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AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 1 EElleettrroottééccnniiccaa MMaatteerriiaaiiss EEllééttrriiccooss 11°° mmóódduulloo EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 2 MMAATTEERRIIAAIISS EELLÉÉTTRRIICCOOSS ÍÍnnddiiccee AApprreesseennttaaççããoo ppáággiinnaa 0033 MMoovviimmeennttoo ddee ccaarrggaa eellééttrriiccaa ppáággiinnaa 0033 CCoonndduuttoorreess ppáággiinnaa 0044 CCllaassssiiffiiccaaççããoo ggeerraall ddooss mmaatteerriiaaiiss eellééttrriiccooss ppáággiinnaa 0044 CCoonndduuttiivviiddaaddee ppáággiinnaa 0055 EExxeemmppllooss pprrááttiiccooss ppáággiinnaass 0055//0066//0077 CCooeeffiicciieennttee ddee tteemmppeerraattuurraa ppáággiinnaa 0088 EExxeemmppllooss pprrááttiiccooss ppáággiinnaa 0088//0099//1100 CCoonndduuttiivviiddaaddee TTéérrmmiiccaa (( AAmmppaacciiddaaddee )) ppáággiinnaa 1100 TTeennssããoo ddee ccoonnttaattoo ee ffoorrççaa tteerrmmoo--eellééttrriiccaa nnooss mmeettaaiiss (( sséérriiee ggaallvvaanniiccaa )) ppáággiinnaa 1100 MMaatteerriiaaiiss ccoonndduuttoorreess ddee eelleevvaaddaa ccoonndduuttiivviiddaaddee ee ddee eelleevvaaddaa rreessiissttiivviiddaaddee.. ppáággiinnaa 1111 MMaatteerriiaaiiss ddee eelleevvaaddaa ccoonndduuttiivviiddaaddee eellééttrriiccaa ppáággiinnaa 1111 OO ccoobbrree ppáággiinnaa 1111//1122 PPrriinncciippaaiiss lliiggaass ddee ccoobbrree ppáággiinnaa 1122 OO aalluummíínniioo ppáággiinnaa 1122//1133 EExxeemmppllooss pprrááttiiccooss ppáággiinnaa 1133//1144 CCoommppaarraaççããoo eennttrree aass ccaarraacctteerrííssttiiccaass ffííssiiccaass ddoo ccoobbrree ee oo aalluummíínniioo ppáággiinnaa 1155 OOxxiiddaaççããoo ddoo aalluummíínniioo ppáággiinnaa 1155 PPrriinncciippaaiiss AApplliiccaaççõõeess ddoo aalluummíínniioo ppáággiinnaa 1155 AAllgguummaass lliiggaass ddee aalluummíínniioo ppáággiinnaass 1166 CCoonnssiiddeerraaççõõeess ppáággiinnaa 1166 OOss mmeettaaiiss uuttiilliizzaaddooss ccoommoo ccoonndduuttoorreess eellééttrriiccooss ppáággiinnaa 1166 CCaarraacctteerrííssttiiccaass ddooss CCaabbooss eellééttrriiccooss (( ccoobbrree ee aalluummíínniioo )) ppáággiinnaa 1166 AA fflleexxiibbiilliiddaaddee ddooss ccoonndduuttoorreess eellééttrriiccooss ppáággiinnaa 1177//1188 CCllaasssseess ddee eennccoorrddooaammeennttoo ddee ccoonndduuttoorreess eellééttrriiccooss ccoonnffoorrmmee aa NNBBRR 66888800 ppáággiinnaass 1188//1199 CChhuummbboo (( PPbb )) ppáággiinnaa 1199//2200 EEssttaannhhoo (( SSnn )) ppáággiinnaa 2200 PPrraattaa (( AAgg )) ppáággiinnaa 2200 OOuurroo ((AAuu )) ppáággiinnaa 2211 PPllaattiinnaa (( PPtt )) ppáággiinnaass 2211//2222 MMeerrccúúrriioo (( HHgg )) ppáággiinnaa 2222 ZZiinnccoo (( ZZnn )) ppáággiinnaa 2222 CCááddmmiioo (( CCdd )) ppáággiinnaass 2233 NNííqquueell (( NNii )) ppáággiinnaa 2233//2244 CCrroommoo (( CCrr )) ppáággiinnaa 2244 TTuunnggssttêênniioo (( WW )) ppáággiinnaa 2244 MMaatteerriiaaiiss iissoollaanntteess (( ccoonntteeúúddoo ddee ppeessqquuiissaa )) ppáággiinnaass 2255 aa 3388 AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 3 MMaatteerriiaaiiss eellééttrriiccooss Conhecimentos básicos de materiais empregados na construção de equipamentos elétricos e eletrônicos, são indispensáveis à compreensão de como o homem conseguiu e vem conseguindo, utilizar a eletricidade, presente na natureza, como a mais importante forma de energia para a realização de trabalho. Os materiais usados em eletricidade são classificados sob 2 aspectos: a-) Elétricos *Condutores ( qualquer sentido de corrente ) *Semicondutores ( somente um sentido de corrente ) *Isolantes ( não há sentido de corrente ) b-) Magnéticos ( fluxo magnético / Ligas de ferro ) *Ferromagnéticos ( Conduz fluxo em qualquer sentido ) *Diamagnético (conduz o fluxo num único sentido ) *Paramagnético ( não conduz fluxo magnético ) É importante salientar que não existem na natureza, nem condutores nem isolantes perfeitos, a classificação destes materiais é um aspecto exclusivamente prático. MMMooovvviiimmmeeennntttooo dddeee cccaaarrrgggaaa eeelllééétttrrriiicccaaa Movimentos de átomos = ions / corrente ionica A condução da corrente elétrica pode ocorrer nos materiais sólidos líquidos e gasosos ( com condições favoráveis ). Na pratica a maioria dos condutores são sólidos. No grupo dos líquidos podemos lembrar dos metais em estado de fusão os eletrólitos e o caso particular do mercúrio, que se solidifica a –39ºC. Quanto aos gases, apenas adquirem características condutoras quando submetidos a intensos campos elétricos ( tensão ) ionizam-se formando um meio condutor chamado de plasma, tornando-se capaz de conduzir correntes elétricas ( arco elétrico, lâmpadas de descarga ) entretanto, mesmo gases de origem metálica não são usados na pratica como condutores. OO ddeessllooccaammeennttoo ddee ccaarrggaass eellééttrriiccaass (( eellééttrroonnss ee iioonnss )) éé pprroovvooccaaddoo ppeellaa aapplliiccaaççããoo ddee uummaa eenneerrggiiaa eexxtteerrnnaa qquuee ppooddee sseerr ddee oorriiggeemm eellééttrriiccaa,, qquuíímmiiccaa,, mmeeccâânniiccaa,, ttéérrmmiiccaa,, lluummiinnoossaa,, mmaaggnnééttiiccaa,, eettcc...... Os materiais onde a corrente elétrica se da através do movimento de elétrons ( condutores eletrônicos ) são chamados de primeira espécie e são os que apresentam menor dificuldade à passagem de corrente. Os de segunda espécie são os metais em estado de fusão e eletrólitos em solução, onde a corrente é ionica e apresentam maior dificuldade a passagem de corrente. Os de terceira espécie são os gases onde a corrente é “ionica e eletrônica simultaneamente” AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 4 CCoonndduuttoorreess LLeeiiss ddee oohhmm 11ºº LLeeii ddee oohhmm Em certos materiais condutores a relação entre a tensão aplicada e a corrente que flui por ele, a uma dada temperatura, é constante. Neste caso dizemos que o condutor obedece a lei de Ohm. A constante de proporcionalidade é conhecida como resistência. Tal relação pode ser formalizada pela equação que se segue: 22°° lleeii ddee oohhmm A resistência de um condutor é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional a área de sua seção transversal. Ou seja, a resistência elétrica de um condutor não depende apenas do material usado, mas do comprimento ( l.), da área da seção reta ( S ) e da temperatura do condutor. Para uma determinada temperatura a resistência, em função destas grandezas, é dada pela equação: Α constante de proporcionalidade ( ρ ), conhecida como resistividade ou resistência específica, a mesma, depende do tipo de material condutor e é definida como a resistência por unidade de comprimento e área de seção reta do material. CCllaassssiiffiiccaaççããoo ggeerraall ddooss mmaatteerriiaaiiss eellééttrriiccooss É feita de acordo com a maior ou menor dificuldade que apresentam em relação a passagem de corrente elétrica, ou seja, de acordo com sua resistividade elétrica transversal, cuja unidade é representada por ρ ( ”rô” ) Para entendermos a unidade da grandeza “resistividade”, manipulamos a fórmulada resistência ( 2º lei de Ohm ): Vide Figura 01 AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 5 CCoonndduuttiivviiddaaddee A condutividade elétrica, cuja unidade é representada por γ (sigma minúscula ), é também muito utilizada e é o inverso da resistividade. Veja a formula de conversão a seguir: Materiais condutores ρ =10-2 a 10 Materiais semicondutores ρ = 10 a 1012 Materiais isolantes ρ = 1012 a 1024 Figura 01 O conhecimento dessas grandezas é muito importante na adequada escolha e avaliação dos materiais , pois definirá se os materiais serão capazes de desempenhar as funções que lhes serão atribuídas. Exemplos práticos: 1) Sabe-se que a condutividade do cobre é γCu = 58.m / Ω.mm² calcule a resistência apropriada dos condutores de um circuito a 02 fios de 0,5mm² e 36cm de comprimento. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 6 Dados: Para este exercício utilizaremos a 2º lei de ohm S=0,5mm² Note que temos o valor da condutividade, porém, na formula é expresso o valor da unidade de resistividade. Para nos adequarmos a formula convertemos a unidade de referência à solicitada, sendo: ρ = 1 substituindo ρ= 1 sendo ρ = 0,0172 γ 58 ppeerrcceebbaa qquuee ttrraattaamm--ssee ddee ddooiiss ccoonndduuttoorreess,, oouu sseejjaa dduuaass vveezzeess oo ccoommpprriimmeennttoo ffoorrnneecciiddoo,, nnoottee qquuee ooss vvaalloorreess eessttããoo eexxpprreessssooss eemm cceennttíímmeettrrooss qquuaannddoo aa ffoorrmmuullaa oo ccoommpprriimmeennttoo ddeevvee sseerr eexxpprreessssoo eemm mmeettrroo.. MMuullttiipplliiccaammooss oo NN..ºº ddee ffiiooss ppeelloo ccoommpprriimmeennttoo ffoorrnneecciiddoo ee ccoonnvveerrtteemmooss ooss vvaalloorreess eemm ccmm ppaarraa mmeettrrooss:: l = 2fios x 36cm = l = 72cm ou 0,72m ( metro é a unidade de medida solicitada pela formula ) Calculamos: calculo : R= ρ . l R= ρ 0,0172 . 0,72m R= 0,0247Ω ou 24,8mΩ S 0,5mm² 02) Pretende-se usar uma barra de aço da estrutura de uma edificação como parte integrante do sistema de aterramento dessa edificação. Sabendo-se que a barra tem 50m de comprimento, 8mm de diâmetro e que a resistividade do ρ Fe=0,098 Ω . mm²/m e que a resistência elétrica desse trecho do sistema de aterramento não pode ser superior a 300mΩ, verifique a viabilidade técnica desta opção Dados: Para este exercício utilizaremos a 2º lei de ohm l = 50m ρ Fe=0,098 Nos foi fornecido o diametro da barra de ferro, porém, será necessário calcular a área da seção da mesma para nos adequarmos a formula, sendo: π.d² = 3,14.8² = 3,14.64 = 50,265mm² 4 4 4 CCaallccuullaammooss:: R= 0,098 . 50,265 = 4,9 = 0,0985 ou 98,5mΩ 50 50 03)Utilizando-se um fio de liga resistiva metálica de 1/4mm² de seção e resistividade 1,12Ω.mm²/m. deseja-se construir um reostato que apresente uma resistência mínima de 160Ω. Esse fio será enrolado disposto em uma única camada, ao longo de um cilindro cerâmico de 05cm de diâmetro externo e as voltas de fio estarão espaçadas de um diâmetro entre si. Qual o comprimento do cilindro? AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 7 Dados: Para este exercício utilizaremos a 2º lei de ohm S = 1/4mm² ou 0,25mm² ρ = 1,12 Ω . mm²/m R = 160Ω D cilindro = 5cm Espaçamento = 1 diâmetro do fio Comprimento cilindro = ? 1°) Para encontrar o comprimento do cilindro eu necessito conhecer o comprimento de meu condutor. Com os valores fornecidos manipulamos a formula de forma a isolar nossa icognita e efetuamos o calculo encontrando o valor desejado: R= ρ . S R x S ρ 160 x 0,25 = 35,71 36m 1,12 2º) Agora que temos o comprimento do condutor, necessitamos conhecer o perímetro do cilindro para que possamos determinar o comprimento de cada volta, sendo: π.Diametro = π.5 = 15,707cm 3º) Calculado o perímetro, note que o valor encontrado esta expresso em cm e o comprimento em metros, devemos adequar as razões, no caso abaixo convertemos a cm e manteve-se o perímetro, o que não nos impede de manter o valor de , e convertemos o perímetro a metros, sem alterar o valor do resultado. N.° de voltas = / Perímetro do cilindro Sendo, N.° de voltas é = 3600 cm / 15,707 = 229,197 ou ( preferencialmente ) =+/-230voltas 4º) Não podemos nos esquecer que o exercício ainda nos informa que o espaçamento ente cada espira deverá ser espaçada de um diametro entre si, ou seja 0,25mm², porém necessitamos descobrir o diametro deste fio. Desta forma manipulamos a equação para calculo de área do circulo, de forma a isolar nossa icognita, chegando assim ao valor desejado. 5º - a) Devemos agora calcular o espaço ocupado sobre a superfície do cilindro, ou seja, tendo por base o N.º de voltas de fio + os espaçamento entre as voltas 230 + 230= 460 5º - b) Multiplicamos o resultado encontrado pelo diametro do fio, calculado na etapa 4 deste exercício. Obteremos desta forma o valor do comprimento do cilindro em mm, podemos desta forma converte-lo a cm ou metros, uma vez que não foi especificado o múltiplo. cilindro = 460 x 0,5642= 260mm, 26 cm, ou ainda,0,26m de comprimento AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 8 CCooeeffiicciieennttee ddee tteemmppeerraattuurraa A resistência elétrica dos condutores varia com a temperatura, tanto a do ambiente como a provocada pela circulação de corrente pelo condutor ( efeito Joule, “R.I² “). O calor provoca o aumento de vibração das partículas, interferindo no movimento ordenado dos elétrons na corrente elétrica. A relação da corrente elétrica e temperatura não é constante. Há apenas, grande interesse na região em que esta variação é linear. Nota: tanto a resistividade ( ou condutividade ) como o coeficiente de temperatura são valores tabelados para temperatura de “referencia de 20°C”, havendo algumas exceções em que esta temperatura é de 25ºC. Exemplos práticos A) O coeficiente de temperatura do molibdênio é de αT=0,048. Calcule a variação da resistência elétrica de um fio desse metal, de seção S = 0,018mm² e 36m de comprimento, quando é submetido a uma temperatura de 650ºC. ρ = 0,0477 Ω mm²/m. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 9 Dados: R1=? R2=? Variação da Resistência = ? αT=0,048 S = 0,018mm² T1= 20°C T2= 650ºC ρ = 0,0477 l = 36m 1°) Para calcularmos o valor da resistência R2, será necessário inicialmente conhecermos o valor de R1. Para isto, faremos uso da 2º lei de ohm, uma vez que nos foram fornecidos os valores de l, S e ρ. a) R1 = ρ . l / S = 0,0477 x 36 / 0,018 = 95,4Ω 2º) Encontrado o resultado que nos faltava, utilizaremos a formula geral para calcularmos o coeficiente de temperatura. Observe que para a temperatura inicial ( T1) a referência é de 20ºC (temperatura tabelada para as grandezas de resistividade, condutividade e coeficiente de temperatura ).b) R2 = R1 [ 1+ αT . ΔT ] R2 = 95,4 [1 + 0,048 . ( 650 - 20 )] R2 = 95,4 [1 + 0,048 . 630 ] R2 = 95,4 [1 + 30,24 ] R2 = 95,4 x 31,24= 2980Ω 3º) Encontrado o valor de R2, calculemos agora a variação da resistência elétrica do condutor, ou seja: R2 - R1 = variação da resistência 2980Ω − 95,4Ω = 2885Ω ou melhor +/− 2,9KΩ B) O αT da platina é 0,0039. Um fio desse material esta sendo usado como termometro resistivo e apresenta uma resistência ôhmica de 12Ω a 20°C. O fio foi submetido a uma variação de temperatura e sua resistência medida foi de 18Ω. Qual foi o valor medido com este dispositivo? Informações: αT = 0,0039 R20°C = 12Ω R2 = 18Ω T2 = ? Aplicando a formula com os valores fornecidos R2 = R1 [ 1+ αT . ΔT ] 18Ω = 12Ω [1 + 0,0039 . ΔT ] AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 10 R 1 esta multiplicando passamos para o outro lado dividindo 18Ω / 12Ω = 1 + 0,0039 . ΔT 1,5=1+ 0,0039 . ΔT O valor 1 que esta somando passa subtraindo 1,5 − 1 = 0,0039 . ΔT 0,5= 0,0039 . ΔT αT que multiplicava por ΔT passa dividindo 0,5 / 0,0039 = ΔT 128,205ºC = ΔT Encontramos com isto o resultado da variação de temperatura. Sabemos que a variação de temperatura e expressa da seguinte forma, ΔT=T2-T1 128,205 = T2 – 20 manipulando a equação temos: T2= 128,205ºC + 20ºC T2 = 148,205ºC esta é a temperatura medida pelo dispositivo É fácil concluir que um condutor trabalhando em regime de sobrecarga ( uma corrente superior a sua capacidade nominal ) irá aquecer e terá sua resistência elétrica aumentada, potencializando o efeito Joule ( I² R ), levando-o gradualmente a destruição. Metal ρ . [ Ω. mm²/m ] γ. [ m / Ω.mm² ] αT 20ºC Prata 0,0160 62,5 0,0036 Cobre 0,01724 58 0,0038 Ouro 0,0222 45 0,0037 Alumínio 0,0278 36 0,0039 Tungstênio 0,059 17 0,0052 Níquel 0,087 11,5 0,0040 Molibdênio 0,0477 20,96 0,00480 Tabela 01 CCoonndduuttiivviiddaaddee TTéérrmmiiccaa (( AAmmppaacciiddaaddee )) A circulação de corrente por um condutor sempre provoca perdas pela geração de calor. Assim, para evitar danos ao próprio condutor e a sua isolação é importante que os materiais tenham capacidade de liberar esta energia térmica o mais rapidamente possível para o meio ambiente. Há, portanto, estreita analogia entre condutividade térmica e elétrica. O termo “ampacidade “ ( ampacity ) esta diretamente ligado a este conceito. TTeennssããoo ddee ccoonnttaattoo ee ffoorrççaa tteerrmmoo--eellééttrriiccaa nnooss mmeettaaiiss (( sséérriiee ggaallvvaanniiccaa )) Dois metais diferentes em contato criam uma ddp( diferença de potencial ) entre suas superfícies. Esta tensão é originada pela diferença de elétrons presentes nas nuvens de elétrons de cada material AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 11 ( elétrons livres / camada de valência ). Essa tensão de contato pode variar em milivolts ( mV ) até alguns volts. E varia de acordo com a diferença de temperatura entre os metais. A união de materiais cuja disposição, com base no potencial característico de cada um, se estabeleça de forma brusca, entre um e o outro, incidirá na perca de massa do material de menor potencial para o de maior. Alguns valores de potencial elétrico de alguns metais à 20°C: Condutor símbolo Potencial elétrico Alumínio ( Al ) -1,33V Zinco ( Zn ) -0,76V Cromo ( Cr ) -0,51V Ferro ( Fe ) -0,44 Níquel ( Ni ) -0,23 Estanho ( Sn ) -0,16 Hidrogênio ( H ) 0,00V Cobre ( Cu ) 0,34V Prata ( Ag ) 0,79V Ouro ( Au ) 1,36V Platina ( Pt ) 1,6V Tabela 02 MMaatteerriiaaiiss ccoonndduuttoorreess ddee eelleevvaaddaa ccoonndduuttiivviiddaaddee ee ddee eelleevvaaddaa rreessiissttiivviiddaaddee.. Elevada condutividade: destinam-se a aplicações onde a corrente elétrica deve circular com as menores perdas possíveis ( instalações elétricas de qualquer natureza, enrolamentos de motores ou transformadores, etc... ) Elevada resistividade: são utilizados para transformar a energia elétrica em térmica ; são também aplicados para provocar quedas de tensão para fim de ajustes operacionais ( limitar ou controlar corrente/tensão , resistores fixos ou variáveis ) MMaatteerriiaaiiss ddee eelleevvaaddaa ccoonndduuttiivviiddaaddee eellééttrriiccaa Em geral são os metais nobres e suas ligas. Dependendo da aplicação, a elevada condutividade não é característica suficiente para a escolha de um material elétrico, pois todos eles estão sujeitos a efeitos de natureza mecânica, térmica, magnética, química, luminosa, etc..., que poderão alterar sensivelmente suas propriedades naturais. Na pratica, com freqüência, a escolha de um material condutor descarta aquele com melhores características elétricas e busca outro metal ou liga que satisfaça as condições de utilização desejadas. Os metais mais utilizados considerando-se o ponto de vista econômico são: Cobre, alumínio, prata, estanho, chumbo, platina e mercúrio. “O ouro não é considerado neste ponto de vista, porém é comum a utilização do ouro como proteção em contatos fixos devido a sua capacidade de prevenir a oxidação.” OO ccoobbrree É o condutor elétrico mais utilizado atualmente em todo o mundo. Suas principais vantagens são: a) baixa resistividade ( só perde para a prata ) AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 12 b) mecanicamente favorável ( elevada resistência a tração, é *dúctil ) *dúctil vem de ductibilidade , capacidade de um corpo alterar sua forma sem alterar suas propriedades. c) Baixo nível de oxidação em aplicações normais ( temperaturas não extremas ) d) Manufatura simplificada ( a frio e a quente ) A condutividade do cobre varia de 58 a 61m/Ω . mm² e é produzido industrialmente , para fabricação de fios e cabos elétricos, com condutividade γ.= 58m/Ω . mm². Que corresponde a um grau de pureza de 99,9%, e é classificado como cobre mole ou eletrolitico ( reduzida dureza e baixa resistência elétrica ) De acordo com o processo elétrico de fabricação pode se obter condutores mais duros ( cobre meio- duro e cobre duro ), que são empregados nos casos onde se exige elevada dureza, resistência a tração e pequeno desgaste por atrito: redes de contato e de tração elétrica, peças de contato, fios telefônicos, anéis coletores de máquinas elétricas girantes, etc... Internacionalmente aceitas, as normas IACS( International Amerelead copper Standard ), fixa em 100% a condutividade relativa para o cobre mole ρ =0,01724 . [ Ω. mm²/m ] definindo-o como padrão mundial de condutividade elétrica. Material Condutividade relativa IACS Cobre mole 100% Cobre meio-duro 97,7% Cobre duro 97,2% Alumínio 60,6% Tabela 03 PPrriinncciippaaiiss lliiggaass ddee ccoobbrree:: a) bronze( cobre + estanho + cádmio ) existe a mais de 6000 anos . suas principais características são: - elevada resistência a desgaste por atrito - elástica - facilmente usinada - não apresenta características magnéticas Aplicações: Trilhos de contato, peças fundidas, fios finos, engrenagens, molas condutoras, órgãos de maquinas ( buchas ). b) latão ( cobre + zinco ), suas principais características são: - elevada resistência a tração - facilmente deformado ( peças estampadas ou repuxadas ) - elevadíssima resistência a corrosão - Aplicações: terminais elétricos em geral, molas condutoras, peças e componentes em geral. OO aalluummíínniiooÉ o segundo material mais utilizado como condutor elétrico, depois do cobre; já subsistiu e vem substituindo o cobre em diversas aplicações . Tem como principais vantagens: a) O preço internacional do cobre é superior ao do alumínio; AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 13 b) O Brasil, apenas recentemente iniciou a exploração do cobre existente em carajás, o que obrigava, e obriga ainda, a importar todo o cobre necessário a industria nacional, acontecendo exatamente ao contrario com o alumínio e c) A necessária compensação dimensional entre o cobre e o alumínio, ainda o torna ( o alumínio ), em termos de peso próprio, a metade do peso do cobre, reduzindo drasticamente o custo dos elementos de sustentação. Por tais vantagens o alumínio vem tendo sua utilização expandida em vários setores da eletrotécnica, tendo como principais desvantagens : - A sua fragilidade mecânica e - Rápida, porém não profunda, oxidação ( o oxido cria uma camada isolante não permitido a propagação desta ) para finalidades eletrotécnicas utiliza-se o alumínio com teor de pureza 99,95%, somente utilizado na fabricação de capacitores. Mantidos a seção e o comprimento constantes, a resistência elétrica própria dos condutores vária de 1,61 a 1,7 vezes em relação ao cobre, obrigando a correções dimensionais nos casos em que o cobre é substituído pelo alumínio. Entretanto essa correção não é necessariamente igual a essa ordem de grandeza, pois outros fatores influenciam nessa correção: condutividade térmica, temperaturas máximas admissíveis, etc... Equivalências entre condutores de cobre e alumínio Referências Relações Cobre ( Cu ) Alumínio ( Al ) entre áreas 1 1,61 entre diâmetros 1 1,27 Para igual resistência ôhmica entre pesos 1 0,48 entre áreas 1 1,39 entre diâmetros 1 1,18 Para igual ampacidade entre pesos 1 0,42 entre resistências ôhmicas 1 1,61Para igual diâmetro Relação entre ampacidade 1 0,78 Tabela 04 Exemplos práticos 01) Deseja-se substituir uma rede construída com condutores de cobre de seção S= 25mm² por condutores de alumínio. Dimensione os condutores de forma a garantir a mesma ampacidade da rede existente Dados: S=25mm² F. correção=1,39 (encontrado na tabela ) Multiplicamos este valor pelo fator de correção encontrado, temos que, SAl = 1,39 x SCu ,ou seja: 1,39 x 25mm² = SAl 34,75mm², como seção mais aproximada temos o condutor de 35mm² 02) Sabe-se que a rede do exercício anterior é monofásica a 3 fios ( FFN ) 115/230V, corrente de demanda de 100A e comprimento de 25m. Sabendo-se que a máxima queda de tensão admissível na carga é de 4%, verifique qual seria a opção economicamente mais viável, já que para a AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 14 manutenção de igual resistência ôhmica a seção do condutor de alumínio deveria ser 1,61 vezes maior ( o fator reativo será momentaneamente desprezado, sendo visto mais adiante em nosso curso ) Vamos aos dados: Desconsiderando a impedância, apenas neste exercício, Aplicamos a 1º lei de ohm, onde. teremos que a queda de tensão é: V = R x I, sabemos que: I= 100A . . . para R aplicamos a 2º lei de ohm sendo: R = ρ . l / S, ρAl = 0,0278 ( Vide Tabela 01 ) l= 2x 25m = 50m ( calculo baseado entre FF, buscando maior equilíbrio, observe as setas) S = 35mm² Com base nos dados aplicamos a formula ρ0,0278 x l50m/s 35mm²= R= 0,0397Ω encontrado o valor de R, voltamos a 1° lei de ohm 0,0397Ω, x 100A= V = 3,97V Com isto chegamos ao valor da queda de tensão para as condições apresentadas, sabemos, porém, que a norma tolera uma queda de tensão máxima de 4% onde: ΔVMAX.= 4% de 230V ou seja 230V x 0,04= 9,2V Comparando os valores temos que a queda de tensão no alumínio encontra-se dentro dos parâmetros, sendo, inclusive, inferior a prevista em norma. 03) Verifique qual deveria ser a seção dos condutores de alumínio de forma que fosse mantida a mesma queda de tensão dos condutores de cobre, do primeiro exercício. Já temos que a ΔVMAX do condutor de alumínio de 35mm² ( exercício anterior ), é de 3,97v Temos que calcular o ΔVMAX do condutor de cobre, existente na linha sabemos que a resistividade do cobre é ρ= 0,01724 S = 25mm² l=50m Aplicando a formula: ρ0,01724 x l50m/25mm²= R= 0, 03448Ω sendo, 0,03448Ω x 100A= Δv= 3,45V comparando as quedas de tensão o valor encontrado para o condutor de alumínio esta aproximado porém é desejado que se aproxime ainda mais ao valor da queda de tensão no condutor do cobre. para isso aumentamos a seção do condutor de alumínio para uma seção acima, ou seja, 50mm² Aplicando a formula: ρ0,0278 x l50m/50mm²=R= 0, 03448Ω, sendo, Δv= 0, 03448Ω, x 100A= Δv=2,78V Os exercícios aplicados anteriormente são meramente ilustrativos e auxiliam para a aplicação dos conhecimentos em critérios de dimensionamento e cálculos envolvendo grandezas. “O AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 15 dimensionamento de condutores equivalentes em alumínio, para a substituição de condutores de cobre, na prática é realizado elevando-se a seção do condutor por duas seções padronizadas acima “ CCoommppaarraaççããoo eennttrree aass ccaarraacctteerrííssttiiccaass ffííssiiccaass ddoo ccoobbrree ee oo aalluummíínniioo característica Alumínio ( Duro ) Cobre ( Duro ) Padrão IACS Densidade a 20ºC (g/cm³ ) 2,7 8,89 8,89 Condutividade máxima a 20ºC 61 97 100 Resistividade máxima a 20ºC 0,0282 0,0177 0,01724 Relação entre pesos de condutores de = resistência e comprimento 0,48 1,03 1,00 Variação de resistência a 20ºC 0,004 0,0038 0,0039 Condutividade térmica ( cal / cm³ . s . ºC ) 0,48 0,93 0,93 Coeficiente de dilatação linear/°C 23 x 10 -6 17 x 10 -6 17 x 10 -6 Tabela 05 OOxxiiddaaççããoo ddoo aalluummíínniioo O comportamento oxidante do alumínio, rápido e superficial, faz com que a película, formada pelo próprio oxido, interrompa o processo de oxidação. No entanto, esta película apresenta elevada resistividade elétrica e tem tensão de ruptura que varia de 100 a 300V. Pode-se concluir que tal comportamento, do alumínio, exige cuidados muito especiais nos casos de conexões ou emendas. Em conexões ou emendas ( Alumínio/Alumínio ) a técnica atual consiste na aplicação de pastas inibidoras, altamente aderentes, que contenham partículas de alumínio ( Obs. Não é grafitada ). Esse procedimento tem a finalidade de minimizar a ação da umidade e melhorar o contrato elétrico da emenda ou conexão. No caso, muito comum na prática , de conexões de cobre/alumínio ( é terminantemente proibida, emenda entre condutores de materiais diferentes ) A corrosão galvanica do alumínio pode processar-se de forma crítica devido a elevada ddp entre esses dois metais, pois estão muito afastados entre si na série galvanica. O processo de corrosão do alumínio, quando em contato direto com o cobre, tem como eletrólito a umidade do ambiente e a corrente ionica desloca-se do alumínio para o cobre corroendo, o alumínio, consequentemente. A redução desse efeito galvanico pode ser alcançado interpondo-se entre os dois metais um material ou liga que diminua a tensão elétrica entre par galvanico ( Cobre/ Alumínio ). O estanho por exemplo é muito utilizado para esta finalidade ( latão ou cobre estanhado ). Um outromeio associado aos anteriores, consiste em conectores de ligas de alumínio com volume de massa superior em relação ao cobre, pois a densidade de corrente sendo menor no alumínio ( justamente pelo acréscimo de massa ), este sofrerá menor corrosão. PPrriinncciippaaiiss AApplliiccaaççõõeess ddoo aalluummíínniioo O alumínio puro apenas é utilizado onde não é mecanicamente solicitado: condutores isolados, capacitores e barras condutoras injetadas nas ranhuras de motores de indução. Entretanto, é muito grande a quantidade de ligas de alumínio usadas eletricamente, nas quais adiciona- se: Cobre ( Cu ), Magnésio ( Mg ), Manganês ( Mu ) e Silício ( Si ), principalmente AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 16 AAllgguummaass lliiggaass ddee aalluummíínniioo Aldrey [ Al ( Alumínio ) + Mg ( Magnésio ) + Si ( silício ) + Fe ( Ferro )] Principais Características: Apresenta peso especifico e condutividade elétrica próximos ao do alumínio puro e resistência a tração equivalente ao cobre meio duro. Esta ultima característica só fica comprometida para temperaturas superiores a 150ºC Principais Aplicações: - Redes aéreas ( de qualquer classe ) - Fios para enrolamentos de motores ou transformadores. Duralumínio [ Al ( Alumínio ) + Cu ( Cobre ) + Mg ( Magnésio ) + Mn ( Manganês ) e ( Al ( Alumínio ) + Mg ( Magnésio ) + Si ( Silício )] Principais Características: É a liga de alumínio mais antiga ( 1907 ). Tem comportamento antioxidante más condutividade elétrica reduzida em relação ao alumínio puro ( 20 a 3m/ Ω.mm² ); tem soldabilidade favorável. Principais Aplicações: - Corpos de luminárias - terminais elétricos CCoonnssiiddeerraaççõõeess O baixo peso especifico das ligas de alumínio é ideal, na área de eletrotécnica, para as seguintes aplicações: a) Equipamentos portáteis; b) Partes móveis de equipamentos elétricos ( redução da massa, energia cinética e menos desgaste por atrito ); c) Estruturas de suporte de materiais e equipamentos elétricos; d) Peças e equipamentos sujeitos a transporte e e) Locais de elevada corrosão. OOss mmeettaaiiss uuttiilliizzaaddooss ccoommoo ccoonndduuttoorreess eellééttrriiccooss Em função de suas propriedades elétricas, térmicas, mecânicas e custos, o cobre e o alumínio são os metais mais utilizados desde os primórdios da indústria de fabricação de fios e cabos elétricos. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 17 A prática nos leva a observar que, quase sempre, as linhas aéreas são construídas em alumínio e as instalações internas são com condutores de cobre. Verificamos ainda que, segundo a norma de instalações elétricas de baixa tensão, a NBR 5410, é proibido o uso de alumínio em instalações residenciais. CCaarraacctteerrííssttiiccaass ddooss CCaabbooss eellééttrriiccooss (( ccoobbrree ee aalluummíínniioo )) Os cabos elétricos de potência em baixa tensão são os responsáveis pela transmissão de energia em circuitos de até 1000 V. Os principais componentes de um cabo de potência em baixa tensão são o condutor, a isolação e a cobertura, conforme indicado na figura abaixo Alguns cabos elétricos podem ser dotados apenas de condutor e isolação, sendo chamados então de condutores isolados, enquanto que outros podem possuir adicionalmente a cobertura (aplicada sobre a isolação), sendo chamados de cabos unipolares ou multipolares, dependendo do número de condutores (veias) que possuem. A figura 2 mostra exemplos desses três tipos de condutores elétricos. AA fflleexxiibbiilliiddaaddee ddooss ccoonndduuttoorreess eellééttrriiccooss Um condutor elétrico pode ser constituído por uma quantidade variável de fios, desde um único fio até centenas deles. Essa quantidade de fios determina a flexibilidade do cabo. Quanto mais fios, mais flexível o condutor e vice-versa. Para identificar corretamente o grau de flexibilidade de um condutor, é definida pelas normas técnicas da ABNT a chamada classe de encordoamento. De acordo com essa classificação apresentada pela NBR 6880, são estabelecidas seis classes de encordoamento, numeradas de 1 a 6. A norma define ainda como caracterizar cada uma das classes, o que está indicado na coluna “características” da tabela 6. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 18 Classe de encordoamento Descrição Características 1 condutores sólidos (fios) é estabelecida uma resistência elétrica máxima a20ºC em w/km 2 condutores encordoados, compactados ou não é estabelecida uma resistência elétrica máxima de 20ºC em w/km e um número mínimo de fios no condutor 3 condutores encordoados, nãocompactados é estabelecida uma resistência elétrica máxima de 20ºC em w/km e um número mínimo de fios no condutor 4, 5 e 6 condutores flexíveis é estabelecida uma resistência elétrica máxima de 20ºC em w/km e diâmetro máximo dos fios elementares do condutor Tabela 06 CCllaasssseess ddee eennccoorrddooaammeennttoo ddee ccoonndduuttoorreess eellééttrriiccooss ccoonnffoorrmmee aa NNBBRR 66888800 Em relação aos termos utilizados na tabela, temos: • Um fio é um produto maciço, composto por um único elemento condutor. Trata-se de uma ótima solução econômica na construção de um condutor elétrico, porém apresenta uma limitação no aspecto dimensional e na reduzida flexibilidade, sendo, em conseqüência, limitado a produtos de pequenas seções (até 16 mm2) Fio • termo condutor encordoado tem relação com a construção de uma corda, ou seja, partindo-se de uma série de fios elementares, eles são reunidos (torcidos) entre si, formando então o condutor. Essa construção apresenta uma melhor flexibilidade do que o fio. As formações padronizadas de condutores encordoados (cordas) redondos normais são: 7 fios (1+6), 19 fios (1+6+12), 37 fios (1+6+12+18) e assim sucessivamente. Nessa formação, a camada mais externa possui o número de fios da camada anterior mais seis. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 19 CCoonndduuttoorr eennccoorrddooaaddoo rreeddoonnddoo nnoorrmmaall • Um condutor encordoado compactado é uma corda na qual foram reduzidos os espaços entre os fios componentes. Essa redução é realizada por compressão mecânica ou trefilação. O resultado desse processo é um condutor de menor diâmetro em relação ao condutor encordoado redondo normal, porém com menos flexibilidade. CCoonndduuttoorr eennccoorrddooaaddoo ccoommppaaccttaaddoo Condutor flexível • Um condutor flexível é obtido a partir do encordoamento de um grande número de fios de diâmetro reduzido. Observe que a NBR 6880 estabelece valores de resistência elétrica máxima, número mínimo e diâmetro máximo dos fios que compõem um dado condutor. Isso, na prática, resulta que diferentes fabricantes possuam diferentes construções de condutores para uma mesma seção nominal (por exemplo, 10 mm2). A garantia de que o valor da resistência elétrica máxima não seja ultrapassada está diretamente relacionada à qualidade e à pureza do cobre utilizado na confecção do condutor. Continuação materiais condutores utilizados em eletrotécnica CChhuummbboo (( PPbb )) Principais Aplicações: Blindagem de cabos isolados em papel , acumuladores chumboacido, elos fusíveis, material de solda, barreiras protetora contra raios X, etc... Principais Características: * É um metal de aspecto cinza prateado; *É venenoso ( seus vapores provocam uma doença chamada Saturnismo ); *mole, dúctil e maleável, pobre condutor de eletricidade. *Não resiste a vinagre ( matéria orgânica em decomposição ); *tem oxidação superficial e rápida. Curiosidades: Do latim plumbum. Conhecido desde tempos remotos. Os alquimistas acreditavam que o chumbo era o metal mais antigo e o associaram ao planeta Saturno. Pode ser encontrado de forma livre, mas raramente. O principal mineral é a galena (sulfeto de chumbo, PbS). Existem outros AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 20 como anglesita (sulfato de chumbo. Assim chamada porque é extraída das minas da ilha de Anglesey, Inglaterra) e cerusita (carbonato de chumbo). EEssttaannhhoo (( SSnn )) Principais Aplicações: Muito utilizado como revestimento na proteção de componentes metálicos contra a oxidação É componente de várias importantes ligas: soldas (largamente usadas em eletrônica), fusíveis, bronzes, etc. Principais características: *Tem aparência de prata, é mole, dúctil, maleável, pouco tenaz.; *Não se oxida a temperatura ambiente; *A água não interfere em suas características e *Ácidos diluídos o atacam lentamente ( em outros materiais este efeito é processado de forma rápida. Ex. de ácido diluído Chuva acida ) Obs.: A presença do estanho no planeta se tornou escassa em virtude da exploração acelerada do material tornando-o raro. Curiosidades: Do latim stannum. Conhecido desde tempos remotos. O principal minério é a cassiterita (óxido de estanho, SnO2). Encontrado também na estanita (sulfoestanato de cobre e ferro, Cu2FeSnS4). PPrraattaa (( AAgg )) Principais Aplicações: É o material mais utilizado em peças de contato ( em estado puro - na forma de pastilhas, para baixas correntes; misturado a Níquel e Cobalto, Paládio, Bromo e Tungstênio - também na forma de pastilhas, para correntes de maior intensidade ) Obs.: Justifica-se o uso da prata em contatos elétricos devido ao seu comportamento de eliminação automática, por decomposição. Na prata pura ocorre a liberação do oxigênio a temperaturas entre 200 e 300ºC. Nota: na limpeza de contatos de prata nunca usar materiais abrasivos ( lixas, limas, escovas, etc... ) Em processos de prateação ( alguns micrômetros ), protege peças metálicas sujeitas a corrosão. Principais características: *Prata pura é brilhante, lustrosa; * A ductilidade e a maleabilidade são inferiores apenas às do ouro e do paládio; *É o material de melhor condutividade elétrica e térmica e *Possui baixo ponto de fusão. curiosidades: Do latim plata (lâmina de metal). Em outras épocas, denominada argento (do latim argentu) de onde é derivado o símbolo Ag, da tabela periódica. É velha conhecida da espécie humana. Estudos indicaram que o homem começou a separar a prata por volta de 3000 AC. Encontrada na forma nativa e em minerais como a argentita (sulfeto de prata) e silvanita (telureto de ouro e prata) e junto a alguns minérios de cobre, chumbo, zinco, ouro, níquel. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 21 OOuurroo ((AAuu )) Principais Aplicações: Muito utilizado como peça de contato para correntes muito baixas ( caso em que qualquer oxidação, poderia acarretar interrupção da corrente elétrica ) comuns em circuitos eletrônicos e telecomunicações. Quase sempre empregado em estado puro , sendo pouco encontrado em forma de ligas. Principais características: * No estado puro, o ouro é considerado o mais belo de todos os elementos. Se maciço, tem o aspecto amarelo característico mas, se pulverizado, pode ser preto, vermelho ou violeta; *É o metal mais maleável e dúctil ( Um grama pode ser laminado em uma extensão de até, aproximadamente, 1m² ); *Tem boa condutividade elétrica; *Alta estabilidade química e elevada resistência a oxidação e sulfatação; *Suas características mecânicas são excelentes e *Há, obviamente, limitações de uso devido a seu preço. curiosidades: Do latim aurum. Conhecido desde tempos remotos. Ocorre de forma livre e como teluretos, geralmente em veios e depósitos aluviais (depósitos nas margens ou foz de rios, resultado da erosão). Também ocorre na água do mar, em proporções de 0,1 a 2 mg/t, dependendo do local. Entretanto, ainda não há um processo economicamente viável para a extração. PPllaattiinnaa (( PPtt )) Principais Aplicações: Muito utilizada na fabricação de termo elementos e termômetros resistivos, até 1000ºC ( este ultimo é utilizado para pequenas variações de temperatura, caso em que os termopares não conseguem medir ). É também utilizada em peças de contato e fios para aquecimento. Principais características: *É um metal de aparência nobre, branco prateado; *No estado puro, é maleável e dúctil; *Uma mistura de hidrogênio e oxigênio explode na presença de platina; * Ligas de platina e cobalto têm propriedades magnéticas e são usadas em ímãs de alta capacidade; *É quimicamente estável e possui baixa oxidação; *Permite deformações mecânicas com grande facilidade ( folhas de até 0,0025mm de espessura e fios de até 0,015mm de diametro ); *É facilmente soldável acima de 800ºC ; *Sua resistividade elétrica tem variação proporcional com a temperatura ( na faixa de –200ºC a 500°C ) e *Ligado a ” Rutênio (Ru ); Ósmio( Os ); Paládio ( Pd ); Sódio ( Na ) e Irídio ( Ir ), suporta temperaturas de até 1500ºC. curiosidade: Do espanhol platina (pequena prata). O metal era usado pelos índios, em épocas anteriores a Cristóvão Colombo. Ocorre de forma nativa, acompanhado de pequenas quantidades de metais da mesma família (irídio, ósmio, paládio, rutênio e ródio). Também, em pequenas proporções, AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 22 em minerais de níquel e cobre. Também no mineral esperrilita (arsenieto de platina, PtAs2) e em forma de sulfeto (PtS). MMeerrccúúrriioo (( HHgg )) Principais Aplicações: É usado como termômetro resistivo para medidas de 0 a 100°C. É ainda encontrado em chaves basculante ( chaves bóia ). O mercúrio é o metal mais utilizado em lâmpadas de descarga ( fluorescentes, vapor de mercúrio, etc... ) Principais características: *É pesado, tem aspecto branco prateado; *Único metal líquido a temperatura ambiente; *Se solidifica a -38,87º C; *Quando aquecido oxida-se rapidamente em contato com o ar ; *Com exceção ao ferro e ao tungstênio, todos os metais se dissolvem no mercúrio e *Os vapores do mercúrio são altamente venenosos. curiosidade: A origem do símbolo Hg vem do latim "hydrargyrum", que significa prata líquida, já o nome é proveniente do planeta Mercúrio. Conhecido pelos antigos chineses e hindus. Encontrado em tumbas egípcias de 1500 AC. O principal mineral é o cinabre (sulfeto de mercúrio, HgS). ZZiinnccoo (( ZZnn )) Principais Aplicações: É utilizado em forma de ligas junto com o cobre e o alumínio , com condutividade γ Zn = 16 a 17m/Ωmm² ( Estas ligas são de fácil soldagem comparada ao cobre ). O uso do zinco como condutor, atualmente, esta restrito a elementos galvanicos e a certos fios e contatos onde é requerida baixa oxidação e temperatura de trabalho compatível. É utilizado na zincagem a fogo ou imersão e pulverização zincagem eletrolitica ( galvanoplástia ) Principais características: * É um metal branco-azulado; *Metal quetem o maior coeficiente de dilatação, é maleável apenas entre 100 e 150°C, abaixo e acima destas temperaturas é extremamente quebradiço e acima de 250ºC pode se tornar pó; *É quimicamente estável, no ar, após se recobrir de uma película de óxido ( como proteção ); *Em contato com outros metais e na presença de umidade, formam-se elementos galvanicos que corroem e podem dissolver o zinco ( o metal que menos corroe o zinco é o aço ); *A seção de fios feitos destas ligas devem ter seção 3,3 vezes maior e *A diferença de coeficiente de dilatação entre estas ligas e o material de conexão, pode fazer com que o contato se solte com a passagem de corrente elétrica. curiosidade: Do alemão Zink, origem desconhecida. Muito antes do zinco ser reconhecido como elemento distinto, seus minérios eram usados para produzir latão. Uma liga contendo zinco foi achada em ruínas pré-históricas na Transilvânia. Zinco metálico foi produzido na Índia, no século 13, pela redução da calamina com materiais orgânicos. Na Europa, foi redescoberto em 1746 por Marggraf, que o isolou através da redução da calamina com carvão vegetal. Os principais minerais são a blenda (sulfeto de zinco, ZnS), a esmitsonita (carbonato de zinco, ZnCO3), a franklinita (espinélio de zinco e ferro), a calamina (silicato básico de zinco) e a zincita (óxido de zinco, ZnO). AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 23 CCááddmmiioo (( CCdd )) Principais Aplicações: É utilizado no recobrimento de peças contra oxidação, em casos especiais, pois é muito mais caro que o zinco. Até pouco tempo atras o uso desse material estava restrito ao uso em baterias de níquel cádmio. ( NiCd ), entretanto, por ser um metal venenoso sua aplicação foi proibida em todo o mundo. Bastante empregado em eletrodeposição e em vários tipos de soldas. Principais características: *É um metal azul acinzentado, macio; *Pode ser facilmente cortado com uma faca; *Em muitos aspectos, é similar ao zinco; *É considerado um subproduto do zinco, pois, é encontrado no mesmo minério; *É mais mole do que o Zinco, porém, possui praticamente as mesmas propriedades e *Possue temperatura de fusão a 321ºC. curiosidade: Do latim cadmia (antigo nome para o carbonato de zinco). Descoberto em 1817 por Stromeyer a partir de impurezas no carbonato de zinco. Em geral cádmio ocorre, em pequenas quantidades, associado a minerais de outros metais como os de zinco. O único mineral específico é o raro sulfeto de cádmio (greenockite, em inglês), que contém cerca de 78% de cádmio. A quase totalidade do cádmio é obtida como subproduto do processamento de minérios de zinco, cobre e chumbo. NNííqquueell (( NNii )) Principais Aplicações: É muito utilizado em aplicações sobre o ferro , pois tem coeficientes de dilatação e temperatura de fusão semelhantes. Devido a seu elevado coeficiente de temperatura é muito utilizado como termômetro resistivo. Nas lâmpadas incandescentes fios de níquel cromo são utilizados como alimentadores do filamento de tungstênio. É amplamente usado para a produção de aços inoxidáveis e de<outras>ligas<resistentes<à<corrosão. Principais características: *Tem a aparência da prata e pode ser finamente polido; *Baixa oxidação até 500ºC; *Fracamente magnético até 356ºC; *Resistente a sais , gases e matérias orgânicas ; *Sensível ao enxofre; *Quando deformado a frio permite a fabricação de fios de até 0,03mm de diametro ( a quente 1100ºC ); *Possui capacidade de emitir elétrons , propriedade esta que é potencializada com a adição de 3,5% de cobre; *Tem elevada estabilidade mecânica, térmica e química curiosidade: Minerais contendo níquel eram usados para colorir vidros e, em alemão, chamados de kupfernickel (falso cobre). Descoberto por Cronstedt em 1751 (esperava obter cobre da hoje chamada nicolita, mas obteve um metal claro, que batizou de níquel). Alguns minerais são: nicolita (arsenieto de níquel), pentlandita (sulfeto de ferro e níquel, (Ni,Fe)9S8), pirrotita (sulfito de ferro, que pode ter níquel como.impureza). AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 24 É encontrado na maioria dos meteoritos e freqüentemente a sua presença serve para distinguir o meteorito de um mineral. Liga Prata e Níquel ( AgNi ) São muito utilizadas em contatos elétricos . Sendo a maior aplicação do níquel em forma de ligas localizada na industria de resistores. Também é muito utilizado em termo-elementos devido a alta temperatura de fusão ( 1450ºC) CCrroommoo (( CCrr )) Principais aplicações: É aplicado como revestimento anti-oxidante e na fabricação de fios resistivos, em estado puro ou na forma de ligas Principais características: *Tem aparência de aço, é reluzente e pode ser finamente polido; *Tem pouca ductilidade e não é usado como metal estrutural; *Oxida-se apenas a temperaturas acima de 500ºC; *É extremamente duro; *Possui altíssima estabilidade térmica e *Sua temperatura de fusão chega a 1920ºC curiosidade: O principal mineral é a cromita (cromato de ferro, FeCr2O4). África do Sul é o maior produtor desse minério, com cerca de 75% do total mundial. Outro mineral (pouco comum) é a crocoíta (cromato de chumbo, PbCrO4). TTuunnggssttêênniioo (( WW )) Principais aplicações: É empregado na fabricação de fios e filamentos cuja a resistência mecânica a tração aumenta com a redução do diâmetro. Muito utilizado como filamento de lâmpadas que operam com temperaturas na ordem de 2000ºC. E em forma de ligas é utilizado em peças de contato onde a temperatura devido aos arcos elétricos são elevadíssimas Principais características: * No estado puro, tem uma coloração cinza aço; * É apenas levemente atacado pela maioria dos ácidos minerais e *possui alto ponto de fusão 3400ºC; curiosidade: Do sueco tung e sten (pedra pesada). No século 17, mineiros na Saxônia (uma região da Alemanha) observaram que um certo tipo de pedra prejudicava a redução da cassiterita (um mineral do estanho). Deram a essa pedra um apelido em Alemão (wolfert ou wolfrahm). Por isso o metal é também chamado de Wolfrâmio e o símbolo é W. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 25 MMMaaattteeerrriiiaaaiiisss iiisssooolllaaannnttteeesss (( ccoonntteeúúddoo ddee ppeessqquuiissaa )) De início cabe fazer distinção entre os termos isolação e isolamento, uma vez que o significado elétrico de cada um desses termos é importante para o entendimento de textos técnicos, catálogos e na comunicação oral e escrita. Isolação exprime a parte qualitativa do material isolante, como por exemplo, a expressão: isolação de PVC. Isolamento tem sentido quantitativo, como por exemplo, em: condutor com isolamento para 750V. DDDIIIEEELLLÉÉÉTTTRRRIIICCCOOOSSS Dielétricos ou materiais isolantes caracterizam-se por oferecem considerável resistência à passagem da corrente, comparativamente aos materiais condutores. PPPooolllaaarrriiizzzaaaçççãããooo dddooo dddiiieeelllééétttrrriiicccooo É uma propriedade fundamental de todos os isolantes e define o comportamento de suas partículas elementares quando sujeitas à ação de campos elétricos. A polarização consiste no deslocamento reversível de centros de cargas positivas e negativas na direção do campo elétrico aplicado. Sendo reversível, essa direção acompanha, ou tende a acompanhar, a própria orientação do campo elétrico. A partir da grandeza constante dielétrica (ξ) [Eletroeletrônica Básica, em Capacitores: “qualquerpedaço de um isolador ou material isolante, submetido à uma diferença de potencial, pode ser estudado como um capacitor”], podemos prever o comportamento de um material quanto a sua polarização. Analogamente, o fator de perdas dielétricas ou fator de perdas do dielétrico (tg δ) [A corrente que flui por um material isolante estará defasada de um ângulo φ em relação à tensão e, se o dielétrico for puramente capacitivo, esse ângulo valerá 90o. Como tal condição não é encontrada na prática, pois sempre haverá resistência elétrica, δ é o ângulo resultante da diferença entre 90o e a defasagem real (φ) entre a tensão e a corrente no dielétrico. Podemos concluir que quanto maior for φ, menores serão as perdas.], está relacionado à elevação da temperatura do material, resultante de um consumo de energia, quando o mesmo é polarizado IIssoollaaççããoo ddooss ccoonndduuttoorreess eellééttrriiccooss HHiissttóórriiccoo Os primeiros cabos isolados de que se tem notícia datam de 1795, utilizados em uma linha telegráfica na Espanha e eram isolados em papel. Seguiram-se os condutores cobertos por guta percha (uma planta nativa da Índia), os cabos em papel impregnado em óleo, os cabos em borracha natural (início do século XX), em borracha sintética (EPR) e PVC (ambos logo após a Segunda Guerra Mundial). Embora possuíssem excelentes características isolantes, os cabos isolados em papel foram perdendo aplicações ao longo do tempo, principalmente devido à dificuldade de manuseio durante a sua instalação, sobretudo na realização de emendas e terminações. Isso propiciou a popularização dos cabos com isolações sólidas, tais como o PVC. Para que serve a isolação? A função básica da isolação é confinar o campo elétrico gerado pela tensão aplicada ao condutor no seu interior. Com isso, é reduzido ou eliminado o risco de choques elétricos e curtos-circuitos. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 26 Podemos comparar a camada isolante de um cabo com a parede de um tubo de água. No caso do tubo, a parede impede que a água saia de seu interior e molhe a área ao seu redor. Da mesma forma, a camada isolante mantém as linhas de campo elétrico (geradas pela tensão aplicada) “presas” sob ela, impedindo que as mesmas estejam presentes no ambiente ao redor do cabo. No caso do tubo, não pode haver nenhum dano à sua parede, tais como furos e trincas, sob pena de haver vazamento de água. Da mesma forma, não podem haver furos, trincas, rachaduras ou qualquer outro dano à isolação, uma vez que isso poderia significar um “vazamento” de linhas de campo elétrico, com subsequente aumento na corrente de fuga do cabo, o que provocaria aumento no risco de choques, curtos-circuitos e até incêndios. PPrriinncciippaaiiss ccaarraacctteerrííssttiiccaass ddaass iissoollaaççõõeess ssóólliiddaass De um modo geral, as isolações sólidas possuem uma boa resistência ao envelhecimento em serviço, uma reduzida sensibilidade à umidade e, desde que necessário, podem apresentar um bom comportamento em relação ao fogo. Vejamos a seguir as principais características específicas do composto isolante mais utilizados atualmente: o PVC. Cloreto de polivinila (PVC) • é, na realidade, uma mistura de cloreto de polivinila puro (resina sintética), plastificante, cargas e estabilizantes; • sua rigidez dielétrica é relativamente elevada, sendo possível utilizar cabos isolados em PVC até a tensão de 6 kV; • sua resistência a agentes químicos em geral e a água é consideravelmente boa; • possui boa característica de não propagação de chama. Todos os materiais isolantes de uso industrial apresentam uma certa quantidade de cargas livres e, portanto, devemos levar em conta a circulação de correntes de uma certa intensidade através da seção transversal do isolante quando o dielétrico é submetido a uma determinada tensão. A maior ou menor dificuldade que os materiais isolantes oferecem à passagem de corrente é a grandeza rigidez dielétrica (Ed) [kV/cm]. O mesmo fenômeno acontece na superfície externa do isolante e define outra grandeza importante que é a resistência superficial de descarga (ρs) [Ω]. Os dielétricos apresentam alguma condutividade que, geralmente, poderá ser desprezada quando o material é utilizado dentro dos limites a que se destina. Em algumas utilizações, no entanto, é necessário conhecer o valor dessa condutividade que depende não apenas do deslocamento de elétrons como também de íons. Portanto, um material que apresenta condutividade iônica, não pode ser submetido continuamente a uma corrente contínua, pois a sua característica de condutividade iônica o levará à decomposição eletrolítica. A corrente que circula através do material isolante é conhecida como corrente transversal. Uma outra corrente, reversível, resultante do deslocamento retardado de cargas sob a ação de uma tensão aplicada, é chamada de corrente de polarização. Esta última corrente pode ser particularmente intensa quando o processo de polarização é lento; seu valor vai decrescendo com a duração da tensão contínua aplicada e depende do “tempo de acomodação” das propriedades físicas e AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 27 químicas do material. Este processo é idêntico ao aparecimento de cargas no dielétrico de um capacitor quando uma tensão é aplicada; terminado o processo de polarização, a corrente de polarização se torna nula, permanecendo apenas a corrente transversal. Por tais fenômenos, as características dos materiais isolantes são estabelecidas pela condutividade transversal e pela grandeza da tensão contínua aplicada. Resumindo, a condutividade elétrica de um isolante depende de forma acentuada da estrutura do material, do seu estado físico, da umidade, da temperatura e da natureza da tensão aplicada. Todos os dielétricos possuem um valor limite de solicitação elétrica, característico de cada material sob condições normalizadas pré-especificadas. Quando esses valores são ultrapassados ocorrem modificações, geralmente irreversíveis, como: ruptura, deformação permanente, modificação estrutural e, freqüentemente, perda das propriedades isolantes iniciais. Existe uma quantidade muito grande de materiais isolantes utilizados industrialmente: IIIsssooolllaaannnttteeesss gggaaasssooosssooosss AAArrr aaatttmmmooosssfffééérrriiicccooo O mais utilizado é sem dúvida o ar, por exemplo, em linhas aéreas de transmissão e distribuição de energia elétrica. De forma prática e simplificada a rigidez dielétrica do ar seco e limpo a 20O C é de 45kV/cm, decrescendo rapidamente para 3kV/cm, sob ação da umidade, poluição e da elevação da temperatura, fatores estes normais em ambientes externos e que, portanto, devem ser considerados nos projetos. SSSFFF666 O outro gás muito utilizado atualmente como meio dielétrico de extinção do arco-elétrico em disjuntores é o Hexafluoreto de Enxofre (SF6). Sua Tensão de Ruptura é de 125kV a 2 atmosferas de pressão, para um afastamento de 10mm. IIIsssooolllaaannnttteeesss lllíííqqquuuiiidddooosss Os isolantes líquidos têm, geralmente, na prática, funções de isolamento e de refrigeração. Como refrigerante, retira o calor gerado internamente ao elemento condutor, transferindo-o a radiadores, mantendo dentro de níveis admissíveis a temperatura de trabalho do equipamento. Entre os isolantes líquidos, destacam-se: ÓÓÓllleeeooo mmmiiinnneeerrraaalll Obtido a partir da decomposição (cracking) do petróleo por destilação e é composto basicamente por: metano, ou óleos parafinados do qual se extrai de 3 a 8% de parafina sólida;nafta; mistura dos dois anteriores AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 28 A temperatura de cracking define os subprodutos do petróleo: 40 a 150OC benzina 150 a 300OC óleos leves e combustíveis 300 a 350OC óleo diesel acima de 350OC óleos para aquecimento, matéria-prima para óleos lubrificantes, óleos isolantes; o resíduo do processo de destilação é o asfalto Os óleos para fins isolantes são processados através de rigorosa purificação e têm seu uso mais comum nos transformadores, cabos, capacitores, disjuntores e chaves a óleo. Com o desenvolvimento de novos materiais com melhores características elétricas, o óleo vem sendo gradativamente substituído, mas ainda é muito utilizado. Estes óleos devem ser altamente estáveis e ter baixa viscosidade, pois além de isolar por impregnação, devem transmitir bem o calor. Este é um problema típico dos transformadores, onde o óleo deve transferir para as paredes do tanque o calor gerado nos enrolamentos, caso em que óleos mais densos não se prestariam a esta função. No caso de dispositivos de manobra e de comando, o óleo deve fluir rapidamente entre os contatos para extinguir o mais rapidamente possível o arco elétrico. Em cabos e capacitores, o óleo também deve fluir facilmente de forma a impregnar adequadamente os dielétricos e também, por deslocamento, eliminar a presença de ar e umidade, comum em dielétricos fibrosos. A viscosidade correspondente a cada aplicação é fixada por normas e está sempre relacionada à temperatura, sobretudo a temperatura máxima admissível. O fator de perdas de óleos isolantes de qualidade, a 20OC, deve ser de aproximadamente 0,001 e depende acentuadamente da temperatura. Por exemplo, óleos para capacitores devem ter um fator de perdas inferior a 0,005 a 100OC, com um ρ=25x1012Ω.mm2/m em estado novo, admitindo-se uma redução para 1/5 desse valor após um ensaio de envelhecimento de 40 horas. A rigidez dielétrica, ou tensão de ruptura, para óleos novos e sem umidade, deve ser de 200kV/cm para temperaturas de – 40OC a + 50OC, no caso de transformadores e de 120kV/cm para disjuntores. A rigidez dielétrica mínima também varia com a classe de tensão e o tipo de equipamento. Exemplos: de 80 a 140kV/cm para transformadores de rede ou para instrumentos, na classe de tensão de 34,5 a 220kV; de 40 a 80kV/cm para dispositivos de comando, na classe de tensão de 34,5 a 69kV. Merece uma atenção especial o problema do envelhecimento dos óleos isolantes, razão pela qual deve ser providência de rotina uma sistemática de verificação da tensão de ruptura ou rigidez dielétrica. Os sistemas de manutenção prevêem a retirada periódica de amostras de óleo dos equipamentos para verificação de suas características isolantes, pois, num período relativamente curto (em média de 2 a 3 anos), nota-se uma sensível redução, da ordem de algumas vezes, da sua rigidez dielétrica. Dependendo dos valores encontrados, é necessário proceder à purificação ou filtragem ou, em casos críticos, a substituição do óleo envelhecido por óleo novo. O uso de inibidores de envelhecimento é discutível, pois pode ocorrer ataque a outros AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 29 componentes do equipamento, tendo ainda o inconveniente do alto custo. A oxidação do óleo está sempre presente, pois depende da presença do oxigênio do ar e da elevação da temperatura. Apesar do rigor dos processos de refinação, que elimina as matérias mais facilmente modificáveis, a oxidação via catalítica pode aparecer no equipamento devido à presença do cobre. A luz do dia também pode ser um agente do processo de envelhecimento do óleo, motivo pelo qual o mesmo deve ficar protegido dos raios de luz. Algumas cadeias típicas de carbono que compõe o óleo se oxidam com mais facilidade, dando origem ácidos orgânicos, água e materiais voláteis. A ação do campo elétrico e descargas internas ao equipamento, pode provocar decomposições moleculares progressivas, gerando produtos que irão separar-se do óleo, dando origem às chamadas lamas. Como as lamas podem se formar em qualquer região do líquido isolante contido no equipamento e são mais densas que o óleo, tendem a se depositar no fundo do tanque, entretanto, em seu caminho descendente, esse material pode depositar-se nos enrolamentos, núcleo e outras partes do equipamento. As características dielétricas da lama são ruins e, caso venham a impregnar partes isolantes, irão formar pontos de possíveis descargas, levando gradativamente a isolação a deterioração, provocando curtos-circuitos (entre espiras, no caso de transformadores), podendo vir a ocorrer a destruição parcial ou total do equipamento. O calor gerado por efeito Joule, absorvido pelo óleo e transferido para as paredes do tanque do equipamento, provoca a solidificação da lama, a qual assume uma forma muito semelhante à do piche, que tem baixo coeficiente de transferência de calor. Essa formação prejudica a ação refrigerante do óleo e provoca a elevação da temperatura do equipamento, podendo leva-lo à destruição. Os óleos minerais têm o grave problema da inflamabilidade, não por contato com chama, mas por combustão espontânea quando é sobreaquecido, o que pode provocar graves acidentes. Por tal motivo, o óleo mineral utilizado em equipamentos elétricos deve ter sua temperatura permanentemente controlada. Esta providência nem sempre é de fácil operacionalização, motivo pelo qual vem sendo substituído por óleos à base de silicone. Para substituir o óleo mineral em algumas aplicações, foi desenvolvido, anteriormente aos óleos a base de silicone, o.askarel. AAAssskkkaaarrreeelll... É um pentaclorodifenil que se destaca por não ser inflamável, mas apresenta uma série de graves problemas: enquanto os óleos minerais são neutros, os askaréis, devido à presença do cloro, atacam o sistema respiratório e visual das pessoas que os manuseavam – e ainda os manuseiam! - e é extremamente agressivo ao meio ambiente quando descartado sem os devidos e onerosos cuidados necessários. Os askaréis podem ainda atacar alguns produtos dos componentes de equipamentos elétricos. Os askaréis têm a vantagem de não envelhecerem e de não formarem subprodutos durante seu uso em serviço. Sua temperatura de trabalho (1100C) é um pouco superior à do óleo mineral. O askarel, sendo um difenil associado ao cloro, pode apresentar produtos sólidos, à temperatura ambiente, e produtos líquidos que têm um ponto de solidificação não muito baixo. Por este último motivo foi bem menos usados em países de invernos mais rigorosos, pois a baixas temperaturas o askarel perde a função de elemento transmissor do calor [Deduza para onde as multinacionais direcionaram as vendas desse óleo sintético!]. O askarel também não pode ser aplicado quando sujeito a arcos voltaicos expostos, pois, por aquecimento extremo, ocorrerá a quebra da AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 30 cadeia de hidrogênio e cloro, provocando a liberação do cloro. O emprego do askarel, de forma geral, restringiu-se a cabos e capacitores isolados em papel e tem seu uso proibido no Brasil desde 1980. Deve ser manuseado e descartado com o devidos cuidados, uma vez que ainda existem em operação muitos equipamentos que o utilizam como óleo isolante. O custo do askarel era da ordem de 10 vezes superior aos óleosminerais, o que, felizmente, restringiu seu emprego à época em que foi introduzido no mercado. Alguns nomes comerciais que foram dados ao askarel: Clophen,.Inerteen,..Aroclor ÓÓÓllleeeooosss dddeee SSSiiillliiicccooonnneee Os óleos de silicone [Si-O-Si associado a grupos metílicos e fenólicos] são incolores e transparentes e disponíveis em uma ampla faixa de viscosidades e pontos de ebulição. Têm ponto de chama elevado [acima de 3000C] e baixo ponto de solidificação [-1000C]. A faixa de emprego situa-se entre 2000C e – 600C. Sua viscosidade não varia proporcionalmente com a temperatura, comparativamente aos óleos minerais. São recomendados para temperaturas de trabalho muito altas ou muito baixas.Devido às características do silício, os silicones permanecem neutros na presença da maioria dos elementos, conferindo-lhes elevada estabilidade química e ausência de envelhecimento. São repelentes à água e, portanto, evitam a perda das suas características isolantes em serviço. São solúveis em benzol, toluol, éter e álcoois de grau superior, sendo insolúveis em óleos minerais e álcoois de grau inferior. O preço do óleo de silicone é bastante elevado em comparação ao óleo mineral Todos os dielétricos líquidos são utilizados para garantir as características isolantes de dielétricos porosos e fibrosos, evitando a penetração de umidade, gases e vapores. IIIsssooolllaaannnttteeesss PPPaaassstttooosssooosss eee CCCeeerrraaasss As pastas ou ceras usadas eletricamente se caracterizam por um baixo ponto de fusão, baixa resistência mecânica, podendo ter uma estrutura cristalina e baixa higroscopia. PPPaaarrraaafffiiinnnaaa É o material pastoso mais usado e mais barato. É obtido do petróleo e, uma parafina de qualidade, tem aparência clara, livre de bolhas, de ácidos e outras impurezas. A constante dielétrica ξ se reduz com o aumento da temperatura, tendo seu valor bruscamente alterado quando se liquefaz. É repelente à água, mantendo elevada a sua rigidez elétrica e a resistividade superficial e transversal, o que o recomenda como material de recobrimento de outros isolantes. A baixa estabilidade térmica – baixo ponto de fusão – é uma vantagem e uma desvantagem: Há necessidade de pouco calor para a liquefação em processos de impregnação ou recobrimento, facilitando sua aplicação; essa mesma propriedade limita seu uso aos casos em que o aquecimento do componente se mantém a níveis baixos. Esta última condição só é encontrada, praticamente, em componentes de baixas perdas Joule onde as correntes circulantes são muito baixas, ou seja, em componentes eletrônicos. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 31 A característica de repelência à água, muito importante para componentes elétricos usados ao tempo, não pode ser resolvida com a parafina. A parafina é solúvel em óleos minerais, gasolina e benzol, sendo insensível à água e álcoois PPPaaassstttaaa dddeee SSSiiillliiicccooonnneee Tem estrutura molecular semelhante à dos óleos de silicone e, basicamente, as mesmas propriedades. As pastas são mais empregadas com finalidades lubrificantes do que elétricas, quando recebem pó de grafite para melhorar suas características antifricção . São usadas eletricamente em peças de contato, em articulações condutoras e como recobrimento de partes isolantes expostas, que devem manter elevada resistividade superficial, prevalecendo neste caso sua característica de ser repelente à água. RRReeesssiiinnnaaasss Um verniz aplicado na forma líquida se solidifica durante o processo de aplicação, ficando no estado sólido em sua forma final. Portanto, o verniz não é propriamente um isolante líquido, apesar de ser comercializado nesse estado físico. Um verniz é composto de um solvente e uma matéria-prima capaz de formar uma película, ou um filme, geralmente na forma de uma resina. Quando um solvente é aplicado a uma resina, ocorre a dissolução da resina, ficando as moléculas do solvente retidas pela resina. Este processo faz com que a resina torne-se mais maleável, devido ao “afofamento molecular”. Define-se resina como uma família muito grande de matérias-primas que, apesar de origens e características diferentes, possuem composição química ou propriedades físicas muito semelhantes. São de estrutura molecular complexa e elevado grau de polimerização. A baixas temperaturas as resinas são massas vitrificadas, amorfas. As resinas podem ser classificadas como naturais e sintéticas. Resinas naturais são de origem animal ou vegetal e são obtidas através de processos simples de purificação. Resinas sintéticas, existentes em número maior e sempre crescente, são obtidas através de complexos processos químicos, reunindo diversas matérias-primas. Neste grupo destacam-se as resinas polimerizadas [formadas por matérias de baixo peso molecular], as condensadas [resultantes da policondensação, que é um processo de crescimento das moléculas, com a eliminação das matérias elementares] e as à base de celulose [a celulose é industrialmente ligada a ésteres e éteres, formando cadeias de elevado peso molecular]. No grupo das resinas polimerizadas destacam- se os etilenos e seus derivados, como o polietileno, o polistirol e o cloreto de polivinila. No grupo das condensadas, bastante numerosas, temos o grupo dos fenolformadeidos, a resina gliptal, o poliamido, e outros. Das resinas à base de celulose destacam-se a nitrocelulose, a acetilcelulose, a etilcelulose, e outras. As resinas são classificadas com termofixas [termoestáveis] ou termoplásticas. Essa classificação vem da produção fundamental dos plásticos: uma resina, juntamente com outras matérias-primas, é aquecida até sua plastificação, estado em que é colocada em moldes que darão a forma desejada ao produto, sendo posteriormente esfriada até a temperatura ambiente, apresentando-se sólida. Ambos os tipos, termofixos e termoplásticos, têm comportamento parecido até este ponto. Se, após a solidificação, aplicarmos novamente a temperatura de plastificação a ambas resinas, notaremos que a resina termoplástica novamente amolece, enquanto a termofixa se mantém sólida. Continuando a aquecer a termofixa, atingiremos uma mudança do seu estado apenas a temperaturas bem mais elevadas, nas quais se carboniza sem amolecer. AAppoossttiillaa bbaasseeaaddaa nnaass aauullaass ddee eelleettrroottééccnniiccaa –– EETTEE PPrrooffeessssoorr BBaassiilliiddeess ddee GGooddooyy -- PPáággiinnaa 32 De forma geral, as resinas polimerizadas pertencem ao grupo das termoplásticas, sendo que as condensadas podem ser termofixas ou termoplásticas. As resinas originadas da celulose são termoplásticas. A moderna tecnologia tem criado, e vêm criando continuamente, uma quantidade muito grande de novas resinas, particularmente as sintéticas. Por tal motivo serão apresentadas a seguir apenas algumas das resinas mais conhecidas. RRReeesssiiinnnaaasss NNNaaatttuuurrraaaiiisss Foram empregadas durante muitos anos, com bom resultados, mas vêm sendo substituídas pelas sintéticas que apresentam melhores características. Entre as naturais, destacaremos apenas duas. GGGooommmaaa---lllaaacccaaa É uma resina de origem animal presente nos resíduos de insetos tropicais sobre os galhos de árvores, de onde é recolhida e purificada por fusão e filtragem. No estado sólido apresenta- se em forma de pequenas lâminas [lamelas], sendo bastante quebradiça e de coloração amarelada, avermelhada ou marrom. É uma resina facilmente solúvel em álcool, caracteriza-se por sua alta aderência a outros isolamentos, como a mica, o vidro, a madeira e certos metais. Amolece
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