APLICAÇÕES DOS MATERIAS CONDUTORES, DIELÉTRICOS E SEMICONDUTORES NA ENGENHARIA ELÉTRICA E EFEITO CORONA.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAPÁ

APLICAÇÕES DOS MATERIAS CONDUTORES, DIELÉTRICOS E SEMICONDUTORES NA ENGENHARIA ELÉTRICA E EFEITO CORONA.

WERMERSON RAYAN SÁ VIEIRA

Introdução

Semicondutores são materiais para os quais a 0 K (zero Kelvin), a banda de
valência, BV, está totalmente preenchida e a banda de condução, BC, totalmente  vazia, funcionando nessa condição como isolantes. Porém, como o intervalo de  energia proibido “GAP” é estreito, da ordem de 1,1 eV para o silício e 0,72 eV para o  germânio, a temperatura ambiente alguns elétrons podem ser excitados  termicamente para a banda de condução deixando na banda de valência estados  vacantes (lacunas), que se comportam como partículas positivas. Deste modo, cada  excitação térmica que promove um elétron para a banda de condução forma dois  portadores de carga: o elétron e a lacuna. Além de energia térmica para provocar  esta excitação outros meios podem ser utilizados para bombardear-se o material,  como o uso de radiação: luz, raios , elétrons, etc. 

A condutividade dos semicondutores não é mais alta daquela dos condutores,  (metais), entretanto, eles têm algumas características elétricas que os tornam especiais. As propriedades elétricas desses materiais são extremamente sensíveis à  presença de impurezas, mesmo em muito pequenas concentrações. Os  semicondutores intrínsecos são aqueles nos quais o comportamento elétrico está  baseado na estrutura eletrônica inerente do material puro, mas quando as  características elétricas são determinadas por átomos de impurezas, o semicondutor  é extrínseco.

desenvolvimento

Semicondutores são materiais que possuem condutividade intermediária, entre condutores e isolantes. Esses pequenos dispositivos são impactantes na sociedade atual, pois estão presentes em todos os aparelhos eletrônicos. A maioria dos semicondutores é composta por silício, porém, o germânio também pode ser utilizado por possuir propriedades em comum. São semicondutores o diodo, o LED e o transistor.

Funcionamento

O silício possui quatro elétrons em sua camada de valência e estabelece quatro ligações com os átomos vizinhos, criando uma rede cristalina. Como todos os elétrons estabelecem ligações covalentes, eles não podem se mover, sendo assim, não podem conduzir corrente elétrica, portanto, quando puro, o silício possui condutividade próxima de zero. Essa condição pode ser alterada de duas formas:

Variando a temperatura: em baixas temperaturas, o silício apresenta as camadas da banda de valência preenchidas por elétrons. Conforme se eleva a temperatura, os elétrons da última camada “libertam-se” de sua ligação, tornando-se elétrons livres que podem conduzir corrente elétrica.

Pelo processo de dopagem: consiste na adição de uma substância diferente do silício, que pode ser denominada impureza. Com esse processo, é possível controlar a concentração de portadores de carga e assim modificar as propriedades elétricas do material.

Tipos de dopagem

A dopagem pode ser de dois tipos: N ou P

Tipo N – São adicionados ao silício átomos de fósforo ou arsênio. Esses elementos possuem cinco elétrons na sua camada de valência, porém, ao serem acrescentados à rede cristalina do silício, não é possível que todos esses elétrons estabeleçam ligações. Fica, portanto, um elétron livre, que se caracteriza por possuir carga negativa, por isso a denominação N. Pouca quantidade dessas impurezas já possibilita a existência de elétrons livres suficientes para estabelecer corrente elétrica.

Tipo P – as substâncias adicionadas podem ser o bório ou o gálio. Esses elementos possuem apenas três elementos na última camada, que, quando se ligam ao átomo de silício, deixam um “buraco”, ou seja, a falta de um elétron, o que possibilita a passagem da corrente elétrica. Essa ausência tem a propriedade de carga positiva, por isso o nome P.

Led: um semicondutor que emite luz
Led: um semicondutor que emite luz<https://alunosonline.uol.com.br/fisica/semicondutores.html>

Os semicondutores mais utilizados:

O silício e o germânio são os semicondutores mais utilizados no mercado. Vamos tomar como exemplo o silício. Em estado sólido, ele é sempre ligado a quatro outros átomos de silício. Em cada ligação, são compartilhados dois elétrons. Como pode ser observado na figura 1, o silício é um isolante, pois não sobram elétrons livres.

silício
silício<https://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/semicondutores-tipos-mais-comuns-de-semicondutores.htm>

Aplicações na Engenharia Elétrica:

  • Fabricação de diodos
  •  Transistores   
  • Microprocessadores
  • Nanocircuitos


Dielétricos


Os Dielétricos, também chamados de isolantes, são os materiais que fazem oposição à passagem da corrente elétrica. Nesses materiais os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo dos átomos, ou seja, as substâncias dielétricas não possuem elétrons livres (fator necessário para que haja passagem de corrente elétrica). Dessa forma, não há possibilidade de passagem de corrente elétrica através dos dielétricos, os quais podem ser: borracha, porcelana, vidro, plástico, madeira e muitos outros.

As substâncias dielétricas são muito utilizadas no cotidiano, como também nos circuitos elétricos, como nos capacitores, por exemplo. Estes são elementos de circuito elétrico que tem como principal função fazer o armazenamento de cargas elétricas e podem assumir diferentes formas. Eles se constituem basicamente de duas placas paralelas que quando submetidas à diferença de potencial ocorre a passagem de corrente elétrica. De forma a evitar que essas placas entrem em contato, coloca-se entre elas um material dielétrico.

Apesar de não conduzirem corrente elétrica, caso um material dielétrico for submetido a um campo elétrico de altíssimas intensidades este poderá se tornar um condutor. Mas os materiais isolantes que são colocados entre as placas dos capacitores, por exemplo, são muito resistentes a esse fator, o que quer dizer que fica praticamente impossível fazer com que o isolante entre suas placas se torne um condutor.

Existem materiais em que os elétrons estão firmemente ligados aos respectivos átomos, isto é, essas substâncias ou não possuem elétrons livres ou o número de elétrons livres é relativamente pequeno. Portanto, não é fácil o deslocamento da carga elétrica através desses materiais, que são denominados isolantes elétricos ou dielétricos.


A porcelana, a borracha, o vidro, o plástico, o papel e a madeira são exemplos típicos de substâncias que se comportam como bons isolantes, em condições normais.  É importante lembrar que há uma classe de materiais que têm propriedades intermediárias entre os condutores e isolantes: a dos semicondutores. Por exemplo, o elemento silício e o germânio alteram-se entre o comportamento isolante e de condutor ao sofrerem pequenas variações das condições físicas a que estão submetidas.

Há elementos onde os elétrons estão unidos aos correspondentes átomos, ou seja, essas substâncias apresentam elétrons livres ou a quantidades de elétrons livres é moderadamente pequena. Dessa forma, não é simples a movimentação da carga elétrica por meio desses elementos, que são chamados de dielétricos ou isolante elétrico.

A borracha, a porcelana, o plástico, o vidro, a madeira e o papel são exemplos característicos de elementos que agem como excelentes isolantes, em situações normais.
É importante ressaltar que existe uma classe de elementos que apresenta características intermediárias entre os isolantes e condutores: a dos semicondutores. O germânio e o silício, por exemplo, variam entre o desempenho condutor e de isolante ao passarem por pequenas mudanças das circunstâncias física a que estão inseridos.


Condutores 


Condutividade é a propriedade da matéria de permitir que as cargas elétricas fluam em seu interior. Bons condutores são materiais que permitem que os elétrons se desloquem facilmente.


Os metais, em geral, são ótimos condutores de eletricidade. Neles, os elétrons fluem com facilidade. Por isso, o cobre, o alumínio e o estanho costumam ser empregados na fabricação de fios elétricos. 


Além dos metais, existem outros corpos condutores de eletricidade: o corpo humano, o solo, o ar úmido e outros. Os maus condutores de eletricidades são; a borracha, o plástico, a cerâmica e etc. Esses objetos são muito importantes, pois, eles fazem com que não ocorra curto-circuitos. Nesses materiais , os elétrons não conseguem se movimentar com facilidade. 


Há também os semicondutores que permite apenas alguma movimentação dos elétrons. Neles, a condutividade pode ser manipulada, variando-se artificialmente a composição do material, conforme se queira, ou não, a passagem das cargas elétricas. São a base da indústria microeletrônica. 


O silício (os chips que controlam equipamentos eletrônicos como calculadora e computadores) é o material semicondutor mais utilizado.

Os materiais que conduzem a energia, ou melhor, que permitem a passagem de cargas elétricas com facilidade, são chamados de condutores. Nos materiais condutores, os elétrons da última camada, também chamados de elétrons livres, estão fracamente ligados ao núcleo; dessa forma, podem ser arrancados facilmente dele. O ferro é um bom exemplo de um material condutor: ele possui apenas dois elétrons na última camada, que podem ser arrancados com facilidade do núcleo, por isso dizemos que ele é um bom condutor.


Os materiais condutores são bastante utilizados no dia a dia, por exemplo: fios de eletricidade nos postes de luz, fios de energia das nossas casas, nas indústrias de eletroeletrônicos, etc. 


Já os materiais que não conduzem eletricidade (não há movimento das cargas elétricas) são chamados de isolantes, ou seja, quando aplicamos uma diferença de potencial, não há movimento dos elétrons livres. Nesse caso, os elétrons da última camada, chamados elétrons livres, estão fortemente ligados ao núcleo.


Efeito Corona

Nas linhas em médias e altas tensões, a escolha das secções dos condutores geralmente se baseia em um equacionamento econômico entre perdas por efeito joule e os investimentos necessários. Nas linhas em tensões extra-elevadas e nas futuras linhas em tensões ultra-elevadas, o controle das manifestações do efeito corona pode ser o elemento dominante para orientar essa escolha.


As múltiplas manifestações do efeito corona tem implicações diretas com a economia das empresas concessionárias e com o meio ambiente no qual as linhas de transmissão se encontram. Todas são importantes, e por isso mesmo devem merecer dos projetistas a devida atenção. 


O efeito corona aparece na superfície dos condutores de uma linha aérea de transmissão quando o valor do gradiente de potencial aí existente excede o valor do gradiente crítico disruptivo do ar. Mesmo em um campo elétrico uniforme, entre dois eletrodos planos paralelos no ar, uma série de condições controlam essa tensão disruptiva, tais como a pressão do ar, a presença do vapor d’água, o tipo de tensão aplicada e a fotoionização incidente. No campo não uniforme em torno de um condutor, a divergência do campo exerce influencia adicional, e qualquer partícula contaminadora, como poeira, por exemplo, transforma-se em fonte punctual de descargas. 


Descargas elétricas em gases são geralmente iniciadas por um campo elétrico que acelera elétrons livres aí existentes. Quando esses elétrons adquirem energia suficiente do campo elétrico, podem produzir novos elétrons por choque com outros átomos. É o processo de ionização por impacto. Durante a sua aceleração no campo elétrico, cada elétron livre colide com átomos de oxigênio, nitrogênio e outros gases presentes, perdendo, nessa colisão, parte de sua energia cinética. Ocasionalmente um elétron pode atingir um átomo com força suficiente, de forma a excita-lo. Nessas condições, o átomo atingido passa a um estado de energia mais elevado. O estado orbital de um ou mais elétrons muda e o elétron que colidiu com o átomo perde parte de sua energia, para criar esse estado. Posteriormente, o átomo atingido pode reverter ao seu estado inicial, liberando o excesso de energia em forma de calor, luz, energia acústica e radiações eletromagnéticas. Um elétron pode igualmente colidir com um íon positivo, convertendo-o em átomo neutro. Esse processo, denominado recombinação, também libera excesso de energia. 


Toda a energia liberada ou irradiada deve provir do campo elétrico da linha, portanto, do sistema alimentador, para o qual representa perda de energia, por conseguinte, prejuízo. Essas perdas e suas conseqüências econômicas tem sido objeto de pesquisas e estudos há mais de meio século, não obstante, só recentemente se alcançaram meios que permitem determinar, com razoável segurança, qual o desempenho que se poderá esperar para as diversas soluções possíveis para uma linha de transmissão, no que diz respeito a essas perdas. De um modo geral, elas se relacionam com a geometria dos condutores, tensões de operação, gradientes de potencial nas superfícies dos condutores e, principalmente, com as condições meteorológicas locais. Constatou-se, por exemplo, que as perdas por corona em linhas em tensões extra-elevadas podem variar de alguns quilowatts por quilometro até algumas centenas de quilowatts por quilometro, sob condições adversas de chuva ou garoa. As perdas médias, como se verificou, podem constituir apenas pequenas partes das perdas por efeito joule, porém as perdas máximas podem ter influencia significante nas demandas dos sistemas, pois a capacidade geradora para atender a essa demanda adicional deverá ser prevista ou a diferença de energia importada. 

TIPOS DE DESCARGAS

Em condições normais de pressão ( 1 atmosfera ), podemos distinguir os seguintes tipos de descargas elétricas:


1. DESCARGA SILENCIOSA OU EFLÚVIOS

2. DESCARGA RADIANTE OU PENACHO

3. DESCARGA POR FAÍSCAS

4. DESCARGA POR ARCO




1. DESCARGA SILENCIOSA OU EFLÚVIOS


Tal como seu nome indica, ela não produz nenhum tipo de barulho ou luminescência. A região ionizada fica carregada eletricamente e o eletrodo repele os íons do mesmo sinal elétrico, produzindo assim o chamado Vento Elétrico. Ocorre nas regiões onde o campo elétrico toma valores elevados. A corrente de descarga existe porém sua intensidade é muito pequena. No entanto, se a superfície do eletrodo apresentam pequenos raios de curvatura, o campo elétrico deixa de ser uniforme e a densidade superficial de carga aumenta consideravelmente assim como a intensidade de dito campo elétrico. Nestes lugares a ionização se intensifica, tornando o vento elétrico mais intenso.

Se a ionização for ainda maior, o gás começa a se iluminar, e nos pontos onde o raio de curvatura é muito pequeno aparece uma luminosidade. Este é o Efeito Corona. A zona do gás adjacente à superfície iluminada é chamada de Camada do Efeito Corona, o restante da região de descarga denomina-se Região da Corrente Negra. No caso da corona se manifestar no eletrodo catódico, a corna se chama Corona Catódica ou Corona Negativa; nela os íons positivos são arrancam do cátodo os elétrons que originam a ionização volumétrica do gás. No caso da corona se produzir no eletrodo anódico, se denomina Corona Anódica ou Corona Positiva, e nela os elétrons surgem junto ao ânodo pela fotoionização do gás devido a radiação emitida pela camada do efeito corona.




2. DESCARGA RADIANTE OU DE PENACHO


Se aumentarmos a tensão dos eletrodos, a corona toma a forma de um penacho luminescente, em forma de feixes radiais intermitentes.




3. DESCARGA POR FAÍSCAS


Aumentando ainda mais a tensão entre os eletrodos, se produz uma ionização súbita e considerável no gás, devido a criação de canais de condução da descarga. Nestes canais de ionização, a corrente elétrica encontra uma resistência muito menor à passagem da mesma que nos casos anteriores. Desta forma a intensidade da corrente de descarga nestes canais é bem elevada. A repentina condução de corrente nestes canais produz o afastamento súbito do gás gerando assim uma onda de choque, a qual é percebida pelo observador pelo ruído caraterístico que as faíscas produzem. O processo também gera uma luminosidade apreciável no canal de descarga, o qual é perfurado através do gás pelo fluxo de partículas carregadas porém, a trilha percorrida é altamente instável devido aos múltiplos choques das partículas que constantemente mudam de posição, produzindo assim um canal sinuoso de forma arborescente. A passagem da faísca se produz a um potencial elétrico determinado denominado Potencial Disruptivo. No ar, quando a intensidade do campo elétrico atinge valores de 30 kilovolt por centímetro, sob pressão normal e com eletrodos de 20 mm de diâmetro, a faísca de descarga é produzida.


A pressão do gás e a forma dos eletrodos influem notavelmente nos valores do potencial disruptivo, este é o denominado Efeito das Pontas, resultando na diminuição dos valores do potencial disruptivo.


Para uma certa distância entre eletrodos, com o gás a 1 atm., a tensão sob a qual se produzem os efeitos corona e de faísca, são diferentes, sendo o primeiro maior que o segundo. Porém, à tensão de ruptura, o potencial disruptivo é muito mais sensível a diminuição da distância entre os eletrodos que a tensão para o efeito corona. Desta forma é possível encontrar uma distância crítica tal que para um afastamento entre os eletrodos menor que a distância crítica, já não mais é possível a existência do efeito corona e somente se produz a descarga por faíscas.




4. DESCARGA POR ARCO


No arco voltaico, a intensidade da corrente elétrica é muito elevada porém, a tensão entre os eletrodos é pequena. A temperatura do gás é muito alta e os eletrodos se aquecem considerávelmente. No arco, as partículas são aceleradas a grandes velocidades de maneira que atingem os eletrodos com violência, produzindo deformações físicas nos mesmos e gerando novos elétrons por emissão termoiônica. O gás pode atingir no canal de descarga temperaturas da ordem dos 5000 graus centígrados.


Referências

. Disponível em: http://www.uerjvillas.net.br/wp-content/uploads/2017/06/Grupo-B-Campo-El%C3%A9trico-e-Efeito-Corona-em-CCAT-2016.1.pdf. Acesso em: 25 Nov. 2019.

. Disponível em: https://alunosonline.uol.com.br/fisica/materiais-condutores-isolantes.html. Acesso em: 25 Nov. 2019.

. Disponível em: https://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/semicondutores-tipos-mais-comuns-de-semicondutores.htm. Acesso em: 23 Nov. 2019.

. Disponível em: https://www.manutencaoemfoco.com.br/efeito-corona-e-descargas-parciais/. Acesso em: 25 Nov. 2019.

. Disponível em: https://www.resumoescolar.com.br/fisica/material-dieletrico/. Acesso em: 23 Nov. 2019.

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