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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 * 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 * * 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 * * 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 * * Classificação da IEC * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * m Massa do corpo C Capacidade calorífica j Temperatura t Tempo K Coeficiente de convecção S Área exposta ao arrefecimento * * 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 * * Aquecimento e resfriamento simultâneos No aquecimento Para t=0 * * 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 * * 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 * * Condutores elétricos * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * Fenômenos Termoelétricos Efeito Thomson Efeito Peltier Efeito Seebeck * * 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 * * 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 * * 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 * * 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. * * 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 * * 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 * * Prata Principais características da prata * * 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 * * 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 * * 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 * * Cobre Principais características do cobre * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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) * * 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 * * 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. * * 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. * * * * Cobre * * Cobre * * Cobre * * Cabos * * Cabos de cobre * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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% * * 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 * * Fabricação do alumínio * * figura * * Comparação alumínio x cobre* *Padrão IACS: Padrão internacional do cobre recosido, tomado como referência de 100% de condutividade * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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” * * Cabos de alumínio * * * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * Copperweld/alumoweld * * Copperweld/alumoweld * * 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 * * Outros metais condutores * * 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 * * 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 * Terminologia * 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 * Terminologia * 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 * Terminologia * Cordões, fios e cabos * * 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. * * 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 * * 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 * Condições para condutores * 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 * * 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 * * 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 * * Escala AWG e métrica * * Escala AWG e métrica * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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) * * Dielétricos estratificados * * 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) * * 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 * * 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 * Comportamento dos fios e cabos sob condições de fogo e incêndio * 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 * Comportamento dos fios e cabos sob condições de fogo e incêndio * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * Fabricação * * Exemplos * * 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 * * 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 * * Cabos de controle * * Cabos de controle * * 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 * * 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 * * 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 * * 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) * * Condutores nus * * Cabos alumínio com alma de aço * * Cabos alumínio com alma de aço * * 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 * * Efeito pelicular ou “skin effect” * * 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 * * 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 * * Cordoalhas * * Cordoalhas * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * Contato elétrico 3 slides com figuras * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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) * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * Contatos elétricos * * Contatos elétricos * * Contatos elétricos * * 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) * * 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 * * 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 * * 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 * * Aplicações * * Proc. fabricação resistor de fio * * Proc. fab. res. de filme metálico * * 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 * * 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 * * 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 * * Elementos fusíveis * * Chave fusível * * * * Quadro resumo * * Ligas fusíveis * * Fórmula de Preece * * Fórmula de Preece * * Fórmula de Preece * * 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. * * 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 * * 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 * * Materiais magnéticos No sistema S.I a unidade de B é Tesla ou Weber/m2 * * 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 * * * * 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 * * 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 * * 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 * * * * 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 * * 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 * * 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. * * 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 * * * * 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 * * 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 * * Ferromagnetismo * * Domínios magnéticos * * 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 * * Perdas por histerese * * 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) * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * Materiais magnéticos Classificação Materiais magnéticos moles (soft) Materiais magnéticos duros (hard) Características em função do laço de histerese * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * Propriedades magnéticas * * Propriedades magnéticas * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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) * * 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 * * 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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