Materiais Elétricos. Metais. Prof. Msc. Getúlio Tateoki

Transcrição

1 Metais

2 Metais Definições -Possuem características únicas que os diferem das demais substâncias: são sólidos à temperatura ambiente (25 C) e apresentam a prateada. -Existem exceções como o Cobre(Cu) e Ouro (Au) que apresentam coloração vermelha e dourada respectivamente

3 Definições Materiais Elétricos Metais

4 Definições Materiais Elétricos Metais -A estrutura atômica dos metais é a Cristalina que se constitui por cátions do metal envolvidos por uma nuvem de elétrons.

5 Metais Definições -A capacidade que os metais tem de conduzir eletricidade se explica pela facilidade de elétrons da última camada de seus átomos se desprender toda vez que se receber externamente outro(s) elétron(s), fazendo que se haja movimentação de cargas elétricas e com isso a condução corrente elétrica que nada mais são do que cargas elétricas em movimento.

6 Definições Materiais Elétricos Metais

7 Propriedades Materiais Elétricos Metais Brilho: Quando polidos, os objetos metálicos apresentam brilho característico dos metais, por causa dos elétrons livres localizados na superfície dos metais que absolvem e irradiam calor.

8 Propriedades Materiais Elétricos Metais Maleabilidade: é a capacidade que os metais têm de produzir lâminas e chapas muito finas.

9 Propriedades Materiais Elétricos Metais Ductibilidade: Se forem aplicadas uma pressão adequada em regiões específicas na superfície de um metal, este pode se transformar em fios e lâminas, devido ao deslizamento provocadas nas camadas de átomos.

10 Metais Propriedades Condutibilidade: São ótimos condutores de corrente elétrica e de calor. -Os fios de transmissão elétrica são feitos de alumínios ou cobre assim como as panelas que são utilizadas para cozinhar alimentos. -Possuem capacidade de conduzir calor de 10 a 100 vezes mais rápido do que outras substâncias.

11 Propriedades Materiais Elétricos Metais Ponto de fusão e ebulição elevado: o metal Tungstênio se funde (derrete) à temperatura de C e entra em ebulição em C.

12 Propriedades Materiais Elétricos Metais - Cobre -É o condutor elétrico mais utilizado atualmente em todo mundo.

13 Metais - Cobre Propriedades -Suas principais vantagens são: a) Baixa resistividade (só perde para a prata); b) Mecanicamente favorável: Elevada resistência a tração por ser dúctil; c) Baixo nível de oxidação em aplicações normais (temperaturas não extremas); d) Manufatura simplificada (a frio e a quente)

14 Propriedades Materiais Elétricos Metais - Cobre -A condutividade do cobre varia de 58 a 61m/Ω.mm 2 e é produzido industrialmente, para fabricação de fios e cabos elétricos, com condutividade ϒ= 58m/Ω.mm 2 que corresponde a um grau de pureza de 99,9% e é classificado como cobre mole ou eletrolítico (reduzida dureza e baixa resistência elétrica).

15 Propriedades Materiais Elétricos Metais - Cobre -De acordo com o processo de fabricação pode se obter condutores mais duros (cobre meioduro ou cobre duro), que são empregados nos casos onde se exige elevada dureza, resistência a tração e pequeno desgaste por atrito: Redes de contato e tração elétrica; Peças de contato; Fios telefônicos; Anéis coletores de máquinas elétricas gigantes, etc...

16 Propriedades Materiais Elétricos Metais - Cobre Internacionalmente aceitas, as normas IACS (International Amerelead Copper Standard), fixa em 100% a condutividade relativa para o cobre mole ρ=0,01724 Ω.mm 2 /m definindo-o como padrão mundial de condutividade elétrica.

17 Metais - Cobre Propriedades Material Condutividade relativa IACS Cobre mole 100% Cobre meio-duro 97,7% Cobre duro 97,2% Alumínio 60,6%

18 Metais - Cobre Principais ligas de cobre Bronze (cobre + estanho + cadmio)

19 Metais - Cobre Principais ligas de cobre Bronze (cobre + estanho + cadmio) -Existe a mais de anos. -Suas principais características são: Elevada resistência a desgaste por atrito; Elástica; Facilmente usinada; Não apresenta características magnéticas.

20 Metais - Cobre Principais ligas de cobre Bronze (cobre + estanho + cadmio) Aplicações: Trilhos de contato; Peças fundidas; Fios finos; Engrenagens; Molas condutoras; Orgãos de máquinas (buchas).

21 Metais - Cobre Principais ligas de cobre Latão (cobre + zinco)

22 Metais - Cobre Principais ligas de cobre Latão (cobre + zinco) -Suas principais características são: Elevada resistência a tração; Facilmente deformado (peças estampadas ou repuxadas); Elevadíssima resistência a corrosão.

23 Metais - Cobre Principais ligas de cobre Latão (cobre + zinco) -Aplicações Terminais elétricos em geral; Molas condutoras; Peças e componentes em geral.

24 Alumínio Materiais Elétricos Metais - Alumínio

25 Metais - Alumínio Alumínio - É o segundo material mais utilizado como condutor elétrico depois do cobre. -Já substituiu e vem substituindo o cobre em diversas aplicações. Tem como principal vantagem: O preço internacional do cobre é superior ao do alumínio O Brasil apenas alguns anos atrás iniciou a exploração do cobre existente em Carajás o que obrigava a importar o cobre necessário para a indústria nacional acontecendo ao contrário com alumínio;

26 Metais - Alumínio Alumínio A necessária compensação dimensional entre o cobre e o alumínio, ainda 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 vantagens:

27 Metais - Alumínio Alumínio A necessária compensação dimensional entre o cobre e o alumínio, ainda 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 vantagens:

28 Alumínio Materiais Elétricos Metais - Alumínio A sua fragilidade mecânica; Rápida, porém não profunda oxidação ( o óxido cria uma camada isolante não permitindo a propagação desta). -Para finalidades eletrotécnicas utiliza-se o alumínio com teor de pureza 99,5% somente utilizado na fabricação de capacitores. Mantidos a seção e o comprimento constantes, a resistência elétrica própria dos condutores varia de 1,61 a 1,7 vezes em relação ao cobre, obrigando a correções dimensionais nos casos em que o cobre é substituído por alumínio.

29 Alumínio Materiais Elétricos Metais - Alumínio -Entretanto essa correção não é necessariamente igual a essa ordem de grandeza, pois outros fatores influenciam nesta correção: condutividade térmica, temperaturas máximas admissíveis, etc...

30 Metais - Alumínio Equivalências entre condutores de cobre e alumínio Referências Relações Cobre (Cu) Alumínio (Al) Para igual resistência ôhmica Entre áreas 1 1,61 Entre diâmetros 1 1,27 Entre pesos 1 0,48 Para igual ampacidade Entre áreas 1 1,39 Para igual diâmetro Entre diâmetros 1 1,18 Entre pesos 1 0,42 Entre resistências ôhmicas Relação entre ampacidade 1 1,61 1 0,78

31 Metais - Alumínio Comparação entre as características físicas do cobre e o alumínio Característica Alumíni o (Duro) Cobre (duro) Padrão IACS Densidade a 20 C (g/cm 3 ) 2,7 8,89 8,89 Condutividade máxima a 20 C Resistividade máxima a 20 C 0,0282 0,0177 0, Relação entre pesos de condutores de = resistência e comprimento 0,48 1,03 1,00 Variação de resistência a 20 C 0,004 0,0038 0,0039 Condutividade Térmica (cal/cm 3.s. C) 0,48 0,93 0,93 Coeficiente de dilatação linear/ C 23x x x10-6

32 Metais - Alumínio Oxidação do Alumínio

33 Metais - Alumínio Oxidação do Alumínio -Possui um comportamento oxidante rápido e superficial que faz com que a película formada pelo óxido, interrompa o processo de oxidação. -No entanto esta película apresenta elevada resistividade elétrica e tem tensão de ruptura que varia de 100 a 300V.

34 Metais - Alumínio Oxidação do Alumínio -Pode-se concluir que tal comportamento cuidados muito especiais nos casos de conexões ou emendas. 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)

35 Metais - Alumínio Oxidação do Alumínio Conexões ou emendas Alumínio/Alumínio -Esse procedimento tema finalidade de minimizar a ação da umidade e melhorar o contato elétrico da emenda ou conexão.

36 Metais - Alumínio Oxidação do Alumínio Conexões ou emendas Alumínio/Cobre -No caso, muito comum na prática, de conexões de cobre/alumínio (é terminantemente proibida emenda entre condutores de materiais diferentes) a corrosão galvânica do alumínio pode processar-se de forma crítica devido elevada ddp entre esses dois metais, pois estão muito afastados entre si na série galvânica.

37 Metais - Alumínio Oxidação do Alumínio Conexões ou emendas Alumínio/Cobre -O processo de corrosão do alumínio quando em contato direto com o cobre, tem como eletrólito a umidade do ambiente e a corrente iônica desloca-se do alumínio para o cobre ocasionando a corrosão do alumínio -A redução desse efeito galvânico pode ser alcançado interpondo-se entre os dois metais um material ou liga que diminua a tensão elétrica entre o par galvânico.

38 Metais - Alumínio Oxidação do Alumínio Conexões ou emendas Alumínio/Cobre -O estanho por exemplo, é muito utilizado para esta finalidade (latão ou cobre estanhado) -Um outro meio 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) sofrerá menos corrosão).

39 Metais - Alumínio Principais Aplicações do Alumínio -O alumínio puro é apenas utilizado onde não é mecanicamente solicitado: Condutores isolados, e barras condutoras injetadas nas ranhura 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).

40 Metais - Alumínio Principais Aplicações do Alumínio -O alumínio puro é apenas utilizado onde não é mecanicamente solicitado: Condutores isolados Capacitores Barras condutoras injetada nas ranhuras de motores de indução

41 Metais - Alumínio Principais Aplicações do Alumínio Condutores

42 Metais - Alumínio Principais Aplicações do Alumínio Capacitores

43 Metais - Alumínio Principais Aplicações do Alumínio Ranhuras de motor de indução

44 Metais - Alumínio Ligas de Alumínio -Adicionam se: Cobre (Cu), Magnésio (Mg), Manganês (Mu) e principalmente o Silício (Si). Algumas ligas de alumínio: Aldrey [ Al (Alumínio) + Mg (Magnésio) + Si (silício) + Fe (Ferro)]

45 Metais - Alumínio Ligas de Alumínio Aldrey [ Al (Alumínio) + Mg (Magnésio) + Si (silício) + Fe (Ferro)]

46 Metais - Alumínio Ligas de Alumínio - Aldrey Principais características Peso específico e condutividade elétrica próximos ao do alumínio puro Resistência de tração equivalente ao cobre meio duro (quando temperatura inferiores a 150 C)

47 Metais - Alumínio Ligas de Alumínio - Aldrey Principais aplicações Redes aéreas (qualquer classe); Fios para enrolamentos de motores ou transformadores.

48 Metais - Alumínio Ligas de Alumínio Duraalumínio [Al (Aumínio) + 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 mas condutividade elétrica reduzida em relação ao alumínio puro (20 a 3m/Ω.mm 2 ); Tem soldabilidade favorável.

49 Metais - Alumínio Ligas de Alumínio Duraalumínio Principais aplicações Corpos de luminárias

50 Metais - Alumínio Ligas de Alumínio Duraalumínio Principais aplicações Terminais elétricos

51 Considerações Materiais Elétricos Metais - Alumínio -O baixo peso específico das ligas de alumínio é ideal, na área de eletrotécnica, para as seguintes aplicações: Equipamentos portáteis; Partes móveis de equipamentos elétricos (redução de massa, energia cinética e menos desgaste por atrito);

52 Considerações Materiais Elétricos Metais - Alumínio Estruturas de suporte de materiais e equipamentos elétricos; Peças e equipamento sujeitos a transporte e Locais de elevada corrosão.

53 Metais utilizados em condutores elétricos -Em função de suas propriedades elétricas, térmicas, mecânicas e custos, o cobre e o alumínio são metais mais utilizados desde os primórdios da indústria de fabricação de fios e cabos elétricos. -A prática nos leva a observar que, quase sempre, as linhas aéreas são construídas em alumínio e as instalações internas são condutores de cobre.

54 Condutores Elétricos -De acordo com a norma NBR5410, é proibido o uso de alumínio em instalações elétricas residenciais. Características dos Cabos elétricos (cobre e alumínio) -Os cabos elétricos em baixa tensão são responsáveis pela transmissão de energia em circuitos de até 1000V.

55 Características Materiais Elétricos Cabos Elétricos -Os principais componentes de um cabo de potência em baixa tensão são condutor, a isolação e a cobertura.

56 Características Materiais Elétricos Condutores Elétricos -Alguns cabos elétricos podem ser dotados apenas de condutor de isolação, sendo chamados então de condutores isolados, enquanto outros podem possuir adicionalmente a cobertura (aplicada sobre a isolação) sendo chamados cabos unipolares ou multipolares, dependendo do número de condutores (veias) que possuem.

57 Características Materiais Elétricos Condutores Elétricos

58 Condutores Elétricos Flexibilidade -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 é o condutor e viceversa. -Para identificar corretamente o grau de flexibilidade de um condutor, é definida pelas normas técnicas da ABNT a chamada classe de encordoamento.

59 Flexibilidade Materiais Elétricos Condutores Elétricos -De acordo com essa classificação apresentada pela NBR6880, são estabelecidas seis classes de encordoamento, numeradas de 1 a 6. -A norma define ainda como caracterizar cada uma das classes, o que é indicado na coluna características da tabela

60 Flexibilidade Materiais Elétricos Condutores Elétricos Classe de encordoamento Descrição Características 1 Condutores sólidos (fios) 2 3 Condutores encordoados, Compactados ou não Condutores encordoados, não compactados 4, 5 e 6 Condutores flexíveis É estabelecida uma resistência elétrica máxima a 20 C em w/km É estabelecida uma resistência elétrica máxima de 20 C em w/km e um número mínimo de fios no condutor É estabelecida uma resistência elétrica máxima de 20 C em w/km e um número mínimo de fios no condutor É estabelecida uma resistência elétrica máxima de 20 C em w/km e diâmetro máximo dos fios elementares do condutor

61 Condutores Elétricos Classe de encordoamento de condutores elétricos conforme NBR Em relação aos termos utilizados na tabela, tem se: Fio: É um produto maciço, composto por um único elemento condutor.

62 Condutores Elétricos Classe de encordoamento de condutores elétricos conforme NBR 6880 Fio -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 consequência, limitado a produtos de pequenas seções (até 16mm 2 )

63 Condutores Elétricos Classe de encordoamento de condutores elétricos conforme NBR 6880 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:

64 Condutores Elétricos Classe de encordoamento de condutores elétricos conforme NBR 6880 Condutor encordoado: 7 fios (1+6) 19 fios ( ) 37 fios ( ) E assim sucessivamente

65 Condutores Elétricos Classe de encordoamento de condutores elétricos conforme NBR 6880 Condutor encordoado:

66 Condutores Elétricos Classe de encordoamento de condutores elétricos conforme NBR 6880 Condutor encordoado redondo compactado: -É uma corda na qual foram reduzidos os espaços entre fios e componentes. -Essa redução é realizada por compressão mecânica ou trefilação. -O Resultado deste processo é um condutor de menor diâmetro em relação ao condutor encordoado redondo norma, porém com menos flexibilidade.

67 Condutores Elétricos Classe de encordoamento de condutores elétricos conforme NBR 6880 Condutor encordoado redondo compactado: Normal Compactado

68 Fim