IIIparteTECMAT_1sem09

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Tecnologia dos Materiais
Prof. Luiz Henrique Alves de Medeiros
Universidade Federal de Pernambuco
Departamento de Engenharia Elétrica e Sistemas de Potência
Parte III
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Estabilidade térmica do materiais dielétricos
Comportamento perante a temperaturas elevadas
Materiais de elevada estabilidade não alteram suas características básicas
Sólidos sobretudo mecânicas
Líquidos, a viscosidade
Além das elétricas que são fundamentais
Desta forma, podem ser utilizados em temperaturas elevadas (denominadas temperaturas limites de trabalho contínuo), sem reduzir a segurança de funcionamento e o tempo de vida dos equipamentos onde estão sendo empregados
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Estabilidade térmica do materiais dielétricos
A temperatura de funcionamento de uma máquina está intimamente associada à sua vida esperada
Deterioração da isolação é uma função do tempo e da temperatura
Tal deterioração é um fenômeno químico envolvendo aumento na oxidação e endurecimento (tornando quebradiça), levando à perda de durabilidade mecânica e de rigidez dielétrica
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Estabilidade térmica do materiais dielétricos
Em muitos casos a taxa de deterioração é tal que a vida da isolação pode ser representada por uma exponencial
	
A e B são constantes
Valores dependem dos materiais envolvidos
T é a temperatura absoluta
Idéia aproximada da relação Vida-Temperatura para uma isolação orgânica
Tempo de Vida diminui a metade para cada 8°C a 10°C de elevação
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Classificação da IEC
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Observações apresentadas na publicação Nº 85 (IEC)
A vida útil dos materiais utilizados para isolamento de equipamentos e máquinas depende de vários fatores, tais como temperatura, esforços elétricos e mecânicos, vibrações, exposição a atmosferas nocivas, produtos químicos, umidade e sujeira de qualquer espécie
Os materiais isolantes poderão não suportar as temperaturas a eles atribuídas na classificação se estas forem mantidas durante tempo ilimitado
Permitirão uma duração adequada do material se forem mantidas durante longos períodos de tempo com intervalos de temperatura mais baixa
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Observações apresentadas na publicação Nº 85 (IEC)
As normas de um equipamento elétrico devem especificar a elevação de temperatura permissível acima do ar ambiente ou de outro meio refrigerante
Considera-se todos os materiais isolantes presentes em um equipamento como um sistema de isolamento, em vez de considerar cada material individualmente
Um novo sistema de isolamento pode ser considerado como possuindo condições de estabilidade térmica similar à de um sistema de isolamento já conhecido se, em condições análogas de funcionamento, o equipamento com o novo sistema de isolamento durar pelo menos tanto quanto equipamentos análogos possuindo o sistema de isolamento já conhecido
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Observações apresentadas na publicação Nº 85 (IEC)
A temperatura limite em que pode funcionar um sistema de isolamento depende da intensidade e da intermitência da carga a que estiver sujeito o equipamento em que é usado esse sistema de isolamento
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Aquecimento e resfriamento simultâneos
Principio básico
A quantidade de calor Q produzida é igual à quantidade de calor utilizada para o aquecimento do corpo, acrescida da quantidade de calor dissipada pelo fluido envolvente
Solução
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m
Massa do corpo
C
Capacidade calorífica
j
Temperatura
t
Tempo
K
Coeficiente de convecção
S
Área exposta ao arrefecimento
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Aquecimento e resfriamento simultâneos
O aquecimento segue, portanto, a uma lei de variação exponencial, caracterizada por uma constante de tempo mC/kS
Tempo necessário para que a temperatura atinja valor igual a 63% do seu valor final
Na prática, a constante de tempo térmica das máquinas varia de 0,5 a 3 ou 4 horas
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Aquecimento e resfriamento simultâneos
No aquecimento
	Para t=0 
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Aquecimento e resfriamento simultâneos
No regime permanente t=∞ 
No resfriamento a curva é a inversa do aquecimento
Para t’=0 (inicio do resfriamento)
Quando cessam as causas do aquecimento Q  0
Para t muito grande 
	
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Condutores elétricos 
Conceitos 
São materiais que servem como suporte para a condução da corrente elétrica 
São materiais que permitem o estabelecimento de um fluxo de elétrons em seu meio, compatível com o campo elétrico aplicado ao mesmo
Os materiais condutores e dielétricos formam um binômio indispensável para a existência de qualquer dispositivo elétrico, mesmo o mais simples
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Condutores elétricos 
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Os metais apresentam de forma genérica as seguintes características
Estrutura cristalina
 A maioria é do sistema cúbico
As ligações são metálicas, grande quantidade de elétrons livres 
Nuvem eletrônica 
“Overlap” da banda de condução com a banda de valência
Mobilidade eletrônica alta
μ = Vd/E
Condutores elétricos 
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Condutores elétricos 
São geralmente sólidos
Exceção do mercúrio
Brilho típico
Opacidade
Elevada condutividade térmica e elétrica
Capacidade de deformação e moldagem
Elevação da temperatura e aplicação de esforços mecânicos
Encruamento
Metais deformados a frio endurecem e reduzem sua condutividade elétrica
Característica eliminada pelo recozimento do metal
Capacidade de formar ligas
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Metais 
São denominados de condutores de primeira classe 
Condução eletrônica
Eletrólitos 
São denominados de condutores de segunda classe
Compostos de solução aquosa
Condução iônica
Emprego em processos industriais de revestimento galvânico
Condutores elétricos 
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Classificação dos condutores 
Materiais de elevada condutividade
Materiais de elevada resistividade
Os materiais condutores são usados tanto no estado sólido, como líquido e, em determinadas condições, no estado gasoso
Os materiais condutores mais importantes e mais usados se apresentam no estado sólido 
Metais e as ligas metálicas 
Condutores elétricos 
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Aplicações dos condutores
É muito vasto o campo de aplicação dos condutores
Na transmissão de energia, sob forma de fios, cabos, tubos, barras e cordoalhas (potência)
Ainda sob forma de fios nos enrolamentos das máquinas girantes, transformadores, relés, bobinas, solenóides e na aparelhagem elétrica de forma geral
Sob forma de fios e cabos na área de controle e telecomunicação, para transmissão de sinais
Em contatos elétricos, fusíveis, resistores e outras múltiplas aplicações 
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Aplicação dos condutores
Fenômenos produzidos pela corrente elétrica
Queda de energia elétrica
Prejudicial ao desempenho dos equipamentos e sistemas elétricos
Dissipação de energia térmica (joule)
Determina uma elevação de temperatura depende do tempo e de duração da corrente e das condições de arrefecimento
Útil
Para produção de calor (fornos/estufas), fusíveis
Indiretamente útil
Para obtenção de quedas de tensão (resistências “shunt”)
Nociva 
Temperaturas elevadas afetam os materiais
É necessário limitar a ação danosa da temperatura em valores admissíveis com a estabilidade dos materiais de modo a assegurar a vida útil desejada dos equipamentos 
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Principais propriedades dos condutores
Propriedades físicas
Peso específico 
Condutividade térmica e dilatação térmica linear
Propriedades mecânicas 
Resistência mecânica à tração e à compressão 
Elasticidade/ plasticidade 
Ductilidade
Maleabilidade
Dureza
Tenacidade
Fluência 
Aplicação dos condutores
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Propriedades químicas
Resistência à corrosão 
Oxidação, ferrugem, corrosão galvânica
Resistência aos agentes externos ambientais 
Resistências aos outros materiais com os quais terá que entrar em contato
Reatividade química
Propriedades elétricas
Condutividade e resistividade
Variação com a temperatura
Resistividade das ligas metálicas
Força termo-eletro motriz
Aplicação dos condutores
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Fenômenos Termoelétricos 
Efeito Thomson
Efeito Peltier
Efeito
Seebeck
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Termopar
O termopar opera de modo completamente diverso. Ele gera uma tensão elétrica que tem relação com a diferença de temperatura entre junções de metais diferentes.
Fenômenos Termoelétricos 
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Trabalhos mecânicos
Para que os metais possam ser utilizados na prática eles devem ser “moldados”
Dar-lhes a forma mais adequada ao uso planejado
Processos mais empregados
Fundição 
Laminação
A quente ou a frio, visando a obtenção de lâminas
Trefilação 
A quente ou a frio, visando a obtenção de fios, vergalhões e perfilados
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Forjagem
A quente ou a frio, formas varias
Estampagem 
A quente ou a frio, recortes, repuchamentos, moldagens
Usinagem
Com ferramentas de corte
Extrusão 
Fundição contínua sob pressão
Têmpera 
Altera as características dos metais 
Trabalhos mecânicos
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Expressão microscópica da resistividade 
A quantidade de carga elétrica que atravessa a seção A no instante de tempo dt é igual à quantidade de elétrons existentes no sólido cilíndrico
dq = e.A.dl.n
Porém: A.dl = A.vd.dt
Assim dq = n.e.A.vd.dt além disso, vd = μ.E onde μ = mobilidade do elétron
dq/dt = n.e.A.vd = n.e.A.μ.E = i
Porém E = dv/dl e dV = dR.i
Substituindo e simplificando, temos:
dR = (1/(n.e.μ)).(dl/A) ou seja: ρ = σ-1 = 1/(n.e.μ), onde ρ é a resistividade e σ é a condutividade.
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Prata 
A prata é o melhor condutor elétrico conhecido
Apresenta a menor resistividade entre todos os metais 
É um metal branco e brilhante, muito dúctil e maleável, com baixa dureza
Tem a capacidade de facilmente se oxidar com o ambiente, entretanto a camada de óxido resultante é condutora 
O oxido de prata, entre 200 e 3000C, se retransforma em prata
Atenção para as atmosferas sulfurosas
Nestes casos a camada resultante é isolante
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Prata
Tipos comerciais da prata
Prata Fina
99,5% de pureza
Prata Sterling
92,5% de prata e 7,5% de cobre
Prata de moedas
90% de prata e 10% de cobre
Aplicações da prata
Fabricação de fusíveis, contatos elétricos, ligas diversas, fios especiais em aparelhos de medição de precisão, fios para correntes de alta freqüência
Fios prateados 
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Prata 
Principais características da prata
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Prata
Outras observações 
A prata é um metal preciso
Cristaliza-se no sistema cúbico
Fraca dureza
Escala Brinell = 20
Grande resistência à oxidação a quente 
O óxido é bom condutor
A prata é muito dúctil e maleável
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Cobre 
Muito embora seja o metal mais antigo em uso pelo homem, continua a ocupar lugar importante no setor eletrotécnico atual, seja utilizado sob a forma de cobre puro ou sob forma de ligas
O cobre e suas ligas, graças as suas propriedades elétricas e mecânicas, sua resistência à corrosão, e a facilidade de sua manufatura decorrente de sua ductilidade e maleabilidade são largamente utilizados, particularmente na indústria elétrica, que absorve mais de 50% da produção anual do cobre
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Cobre
Principais vantagens 
Baixa resistividade elétrica 
Resistência mecânica suficientemente alta
Estabilidade satisfatória à corrosão
Se oxida menos que o ferro
Boa ductilidade e maleabilidade 
Relativa facilidade com que pode ser soldado
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Cobre
Principais características do cobre
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Cobre
Em eletrotécnica apresenta para uso comercial sob as seguintes formas
Cobre eletrolítico
Cobre eletrolítico desprovido de oxigênio
Ligas de cobre
Cobre eletrolítico pode ser usado duro ou mole
Estirado a frio (duro)
Recozido (mole)
Cobre eletrolítico mole foi objeto de acordo internacional
Definição de padrões para este material
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Cobre
Cobre eletrolítico padrão IACS
Cobre eletrolítico que reúne as características definidas pelo acordo internacional
International Anneled Copper Standard
Condutividade do cobre eletrolítico padrão IACS é tomada como referência de porcentual 100% para efeito de comparação com outros metais
Cobre desprovido de oxigênio (OFHC)
Cobre de elevada condutividade
Obtido sob condições especiais para evitar absorção de oxigênio
Excelente resistência contra fadiga, vibrações, deformações
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Cobre
Ligas de cobre
Alta condutividade
Média condutividade
Para resistores
Ligas de cobre de alta condutividade
Ligas de cobre com outros metais em pequenas proporções
Cobre + prata (0,08%) – 97 a 98% IACS
Cobre + cádmio (0,8 a 1%) – 80 a 92% IACS
Cobre + cromo (0,5 a ,07%) – 80% IACS
Cobre + telúrio (0,3 a 0,7%) – 94 a 98% IACS
Cobre + zircônio (0,1 a 0,15%) – 90% IACS
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Cobre
Ligas de cobre para resistores
Estas ligas têm condutividade baixa (da ordem de 2 a 20% IACS) e se prestam para serem usadas como resistores
Cu-Ni, Cu-Mn-Ni e Cu-Zn-Ni, etc.
Ligas de cobre de média condutividade
Bronzes
São ligas de cobre com 0,5 a 10% de estanho e apresentam uma condutividade entre 55 a 75% IACS
Boa resistência mecânica e aos agentes atmosféricos
O bronze é sobretudo uma liga de fundição 
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Cobre 
Ligas de cobre de média condutividade
Latões 
São ligas de cobre e zinco em proporções variáveis e sua condutividade depende de sua composição
O latão 65/35 apresenta uma condutividade de 27% IACS
Usado em aparelhagem de pequeno porte e baixa tensão
Ligas de cobre e berílio
São ligas que contém 1,7 a 1,8% de berílio e apresentam uma condutividade de 24% IACS
Notável dureza
Alta resistência mecânica (tração)
Alta resistência a oxidação
Grande resistência aos esforços alternados (fadiga)
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Cobre
Ligas de cobre de média condutividade
Ligas de cobre-níquel-fósforo e cobre-níquel-silício
Têm condutividade 60/40 IACS
Excelentes qualidades mecânicas
Boa resistência ao desgaste 
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Cobre
Aplicação industrial
Indústrias Elétricas e Eletrônicas
Componentes de radar e outros equipamentos eletrônicos, anodos para válvulas termoiônicas, condutores para lâmpadas, enrolamentos de rotores para geradores e motores de grande porte, contatos e chaves interruptoras, componentes de rádio e TV, etc.
Indústrias Químicas
Caldeiras, tachos, alambiques, tanques, autoclaves, equipamentos para indústria alimentícia, utensílios para confecção de alimento, etc.
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Cobre 
Aplicação industrial
Indústrias Mecânicas
Permutadores de calor, radiadores e juntas para Indústria Automotiva, objetos estampados, pregos, rebites, chapas para fotogravuras
Produtos que requeiram facilidade de usinagem e boa condutibilidade, utilizado freqüentemente para alta produção em fornos automáticos
Indústria do Frio
Equipamentos para aparelhos de ar condicionado e refrigeradores
Arquitetônicos e Prediais
Revestimentos, calhas, cumeeiras, rufos, telhados, grades e frisos decorativos, condutores para água pluviais, para gás, perfis embutidos em madeira, etc.
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Cobre
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Cobre
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Cobre
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Cabos
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Cabos de cobre
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Estudo do alumínio
Composição
O principal minério de alumínio é a bauxita (Al2O3, H2O)
A partir do mineral bauxita é obtida a alumina Al2O3, que é reduzida por eletrolise
Sua pureza é normalmente de 99,5 %
As principais impurezas que acompanham o alumínio são o ferro, silício e o cobre
Seu uso se deve a sua alta condutividade por unidade de peso e sua alta resistência por unidade de peso
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Estudo do alumínio
Propriedades físicas
Densidade
2,7 (material leve)
Coeficiente de dilatação térmica
24 x 10-6°C-1 (muito elevado)
Ponto de fusão
658°C
Ponto de evaporação
Aproximadamente 2000°C
Condutibilidade térmica
0,50 cal/cm2seg°C
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Estudo do alumínio
Propriedades elétricas
Boa condutividade (a melhor após a prata e o cobre)
Resistividade
ρ = 2,63 µΩcm
Coeficiente de temperatura
43 x 10-4 (1/250 aproximadamente, como o cobre)
Seu óxido (Al2O3) é isolante
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Alumínio
Estudo das Propriedades
Mecânicas
Puro, tem baixa resistência mecânica, suas características mecânicas dependem do teor de impureza, a natureza deles o estado
de recozido ou martelado a frio do metal
Alumínio fundido puro 9 kg/mm²
Alumínio estirado a frio 20 kg/mm²
Metalúrgicas
O metal puro é muito maleável a frio,
Possibilidade de laminação, dobragem, etc.
Pode ser moldado
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Alumínio
Químicas
No ar, a temperatura ordinária, o alumínio se recobre de uma camada impenetrável de alumina, que o protege da oxidação
A velocidade inicial de oxidação é bem acentuada
Resiste a numerosos agentes químicos
Ácido carbônico, nítrico, amoníaco, alcoóis, graxas, etc.
É atacado pelo ácido clorídrico, o potássio, o mercúrio
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Alumínio
Composição/ Reservas/ Consumo
O alumínio é o elemento metálico mais abundante do planeta
Constitui mais de 8% da crosta terrestre, ocorrendo concentrações mais altas no minério conhecido como bauxita
Quatro toneladas de bauxita quimicamente refinada fornece duas toneladas de alumina (óxido de alumínio puro Al2O3)
A seguir, vem o processo de redução eletrolítica, através do qual as duas toneladas de alumina são reduzidas a uma tonelada de alumínio metálico
Cuja pureza é normalmente de 99,5%
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Alumínio
O Brasil possui a terceira maior reserva de bauxita do mundo, superada apenas pelas da Austrália e Guiné
O atual índice de consumo, relativamente baixo no Brasil (cerca de 3 quilos “per capita” anuais contra mais de 30 quilos nos Estados Unidos), leva a uma previsão de altos índices de aumento de consumo durante as próximas décadas
Outra característica básica do alumínio é sua possibilidade de ser repetidamente reciclado 
Consumindo 5% da energia requerida para obter o alumínio através da bauxita
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Fabricação do alumínio
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figura
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Comparação alumínio x cobre*
*Padrão IACS: Padrão internacional do cobre recosido, tomado como referência de 100% de condutividade
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Comparação cobre x alumínio
Resistência Elétrica
Dois condutores de mesma seção e mesmo comprimento a resistência será 1,68 vezes maior no condutor de alumínio
Para a mesma resistência e mesmo comprimento, o diâmetro do condutor de alumínio deve ser 1,28 vezes maior
Peso
1 kg de Al realiza o mesmo trabalho elétrico de 2 kg de Cu
Entre dois condutores, um de cobre e outro de alumínio, de igual resistência elétrica e igual comprimento, o condutor de alumínio é duas vezes mais leve que o de cobre
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Comparação cobre x alumínio
Considerando-se a diferença de preços entre o alumínio e o cobre no mercado internacional, o emprego de condutores alumínio conduz a uma economia apreciável que evidentemente varia com as oscilações do mercado
Contudo, o isolamento absorve parte desta vantagem já que, as seções equivalentes de alumínio são maiores e exigem maior superfície a ser isolada
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Emprego do alumínio
Devido a suas características principais
Boa resistência a tração por peso
Leveza
Elevada condutividade elétrica e térmica
Boa resistência a oxidação
É empregado no setor eletrotécnico especialmente na fabricação de cabos (para linhas aéreas de transmissão de alta voltagem), fios, enrolamentos de motores, barramentos
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Emprego do alumínio
Na indústria é utilizado na fabricação de estruturas (aviação) e no setor mecânico
Em linhas aéreas de transmissão, o alumínio é utilizado aliado a 0,3 a 0,5% de magnésio, 0,4 a 0,7% de silício e 0,2 a 0,3% de ferro o que lhe confere uma resistência mecânica mais alta que o alumínio pura e uma boa condutividade
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Emprego do alumínio
Aldrey
Peso específico: 2,7 g/cm3
Resistividade: 0,032 ohm.mm2/m
Tensão ruptura: 32 a 37 kg/mm2
Quando associado a uma alma de aço, permite o emprego de vãos maiores, reduz o número de torres e diminui o efeito “corona”
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Cabos de alumínio
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Estudo do ferro (condutor)
É um metal muito antigo e bem conhecido do homem, relativamente barato e acessível e oferece interesse para construção de máquinas, como material estrutural, além de pertencer ao privilegiado clube dos materiais magnéticos
O ferro puro tem uma resistividade de 10mWcm
É um metal duro, tenaz, fortemente magnético e quimicamente muito sensível
Atacado pela maioria dos ácidos, com liberação de hidrogênio
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Estudo do ferro (condutor)
Em atmosfera seca o ferro não sofre alterações importantes, entretanto, quando em atmosferas úmidas sofre os efeitos da corrosão
Formação de ferrugem
Formas de apresentação do ferro sob o ponto de vista siderúrgico
Ferro doce
Ferro fundido
Ferro forjado
Aços
Ligas de aço
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Estudo do ferro (condutor)
Ferro doce
Ferro puro, maleável, resistente à corrosão, facilmente magnetizável e desmagnetizável
Ferro forjado
Ferro muito puro, que contém apenas materiais provenientes da escória, mecanicamente muito resistente, pouco sensível à corrosão
Pode ser trabalhado na bigorna
Ferro batido
Ferro fundido
Liga de ferro e carbono com teores de carbono inferiores aos encontrados no aço
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Estudo do ferro (condutor)
Aços
Constituem uma das formas mais importantes de uso do ferro
São ligas binárias de ferro e carbono, nas quais o carbono é o elemento determinante das propriedades mecânicas resultantes
Pode conter pequenas quantidades de impurezas
Mn, Si, S e P
Resistência à tração compreendida entre 70 e 200kgf/mm2
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Estudo do ferro (condutor)
Ligas de aço
Quando além do carbono se agregam outros elementos, se obtêm materiais de melhores propriedades, tais como resistência à corrosão (aços inoxidáveis), etc.
Elementos normalmente introduzidos
Mn, Si, Ni, Cr, W, Al, Mo, etc.
Resistência à tração compreendida entre 50 e 100kgf/mm2
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Aplicações do ferro
Fabricação de condutores (fios e cabos) e arames
Devem ser protegidos contra a corrosão por meio de revestimentos de zinco
Galvanização a quente (zincagem a quente)
Material é imerso em um banho de zinco em fusão, o que permite a obtenção rápida de uma película grossa de zinco
Meio eletrolítico
Película protetora mais uniforme, porém mais fina
Apesar de menor custo, condutores de aço galvanizado não são usados como condutores ativos
Resistividade mais elevada que a do cobre e alumínio
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Aplicações do ferro
Utilizados como cabos pára-raios em linha aéreas de transmissão
Fio de aterramento
Núcleos de cabos compostos de alumínio-aço
ACSR – Aluminium Cable Steel Reinforced
Boas propriedades elétricas do alumínio com as excelentes propriedades mecânicas do aço
Ferro fundido ou sob forma de ligas com Cr, Al, Ni é utilizado para fabricação de resistores
Fios e cabos copperweld e alumoweld
União molecular entre cobre/alumínio e aço
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Copperweld/alumoweld
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Copperweld/alumoweld
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Ouro
Metal precioso, bastante antigo
Oferece grande interesse tecnológico
Apresenta grande plasticidade e elevada resistência à oxidação
Menor resistividade elétrica após a prata e cobre
2,4mWcm
Resistência à tração fraca
15kgf/mm2
Devido ao elevado preço é usado somente em aplicações especiais
Contatos elétricos
Em microeletrônica é usado como fio de ligação entre os terminais dos chips e contatos externos
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Outros metais condutores
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Terminologia
Condutor
Denominação genérica de elementos metálicos, geralmente de forma cilíndrica com a função específica de transmitir energia e sinais elétricos
Fio
Produto metálico de qualquer seção maciça, de comprimento maior do que a maior dimensão da seção transversal
O fio é um corpo metálico de metal estirado, usualmente de forma cilíndrica e seção circular, com ou sem isolação
Podem ser usados diretamente como condutores elétricos ou podem ser produtos semi-acabados para fabricação de cabos
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Cabo 
Este termo serve para designar um conjunto de fios encordoados, não isolados entre si, com ou sem isolação externa
Maior flexibilidade 
Os cabos podem ser
Unipolares
Multipolares
Condutores encordoados 
Constituído por um conjunto de fios dispostos helicoidalmente, não isolados entre si
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Terminologia
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Cordão 
Conjunto de condutores isolados de pequena seção e construção flexível e cujos fios são dispostos paralelamente ou torcidos helicoidalmente 
São utilizados nas ligas de aparelhos eletrodomésticos, pequenos motores, ferramentas de oficina 
Cabinhos 
Cabos multiplexados 
São constituídos por vários fios ou cabos unipolares reunidos, sem cobertura comum 
São ditos auto-sustentados quando possuem um cabo de aço sem cobertura que desempenha a função mecânica 
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Terminologia
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Condutor compactado
É um condutor encordoado e calandrado de forma a ficarem praticamente eliminados os vazios entre os fios componentes
Reduz o diâmetro externo e torna mais uniforme a superfície externa 
Perda de flexibilidade 
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Terminologia
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Cordões, fios e cabos
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Famílias de fios e cabos
Fios e cabos e outros condutores comerciais para transmissão de energia
Fios e cabos de controle
Controle de sistemas e equipamentos
Fios magnéticos
Para enrolamentos de máquinas girantes, transformadores, relés, bobinas, indutores, etc.
Fios e cabos para telecomunicações
Fios, cabos e outros condutores para aplicações especiais
Indústria automobilística, aeronáutica, naval, aeroespacial, ferroviária, off-shore, teleinformática, etc.
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Condições para condutores
Propriedades físicas 
A mais importante é a leveza, visando a redução das cargas mecânicas nos apoios
Propriedades térmicas 
Capacidade calorífica elevada e boa condutividade térmica para uma melhor e mais rápida dissipação com o meio ambiente do calor gerado pelo efeito Joule
Propriedades químicas 
Boa resistência à ação dos agentes atmosféricos 
Ar, água, gases, etc.
E aos reagentes químicos 
Ácidos, bases e sais 
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Propriedades mecânicas 
Alta resistência 
Tração
Flexão 
Choque 
Deve ser bem dúctil e maleável
Propriedades elétricas
Resistividade a mais baixa quanto possível para uma redução do efeito joule e da queda de tensão
É necessário considerar a natureza econômica 
O material deve apresentar boas condições de oferta comercial 
 Condutores mais usados 
Cobre e alumínio e suas respectivas ligas com outros metais
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Condições para condutores
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Isolação e isolamento
A palavra isolação se refere ao material ou ao conjunto de materiais isolantes utilizados para isolar eletricamente
Tem sentido estritamente qualitativo
Exemplo: este fio tem isolação de PVC
A palavra isolamento se refere ao conjunto de propriedades adquiridas por um corpo condutor, decorrentes de sua isolação
Tem um sentido essencialmente quantitativo e seu emprego é associado à idéia de valor, que pode ser dado explicitamente
Isolamento para baixa tensão
Ou implicitamente
Distância de isolamento, resistência de isolamento, etc.
Classificação dos fios/cabos quanto ao isolamento ou classe de isolamento
Baixa tensão (BT) – até 0,6/1,0kV
Média tensão (MT) – 1,8/3kV até 27/35kV
Alta tensão (AT) – acima de 69kV
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Tabelas usuais de fios e cabos
Fios e cabos são caracterizados por sua seção nominal
Seção do fio corresponde à seção transversal do fio
Seção de um cabo formado por n fios corresponde à soma das seções dos fios
A seção se refere apenas à parte condutora, sem considerar isolação ou camada protetora
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Tabelas usuais de fios e cabos
A mais antiga, já abandonada é a AWG/CM
America Wire Gauge/Circular Mil
Os diâmetros são expressos em mil
1mil = milésimo de polegada americana (0,254m)
A área é expressa em Circular Mil
Área de um círculo de 1mil de diâmetro (1mil=0,0005067mm)
1mm2 = 1.973,5CM  aproximadamente 2000CM
Obedece a uma progressão geométrica
Razão é 1,1229322
Seções superiores ao cabo 4/0 são ainda expressas em CM
A série métrica está atualmente em vigor e é aprovada pela IEC
As seções dos condutores são expressas em mm2, a partir das séries matemáticas conhecidas como séries de Renard
Variam de 0,5mm2 a 1000mm2
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Escala AWG e métrica
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Escala AWG e métrica
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Apresentação dos fios e cabos
Nus
Não possuem qualquer revestimento ou camada protetora de material isolante
Isolados 
Possuem qualquer revestimento ou camada protetora de isolação 
A isolação é a parte que mais influencia na escolha do tipo de um fio ou cabo a ser especificado para um sistema elétrico, quer seja pelas suas características elétricas, mecânicas e químicas requeridas para o material dielétrico, quer seja pelas condições de instalação (aéreas, subterrâneas, eletrodutos, etc.), quer seja pelo aspecto econômico 
Os materiais isolantes usados para fios e cabos podem ser 
Dielétricos estratificados
Dielétricos sólidos 
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Dielétricos estratificados
A palavra “estratificado” deriva do latim
Significa “camada”
Significa estar disposto em camadas
Dielétricos estratificados são constituídos por fitas de papel ou de outro material isolante laminado, aplicados helicoidalmente firmemente sobre o condutor, sob a forma de sucessivas camadas
O papel ou produto laminado é impregnado com óleo isolante ou com outro fluido impregnante adequado e revestido por uma capa de chumbo
Evita a fuga do fluido isolante
Penetração da umidade
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Dielétricos estratificados
Os cabos assim constituídos são largamente utilizados
Óleo impregnante pode ser aplicado sem ou com pressão
No primeiro caso seu uso é limitado até 25kV e apresenta os seguintes inconvenientes
São muito pesados e pouco flexíveis
Limitações de uso quanto a desníveis ao longo da rota
Migração do óleo
Custo elevado
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Dielétricos estratificados
Para tensões superiores a 25kV e até 350/400kV se usam dispositivos especiais
Mantêm o cabo à baixa ou alta pressão do óleo impregnante e também de gases inertes (tais como nitrogênio) no interior do cabo
São soluções caras e sofisticadas, cuja adoção dependerá da importância das instalações elétricas onde serão aplicadas
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Dielétricos estratificados
Cabo OF
Cabo isolado com papel estratificado, impregnado com óleo fluido à baixa pressão
Cabo à gás
Igualmente isolado com papel impregnado de mistura especial, cujo dielétrico contém nitrogênio a alta pressão (14 atm)
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Dielétricos estratificados
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Dielétricos sólidos
São polímeros aplicados diretamente sobre o condutor ou sobre a blindagem por extrusão
Classificação em função do comportamento térmico e mecânico
Termoplásticos
Quando submetidos a uma elevação de temperatura amolecem, perdem suas características mecânicas e retornam ao seu estado de fluidez e plasticidade originais
Material reciclável
Polietileno linear (PE), cloreto de polivinila (PVC)
Termofixos
Mantêm-se estáveis a temperaturas mais elevadas
A temperaturas acima do limite admissível se carboniza sem sofrer amolecimento
Polietileno reciclado (XLPE), borracha etileno-propileno (EPR)
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Comportamento dos fios e cabos sob condições de fogo e incêndio
Construção de fios e cabos envolve emprego de materiais orgânicos em sua isolação
São materiais combustíveis
Conferem aos fios e cabos uma perigosa característica de elemento propagador de fogo durante ocorrência de incêndios
Quando submetidos à ação do fogo, fios e cabos são classificados em quatro grandes grupos
Propagador de chama
Não propagador de chama
Resistente à chama
Resistente ao fogo
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Propagador de chama
O fio/cabo quando submetido à ação direta de uma chama, mesmo por curto intervalo de tempo, entra em combustão e a mantém após a retirada da chama ativadora
Podem contribuir para desenvolvimento e propagação de incêndios
XLPE e EPR
Não propagador de chama
A chama se auto-extingue após cessar a causa ativadora da mesma
Depende do tempo de exposição à chama, intensidade da chama, quantidade de condutores agrupados, etc.
PVC e neoprene
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Comportamento dos fios e cabos sob condições de fogo e incêndio
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Resistente à chama
A chama não se propaga mesmo em casos de exposição prolongada
PVC aditivado e condutores isolados de cobre com PVC
Resistente ao fogo
Tem a característica de permitir e manter um circuito em funcionamento em presença de incêndio
Exposição à chama direta, 750 0C por 3 horas
São recomendados para circuitos de máxima segurança 
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Comportamento dos fios e cabos sob condições de fogo e incêndio
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Aspectos construtivos dos cabos de força
Condutor 
Primeira camada semicondutora 
Blindagem do condutor
Isolação 
Segunda camada semicondutora 
Blindagem da isolação
Blindagem de cobre
Armação 
Cobertura 
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Blindagem dos condutores 
Nos casos dos cabos de média e alta tensão o condutor central é revestido com uma camada de material condutor não metálico (também chamado de primeira camada semicondutora)
Principais finalidades
Dar uma forma perfeitamente cilíndrica ao condutor
Prover uma distribuição radial e simétrica do campo
Eliminar os espaços vazios entre o condutor e a isolação
Observação
A denominação de material semicondutor não é muito adequada, mas consagrada pela literatura técnica
Se trata de um material com uma resistência de isolamento muito baixa (próxima a zero)
Se utiliza um tipo de papel carvão, proveniente da Itália 
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Blindagem da isolação
Igualmente nos cabos de média e alta tensão, se aplica sobre a isolação uma blindagem que também é constituída de uma camada de material semicondutor 
Na maioria dos casos, também por uma camada de material condutor, constituído de fitas e fios de cobre
Principais funções da blindagem da isolação
Prover uma distribuição radial e simétrica do campo elétrico
Proporcionar uma capacitância uniforme entre o condutor e a terra
Escoamento de correntes de fuga, induzidas e de curto-circuito
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Armação
Para cabos que sofram esforços mecânicos
Uso de proteção metálica
Fitas planas de aço galvanizado
Fitas de aço corrugadas e intertravadas
Cabos submetidos a esforços radiais
Enterrados a pouca profundidade
Sem grande perda de flexibilidade
Fios de aço galvanizado
Tranças de fios de aço, de nylon ou de algodão
Cabos submetidos a esforços longitudinais
Cabos submarinos
Cabos instalados na vertical
Alta resistência à tração
Elevado grau de flexibilidade
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Cobertura
Componente do cabo que terá maior contato com as condições ambientais
Tem função de dar proteção ao núcleo do cabo durante instalação e vida útil
Deve ser mecânica e quimicamente compatível com as condições ambientais do local onde o cabo será instalado
Requisitos
Impermeabilidade
Resistência à abrasão e ao impacto
Estabilidade térmica
Flexibilidade
Resistência aos ataques dos agentes químicos e atmosféricos
Principais materiais
PVC, polietileno linear (PE), neoprene, chumbo
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Fabricação
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Exemplos
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Cabos de controle
Os cabos de controle são empregados nos circuitos de comando, controle e sinalização de equipamentos elétricos em geral
Construtivamente utilizam condutores constituídos de fios de cobre estanhado e são isolados com PVC, polietileno, etilenopropileno (EPR) ou policloropreno
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Cabos de controle
Em determinados casos o sinal a ser transmitido não deve sofrer interferências
Campos elétricos ou magnéticos espúrios
A utilização de uma blindagem é um detalhe construtivo muito importante
Os cabos de controle podem ter instalações fixas ou móveis
Deve ser observado a flexibilidade do cabo, função do movimento solicitado
Também as condições ambientais devem ser analisadas
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Cabos de controle
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Cabos de controle
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Fios magnéticos
São utilizados nos enrolamentos das máquinas elétricas rotativas, transformadores, relés, etc.
O condutor mais utilizado é o cobre eletrolítico recozido
Isolação de papel, impregnado com verniz ou óleo mineral isolante
No caso dos transformadores
Isolação de seda ou tecidos sintéticos compostos (polímero/mica) impregnados ou esmaltados
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Fios magnéticos
As seções são quadradas ou retangulares com o objetivo de economizar espaço e de oferecer maior superfície para irradiação do calor, como também permitir maior rigidez mecânica em sua instalação nas ranhuras do circuito magnético
Não obedecem a uma tabela padronizada
O uso de fios esmaltados (seções circulares) é largamente praticado
Apresentam excelentes propriedades e ganho de espaço
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Condutores nus
Nas linhas aéreas se utilizam cabos nus de cobre duro ou de alumínio reforçado com alma de aço (tipo CAA ou ACSR), sendo este último o mais largamente empregado
AAC – All Aluminium Alloy Conductor
ACSR – Aluminium Conductor Steel Reinforced
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Condutores nus
Nas redes aéreas urbanas (distribuição) utilizam-se o cobre (meio duro) ou então o alumínio (AC, ACAR ou ligas de alumínio)
ACAR – Aluminium Conductor Alloy Reinforced
Vantagens do alumínio
Boa condutividade elétrica
Boa resistência mecânica
Leveza
Resistência aos agentes atmosféricos
Economia no preço do alumínio e na redução dos custos de montagem (torres mais leves)
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Condutores nus
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Cabos alumínio com alma de aço
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Cabos alumínio com alma de aço
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Efeito pelicular ou “skin effect”
A corrente alternada origina fluxos magnéticos alternados, os quais induzem forças eletromotrizes também alternadas no próprio condutor
Estas fem’s induzidas modificam a distribuição da corrente nos condutores
Distribuição que deixa de ser uniforme (como é para c.c.) passando a verificar-se maior densidade de corrente na periferia e menor na parte central
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Efeito pelicular ou “skin effect”
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Efeito pelicular ou “skin effect”
A redução entre as resistências para corrente contínua e para corrente alternada é o coeficiente utilizado para corrigir o efeito pelicular
Devido ao efeito pelicular, se utiliza cabos ocos ou com alma de aço
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Cordoalhas
Cordoalhas chatas de cobre estanhado são empregadas nas ligações à terra de equipamentos elétricos
Necessidade de ligações flexíveis em barramentos e chaves devidos às vibrações
Necessidade de uma baixa resistência do cabeamento
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Cordoalhas
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Cordoalhas
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Condutores para telecomunicações
Materiais básicos
Fios de cobre eletrolítico recozido, estanhado, com diâmetro que varia de 0,40 a 0,90 mm, isolado com papel seco ou um material polimérico, recoberto com uma capa de chumbo (desuso) ou de um isolante polimérico
Materiais poliméricos usados
Polietileno, PVC, polipropileno ou poliolefina
Identificação
Números de pares (cabos telefônicos)
Aplicações
Centrais telefônicas, redes primárias e secundárias, assinantes
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Condutores para telecomunicações
Tipo CT-APL
Recomendado para rede externa como cabo tronco (primário), instalado preferencialmente em dutos subterrâneos
Cobre isolado com papel seco, blindagem com uma fita de alumínio politenada, em ambas faces aplicada longitudinalmente, formando um tubo fechado, firmemente aderente à capa externa de polietileno
O revestimento aplicado assegura uma grande barreira à umidade
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Condutores para telecomunicações
Tipo CTP-APL
Quando se usa ao invés de papel seco o polipropileno ou polietileno
Neste caso recomendado para rede externa secundária (dutos ou aérea)
Tipo CTP-APL-S
Quando reforçado por um cabo de aço galvanizado (aérea)
A solução APL desbancou praticamente o uso dos cabos telefônicos protegidos com chapa de chumbo
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Principais tipos fios/cabos telefônicos
Tipo FI
Recomendado para ligações de aparelhos telefônicos interligações de blocos de armários, instalações provisórias, etc.
Condutores de cobre estanhado com isolação de PVC
Tipo CI
Recomendado para uso interno em centrais telefônicas, prédios comerciais, indústrias, residências e outras
Usado em KS, PBX e PABX
Condutores de cobre estanhado, isolados com PVC
Possuem blindagem de poliéster metalizado ou de alumínio, cobertura de PVC
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Principais tipos fios/cabos telefônicos
Tipo CIT
Mesmas aplicações anteriores
Condutores de cobre estanhado, isolados
com poliolefina (não propagador de chama), blindagem de poliéster metalizado e cobertura de PVC
Sem a blindagem atende pela nomenclatura de BTC
Tipo FE
Recomendado para instalações aéreas em zonas rurais ou urbanas, para ligação de assinantes, isolação com PVC ou polietileno
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Escolha de um cabo
A escolha de um fio ou cabo é feita com base em diversos fatores
Tensão nominal
Corrente passante (nominal)
Condições térmicas
Tipo de isolamento
Esforços mecânicos incidentes
Agentes externos atuantes
Regime de serviço
Tipo de instalação
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Escolha de um cabo
Há necessidade portanto das seguintes definições
Limite de condução da corrente
Temperatura de regime ou de serviço
Temperatura ambiente de referência
Ao alcançar a temperatura de serviço o condutor deve apresentar um comportamento térmico tal que a quantidade de calor gerada seja igual à quantidade de calor trocada com o ambiente
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Contatos elétricos
Entre a fonte geradora e o centro consumidor final
Energia elétrica atravessa equipamentos e aparelhos
Transformadores, disjuntores, chaves, etc.
Se encontram ligados ou interconectados
Interligações constituem pontos de contato ou de conexão de partes físicas distintas de material condutor
Junção pode ser de caráter permanente, semi-permanente ou intermitente
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Contatos elétricos
Têm a função de conduzir a energia elétrica ligando ou desligando a corrente
Características
Baixa resistência à passagem da corrente
Alta resistência aos efeitos produzidos pelo arco
Qualidade e segurança no fornecimento da energia dependem da qualidade e do perfeito funcionamento dos contatos
Seleção correta do material para fabricação dos contatos garante a qualidade visando atender as mais severas especificações
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Contatos elétricos
Funções
Comando
Controle
Regulação
Técnica do comando da corrente
Contatotécnica
Contato constituído de parte fixa e móvel
Parte móvel se desloca em relação à fixa
Contatos simétricos e assimétricos
Simétrico – contatos são do mesmo material
Assimétrico - contatos são de materiais diferentes
Contato por pressão e por deslizamento
Pressão
Parte móvel repousa diretamente sob pressão sob a parte móvel
Deslizamento
Parte móvel desliza sob a parte móvel para fechamento sob pressão
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Contatos elétricos
Aplicação prática
Satisfaça por um tempo, o mais longo possível, as condições de perfeito funcionamento do dispositivo (durabilidade mecânica e elétrica)
Tais condições variam de função para função e de ambiente para ambiente
Disjuntores, chaves seccionadores, peças de contato destinadas a telefonia e eletrônica
Fatores principais para escolha dos materiais
Tensão e corrente
Pressão entre os contatos
Freqüência de manobras
Baixa tensão
Freqüência de operações é elevada e pressões são baixas
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Pontos de conexão
Normalmente conectados
Inseparáveis
Separáveis opcionalmente
Móveis entre si
Conectados intermitentemente
Sem interrupção de corrente
Com semi-interrupção de corrente
Com interrupção de corrente
Pontos de conexão
Junção de soldas
Rebites
Junção de parafusos
Conectores de pressão
Contatos deslizantes
Fluidos
Seccionadoras
Seccionadoras especiais
Contatores
Disjuntores
Contatores
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Contato elétrico
Superfície real e aparente do contato
Após o fechamento, pode parecer que a transferência de corrente elétrica entre uma peça à outra ocorre de forma homogênea em toda a área de contato
Na prática isso não ocorre
Indicação dos pontos de contato entre duas áreas geométricas (Ag)
Representação da área mecânica (Am) e da área elétrica (Ae) e a redução de condução pelo óxido
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Contato elétrico
Conclusão
A área geométrica é uma área aparente de contato
Ag >> Am
Am >> Ae
A pressão P aplicada sobre a peça de contato móvel atua sobre a peça de contato fixo através dos pontos de contato (Am1, Am2, ...) se decompondo em pressões P1, P2, ..., em igual número que as áreas mecânicas
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Contato elétrico
A corrente elétrica circula apenas pelos pontos Ae1, Ae2, ...
Am total = ∑ Ami
P = ∑ Pi
Ae = ∑ Aei
A área de pressão é uma função da pressão aplicada e da dureza do material
A = P/H
O aumento da pressão ou diminuição da dureza do material aumenta a área de contato e reduz a resistência à passagem da corrente
R = rL/A
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Contato elétrico
3 slides com figuras
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Durabilidade mecânica
(durabilidade mecânica das peças condutoras)
Deformações elásticas e plásticas
A elasticidade é responsável por um fenômeno denominado “ricochete”
Em conseqüência da deformação elástica, os contatos são reabertos, por curto espaço de tempo, e novamente fechados pela ação das molas
As amplitudes podem atingir 0,2mm e a duração até 8ms, podendo ocorrer neste intervalo 2 a 5 pequenas reaberturas
Ricochete pode gerar arcos elétricos (contatos sob carga)
Manobras ininterruptas poderão causar deformações plásticas, as quais dependem da dureza do material
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Durabilidade mecânica
Resistência ao desgaste por abrasão
Nos contatos “por deslizamento”, não há apenas remoção da camada de óxido, mas também partes do metal útil dos contatos, resultando em um desgaste
Característica desejável em ambientes poluídos
Os contatos “por pressão” apresentam uma durabilidade mecânica maior que os contatos “por deslizamento”
Não há desgaste do material
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Durabilidade elétrica
Os problemas da durabilidade elétrica estão relacionados com o arco elétrico que se forma sempre que a corrente elétrica é interrompida
Se desenvolvem temperaturas extremamente elevadas capazes de fundir e volatilizar o metal dos contatos
Problemas que podem surgir
Erosão
Transferência de elétrons de um contato para o outro
Riscos de soldagem dos contatos quando fechados
Aceleração dos efeitos corrosivos
Disposições construtivas adequadas reduzem a duração do arco
Utilização de câmeras de extinção e de meio dielétrico adequado
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Posição fechada dos contatos
Neste estado deve deixar passar a corrente nominal e as sobrecorrentes passageiras sem aquecimento excessivo
Fatores importantes
Resistência de contato
Estado de limpeza das superfícies dos contatos
Pode ser assegurada pelo deslizamento da peça móvel sobre a fixa
Boa condutividade térmica
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Posição fechada dos contatos
Riscos de fusão dos contatos decorrentes das correntes de curto-circuito/aquecimento instantâneo
Possibilidade dos contatos se separarem pelas forças eletrodinâmicas produzidas pelas correntes de curto-circuito
Aparecimento de um pequeno arco entre as peças, com riscos de fusão e soldagem
Importância da pressão entre os contatos
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Posição fechada dos contatos
Atributos para os materiais para contatos no estado fechado 
Alta condutividade elétrica
Boa condutividade térmica
Grande resistência à corrosão
Grande resistência à compressão
Grande resistência ao desgaste
Resistência de contato baixa
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Posição de abertura dos contatos
Quando os contatos são abertos se forma o arco elétrico entre eles
Produz desgaste do material por queima e por transferência de matéria de um contato para o outro (erosão)
A erosão é uma função da energia do arco e da natureza do material
Pode provocar altas temperaturas, com riscos de fusão/amolecimento do material
*
*
Posição de abertura dos contatos
O volume de material que é desgastado por “queima” pode ser expressa pela seguinte fórmula
V  volume em mm³
C  constante que depende do material
i  corrente elétrica (ampère)
Δt  intervalo de tempo em que o arco se mantém (s)
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Posição de abertura dos contatos
Atributos para os materiais para contatos na posição de abertura
Grande dureza e densidade
Ponto de fusão alto 
Intensidade de corrente e tensão limites de arco mais elevadas possível
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Posição de fechamento dos contatos
A característica deste processo é o choque mecânico entre os contatos
A energia mecânica colocada
em jogo deve ser absorvida pela elasticidade das molas do sistema e pela própria elasticidade das peças
Riscos de deformação plástica
Ocorrência de ricochetes, que podem causar pequenos arcos, com riscos de fusão/evaporação do material
Desgaste por queima
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Posição de fechamento dos contatos
Um arco pode surgir quando os contatos estão suficientemente próximos
Riscos de aquecimento excessivo, erosão e soldagem
Atributos para os materiais para contatos na posição de fechamento
Grande resistência à deformação mecânica por choque
Grande resistência à soldagem
Grande resistência à ação do arco
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Requisitos exigidos para os materiais usados nos contatos elétricos
Propriedades físicas
Densidade e ponto de fusão elevados
Boa condutividade térmica
Propriedades elétricas
Fraca resistividade
Resistência de contato fraca e constante
Resistência à erosão pelo arco e intensidade de corrente e tensão limites de arco tanto quanto possível elevadas
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Requisitos exigidos para os materiais usados nos contatos elétricos
Propriedades químicas
Resistência à oxidação e corrosão
Propriedades mecânicas
Grande dureza
Resistência ao desgaste e à compressão
Boa trabalhabilidade
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Contatos elétricos
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Contatos elétricos
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Contatos elétricos
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Resistores
Resistores são componentes elétricos cuja característica básica é ser constituído de materiais condutores que oferecem uma resistência elevada ao fluxo da corrente
Necessário uma resistência superior a 20μΩcm 
A maioria dos condutores industriais apresentam resistividade inferior
*
*
Resistores
As condições impostas aos resistores são severas, pois operam freqüentemente a temperaturas elevadas, onde as condições de envelhecimento e oxidação são mais acentuadas 
Os metais se oxidam com as temperaturas elevadas
Outra condição que se impõe é uma variação pequena da resistividade com a temperatura, ou seja, αt praticamente igual a zero (muito pequeno)
Os metais apresentam este coeficiente muito elevado
*
*
Resistores
Os metais possuem uma alta resistência mecânica e dureza elevada
Os metais puros não se prestam de forma adequada para fabricação de resistores, se qualificando de forma mais própria as denominadas ligas metálicas
As ligas metálicas resultam de combinação de dois ou mais metais, as quais apresentam uma cristalização mista (substitucional ou intersticial) e uma maior resistividade elétrica (solução sólida)
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Características
Valor Nominal
Tolerância
Porcentagem que indica a variação permissível da resistência real, acima ou abaixo do nominal
Tolerâncias mais comuns
20, 10 ,5 e 1%
Corrente nominal máxima
Potência nominal
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Materiais condutores para resistências elétricas
Propriedades elétricas
Resistividade elevada e constante em função da temperatura
Propriedades físicas
Condutividade térmica elevada
Coeficiente de dilatação fraco
Propriedades mecânicas
Boa resistência mecânica a temperaturas elevadas
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Materiais condutores para resistências elétricas
Propriedades químicas
Resistência a oxidação em temperaturas elevadas
Propriedades metalúrgicas
Facilidades de manufatura
Os materiais para resistência se apresentam sob forma de fios, grades, fitas e apresentam uma grande superfície de resfriamento
*
*
Materiais utilizados
Maillechort
15 a 18% Ni, 20 a 25% Zn, Cobre 50 a 60%
Constantan
Cobre + 40 a 45% de Ni
Manganina
Cobre + 10 a 12% e 4 a 12% de Ni
Ferro Fundido
Aços inoxidáveis
Cromo 18%, Níquel 8%
Ligas Fe-Ni-Cr
Forte proporção de Ni-Cr
Ligas Fe-Cr-Al
*
*
Classificação de acordo com a temperatura máxima de emprego
Até 300°C
Ligas de cobre, maillechort e constantan
Até 600°C
Ligas ternárias de Fe-Ni-Cr, com fraca proporção de Ni-Cr (10 a 18% de Ni, 9 a 12% Cr)
Até 1000°C
Ligas ternárias de Fe-Ni-Cr, com forte proporção de Ni-Cr (30 a 60% de Ni, 10 a 25% Cr)
Até 1150°C
Ligas binárias de Ni-Cr (80% Cr – 20% Ni)
*
*
Classificação de acordo com a temperatura máxima de emprego
Até 1300°C
Ligas ternárias de Fe-Cr-Al, comportando 25 a 30% de Cr e 2 a 5% de Al
Até 1600°C
Pseudo-ligas (cermet)
Até 2000°C
Metais com ponto de fusão elevado
Tungstênio e molibdênio
Até 2700°C
Carbono
*
*
Tipos de resistores
Carvão
De fio
De película
*
*
Resistores de carvão
Componentes
Carvão em pó + aglutinante
Tubo ou involucro plático
Terminais
Vantagens
Pequenos valores
Resistentes (rigidez mecânica)
Baixo custo
*
*
Resistores de carvão
Desvantagens
Superaquece com altas correntes
Coeficiente de temperatura alto
Tolerância grande
Valores de 10Ω a 20M Ω
Tolerâncias
± 20%
± 10%
± 5%
± 1%
*
*
Resistores a fio
Componentes
Núcleo isolante
Fio de liga especial
Capa protetora
Terminais
Suportam grandes correntes e possuem grandes dimensões
Pequena tolerância 0,1%
*
Suporte
cerâmico
enrolamento
invólucro
isolante
*
Resistores a fio
*
*
Resistores de película
Meio termo entre os resistores de carvão e o fio de precisão
Componentes
Tubo de Vidro
Película de material resistivo
0,0002 e 0,0000002mm (carbono ou metal)
Capa protetora
Terminais
*
*
*
*
Tipos de resistores
Classificam-se ainda
Fixos
Ajustáveis
*
*
Tipos de resistores
Variáveis
Reostatos
Potenciômetros
Terminais
Contato móvel
*
*
Código de cores para resistências
A Associação de Industrias Eletrônicas (ETA) e as Forças Armadas Americanas estabeleceram um código de cores, mediante a utilização de uma série de faixas coloridas em torno do resistor que permite indicar o valor da sua resistência e tolerância
As cores das duas primeiras faixas indicam os algarismos significativos, a terceira faixa indica o fator de multiplicação e a quarta faixa, a tolerância
*
*
Código de cores para resistências
*
*
Resistores blindados
Os resistores blindados são elementos aquecedores constituídos basicamente de um elemento resistivo, que é envolvido por uma material bom isolante elétrico e bom condutor térmico, e por uma blindagem externa que assegura proteção mecânica e química do elemento aquecedor
Os resistores blindados são aplicados para fins térmicos e o elemento resistivo geralmente utilizado é feito de uma liga níquel-cromo ou ferro-níquel-cromo
A temperatura superficial, no revestimento externo, atinge a ordem de 750°C
*
*
Aplicações
Resistências e reostatos para aparelhos de medida
Reostatos industriais
Reostatos para partida de máquinas
Reostatos de campo
Fornos industriais
Resistência de aquecimento para aparelhos domésticos
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*
Aplicações
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*
Proc. fabricação resistor de fio
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*
Proc. fab. res. de filme metálico
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Materiais condutores para fusíveis
Fusíveis são elementos mais “fracos” que são propositalmente inseridos nos circuitos para interrompê-los sob condições anormais
Utilização direta e útil do efeito joule
Desempenham função importante na proteção dos equipamentos elétricos (alto custo de investimento) contra curtos-circuitos
*
*
Materiais condutores para fusíveis
Condições requeridas
Propriedade físicas
Temperatura de fusão baixa
Fusão franca e sem proteção do metal incandescente
Propriedades elétricas
Boa condutividade elétrica
Não deve se aquecer excessivamente quando da passagem da corrente nominal
Propriedades químicas
Oxidação fraca
Sob pena de acarretar diminuição da seção e por conseguinte, modificações das características do fusível
*
*
Materiais condutores para fusíveis
Propriedades mecânicas
Ductilidade (possibilidade de uma calibração precisa)
Boa resistência mecânica
Condições econômicas
Substituição fácil
Custos pouco elevados
*
*
Materiais utilizados para fusíveis
Prata
Fusíveis de alta corrente
Alumínio
Fusíveis de baixa corrente
Estanho
Ponto de fusão 232°C
Pouco dúctil
Resistência mecânica fraca
Pouca
oxidação
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*
Materiais utilizados para fusíveis
Chumbo
 relevado =32µΩcm
Ponto de fusão 327°C
Pouco dúctil
Pouco resistente mecanicamente
Oxida-se facilmente
É usado sob forma de ligas
*
*
Composição de um fusível
Corpo de material isolante com suficiente resistência mecânica
Elemento fusível (ELO)
Destinado a fundir quando o dispositivo fusível opera
Sistema de contatos elétricos associado ao ELO
Sistemas de contatos
Soquete/pressão para I até 200 A
Pressão para I maior que 200 A
Indicador
Dispositivo destinado a indicar, no dispositivo fusível, que o mesmo operou
Base
Componente que tem função de suportar mecanicamente o fusível
*
*
Elementos fusíveis
*
*
Fusíveis
Fusíveis podem ser de BT e AT
(BT) Baixa tensão
Tipo rolha: até 30 A/ 220 V
Tipo cartucho: até 100 A/ 500V
Tipo silized e diazed: até 100 A/ 500 V
Tipo neozed: até 63 A/ 500 V
Tipo sitor: 32 a 710 A/ 800 V
Tipo NH: até 1250 A/ 500 V
(AT) Alta tensão
Tipo EJ(G.E.): até 34,5 kV
Tipo LA(ALCACE): até 25,8 kV
*
*
Fusíveis
Aplicações
Diazed (Siemens)
São fusíveis retardados que devem ser usados preferencialmente na proteção dos condutores de redes de energia elétrica e circuitos de comando
Silized (Siemens)
São fusíveis ultra-rápidos que são ideais para proteção de aparelhos equipados com semicondutores (tiristores e diodos)
Neozed (Siemens)
São fusíveis retardados mantidos apenas em estoque como reposição para painéis de comando de equipamento/maquinário importado
*
*
Fusíveis
NH (Siemens)
São próprios para proteger os circuitos, que em serviço, estão sujeitos à sobrecargas de curta duração, como por exemplo acontece na partida direta de motores trifásicos com o rotor em gaiola
Esses fusíveis mantêm as características mesmo quando submetidos à sucessivas sobrecargas de curta duração, e são resistentes à fadiga (envelhecimento) quando submetidos à sobrecargas pequenas, de longa duração
SITOR (Siemens)
São submetidos ultra-rápidos que são especialmente indicados para proteção de diodos e tiristores em retificadores e conversores
*
*
Fusível e base NH
Contatos
Elo fusível
Corpo cerâmico
Areia de quartzo
Indicador de estado
Terminal de conexão
Base
*
*
Base NH
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Fusível rápido e retardado
Necessidade resulta das condições operacionais dos circuitos
Fusíveis rápidos
Circuitos sem variação considerável de corrente entre o instante de partida e o regime permanente
Cargas resistivas
Fusíveis retardados
Variação de corrente
Cargas motoras
Corrente de partida
Acréscimo de massa na parte central do elo
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Elementos fusíveis
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Chave fusível
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Quadro resumo
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Ligas fusíveis
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Fórmula de Preece
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Fórmula de Preece
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Fórmula de Preece
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Materiais magnéticos
Origem histórica	
Pedras denominadas de magnetitas que atraiam pedaços de ferro
Localidade: Magnésia (Ásia menor)
Magnetita
Composto de óxido salino de ferro Fe3O4
Outro imã natural
A própria terra, cuja propriedade de orientar a agulha magnética de uma bússola é conhecida a muito tempo
Aplicações
Máquinas girantes, transformadores, galvanômetros, alto-falantes, etc.
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Campo magnético
O espaço em torno de um imã ou de um condutor percorrido por uma corrente elétrica
Densidade de fluxo magnético 
Também chamado indução magnética é representado por linhas de fluxo magnético
Materiais magnéticos
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Propriedades da densidade de fluxo magnético B
A tangente a uma linha de fluxo em qualquer ponto fornece a direção de B neste ponto
As linhas de fluxo magnético são fechadas sobre si mesmas
Ao contrário das linhas de força abertas do campo elétrico
As linhas de fluxo são espaçadas de modo que o número de linhas por unidade de área da superfície normal às mesmas é proporcional ao módulo de B
A grandeza de B é maior junto ao condutor e decresce quando a distância aumenta
O sentido do campo pode ser obtido pela regra da mão direita
Segurando o condutor com a mão direita e o dedo polegar apontando para a direção da corrente, o vetor B está apontando para a direção dos dedos
Materiais magnéticos
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Materiais magnéticos
No sistema S.I a unidade de B é Tesla ou Weber/m2
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Bobina
Geometria que oferece grande interesse prático
A utilização desde dispositivo resulta do seu aspecto de ampliação do fluxo magnético para bobina formada por N espiras
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Força eletromagnética
A lei da força eletromagnética estabelece que toda vez que há uma interação entre um campo magnético e uma corrente elétrica que circula em um condutor, resultará no surgimento de uma força mecânica no condutor
 
Sendo L o comprimento do condutor, B a densidade de fluxo magnético
A força F atinge o máximo quando α = 90, ocasião em que F, I e B são ortogonais entre si
 
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Torque magnético 
Uma bobina com n espiras conduz uma corrente I e é livre para girar em torno de um eixo horizontal sob a ação de um campo magnético
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As forças agem sobre os 4 lados da bobina
As forças atuando sobre as laterais da bobina são canceladas entre si
As forças atuando nos lados perpendiculares ao campo exercerão um torque na bobina fazendo ela girar na direção do decrescimento do ângulo q
Se ela é livre para girar, ela assumirá a posição horizontal
F = nB.I.L
O torque na bobina será dado por
T = nB.I.L.W/2.sen q x 2 lados
Ocorre que W.L = A (área da bobina), então
T = B.n.I.A.sen q
Torque magnético 
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Momento magnético
Torque sobre uma espira móvel
T = B.n.I.A.sen q
Conceito de momento magnético
m = n.I.A (ampère espira m2)
Desta forma: T = B.m.sen q
Pode-se imaginar o momento magnético como um vetor perpendicular à superfície da bobina, com sentido dado pela regra da mão direita, onde o polegar indica o sentido da corrente e os demais dedos o sentido de m
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Conclusão
Sob a influência de um campo magnético a bobina (móvel) assumirá uma posição de equilíbrio, na qual o vetor momento magnético está alinhado com o campo magnético
Momento magnético
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Classificação dos materiais magnéticos
Materiais diamagnéticos
Permeabilidade constante
Característica 
μr < 1 ligeiramente inferior à unidade
Exemplos
Chumbo, cobre, antimônio, prata, mercúrio, gases inertes, grafite, gálio, bismuto, etc.
Materiais paramagnéticos 
Permeabilidade constante 
Característica
μr > 1 ligeiramente superior à unidade
Exemplos 
Ar, oxigênio, estanho, cromo, alumínio, sódio, potássio, platina, etc.
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Materiais ferromagnéticos
Permeabilidade varia com a intensidade do campo aplicado
Característica 
μr >>>> 1 muito superior a unidade 
Exemplos 
Ferro, cobalto, e suas ligas (ferro–silício, permaloy, vicalloy) , oxido salino de ferro (FeO4 magnetita)
Classificação dos materiais magnéticos
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Ferromagnetismo 
Devido a relação complicada entre a densidade de fluxo B e o campo magnético H em um material ferromagnético, não é possível exprimir B analiticamente em função de H
A relação entre essas duas grandezas é dada sob a forma de tabela ou de um gráfico chamado de curva de magnetização do material
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A permeabilidade μ, igual a relação entre B e H pode ser determinada em qualquer ponto da curva, dividindo a ordenada pela abscissa
Por exemplo, quando H =150A/m, B = 1,01Wb/m2 e μ = B/H = 67500x10-7 H/m 
É evidente que a permeabilidade não é constante
A curva μ é um gráfico de B em função de H
Ferromagnetismo 
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Ferromagnetismo 
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Domínios magnéticos 
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Perdas por histerese 
A variação da perdas por histerese pode ser expressa somente por uma equação empírica 
A relação mais comumente usada é
 Ph = Kh.f.Bnmax
Kh é a constante de proporcionalidade que depende do material utilizado
n = 1,6 aço doce 
n = 2 chapas ferro silício 
n varia entre 1,5 e 2,5
A energia dissipada é proporcional
ao número de ciclos por segundo e ao volume do material magnético
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Perdas por histerese 
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Perdas por correntes de Foucault 
As perdas por correntes de Foucault dependem do quadrado da densidade de fluxo, da freqüência e da espessura das chapas
 Pf = Kf.(Bmax.f.t)2 por unidade de volume 
t = espessura
Kf é uma constante de proporcionalidade cujo valor depende do material utilizado
Para reduzir perdas por correntes de Foucault
Laminar os circuitos e isolá-los entre si
Utilizar chapas com resistividade elevada 
Utilizar chapas finas (0,35 a 0,4 mm)
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A Permeabilidade dos materiais ferromagnéticos diminui quando a temperatura cresce
A permeabilidade relativa cai praticamente para a unidade a uma temperatura (diferente para diferentes substâncias) chamada temperatura curie 
Temperatura Curie
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Temperatura Curie
Ao se elevar a temperatura o material acaba por perder suas propriedades magnéticas
Para cada material magnético existe uma temperatura característica, denominada ponto curie no qual o material se torna não magnético (amagnético)
A permeabilidade relativa de uma amostra de ferro, sendo H constante é igual a 800.000 A.e/m e sua temperatura curie é cerca de 7600C
Níquel 4000C
Cobalto 11000C 
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Comportamento BxH em Materiais Magneticamente “Mole” e “Duro”
O alinhamento de todos os domínios em uma direção origina um efeito aditivo, o qual pode ou não permanecer após a retirada do campo externo
Para designar quando o alinhamento magnético é permanentemente retido ou não, são usados os termos material magnético “duro” e material magnético “mole”, respectivamente
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Comportamento BxH em um material idealmente mole
A desmagnetização ocorre imediatamente após a remoção do campo magnético
Não há dispêndio de energia 
Tal material não ficaria aquecido ao ser usado como núcleo de um transformador 
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Comportamento BxH em um material magneticamente duro
A remoção do campo magnetizaste H não elimina a fluxo magnético Br
Um campo no sentido contrário, força coercitiva Hc, deve ser aplicada a fim de mudar o fluxo magnético Br
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Materiais magnéticos
Classificação 
Materiais magnéticos moles (soft)
Materiais magnéticos duros (hard)
Características em função do laço de histerese 
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Os materiais magnéticos moles se caracterizam
Alta permeabilidade magnética 
Pequena força coercitiva 
Pequenas perdas por histerese (laço estreito, em azul)
Aplicações
Circuitos magnéticos de máquinas girantes, trafos, relés, etc.
Materiais magnéticos
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Os materiais magnéticos duros se caracterizam
Moderada ou baixa permeabilidade 
Força coercitiva elevada
Perdas por histerese elevadas (laço largo, em amarelo)
Aplicações 
Imãs permanentes em instrumentos de medida, alto-falantes, etc.
Materiais magnéticos
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Materiais magnéticos moles 
Ciclo estreito de histerese, Hc muito pequeno
Reduzidas perdas
Elevada permeabilidade 
Alta importância para aplicações elétricas
Estes materiais são constituídos de ligas binárias
Ferro + carbono
Ferro + silício
Ferro + níquel
Ferro + cobalto
Ferro + alumínio
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Uma das mais importantes é chamada de ferro + silício que oferece grande redução de perdas
Principais vantagens 
Reação do Si com as impurezas do ferro que são eliminadas, com conseqüente aumento da permeabilidade
A presença do Si faz com que seja aumentada a resistividade da chapa 
 
Materiais magnéticos moles 
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Quanto maior a proporção de Si, mais interessantes ficam as propriedades, entretanto há um inconveniente
A chapa aumenta sua fragilidade na medida que aumenta o teor de Si na liga, fato este que limita a porcentagem do Si a um máximo de 5% e ainda assim restritos a dispositivos estáticos (trafos)
Materiais magnéticos moles 
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Propriedades magnéticas
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Propriedades magnéticas
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Ligas de Fe + Si de grão orientado
Anisotropia magnética
Mediante adequada laminação e processo térmicos subseqüentes se efetuam de forma que a direção de mais fácil magnetização dos cristais coincida o mais possível com a direção da magnetização
As chapas Fe + Si de grão orientado (GO) não são empregadas e máquinas rotativas, uma vez que nestes dispositivos as propriedades magnéticas direcionais não são relevantes
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Ligas de Ferro Silício – Tipos Gerais 
As curvas de magnetização BxH desses tipos normais de ligas de ferro-silício não apresentam diferenças muito notáveis entre si
São sensíveis as diferenças de perdas no ferro (histerese + foucault) correspondentes aos diversos tipos
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Materiais magnéticos duros
Características
Ciclo de histerese mais largo, Hc elevado
Perdas elevadas por histerese
São apropriados para construção de imãs permanentes 
Os imãs permanentes são de grande utilidade, pois se constituem num meio prático de conservar o campo magnético, sem a necessidade de nenhuma fonte externa de energia 
Não há aquecimento
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Características essenciais
Que apresente uma densidade de fluxo remanente elevada (Br elevado)
Que se obtenha no dado entreferro, uma densidade de fluxo magnético maior possível, com um mínimo de material magnético (volume)
O volume de material magnético é mínimo quando o produto BxH é máximo
Que essa densidade de fluxo remanente não se perca ao ser submetido a campos desmagnetizantes, ou seja, apresente um campo coercitivo elevado (Hc alto)
Materiais magnéticos duros
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Metais ferromagnéticos
Ferro
Grande aplicação industrial, maior susceptibilidade magnética e mais econômico 
Alta permeabilidade, reduzidas perdas de histerese
Temperatura curie aproximada de 8000C e indução de saturação de 2,25T 
Cobalto 
Permeabilidade aumentada com a temperatura, indução de saturação de 1,7T e temperatura curie de 11150C
Níquel
Indução de saturação de 0,65T e temperatura curie de 3900C
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Ferrites 
Designam-se com este nome uma família de materiais (descobertos recentemente) de estrutura análoga à magnetita
Fe3O4
Fórmula geral
M++O.Fe2O3
Onde M representa o átomo de um metal (bivalente)- Co, Ni, Mn, Fe, etc. 
NiOFe2O3 – ferrite de níquel
FeOFe2O3 = Fe3O4 – ferrite de ferro magnetita
Em composição com dois metais (bivalentes), tem-se a seguinte fórmula geral
aMa++.bMb++Fe2O3, onde a + b = 1
a e b representam a proporção dos dois metais
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Ferrites
Características das Ferrites
São materiais sintetizados de alta resistividade ρ>106 
Propriedades magnéticas análogas as do ferro mas, com Bsat e μ
Podem ser obtidas industrialmente para moldagem de peças de formas complicadas 
Perdas por correntes de Foucault baixas
Utilizam-se em dispositivos de alta freqüência (100 MHz)
Utilizam-se também como imãs permanentes 
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Densidade de fluxo magnético
As propriedades magnéticas da matéria podem ser facilmente medidas e calculadas quando dela tomamos uma amostra com a forma de uma anel (anel de Rowland)
O campo magnético criado por uma corrente no enrolamento de magnetização é confinado inteiramente ao interior do anel sem que nenhuma linha de indução magnética atravesse a superfície da amostra para penetrar no meio ambiente
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Densidade de fluxo magnético
Anel de Rowland
Espécime magnético com a forma de um anel, dentro de uma bobina toroidal
Empregado por J.H. Rowland nos seus trabalhos experimentais sobre eletricidade e magnetismo
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A densidade de fluxo magnético no interior de uma bobina toroidal no vácuo é
Se o núcleo é feito de material ferromagnético a densidade de fluxo medida será muito maior
Se feito de material paramagnético será ligeiramente maior
Se feito de material diamagnético será ligeiramente menor que o valor calculado
Densidade de fluxo magnético
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Considerando μ
Igual a μ0 no vácuo
Ligeiramente maior que μ0
Paramagnético
Ligeiramente menor que μ0
Diamagnético 
Muitas vezes maior que μ0
Ferromagnético 
Densidade de fluxo magnético
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Materiais magnéticos duros
Principais ligas usadas para imãs permanentes 
Aço ao carbono
0,6 a 1% C e 0,3 a 0,8% Mn
Aço ao tungstênio 
0,6 a 1%, 4 a 6% W e 5% Mn 
Aço ao cromo
0,6 a 1% C, 1 a 5% Cr e 0,5 Mn
Aço cromo/cobalto 
16% Cr e 9% Co
Aço cobalto
36% Co, 4% W e 6% Cr
Cunife
60% Cu + 20% Ni + 20% Fe
Cunico 
35% Cu + 24% Ni + 41% Co
Vicalloy
34%Fe + 52%Co + 14% V
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Grandezas magnéticas 
Densidade de indução magnética vetor B
Expresso em tesla ou weber/m2 (B = Φ/A)
Excitação magnética, vetor H
Expresso em ampère.espira/m (H=nI/L)
Força magnetomotriz 
Expressa em ampère.espira (F=nI)
Fluxo magnético 
Expresso em weber (Φ = B.A)
Permeabilidade Magnética 
 μ0 = permeabilidade absoluta no vácuo
4πx10-7
 μ = permeabilidade magnética absoluta
 μr = permeabilidade magnética relativa
Relação entre μ e μ0 (número adimensional)
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Permeabilidade magnética 
A permeabilidade magnética é a medida da habilidade do material para ser magnetizado, ou em outras palavras, a facilidade com que a força magnetizante H pode induzir a densidade de fluxo B no interior do material
A permeabilidade absoluta é numericamente igual à relação B/H, porém esta relação é complexa
O quociente B/H não é constante, ou melhor dizendo não pode ser determinado analiticamente, entretanto pode ser representado por uma curva experimental
A permeabilidade relativa também pode ser definida em função da permeabilidade absoluta do ar
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Polarização e susceptibilidade magnética 
Polarização magnética é o somatório dos momentos magnéticos por unidade de volume do material, ou seja, o produto do momento de cada átomo pelo número de átomos por unidade de volume do material
As unidades de M são as mesmas de H
Ampère.espira/m
A relação entre a polarização magnética e o campo de excitação H é denominada de susceptibilidade magnética
X = M/H (adimensional)
Outras formulas
 μr = 1 + x/μ0
 B = μ0(H + M)
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