CIENCIAS DOS MATERIAIS
TRABALHO NR 04 12.9 (a) Liste as quatro classificações dos aços. (b) Para cada uma dessas classificações, descreva sucintamente as suas propriedades e aplicações típicas. Baixo Carbono Propriedades: sem resposta a tratamentos de calor; relativamente macios e fracos; e soldáveis. Aplicações típicas: carrocerias de automóveis, formas estruturais, tubulações, edifícios, pontes e latas.
usinada
Os aços Propriedades: tratável termicamente, combinações relativamente grandes de características mecânicas. Aplicações típicas: rodas ferroviárias e trilhos, engrenagens, virabrequins e peças de máquinas. Alto Carbono Propriedades: duro, forte, e relativamente frágil. Aplicações típicas: cinzéis, martelos, facas, lâminas de serra tico-tico. Aços de Alta Liga (aço e ferramenta) Propriedades: duros e resistentes ao desgaste; resistentes à corrosão em uma grande variedade de ambientes. Aplicações típicas: ferramentas de corte, brocas, talheres, processamento de alimentos e instrumentos cirúrgicos.
12.10 (a) Cite três razões devido às quais as ligas ferrosas são usadas tão amplamente. (b) Cite três características das ligas ferrosas que limitam a sua utilização. (a) ligas ferrosas são usados extensivamente porque: 1) Minérios de ferro existem em quantidades abundantes. 2) A extração econômica, refino e técnicas de fabricação estão disponíveis. 3) As ligas podem ser adaptados para ter uma ampla gama de propriedades. (b) As desvantagens de ligas ferrosas são: 1) Eles são suscetíveis à corrosão. 2) Têm uma densidade relativamente elevada. 3) Eles têm relativamente baixos de condutividade elétrica.
12.11 Explique sucintamente por que os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos não podem ser tratados termicamente. Ferríticos e aços inoxidáveis austeníticos não são tratáveis termicamente uma vez "tratável termicamente" é tomado para significar que martensite podem ser feitas para formar com relativa facilidade sobre têmpera austenite a partir de uma temperatura elevada. Para os aços inoxidáveis ferríticos, austenite não se formam após aquecimento, e, portanto, a transformação austenita-a-martensite não é possível. Para os aços inoxidáveis austeníticos, o campo de fase austenita estende-se a temperaturas tão baixas que a transformação martensítica não ocorre.
12.12 Qual é a função dos elementos de liga nos aços-ferramenta? Os elementos de liga em aços-ferramenta (por exemplo, Cr, V, W, e Mo) combinam-se com o carbono para formar compostos muito duros e resistentes ao desgaste do metal duro.
12.15 Compare os ferros fundidos cinzento e maleável em relação a: (a) Com relação à composição e tratamento térmico: Ferro cinzento - 2,5 para 4,0% em peso de C e 1,0-3,0% em peso de Si. Para a maioria dos ferros cinzentos não há calor tratamento após a solidificação. Ferro maleável - 2,5 para 4,0% em peso de C e menos de 1,0% em peso de Si. Ferro branco é aquecido num não oxidante, em uma temperatura entre 800 e 900°C durante um período de tempo prolongado. (b) Com relação à microestrutura: Ferro fundido cinzento - flocos de grafite são incorporados em uma matriz de ferrita ou perlita. Ferro maleável - aglomerados de grafite são incorporados em uma matriz de ferrita ou perlita. (c) Com relação às características mecânicas: Ferro fundido cinzento - relativamente fraco e quebradiço em tensão; boa capacidade de amortecimento de vibrações. Ferro maleável - força moderada e ductilidade.
12.17 Compare os ferros fundidos branco e nodular em relação a: (a) No que respeita à composição e tratamento térmico: Branco de ferro - 2,5 para 4,0% em peso de C e menos de 1,0% em peso de Si. Nenhum tratamento de calor, no entanto, resfriamento é rápido durante a solidificação. Ferro fundido nodular - 2,5 para 4,0% em peso de C, 1,0 a 3,0% em peso de Si, e uma pequena quantidade de Mg ou Ce. Um tratamento térmico a cerca de 700°C pode ser necessário para produzir uma matriz ferrítica. (b) No que diz respeito à microestrutura: Ferro branco - Há regiões da cementita intercalados dentro de perlita. Ferro fundido nodular - nódulos de grafite são incorporados em uma matriz de ferrita ou perlita. (c) Com relação às características mecânicas: Ferro Branco - Extremamente duro e quebradiço. Ferro fundido nodular - força moderada e ductilidade.
12.20 Qual é a diferença principal entre um latão e um bronze? Ambos os metais e bronzes são o cobre, ligas de base. Para latão, na liga principal o elemento é de zinco, enquanto que os bronzes são ligados com outros elementos tais como o alumínio, estanho, silício, ou níquel.
12.21 Porque os rebites feitos a partir de uma liga de alumínio 2017 devem ser refrigerados antes de serem usados? Rebites de uma liga de alumínio 2017 tem de ser refrigerado antes de serem usadas porque, depois de ser tratado termicamente, na precipitação eles endurecerem à temperatura ambiente. Uma vez feito a precipitação e endurecido, eles são muito forte e quebradiço a ser conduzido.
12.24 Diga quais as propriedades que distinguem, as limitações, e as aplicações para os seguintes grupos de ligas: ligas de titânio, metais refratários, superligas e metais nobres. ligas de titânio Características distintivas: densidade relativamente baixa, temperaturas de fusão elevadas, e as forças elevadas são possíveis. Limitação: por causa da reactividade química com outros materiais a temperaturas elevadas, estas ligas são caros para refinar. Aplicações: estruturas de aeronaves, veículos espaciais, e em química e petróleo indústrias. Metais refratários Características distintivas: temperaturas de fusão extremamente elevados; grande elástico módulos, durezas e pontos fortes. Limitação: alguma oxidação experiência rápida a temperaturas elevadas. Aplicações: matrizes de extrusão, peças estruturais de veículos espaciais, luz incandescente filamentos, x-ray tubos, e eletrodos de solda. superligas Entre as características distintivas: capazes de suportar altas temperaturas e atmosferas oxidantes para longos períodos de tempo. Aplicações: turbinas de aeronaves, reatores nucleares e equipamentos petroquímicos. Metais nobres Características distintivas: Altamente resistente à oxidação, especialmente a temperaturas elevadas; macio e dúctil. Limitação: muito caro. Aplicações: jóias, material de restauração dentária, moedas, catalisadores e termopares.
TRABALHO NR 05 5.1 Descreva de forma breve cada um dos tipos de cerâmicas que aparecem na classificação mostrada na figura 14.1 (figure 13.6) e exemplifique cada um deles com produto comercial encontrados na internet. Vidros - Materiais vítreos sensíveis a alterações na temperatura. Os materiais vítreos, ou não-cristalinos, não se solidificam do mesmo modo que os materiais cristalinos. Mediante o resfriamento e com a diminuição da temperatura, um vidro se torna continuamente mais e mais viscoso; não existe uma temperatura definida na qual o líquido se transforma em um sólido, como ocorre com os materiais cristalinos. A maioria dos vidros comerciais é do tipo sílica-soda-cal; a sílica é geralmente suprida na forma de areia de quartzo comum, enquanto o Na20 e o CaO são adicionados como soda barrilha (Na2CO3) e calcário (CaCO3). Ex: Garrafas, Vasilhames, Frascos, para-brisas de veículos. Produtos Argilosos - Uma das matérias-primas cerâmicas mais amplamente utilizadas é a argila. Esse ingrediente muito barato, encontrado naturalmente e em grande abundância, é usado frequentemente na forma como é extraído, sem qualquer melhoria na sua qualidade. Uma outra razão para a sua popularidade reside na facilidade com que os produtos à base de argila podem ser conformados; quando misturados nas proporções corretas, a argila e a água formam uma massa plástica que é muito suscetível a modelagem. Ex 1: Os produtos estruturais à base de argila incluem os tijolos de construção, os azulejos e as tubulações de esgoto, ou seja, aplicações onde a integridade estrutural é importante. Ex 2: Os materiais cerâmicos que incluem as louças brancas se tornam brancos após um cozimento a uma temperatura elevada. Estão incluídos nesse grupo porcelanas, louças de barro, louças para mesa, louça vitrificada e acessórios para encanamento (louças sanitárias). Além da argila, muitos desses produtos contêm também ingredientes não-plásticos que influenciam tanto as alterações que ocorrem durante os processos de secagem e cozimento como as características da peça acabada.
Refratários - Uma outra classe importante de materiais cerâmicos utilizados em larga escala são as cerâmicas refratárias. As propriedades características desses materiais incluem a capacidade de resistir a temperaturas elevadas sem fundir ou decompor, e a capacidade de permanecer não-reativo e inerte quando são expostos a ambientes severos, a habilidade para proporcionar isolamento térmico é com frequência uma consideração importante. Ex: Os materiais refratários são comercializados em uma grande variedade de formas, mas os tijolos são a forma mais comum. Dentre as suas aplicações típicas, podemos citar revestimentos de fornos para o refino de metais, a fabricação de vidro, tratamento térmico metalúrgico e a geração de energia. Obviamente, o desempenho de uma cerâmica refratária depende em grande parte da sua composição. Com base nisso, existem várias classificações, quais sejam: argila refratária, sílica, básica, e refratários especiais. Abrasivos - Cerâmicas abrasivas são usadas para desgastar por abrasão, esmerilhar ou cortar outros materiais que sejam necessariamente mais moles. Portanto, a exigência principal para esse grupo de materiais é a dureza ou resistência ao desgaste, além disso, um elevado grau de tenacidade é essencial para assegurar que as partículas abrasivas não sejam fraturadas com facilidade. As demais, podem ser produzidas em altas temperaturas a partir das forças abrasivas de atrito, de modo tal que são desejáveis algumas propriedades refratárias. Ex: Os diamantes, tanto naturais como sintéticos, são utilizados como abrasivos; entretanto, eles são relativamente caros. Os materiais cerâmicos abrasivos mais comuns incluem o carbeto de silício, o carbeto de tungstênio (WC), o oxido de alumínio (ou coríndon) e a areia de sílica. Cimentos - Quando misturados com água, os cimentos inorgânicos formam uma pasta capaz de assumir qualquer forma desejada. A subseqüente pega ou endurecimento do cimento é resultado de reações químicas que envolvem as partículas de cimento e que ocorrem à temperatura ambiente. No caso de cimentos hidráulicos, dentre os quais o cimento portland é o mais comum, a reação química é uma reação de hidratação. Cerâmica avançado - Muitas das nossas tecnologias modernas empregam e continuarão a empregar materiais cerâmicos avançados devido às suas exclusivas propriedades mecânicas, químicas, elétricas, magnéticas e óticas, bem como devido às suas combinações de propriedades. As técnicas de caracterização, processamento e confiabilidade dos materiais cerâmicos avançados precisam ser desenvolvidas para tornar esses materiais mais viáveis em termos de custo. Ex: As cerâmicas avançadas são empregadas para fins eletroeletrônicos e estruturais, como: ferramentas de corte, matrizes de extrusão, isoladores de velas de ignição, turbinas automotivas, mancais de rolamento, pistões e outros. Outra área de alta tecnologia é a da aplicação da biocerâmica na medicina (por exemplo, materiais cerâmicos estruturais para implantes). São também denominadas de cerâmica de alto desempenho, cerâmica fina ou de alta tecnologia. 5.2 Explique cada um dos pontos específicos da escala de viscosidade para vidros que aparece na figura 14.4 (figure 14.16). O ponto de recozimento é que a temperatura à qual a viscosidade do vidro é de 10¹² Pa-s (10¹³P). A partir da tabela, estas temperaturas passa por vários estágios como se segue: vidro Soda - cal borosilicato Sílica 96% sílica fundida
Temperatura de recozimento 500°C (930°F) 570°C (1060°F) 930°C (1705°F) 1170°C (2140°F)
5.3 Descreva de forma breve as principais características dos tipos de plásticos que aparecem na tabela 16.3 (table 13.12) e exemplifique cada um deles com produto comercial encontrado na internet. Acrilonitrila-butadieno-estireno – excepcional resistência e tenacidade, resistente a distorção térmica; boas propriedades elétricas; inflamável e solúvel em alguns solventes orgânicos. Ex: revestimentos de refrigeradores, equipamentos para grama e jardim, brinquedos, dispositivos de segurança em autoestradas Acrílicos (polimetil metacrilato) – excepcional transmissão de luz e resistência as intempéries; propriedades mecânicas apenas regulares. Ex: lentes, recipientes transparentes de aeronaves, equipamentos de desenho, cartazes de rua
Fluorocarbonos – quimicamente inertes em quase todos os ambientes, excelentes propriedades elétricas; baixo coefi e propriedades de escoamento a frio ruins. Ex: vedações anticorrossivas, valvulas e tubulações para produtos quimicos, mancais, revestimentos antiadesivos, peças de componentes eletronicos para operação a altas temperaturas. Os derivados de fluorocarbono pode atuar como fluoropolímeros, fluidos refrigerantes, solventes, anestésicos, fluorosurfactantes e depletores do ozônio. Poliamidas (náilons) – boa resistencia mecanica, resistencia a brasão e tenacidade, baixo coeficiente de atrito, absorvem água e alguns outros liquidos. Ex: mancais, engrenagens, cames, buchas, cabos e puxadores, e revestimentos para fios e cabos. A poliamida é um termoplástico que também é conhecido por nylon e pela sigla PA. As poliamidas possuem várias denominações que variam com as propriedades especificas de uso final desejado. Policarbonatos – dimensionalmente estáveis; baixa absorção de água; transparentes; resistência ao impacto e ductilidade muito boa; a resistencia quimica não é excepcional. Ex: capacetes de segurança, lentes, globos de luz, bases para Filmes fotograficos. Polietileno – quimicamente resistente e isolante elétrico, duro e coeficiente de atrito relativamente baixo; baixa resistencia e resistencia a intemperies ruim. Ex: garrafas flexeiveis, tambores, peças de baterias, bandeja de gelos, materiais para peliculas de embalagem. Polipropileno – resistente a distorção de calor; excelentes propriedades elétricas e resistenciaa fadiga; Quimicamente inerte; relativamente barato; resistencia ruim a luz ultravioleta; Ex: Garrafas esterilizáveis, pelicula para embalagens, gabinetes de televisores, malas de bagagem. Poliestireno – propriedades elétricas e clareza otica excelentes; boa estabilidade térmica e dimensional; relativamente barato. Ex: azulejos de paredes, caixa de baterias, brinquedos, painéis de iluminação interna, carcaças de instrumentos. Vinis – bons materiais de custo reduzido para uso geral, normalmente rigidos, mas podem ser feitos flexiveis pela adição de plastieizantes, frequentemente copolimerizados, suscetiveis a distorção térmica. Ex: revestimentos de pisos, tubulações, isolamento térmico de fios, mangueiras de jardim, discos fotograficos. 5.4 Descreva de forma breve as principais características dos tipos de elastômeros que aparecem na tabela 16.4 (table 13.13) e exemplifique cada um deles com produto comercial encontrado na internet. Problemas referentes ao capítulo sobre Compósitos. São problemas do livro. (Cap 17) Poli-isopreno natural – excelentes propriedades físicas, boa resistência ao corte, ao entalhe e a abrasão, baixa resistência ao calor, ao ozônio e ao óleo, boas propriedades elétricas. Ex: pneus e tubos, biqueiras e solas, juntas e gaxetas Copolímero (estireno-butadieno) – boas propriedades físicas, excelente resistência a abrasão, não possui resistência a óleo, ozônio ou ao tempo, propriedades elétricas boas, porem não excepcionais. Ex: pneus e tubos, biqueiras e solas, juntas e gaxetas Copolímero (acrilonitrila-butadieno) – excelente resistência a óleos vegetais, animais e de petróleo, propriedades ruins a baixas temperaturas, propriedades elétricas não são excepcionais. Ex: mangueiras para gasolina, para produtos químicos e para óleo; vedações e o-rings, biqueiras e solas. Cloropreno – excelente resistência ao ozônio, ao calor e as intempéries; boa resistência ao óleo, excelente resistência a chamas; não é tão bom em aplicações elétricas como borracha natural. Ex: fios e cabos; revestimentos de tanques para produtos químicos; correias, mangueiras, vedações e gaxetas. Polissiloxano – excelente resistência a temperaturas altas e baixas, baixa resistência; excelentes propriedades elétricas. EX: isolante térmico para temperaturas altas e baixa, vedações, diafragmas, tubos para uso com alimentos e para fins medicinais.
17.1 Cite a diferença geral entre os mecanismos de aumento de resistência para compósitos reforçados com partículas grandes e compósitos reforçados com partículas que têm o aumento de resistência por dispersão. A principal diferença entre o reforço mecanismo da partícula grande e dispersão de partículas reforçada de compósitos reforçados é que, para grande partícula as interações de partículas de matriz não são tratadas no nível molecular, ao passo que, para a dispersão-reforço estas interações são tratadas no nível molecular . 17.2 As propriedades mecânicas do alumínio podem ser melhoradas pela incorporação de partículas finas de óxido de alumínio (Al2O3). Sabendo-se que os módulos de elasticidade para esses materiais são, respectivamente, 69 GPa (10 X 106 psi) e 393 GPa (57 X 106 psi), plote o gráfico (sete pontos são suficientes para cada limite) do módulo de elasticidade em função do volume percentual de Al2O3 no Al entre 0 e 100%vol, usando as expressões (17.1) e (17.2) [expressions (15.1) e (15.2)] para os limites superior e inferior.
17.6 (a) Qual é a distinção entre as fases matriz e dispersa em um material compósito? (b) Compare as características mecânicas das fases matriz e dispersa para compósitos reforçados com fibras. (a) A fase de matriz é uma fase contínua que rodeia o contínuo não dispersa fase. (b) De um modo geral, a fase de matriz é relativamente fraca, tem um baixo módulo elástico, mas é bastante dúctil. Por outro lado, a fase de fibra é normalmente bastante forte, duro, e quebradiços. 17.7 (a) Qual é a distinção entre cimento e concreto? (b) Cite três limitações importantes que restringem o uso do concreto como material estrutural. (c) Sucintamente, explique três técnicas utilizadas para aumentar a resistência do concreto por reforço. (a) Concreto é constituído por um agregado de partículas que são ligados por um cimento. (b) Três limitações de concreto são: 1) é um material relativamente frágil e quebradiço, 2) experimenta relativamente grandes expansões térmicas (contrações) com alterações de temperatura e; 3) pode estalar quando expostos a ciclos de congelamento-descongelamento. (c) Três técnicas de reforço de concreto são: 1) o reforço com fios de aço, varetas, etc, 2) o reforço com fibras finas de um material de módulo elevado, e 3 ) introdução de tensões de compressão residual por pré-esforço ou pós-tensionamento.
17.8 Para um compósito reforçado com fibras de matriz polimérica, (a) liste três funções da fase matriz; (b) compare as características mecânicas desejadas para as fases matriz e fibra; e (c) cite duas razões pelas quais deve existir uma ligação forte entre a fibra e a matriz na sua interface. (a) Três funções da fase de polímero de matriz são: 1) para ligar as fibras em conjunto de modo que a tensão aplicada é distribuído entre as fibras; 2) a proteger a superfície das fibras a partir de serem danificados, e 3) para separar as fibras e inibir a propagação de fissuras. (b) A fase de matriz tem de ser dúctil e é geralmente relativamente macio, enquanto que a fase de fibra deve ser rígida e forte. (c) deve haver uma forte ligação interfacial entre a fibra e matriz, a fim de: 1) maximizar a transmitância tensão entre a matriz e as fases de fibras; 2) minimizar a saida da fibra, e a probabilidade de fracasso.
17.12 Dizer se é possível produzir um compósito com matriz epóxi e fibras aramidas contínuas e orientadas que possua módulos de elasticidade longitudinal e transversal de 57,1 GPa (8,28 X 106 psi) e 4,12 GPa (6 X 105 psi), respectivamente. Por que isso é ou não possível? Admita que o módulo de elasticidade do epóxi é de 2,4 GPa (3,50 X 105 psi). Este problema pede-nos determinar se é possível produzir uma aramida contínua e orientada de fibra epoxicompósito com matriz de ter módulos longitudinais e transversais de elasticidade de 57,1 GPa e 4,12 GPa, respectivamente, uma vez que o módulo de elasticidade para o epóxi é de 2,4 GPa. Além disso, a partir da Tabela 17,4 o valor de E para fibras de aramida é 131 GPa. A abordagem para resolver este problema consiste em calcular dois valores de Vf usando os dados e Equações (17.10b) e (17,16); se eles são os mesmos, em seguida, este composto é possível. Para o módulo de elasticidade longitudinal ECL, Ecl = Em[1 - Vfl] + EfVfl 57.1 GPa = (2.4 GPa)[1 - Vfl] + (131 GPa)Vfl Resolvendo esta expressão para a produção Vfl Vfl = 0,425. Agora, repetindo este procedimento para o módulo transversal Ect
Resolvendo esta expressão para VFT leva a VFT = 0,425. Assim, uma vez que Vfl e VFT são iguais, o composto proposto é possível.
17.14 Para um compósito reforçado com fibras contínuas e orientadas, os módulos de elasticidade nas direções longitudinal e transversal são de 19,7 e 3,66 GPa (2,8 X 106 e 5,3 X 105 psi), respectivamente. Se a fração volumétrica das fibras é de 0,25, determine os módulos de elasticida¬de das fases fibra e matriz.
E
Resolvendo essas duas expressões simultaneamente para Em Ef e leva a
17.16 Em um compósito de náilon 6,6, reforçado com fibras de vidro contínuas e alinhadas, as fibras devem suportar 94% de uma carga aplicada na direção longitudinal. (a) Usando os dados fornecidos na tabela abaixo, determine a fração volumétrica de fibras que é necessária.
Agora,
Substituindo pela E f e E m
E, para resolver os rendimentos Vf, Vf = 0,418. (b) Qual será o limite de resistência à tração deste compósito? Considere que a tensão na matriz no momento da falha da fibra seja de 30 MPa (4350 psi). (b) Estamos agora pediu a resistência à tracção do presente composto. A partir da Equação (17,17),
vez que os valores para sf * (3.400 MPa) e sm '(30 MPa) são dadas no enunciado do problema.
17.24 (a) Liste quatro razões pelas quais as fibras de vidro são mais comumente utilizadas como reforço. (b) Por que a perfeição da superfície das fibras de vidro é tão importante? (c) Quais medidas são tomadas para proteger a superfície das fibras de vidro? (a) As quatro razões pelas quais as fibras de vidro são mais comumente utilizados para reforço estão listados abaixo: 1. É facilmente estirado na forma de fibras de alta resistência a partir do seu estado fundido. 2. É um material amplamente disponível e pode ser fabrica do economicamente para formar um plástico reforçado com vidro, empregando-se uma ampla variedade de técnicas de fabricação de materiais compósitos. 3. Como uma fibra, ele é relativamente forte, e quando se encontra no interior de uma matriz de plástico produz um compósito que possui resistência específica muito alta. 4. Quando associado com diferentes plásticos, ele possui uma inércia química que torna o compósito útil para aplicação em meio a uma variedade de ambientes corrosivos. (b) A perfeição superfície de fibras de vidro é importante porque defeitos na superfície ou fissuras actuará aspoints de concentração de tensões, o que irá reduzir drasticamente a resistência à tracção do material. (c) Deve ser tomado cuidado para não esfregar ou abrasão da superfície após as fibras são extraídas. Como uma protecção surfasse, as fibras de recém-extraídas são revestidos com uma película de superfície de protecção. 17.25 Cite a distinção entre o carbono e a grafita. "Graphite" é carbono cristalino tendo a estrutura mostrada na Figura 13,17, enquanto "carbono" será constituído por um material não cristalino, bem como áreas de desalinhamento cristal. 17.32 (a) Descreva sucintamente os painéis em sanduíche. (b) Qual é a razão principal para fabricação desses compósitos estruturais? (a) painéis de sanduíche são constituída por duas folhas de face exterior de um material de alta resistência que são separados por uma camada de um material de núcleo menos densa e baixa força. (b) A razão principal para a fabricação desses compostos é produzir estruturas para resistir a alta forças de um avião, alta rigidez de cisalhamento, e densidades baixas.
TRABALHO NR 06
19.20 Um fio metálico cilíndrico com 2 mm (0,08 pol.) de diâmetro é exigido para conduzir uma corrente de 10 A com uma queda mínima de voltagem de 0,03 V por pé (300 mm) de fio. Quais dos metais e ligas listados na Tabela 19.1 são possíveis candidatos?
Assim, a partir da Tabela 19.1, apenas alumínio, ouro, cobre, prata e são candidatos.
19.55 Em suas próprias palavras, explique o mecanismo segundo o qual a capacidade de armazenamento de cargas é aumentada pela inserção de um material dielétrico entre as placas de um capacitor. Um material dielétrico é um material que é isolante elétrico (não-metálico) e exibe ou pode ser feito para exibir uma estrutura de dipolo elétrico; isto é, existe uma separação das entidades eletricamente carregadas positivas e negativas em um nível molecular ou atômico. Como resultado de interações dipolo com os campos elétricos, os materiais dielétricos são utilizados em capacitores. 19.63 Você esperaria que as dimensões físicas dos materiais piezoelétricos tais como o BaTiO3, mudassem quando ele fosse submetido a um campo elétrico? Por que sim, ou por que não? II - Problemas referentes ao capítulo sobre Propriedades Térmicas. (Cap 20) Sim, as dimensões físicas de um material piezoeléctrico, tais como BaTiO3 mudança quando ele é submetido a um campo eléctrico. Como observado na Figura 19.34, uma tensão (ou campo eléctrico) é gerado quando as dimensões de um material piezoeléctrico são alterados. Seria lógico para esperar que o efeito inverso para ocorrer - isto é, colocando o material dentro de um campo eléctrico fará com que as suas dimensões físicas para mudar. 20.7 Uma tira bimetálica é construída a partir de tiras de dois metais diferentes que estão ligados ao longo dos seus comprimentos. Explique como tal dispositivo pode ser usado em um termostato para regular a temperatura. Os dois metais a partir da qual uma tira bimetálica é construído têm diferentes coeficientes de expansão térmica. Por conseguinte, uma mudança na temperatura fará com que a tira de se dobrar. Para um termostato que opera num forno, tal como a temperatura cai abaixo de um limite inferior, as curvas de tiras bimetálicas de modo a fazer um contacto eléctrico, assim, ao ligar o forno. Com a temperatura subir, as curvas de tiras no sentido oposto, quebrando o contacto (e rodando o forno desligado) quando uma temperatura superior limite é excedido. 20.14 Até que temperatura um bastão cilíndrico de tungsténio com 10,000 mm de diâmetro e uma placa de aço inoxidável 316 com um orifício circular de 9,988 mm de diâmetro devem ser aquecidos para que o bastão se ajuste exatamente no interior do furo? Considere que a temperatura inicial seja de 25°C.
Agora resolvendo para Tf dá Tf = 129,5 ° C
20.18 (a) A condutividade térmica de uma amostra dei monocristal é ligeiramente maior do que aquela apresentada por uma amostra policristalina do mesmo material. Por que este é o caso? (b) A condutividade térmica de um aço carbono simples é maior do que a de um aço inoxidável. Por que esse é o caso? III - Problemas referentes ao capítulo sobre Propriedades Magnéticas. (Cap 21) (a) A condutividade térmica de um cristal único é maior do que um espécime policristalino do mesmo material, porque ambas as fônons e electrões livres são dispersos em limites de grão, diminuindo assim a eficiência do transporte térmico. (b) A condutividade térmica de um aço-carbono simples é maior do que para um aço inoxidável, porque o aço inoxidável tem concentrações muito mais elevadas de elementos de liga. Átomos destes elementos de liga servir como dispersando centros para os electrões livres que estão envolvidas no processo de transporte térmico. 21.12 Cite as principais semelhanças e diferenças entre os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos. As semelhanças entre os materiais ferromagnéticos e ferrimagnético são como se segue: Existe uma interação de ligação entre momentos magnéticos dos átomos adjacentes / catiões para ambos os tipos de materiais. Ambos formam domínios. Comportamento da histerese BH é apresentado para ambos, e, assim, magnetizações permanentes são possíveis. As diferenças entre os materiais ferromagnéticos e ferrimagnético são como se segue: Acoplamento momento magnético é paralelo para materiais ferromagnéticos, e antiparalelas para ferrimagnético. Ferromagnéticos, sendo materiais metálicos, são relativamente bons condutores elétricos; na medida em que os materiais são ferrimagnéticos cerâmica, que são electricamente isolante. Magnetizações de saturação são mais elevadas para materiais ferromagnéticos. 21.18 Explique por que repetidas quedas de um ímã permanente sobre o chão irão fazer com que ele se torne desmagnetizado. Repetidamente soltando um ímã permanente no chão fará com que ele se desmagnetizado porque o ranger vai causar um grande número de dipolos magnéticos podem ficar desalinhados pela rotação de dipolo. 21.23 Cite as diferenças entre os materiais magnéticos duros e os materiais magnéticos moles, em termos tanto de seus comportamentos de histerese como das suas aplicações típicas. IV - Problemas referentes ao capítulo sobre Propriedades Óticas. (Cap 22) Em relação ao comportamento da histerese, um material rígido magnético tem uma remanência elevada, uma alta coercividade, uma densidade de fluxo de alta saturação, as perdas de energia elevada histerese, e uma baixa inicial permeabilidade; um material magnético macio, por outro lado, tem uma elevada permeabilidade inicial, uma baixa coercividade, e as perdas de energia de baixa histerese. No que se refere a aplicações, materiais magnéticos duros são utilizados para permanente imans; materiais magnéticos macios são usados em dispositivos que são submetidos a alternada campos magnéticos, como núcleos de transformadores, geradores, motores e dispositivos de amplificador magnético. 22.26 (a) Com suas próprias palavras, descreva sucintamente o fenómeno da luminescência, (b) Qual é a distinção entre a fluorescência e a fosforescência? (a) O fenómeno da luminescência é descrito na Secção 22,11 nas páginas 721 e 722. (b) A característica que distingue fluorescência a partir de fosforescência é a magnitude do intervalo de tempo entre a absorção de fotões e eventos reemission. A fluorescência é tempos de atraso para menos de um segundo; fosforescência ocorre para tempos mais longos.
22.27 (a) Com suas próprias palavras, descreva sucintamente o fenómeno da fotocondutividade. (b) O semicondutor seleneto de zinco, que possui um espaçamento entre bandas de 2,58 eV, seria fotocondutivo quando exposto à radiação de luz visível? Por que sim, ou por que não? (a) O fenómeno da fotocondutividade é explicado na secção 22,12, na página 722. (b) seleneto de zinco, tendo uma abertura da faixa de 2,58 eV, seria fotocondutor. A fim de ser fotocondutora, os electrões devem ser excitado a partir da banda de valência na banda de condução pela absorção de radiação de luz. De acordo com a equação (22.16a), a energia máxima diferença de banda para a qual não pode ser de absorção da luz visível é de 3,1 eV; uma vez que a energia da banda para ZnSe é inferior a este valor, fotoinduzida valência de banda-a-banda de condução de electrões transições irá ocorrer.
22.29 Com suas próprias palavras, descreva como opera um laser de rubi. Embora existam vários tipos diferentes de laser, os princípios de operação serão explicados utilizando-se como referência um laser de rubi em estado sólido. O rubi é simplesmente um monocristal de safira ao qual foi adicionado um teor de íons de aproximadamente 0,05%. Esses íons conferem ao rubi a sua coloração vermelha característica; ainda mais importante, eles proporcionam estados eletrônicos essenciais para o funcionamento do laser. O laser de rubi encontra-se na forma de um bastão, cujas extremidades são planas, paralelas, e altamente polidas. Ambas as extremidades são feitas prateadas, de modo tal que uma das extremidades é totalmente refletiva, enquanto a outra extremidade é parcialmente transmissora. O rubi é iluminado com a luz proveniente de uma lâmpada deflash de xenônio. A emissão espontânea inicial de fótons por uns poucos desses elétrons é o estímulo que dispara uma avalanche de emissões dos demais elétrons no estado metaestável. (Dos fótons direcionados paralelamente ao longo do eixo do bastão de rubi, alguns são transmitidos através da extremidade parcialmente prateada; outros, que incidem contra a extremidade totalmente prateada, são refletidos. Os fótons que não são emitidos nessa direção axial são perdidos. O feixe de luz viaja repetidamente para frente e para trás ao longo do comprimento do bastão, e a sua intensidade aumenta na medida em que mais emissões são estimuladas. Ao final, um feixe de alta intensidade, coerente e altamente colimado de luz laser, de curta duração, é transmitido através da extremidade parcialmente prateada do bastão. Esse feixe monocromático de luz vermelha possui um comprimento de onda de 0,6943 yu,m. Os materiais semicondutores, tais como o arseneto de gálio, também podem ser usados como lasers que são empregados em reprodutores de CD e na moderna indústria de telecomunicações. Uma exigência para esses materiais semicondutores é a de que o comprimento de onda, A, que está associado à energia do espaçamento entre bandas. As aplicações dos lasers são diversas. Uma vez que os feixes de lasers podem ser focados para produzir um aquecimento localizado, eles são utilizados em alguns procedimentos cirúrgicos e também para corte, solda e usinagem de metais. Os lasers também são usados como fonte de luz para sistemas de comunicação ótica. Ademais, corno o feixe é altamente coerente, ele pode ser utilizado para fazer medições de distância muito precisas.
