MATERIAIS ELÉTRICOS Prof. Rodrigo Rimoldi - CAPÍTULO 2 MATERIAIS CONDUTORES (Aula 6)
Metais Mercúrio (Hg)
Metais Único metal líquido à temperatura ambiente; Resistividade relativamente elevada (95 10-8 Ω m); Aplicações: Condutor em contatos de relés; Catodo líquido; Termômetros resistivos; Lâmpadas (vapor de mercúrio). O vapor de mercúrio é tóxico. Mercúrio (Hg)
Metais Níquel (Ni)
Metais Níquel (Ni) Elevada dureza e temperatura de fusão (1450 C); Pode ser magnetizado fracamente (possui propriedades ferromagnéticas); Grande importância elétrica: confere excelentes características físicas às ligas em que participa; É resistente à sais, gases e materiais orgânicos, mas á sensível à ação do enxofre; Resistividade: 9,0 10-8 Ω m.
Aplicações: CAP. 2 MATERIAIS CONDUTORES Metais Ligas: magnéticas, aço (inoxidável), termoestáveis (ex.: cromel e alumel), ligas para resistências elétricas; Revestimentos anticorrosivos (niquelamento); Fios de eletrôdos; Anodos (bateriais níquel-cádmio); Parafusos; Etc. Níquel (Ni)
Metais Zinco (Zn)
Metais Zinco (Zn) Possui grande coeficiente de dilatação térmica e baixo ponto de fusão; Estável quimicamente no ar: óxido ou carbonato de zinco pelicular agem como isolantes e protegem o material da corrosão; Resistividade: 6,0 10-8 Ω m.
Metais Zinco (Zn) Aplicações: Eletrodo negativo (anodo) de baterias: facilidade em sofrer corrosão galvânica quando em contato com outros metais; Galvanização: proteção anticorrosiva de metais; Ligas: latão (Zn + Cu).
Metais Cromo (Cr)
Extremamente duro; Metais Resistividade relativamente elevada (80 10-8 Ω m); Elevada temperatura de fusão (1920 C); Não se modifica em contato com o ar, garantindo bom polimento; Oxidação: somente para temperaturas superiores a 500 C, principalmente na presença de enxofre e sais. Cromo (Cr)
Metais Cromo (Cr) Aplicações: Proteção de metais mais sensíveis à oxidação; Amplamente usado na fabricação de fios (forma pura ou em ligas).
Metais Tungstênio (W)
Metais Tungstênio (W) Apresenta temperaturas-limite extremamente elevadas (fusão: 3380 C); Resistividade baixa (5,0 10-8 Ω m); É muito duro e quebradiço (sua estrutura cristalina original não permite usinagens ou furações convencionais); Processo de manufatura e obtenção de produtos elétricos é difícil e de custo elevado;
Aplicações: CAP. 2 MATERIAIS CONDUTORES Metais Tungstênio (W) Filamentos de lâmpadas incandescentes: estrutura cristalina precisa ser modificada para uma disposição linear para torná-lo menos quebradiço; Arcos voltaicos intensos e outras ligas sujeitas a temperaturas elevadas.
Metais Cádmio (Cd)
Metais Cádmio (Cd) Ocorre naturalmente em pequenas quantidades associado ao zinco; É mais mole e mais caro que o zinco, mas as demais propriedades são bastantes similares; Principal aplicação: baterias (NiCd, por exemplo); É venenoso; Resistividade: 6,0 10-8 Ω m.
Carvão e grafite
Carvão e grafite Formas alotrópicas do carbono(c): Amorfos; Grafite; Diamante (não é condutor de eletricidade); Fulerenos; Nanotubos; Nanoespumas (descoberta recentemente); Carvão: hidrocarboneto (C + H);
Carvão e grafite Grafite: Forma alotrópica densa, frágil e barata; Melhor condutor de eletricidade; Um tanto oleoso e menos sensível aos agentes químicos que os carbonos amorfos; Enquanto as propriedades do grafite são bem definidas, as dos carbonos amorfos dependem da sua origem e das condições de formação.
Carvão e grafite Grafite (continuação): Forma natural: ocorre na natureza e, na maioria das vezes, necessita de purificação e classificação granulométrica para ser utilizado comercialmente; Forma sintética (grafitização): Produzido a partir de outras formas de carbono, como coque e antracita; Primeiro materiais são reduzidos a pó e compactados; Depois são submetidos a altas temperaturas ( 2200ºC), geralmente através da passagem de corrente elétrica O produto obtido recebe o nome de carvão eletrografítico.
Carvão e grafite Aplicações de grafite e carvão eletrografítico: Muito utilizados na tecnologia de resistores, de potenciômetros de carvão e na produção de eletrodos para fornos elétricos; Apresentam propriedades lubrificantes, pois oferecem um baixo coeficiente de atrito em contatos de peças deslizantes. Desta forma, são utilizados como comutadores em escovas coletoras de motores.
Carvão e grafite Outras aplicações: Elementos de resistência: As qualidades refratárias do carvão e a sua perfeita resistência ao choque térmico, aliados a um grande poder irradiante, o tornam adequado à fabricação de resistências para altas temperaturas; As resistências de carvão apresentam-se sob a forma de barras de seção circular, cheias ou tubulares, toros, anéis, etc; A ligação do circuito às resistências de carvão exige precauções especiais, conseguindo-se, no entanto, um bom contato com o cobre. Resistências fixas elevadas: através do emprego de aglomerados de carbono com uma base isolante mineral e um ligante orgânico; Eletrodos para fornos a arco elétrico: aplicação mais abundante de carvão em eletrotécnica.
Carvão e grafite TIPOS DE FORNOS A ARCO: Fornos a arco direto Fornos a arco submerso Fornos a arco indireto
Carvão e grafite Vantagens dos eletrodos de carvão eletrografítico sobre os de carvão amorfo: Maior condutividade, o que reduz as perdas por efeito Joule e permite maiores densidades de corrente; Menor suscetibilidade às ações químicas, queimando-se e desagregando-se menos.
Fatores que influenciam a resistividade Temperatura Aumento de temperatura Vibração nas partículas aumenta Maior movimentação de elétrons livres Aumento da resistividade Aquecimento do material Aumento das perdas de energia por colisões
Fatores que influenciam a resistividade Temperatura Curva característica temperatura-resistência: Não é linear para algumas faixas; É praticamente linear na região que compreende a temperatura ambiente (convencionalmente 20 ºC).
Fatores que influenciam a resistividade Temperatura T A θ ΔT ΔR Coeficiente de variação da resistência com a temperatura ou Coeficiente de temperatura da resistividade Declividade (θ) do segmento linear da curva: tg R T R Dividindo os 2 membros da equação por R T A, tem-se: tg R T A 1 R T A R T T B B T T B B R T R T T A A T A A T A
Fatores que influenciam a resistividade Temperatura Conhecidos R T1 e α T1 de um metal, pode-se determinar R T2 : R T2 R T1 Logo, para a temperatura de referência de 20 ºC, tem-se: 1 T1 RT R 20 1 20 T 2 T 1 T 20 Desprezando as alterações nas dimensões físicas do condutor durante a variação de temperatura, tem-se: T l A 20 l A 1 20 T 20 T 20 T 20 1 20
Fatores que influenciam a resistividade Temperatura de referência: 20 ºC Temperatura Condutor ρ 20 (Ω m) α 20 ( C -1 ) Condutor ρ 20 (Ω m) α 20 ( C -1 ) Cobre 1,7 10-8 3,9 10-3 Tungstênio 5,0 10-8 5,2 10-3 Alumínio 2,8 10-8 4,0 10-3 Níquel 7,2 10-8 6,0 10-3 Prata 1,6 10-8 3,8 10-3 Platina 10,5 10-8 3,0 10-3 Ouro 2,4 10-8 3,4 10-3 Grafite 1,4 10-8 -5,0 10-3 Mercúrio 95 10-8 0,9 10-3 Constantan 50 10-8 2,0 10-3
Fatores que influenciam a resistividade Temperatura Significado físico de α: demonstra a capacidade do material de liberar para o ambiente o aquecimento causado pelas perdas; Conforme tabela, existem dois tipos de materiais (de acordo com o α): PTC (α > 0): resistência elétrica aumenta com o aumento da temperatura; Exemplos: metais puros em geral. NTC (α < 0): resistência elétrica diminui com o aumento da temperatura; Exemplos: grafite, algumas ligas resistivas, semicondutores puros e isolantes.
Fatores que influenciam a resistividade Frequência A distribuição uniforme de corrente através da seção de um condutor existe apenas para a corrente contínua; Aumento da frequência: gera uma distribuição não-uniforme de corrente (Efeito Pelicular ou Skin), pois em um condutor circular a densidade de corrente geralmente aumenta do interior em direção a superfície; Efeito Pelicular: É intensificado à medida que a frequência do sinal de corrente AC aumenta; A área efetivamente ocupada pela corrente AC é menor do que a ocupada pela corrente DC, acarretando um aumento na resistência e no aquecimento do material (Efeito Joule);
Fatores que influenciam a resistividade Frequência