separação de um feixe de luz branca nas suas cores respectivas quando passa através de um vidro

Cada cor é defletida segundo uma intensidade diferente a medida que a luz passa pelo vidro

RESULTANDO EM UMA SEPARAÇÃO DE CORES

39

REFRAÇÃO

Ind. de refr. Proporcional a cte dielétrica rel.

rn

1 rrv

cn

00

r ≈ 1 – Materiais levemente ́ magnéticos (permeabilidade magnética = 1)

é maior nas direções com maior densidade de íons

Refração-Propriedades

R.E

nn

-Índice de refração aumenta com oaumento da densidade atômica;

-A incorporação de íons/átomos em vidrosaumenta o índice de refração, isso édevido ao aumento da polarizaçãoeletrônica;

ReflexãoParte da luz que é dispersada na interface entre doismeios, com índices de refração diferentes

Quanto maior o índice de refração de um sólido, maior será arefletividade do mesmo;

Quando a luz é transmitida de um vácuo ou para interior de um sólido(s). (n do ar = 1)


REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO(R)

5.6.5 Propriedades óticas dos materiais não5.6.5 Propriedades óticas dos materiais não--metálicosmetálicos

Se um dos meios for o ar n1 = 1R = n2 - n1 ½

n2+n1 R = n2 - 1 ½n2+1

Variação das frações da luz incidente que são transmitida, absorvida e refletida por um determinado vidro em função do comprimento de onda

Cerâmicos cristalinos Cúbicos e vidros índices derefração isotrópicos

Cristais não cúbicos índices de refraçãomaior em direções mais densas

Luz passa de um meio n1 para outro n2parte da luz é refletida na interface dos meios

Como o n depende de λ da luz incidente, R também depende de λ

40

Absorção• Os materiais que absorvem a luz visível são considerados opacos, pois o

mecanismo dependerá do gap de energia associado ao material;

• IT é a intensidade de luz transmitida;• I0 é a intensidade de luz não refletida;• β é o coeficiente de absorção do material;

ABSORÇÃO

Materiais com espaçamento entre bandas superior a 3,1eV não absorvem luz visível e, se forem de alta pureza, terão aparência transparente e incolor

Defeitos e impurezas podem introduzir novos níveis eletrônicos dentro do espaçamento entre bandas.

Dois mecanismos:

- Polarização: é importante apenas para radiações com freqüências próximas as de relaxação dos elétrons.

- Transição eletrônica: O fóton deve possuir energia suficiente

para vencer o gap até a banda de condução. Forma um par elétron (BC) buraco (BV).

texto

TRANSMISSÃOÉ a parte da luz incidente que não sofreu absorção nem reflexão.

lT eRII 2

0 1Onde I0 é a radiação incidente, IT a radiação transmitida, R a refletividade, l a espessura do material e beta o coeficiente de absorção.

A transmissão também depende do comprimento de onda incidido.

Transmissão-Os fenômenos de absorção, reflexão e transmissão podem servistos na imagem abaixo;

41



ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T)Maioria dos materiais transparentes são coloridos

a cor dos materiais transparentes é uma combinação dos comprimentos transmitidos Absorção de fótons por e- da banda devalência promovendo-os à banda de conduçãoem não-metais também é possível, desde que ose-- superem a banda proibida. Energia associada com (E = hc/)determina-se e E máximos e mínimos cedidosaos e- pela luz visível

min = 0,4 m Emax = 3,1eVmax = 0,7m Emin= 1,8eV

Comprimentos de onda absorvidos (nm) e cores complementares

Conclusão: i) a luz pode ser absorvida por materiais com banda proibidamenor que 1,8 eV (SEMICONDUTORES) estes materiais sãoopacos ex.:Si, Ge, AsGa

ii) materiais com banda proibida entre 1,8 e 3,1 eV absorvem apenas alguns comprimentos de ondas estes materiais são coloridos ex.:GaP, CdS

iii) a luz visível não pode ser absorvida por este mecanismo em materiais com banda proibida maior que 3,1 eV



ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T) Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidosEx.: safira e rubi

Safira: cristal puro de Al2O3, isolante,transparenteRubi: safira onde uma pequena quantidade de íons Cr+3 substitui o Al+3, causa absorção na região de luz azul do espectro visível. Cristal resultante: vermelho

Cor dos vidros de sílica, cal, soda e chumbo pode sermodificada pela adição de óxidos de elementos detransiçãoEx.: adição de 0,01 a 0,03% de CoO - coloração azulada

adição de 0,2% de NiO - coloração púrpuraadição de 1,0% de FeO - amarelo esverdeada

Cor pode ser resultado do desvio da estequiometriaou da presença de defeitos cristalinosEx.: cristais puros de NaCl, KBr e KCl são incolores seforem recozidos em atmosfera de metais alcalinos ouirradiados com raios X ou neutrônscoloração: NaCl amarelo

KBr azulKCl magenta

Criou-se defeitos:centro de cor



ABSORÇÃO (A) E TRANSMISSÃO (T)R, A e T dependem do material, do caminho ótico, incidente

Defeitos no material espalham a luz e podem torná-lotransparente, translúcido ou opacoEx.: monocristal de safira (Al2O3) transparente

policristal de safira sem poros translúcidopolicristal de safira com 5% poros opaco

Variação da transmitância com incidente para diversos materiais.

Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de alumina(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)

Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida

porosidade: 3% porosidade: 0,3

55--7 EXERCÍCIOS7 EXERCÍCIOSCiência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS

1 Elementos de liga influem pouco no módulo de elasticidade. Entretanto, as resistências mecânicas sãosignificativamente afetadas. Porquê?2 Porque as ligas de metais têm maior resistência mecânica do que os metais puros?3 Qual a dificuldade de se empregar deformação plástica para obter-se um aumento de resistência mecânica parametais como chumbo, zinco e estanho?4 Qual o efeito da temperatura sobre o módulo de elasticidade e sobre a resistência mecânica de um metal?5 Qual a diferença entre tensão de cisalhamento crítica e tensão de cisalhamento efetiva?6 Porque metais com tamanho de grão pequeno possuem a temperatura ambiente maior resistência mecânica doque se possuíssem grãos maiores?7 Porque metais com tamanho de grão grande possuem a elevadas temperaturas maior resistência mecânica doque se possuíssem grãos pequenos?8 Os grãos aumentam seu tamanho médio a altas temperaturas? Porque não diminuem a baixas temperaturas?9 Explique como um átomo de um elemento liga bloqueia uma discordância em movimento.10 Explique os diferentes estágios de fluência.11 O que é recuperação, rescristalização e crescimento de grão? Descreva esses fenômenos.12 Qual a distinção entre trabalho a frio e trabalho a quente para um metal. Para o tungstênio, por exemplo, qualseria a temperatura limite entre um e outro?13 Descreva a fratura dúctil e a fratura frágil.14 Qual a importância da temperatura de transição. Que estruturas estão mais susceptíveis à transformação dúctil-frágil?15 Explique porquê um metal monocristalino é mais macio e dúctil que um metal policristalino?16 Qual a possível relação entre resistência mecânica à tração de um metal e o resultado de dureza Brinell?Porquê?

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17 Qual a possível relação entre resistência mecânica e limite à fadiga de um metal? Porquê?18 Em que etapas pode-se dividir o processo de fadiga de um material metálico?19 A presença de discordância contribui positivamente ou negativamente para a deformação plástica de um metal?20 Explique a Figura 1 abaixo.21 Relacione a estrutura e as propriedades mecânicas apresentadas na Figura 2.

FIGURA 1 FIGURA 2


22 O cloreto de sódio é isolante no estado sólido. Entretanto no estado líquido, ele é um bom condutor. Justifique.23 As condutividades elétricas da maioria dos metais decrescem gradualmente com a temperatura, mas acondutividade intrínseca dos esemicondutores sempre cresce rapidamente com a temperatura. Justifique adiferença.24 Por que o efeito da temperatura na condutividade elétrica é, em geral, mais acentuado em um semicondutor doque em um isolante?25 A adição de pequenas quantidades (menos de um ppm) de arsênio no germânio aumenta drasticamente suacondutividade elétrica (semicondutor do tipo n), enquanto que a adição de pequenas quantidades (menos de umppm) de gálio no germânio também aumenta drasticamente sua condutividade elétrica (semicondutor do tipo p).Explique estes dois comportamentos.26 Por que a deformação plástica de um metal ou liga aumenta sua resistividade elétrica e o posterior recozimentoa diminui?27 Por que pequenas adições de soluto aumentam a condutividade elétrica do germânio e diminuem a do cobre?28 Pode um condutor metálico apresentar os fenômenos de ferroeletrecidade e/ou piezoeletrecidade?29 Qual a diferença entre condução eletrônica e condução iônica?30 Em termos de bandas de energia eletrônica, discuta a razão para a diferença na condutividade elétrica entremetais, semicondutores e isolantes.31 Quais são as principais diferenças e similaridades entre um material (a) diamagnético e paramagnético e (b)ferromagnético e ferrimagnético?32 O que é material magnético mole?33 O que é magnético duro?34 Desenhe um ciclo de histerese para um material magnético mole (por exemplo, ferro) recozido. Como adeformação plástica a frio altera o ciclo de histerese deste material?


35 Explique porquê materiais ferromagnético podem ser permanentemente magnetizados, enquanto materiaisparamagnéticos não podem.36 Qual é a diferença entre a estrutura cristalina espinélio e espinélio inverso?37 Explique brevemente porquê a magnitude de saturação de magnetização diminui com o aumento datemperatura para um material ferromagnético e porque o comportamento ferromagnético cessa acima datemperatura de Curie.38 Em um dia frio, as partes metálicas de um carro causam maior sensação de frio que as partes de plástico,mesmo estando na mesma temperatura. Justifique.39 Justifique as afirmativas a seguir (a) a condutividade térmica de um policristal é ligeiramente menor que a deum monocristal (do mesmo material). (b) uma cerâmica cristalina é geralmente melhor condutora térmica que umacerâmica amorfa.40 Defina nível de Fermi.41 A condutividade elétrica do alumínio é cerca de 20 ordens de grandeza maior que a da alumina. Por outro lado,a condutividade térmica do alumínio é apenas 8 vezes maior que a da alumina. Justifique.42 A condutividade térmica da alumina é maior que a condutividade térmica de um aço inoxidável austenítico dotipo 316 (Fe-19% Cr-11% Ni-2,5% Mo). Como você justifica o fato de um material cerâmico ser melhor condutor decalor que um material metálico?43 Explique brevemente a expansão térmica usando a curva do potencial de energia versus a distânciainteratômica.44 Compare o efeito da temperatura sobre a condutividade térmica e elétrica para materiais cerâmicos emetálioco.45 Para cada um dos pares de material apresentado decida qual deles tem a maior condutividade térmica.Justifique sua resposta. (a) prata pura; prata esterlina (92,5 Ag e 7,5 Cu % em peso); (b) sílica fundida; sílicapolicristalina.


46 A pele humana é relativamente insensível à luz visível, mas a radiação ultravioleta pode ser-lhe bastantedestrutiva. Isto tem alguma relação com a energia do fóton? Justifique.47 Quais as principais diferenças e similaridades entre um fóton e um fônon?48 Quando um corpo é aquecido a uma temperatura muito alta ele se torna luminoso. A medida que a temperaturaaumenta, a sua cor aparente muda de vermelho para amarelo e finalmente para azul. Explique.49 O silício não é transparente à luz visível mas é transparente à radiação infravermelha. Justifique50 Um cristal de KCl é irradiado com raios e adquire a cor púrpura. O cristal é colocado em um dessecador natemperatura ambiente. Com o passar do tempo, o cristal vai perdendo a cor. Justifique este comportamento.51 Por que alguns materiais transparentes são incolores e outros são coloridos? Por que a adição de zinco muda acor do cobre?

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Cm Cap 5 Mai 2012 Propriedades Cm Bergmann Vania 1