Materiais Eletricos e Magneticos - Aplicações dos Materiais

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Trabalho de Materiais Elétricos e Magnéticos 
 
Aplicação dos Materiais 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Alunos: André de Oliveira Dias 
 Jonas Ribeiro 
 
1. Transformador 
 
Um transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potência 
elétrica de um circuito a outro, transformando tensões, correntes e ou de modificar os 
valores das Impedâncias elétricas de um circuito elétrico. Trata-se de um dispositivo 
decorrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de 
Faraday e da Lei de Lenz. 
O transformador consiste de duas ou mais bobinas ou enrolamentos e um "caminho", ou 
circuito magnético, que "acopla" essas bobinas. Há uma variedade de transformadores 
com diferentes tipos de circuito, mas todos operam sobre o mesmo princípio de indução 
eletromagnética. 
No caso dos transformadores de dois enrolamentos, é comum se denominá-los como 
enrolamento primário e secundário, existem transformadores de três enrolamentos sendo 
que o terceiro é chamado de terciário. Existe também um tipo de transformador 
denominado Autotransformador, no qual o enrolamento secundário possui uma conexão 
elétrica com o enrolamento do primário. 
Transformadores de potência são destinados primariamente à transformação da tensão e 
das correntes operando com altos valores de potência, de forma a elevar o valor da 
tensão e consequentemente reduzir o valor da corrente. Este procedimento é utilizado 
pois ao se reduzir os valores das correntes, reduz-se as perdas por efeito Joule nos 
condutores. O transformador é constituído de um núcleo de material ferromagnético, 
como aço, a fim de produzir um caminho de baixa relutância para o fluxo gerado. 
Geralmente o núcleo de aço dos transformadores é laminado para reduzir a indução de 
correntes parasitas ou decorrente de Foucault no próprio núcleo, já que essas correntes 
contribuem para o surgimento de perdas por aquecimento devido ao efeito Joule. Em 
geral se utiliza aço-silício com o intuito de se aumentar a resistividade e diminuir ainda 
mais essas correntes parasitas. 
Transformadores também podem ser utilizados para o casamento de impedâncias, que 
consiste em modificar o valor da impedância vista pelo lado primário do transformador, 
são em geral de baixa potência. Há outros tipos de transformadores, alguns com núcleo 
ferromagnético, outros sem núcleo, ditos transformadores com núcleo de ar, e ainda 
aqueles com núcleo de ferrite. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. Reatores Eletromagnéticos 
 
 O reator eletromagnético é uma aparelho auxiliar que serve para dar partida 
estabilizada e firme à lâmpada fluorescente, sem cintilação em qualquer situação. Sem 
reator, a lâmpada ligada diretamente à rede irá exigir mais e mais corrente até se 
queimar; a corrente ideal para o funcionamento da lâmpada é limitada pelo reator. 
 
A lâmpada fluorescente é um tubo de vidro revestido internamente com um pó 
fluorescente (geralmente fósforo) e preenchida com um gás raro inerte (argônio). A 
corrente que atravessa o tubo produz a luz. Esta corrente deve ser limitada e estabilizada 
pelo reator para manter as características de funcionamento da lâmpada. 
 
Quando o reator não tem as características elétricas adequadas, ele estabiliza a corrente 
acima ou abaixo da necessária, causando queima prematura ou baixa emissão de luz, 
além do superaquecimento que aumenta o consumo, transformando a energia em calor e 
prejudicando a segurança da instalação (com risco de curtos-circuitos e incêndios). 
 
Na queima prematura da lâmpada, o reator estabiliza a corrente que flui dentro da 
lâmpada, através dos eletrodos, que devem ser aquecidos à temperatura correta. Se o 
reator permitir muita corrente através dos eletrodos, isto vai aquecê-los em demasia, 
produzindo manchas escuras nas extremidades da lâmpada e reduzindo sua vida. 
 
Quando a corrente está abaixo da ideal, a lâmpada emite menos luz e, para iluminar o 
ambiente, serão necessárias mais lâmpadas, consequentemente, os gastos de energia 
elétrica e compra de material para aumentar os pontos de luz serão maiores. Passando 
pouca corrente, os eletrodos não serão aquecidos de forma correta e quando a lâmpada 
tentar acender ela piscará várias vezes, causando um bombardeio dos eletrodos até que 
eles alcancem a temperatura ideal, o que também levará à redução da vida da lâmpada. 
 
Um reator eletromagnético é formado, basicamente, por uma bobina de fio de cobre 
enrolada ao redor de um núcleo de material ferromagnético. Para fazer acender a 
lâmpada fluorescente, este conjunto é ligado à rede elétrica. Neste momento, começa a 
circular uma corrente elétrica nesta bobina do reator e esta passagem de corrente elétrica 
pela bobina de fio de cobre gera uma perda de energia em forma de calor que é 
conhecida como perda JOULE, motivo pelo qual o reator esquenta quando funciona. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. Motor Elétrico 
 
Motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É 
o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da energia 
elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – 
com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às 
cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. 
 
A maioria de motores elétricos trabalham pela interação entre campos eletromagnéticos, 
mas existem motores baseados em outros fenômenos eletromecânicos, tais como forças 
eletrostáticas. O princípio fundamental em que os motores eletromagnéticos são 
baseados é que há uma força mecânica em todo o fio quando está conduzindo corrente 
elétrica imersa em um campo magnético. A força é descrita pela lei da força de Lorentz 
e é perpendicular ao fio e ao campo magnético. Em um motor giratório, há um elemento 
girando, o rotor. O rotor gira porque os fios e o campo magnético são arranjados de 
modo que um torque seja desenvolvido sobre a linha central do rotor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Capacitor 
 
Capacitor (português brasileiro) é um componente que armazena energia num campo 
elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica. 
Historicamente, a ideia de seu uso baseia-se na Garrafa de Leiden inventada 
acidentalmente em 1746 por Pieter van Musschenbroek na cidade de Leyden na 
Holanda. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Os formatos típicos consistem em dois eletrodos ou placas que armazenam cargas 
opostas. Estas duas placas são condutoras e são separadas por um isolante ou por um 
dielétrico. A carga é armazenada na superfície das placas, no limite com o dielétrico. 
Devido ao fato de cada placa armazenar cargas iguais, porém opostas, a carga total no 
dispositivo é sempre zero. 
 
 
 
 
Capacitância 
 
A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de 
um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo 
quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou tensão 
(V) que existe entre as placas: 
 
 
 
 
 
5. Interruptor (chave) 
 
O interruptor é um componente que, ligado a um circuito elétrico, tem como função 
interferir na circulação e distribuição de energia abrindo o circuito elétrico, 
interrompendo a corrente ou desviando-a de um condutor para outro. A forma mais 
familiar do interruptor é um dispositivo eletromecânico operado manualmente com um 
ou mais conjuntos de contatos elétricos. Cada conjunto de contatos podem estar em um 
dos dois estados: "fechado" quando os contatos estão a se tocar e a eletricidade pode 
fluir entre eles, ou "aberto" quando os 
contatos estão separados e não conduzindo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6. Disjuntor 
 
Disjuntor é um dispositivo eletromecânico que permite proteger uma determinada 
instalação eléctricacontra sobreintensidades (curto-circuitos ou sobrecargas). 
 
Sua principal característica é a capacidade de poder ser rearmado manualmente quando 
estes tipos de defeitos ocorrem, diferindo do fusível, que tem a mesma função, mas que 
fica inutilizado depois de proteger a instalação. Assim, o disjuntor interrompe a corrente 
em uma instalação elétrica antes que os efeitos térmicos e mecânicos desta corrente 
possam se tornar perigosos às próprias instalações. Por esse motivo, ele serve tanto 
como dispositivo de manobra como de proteção de circuitos elétricos. 
 
Atualmente é muito utilizado em instalações elétricas residenciais e comerciais o 
disjuntor magneto térmico ou termomagnético, como é chamado no Brasil. 
 
Esse tipo de disjuntor possui três funções: 
Manobra (abertura ou fecho voluntário do circuito). 
 
Proteção contra curto-circuito - Essa função é desempenhada por um atuador magnético 
(solenóide), que efetua a abertura do disjuntor com o aumento instantâneo da corrente 
elétrica no circuito protegido. 
 
Proteção contra sobrecarga - É realizada através de um atuador bimetálico, que é 
sensível ao calor e provoca a abertura quando acorrente elétrica permanece, por um 
determinado período, acima da corrente nominal do disjuntor. 
 
As características de disparo do disjuntor são fornecidas pelos fabricantes através de 
duas informações principais: corrente nominal e curva de disparo. Outras características 
são importantes para o dimensionamento, tais como: tensão nominal, corrente máxima 
de interrupção do disjuntor e número de pólos (unipolar, bipolar ou tripolar). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Acima uma fotografia do detalhe interno de um mini disjuntor termomagnético europeu 
de corrente nominal de 10 ampères e montagem em trilho DIN. 
 
1- Atuator - utilizada para desligar ou resetar manualmente o disjuntor. Também 
indica o estado do disjuntor (Ligado/Desligado ou desarmado). A maioria dos 
disjuntores são projetados de forma que o disjuntor desarme mesmo que o 
atuador seja segurado ou travado na posição "liga". 
2- Mecanismo atuator - une os contatos juntos ou independentes. 
3- Contatos - Permitem que a corrente flua quando o disjuntor está ligado e seja 
interrompida quando desligado. 
4- Terminais 
5- Trip bimetálico 
6- Parafuso calibrador - permite que o fabricante ajuste precisamente a corrente de 
trip do dispositivo após montagem. 
7- Solenóide 
8- Extintor de arco 
 
 
7. Fusíveis 
 
Um fusível corresponde a um dispositivo elétrico utilizado com um protetor de um 
circuito. Sua função é não permitir que correntes muito altas (sobrecorrente, corrente de 
curto-circuito) cheguem a um determinado equipamento e danifiquem-no. São 
compostos, em geral, de ligas de baixo ponto de fusão, que com o calor gerado pelas 
correntes altas fundem-se , provocando interrupção elétrica no circuito. 
 
 
Principais ligas fusíveis. 
 
 As principais ligas fusíveis são formadas pelos seguintes metais: chumbo, 
cádmio, estanho, bismuto e mercúrio. A tabela a seguir apresenta as principais ligas com 
percentagens de composição e pontos de fusão: 
 
 
 
Pb Sn Bi Cd Hg
Ponto de fusão ºC
67% 33% ---- ---- ---- 200ºC
38% 62% ---- ---- ---- 183°C
50% ---- 50% ---- ---- 165°C
32% 50% ---- 18% ---- 145°C
27% 13% 50% 10% ---- 72°C
20% ---- 20% ---- 60% 20°C
 
 
 
 
A liga Chumbo-Estanho é a mais utilizada. 
 
Aspectos de Segurança dos materiais Fusíveis. 
 
O Fusível deve possuir sempre um isolante para envolvê-lo, afim de proteger os demais 
elementos do circuito. 
Preferencialmente escolhem-se ligas que se volatilizam na fusão, ao invés das que 
deixam glóbulos de metais sólidos. 
O fusível deve estar protegido por um isolante forte, capaz de aguentar pressões e 
temperaturas geradas. Estes isolantes(também chamados de invólucros) devem possuir 
uma “janela de inspeção” que permita visualizar o estado do fusível. 
 
Especificações e tipos de fusíveis. 
 
 Os fusíveis são separados em tipos de acordo com a corrente suportada e tensão 
de trabalho. Um fusível é representado em um circuito da seguinte maneira: 
 
 
 
 Os elementos que compõem o fusível são: elo fusível; corpo protetor; janela de 
inspeção, terminais metálicos. Ao abordarmos cada tipo de fusível serão mostrados estes 
elementos. 
 
 
Especificação de corrente: Corrente nominal (In) é o valor eficaz de corrente suportada 
pelo fusível , sem que ocorram quaisquer alterações que venham a prejudicar a 
integridade de seus materiais componentes . Este valor normalmente encontra-se 
impresso no corpo do fusível. 
 
 
Especificação de tensão: Tensão nominal de trabalho (Vn) é o valor de tensão máxima 
de utilização do componente. Este valor é dado em função da qualidade do fusível, 
estando diretamente relacionado com a natureza do material isolante empregado. 
 
 
 
Outras especificações: Fusível rápido ou de queima rápida e fusível retardado ou de 
queima retardada. 
Tipos de Fusíveis. 
Fusível Rolha: normalmente utilizado em circuitos de iluminação e força. Bastante 
comum em instalações domésticas. 
 
Valores de In: 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 100 A. 
Valor de Vn: 250 V. 
 
 
 
 
 
Fusível Cartucho: Utilizado em circuitos de correntes mais elevadas, principalmente em 
circuitos de iluminação e filtros de linha. 
 
 
 Valores de In:10; 15; 20; 30; 40; 50; 60;100 A 
 Valores de Vn: até 250 V ou até 500 V. 
 
 
 
 
 
Fusível tipo Faca: Utilizado em circuitos de correntes muito elevadas. Possui uma 
redução no Elo do Fusível afim de localizar o ponto em que houve a fusão. 
 
Valores de In: 80;100; 150; 200; 250 ;300; 400; 500; 600 A 
Valores de Vn: até 250 V ou até 500 V. 
 
 
 
 
Fusível DIAZED: É um fusível de uso industrial de fabricação da Siemens. São 
produzidos tanto do tipo fusão rápido quanto do tipo lento. 
 
d.1) Fusível diazed de capacidade média: 
 
 
 
Valores de In: 6; 10; 15; 20; 25; 30; 60 A(rápidos); 
 80; 100; 125; 160; 200 A (retardados). 
Valores de Vn: até 250 V ou até 500 V. 
 
Este tipo de Fusível apresenta uma pedra (espoleta) de cor que se desprende de sua 
posição quando queimado. 
 
 
 
 
 
d.2) Fusível Diazed de alta capacidade. Tipo NH 
 
Utiliza a cerâmica como isolador e é fabricado nas capacidades de 36 a 1000 A com 
tensão máxima de 36 a 1000 A com tensão máxima de trabalho até 500 V. Bastante 
aplicado em motores elétricos e circuitos sujeitos a sobrecargas rápidas. 
 
Fusível para alta tensão: normalmente empregado para correntes elevadas em circuitos 
de alta tensão. Utilizado junto a disjuntores magnéticos , nos circuitos de proteção. É 
constituído com invólucros isolantes de alta rigidez dielétrica. 
 
 
 
Fórmula de Preece. 
 
A fórmula de Preece estabelece a relação matemática entre o diâmetro da liga fusível e a 
corrente necessária para a fusão. 
Seja um fio condutor abaixo, de diâmetro d e comprimento l, percorrido por uma 
corrente I. 
 
 
 
 
Energia Joule produzida pela passagem de corrente I Coulombs/s. 
 W= 0,24 R * I² *t (cal) (no sistema internacional); 
 P= 0,24 *R*I² (cal/s); ( 1 ) 
 
 Energia e potencia irradiadas(Lei de Newton): 
 
 Wirr = e *∆θ*A*t (cal) Pirr = e*∆θ*A 
 
 Onde, e – emissividade térmica do material (cal/°C m² s) 
Área lateral do fio 
∆θ – variação da temperatura produzida pela passagem da corrente I. 
 
 Assim, Pirr = e ∆θ A (2) 
 
 No equilíbrio, tem-se a igualdade entre (1) e (2) 
 
 Potência produzida = Potencia irradiada 
 0,24 R I² = e ∆θ A 
 
 Para a geometria cilíndrica da liga fusível, tem-se: 
 
 R= ρ l_ S= π r² r = d/2 R= ρv _4l_ 
 S πd² 
 
 Observação: A= π d l 
 
 0,24 ρv _4l_ I² = e ∆θπ d l 
 πd² 
 
 Variação da temperatura para o início da fusão (é uma constante para um 
material). 
 
 ∆θ = Tfusão – Tambiente 
 
 ∆θ=_4 x 0,24_ x _ρv_ x _I²_ 
 Π² e d³ 
 
 Mas , K =_4 x 0,24_ x _ρv_ K= 9,78 x 10 -2 _ρv_ 
 Π² e e 
 
 K é um fator inerente à forma e à natureza do material utilizado na liga. 
 Logo ∆θ = K _I²_ 
 d³ 
 
 O valor (∆θ / K) ½ é tabelado para os diferentes materiais: 
 (∆θ / K) ½ = a 
 
 Assim se _∆θ_ = _I²_ , I² = a² d³ 
 K d³ 
 
 Observação: Nesta fórmula, ∆θ é a variação de temperatura que leva o material à 
fusão. A forma mais conhecida da fórmula de Preece é 
 
 I= a d3/2 
 
 Onde, I—corrente de fusão do fio 
 a—parâmetro tabelado 
 d--- diâmetro do fio. 
 
 Pela fórmula , conclui-se que a capacidade de um fusível está ligada diretamente 
ao tipo de liga, sua forma, dimensões e emissividade da liga. 
 
Valores de “a” para alguns metais e ligas fusíveis 
(para d em mm e I em ampères) 
 
 Cobre.............................................................................................a=80 
 Alumínio.....................................................................................a=59,3 
 Constantan.................................................................................a=44,4 
 Prata Alemã................................................................................a=40,9 
 Estanho.......................................................................................a=12,83 
 Chumbo......................................................................................a=10,77 
 67 chumbo + 33 estanho.............................................................a= 10,30 
 
 Uma fórmula que permite o cálculo de seção de um fusível em função do tempo 
para a fusão é deduzida a seguir, a partir do equilíbrio calorimétrico no material na 
proximidade da sua fusão: 
 
 0,24 R I² t = m c ∆T = m c (Tf – Ta ) 
 
 Onde, Tf = temperatura de fusão do metal em ºC 
 Ta = temperatura ambiente 
 m = massa do material 
 c = calor específico do material 
 
 
 Assim, S = I * [(k´t)/( ∆t)] ½ 
 
 Onde, S—seção do fio, em mm² 
 I---corrente em ampères 
 k´---constante do material, dada por: 
 
 k´ = _0,24_ρv_ ( ver tabela abaixo) 
 c mexp 
 
 t--- tempo em segundo 
 ∆T--- diferença em °C entre a temperatura de fusão do metal e a temperatura 
ambiente. 
 mexp--- massa específica 
 
 
Tabela dos valores de k´ 
 
Alum ín io Cob re Chum bo
0 ,0 1 1 0 ,0 0 5 0 ,1 4
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. Relé 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Um relé é um interruptor acionado eletricamente. A movimentação física deste 
"interruptor" ocorre quando a corrente elétrica percorre as espiras da bobina do relé, 
criando assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca responsável pela 
mudança do estado dos contatos. O relé é um dispositivo eletromecânico ou não, com 
inúmeras aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos. Servindo para ligar 
ou desligar dispositivos. É normal o relé estar ligado a dois circuitos elétricos. No caso 
do Relé eletromecânico, a comutação é realizada alimentando-se a bobina do mesmo. 
Quando uma corrente originada no primeiro circuito passa pela bobina, um campo 
eletromagnético é gerado, acionando o relé e possibilitando o funcionamento do 
segundo circuito. Sendo assim, uma das aplicabilidades do relé é utilizar-se de baixas 
correntes para o comando no primeiro circuito, protegendo o operador das possíveis 
altas correntes que irão circular no segundo circuito (contatos). 
 
A mudança de estado dos contatos de um relé ocorre apenas quando há presença de 
tensão na bobina que leva os contatos a movimentarem-se para a posição normal 
fechado (NF) ou normal abertos (NA) quando esta tensão é retirada - este princípio 
aplica-se para relés tudo ou nada. Em diversos países a nomenclatura NA e NF são 
encontradas como NO (Normal Open) ou NC (Normal Closed). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9. Para-Raios 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Um para-raios (AO 1990: para-raios) é uma haste de metal, comumente de cobre ou 
alumínio, destinado a 
dar proteção as edificações atraindo as descargas elétricas atmosféricas, raios, para as 
suas pontas e desviando-as para o solo através de cabos de pequena resistência elétrica. 
Como o raio tende a atingir o ponto mais alto de uma área, o para-raios é instalado no 
topo do prédio. 
Chama-se também para-raios, ou descarregador, o aparelho destinado a proteger 
instalações elétricas contra o efeito de cargas excessivas (sobretensões) e descarregá-las 
na terra. 
Para diferenciar do para-raios de Melsens, chama-se o para-raios que tem o poder das 
pontas por princípio de para-raios de Franklin. 
A fim de provar que os raios não são descargas elétricas da natureza, o americano 
Benjamin Franklin procedeu a uma experiência famosa, com base na qual inventou o 
seu para-raios. Durante uma tempestade, empinou uma pipa e constatou o poder das 
pontas de atrair raios ao observar as faíscas que se produziam nas chaves atadas à ponta 
do cordel em suas mãos e imaginando uma utilidade. 
 
Admite-se que a zona de proteção desse tipo de para-raios é igual a um cone com 
vértice na ponta da antena, raio no solo e altura equivalente do chão à ponta da antena. 
O vértice e a geratriz do cone forma um ângulo de 55º para estruturas com nível de 
proteção exigido classe IV para outros níveis este ângulo varia em função da altura do 
captor em relação ao solo (ver tabela - NBR-5419), conforme a figura ao lado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para descobrir o raio de proteção de um para-raio, utiliza-se a formula 
 
 onde h é a altura em metros e A o ângulo em graus.