- CAPÍTULO 2 MATERIAIS CONDUTORES

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1 MATERIAIS ELÉTRICOS Prof. Rodrigo Rimoldi - CAPÍTULO 2 MATERIAIS CONDUTORES (Aula 5)

2 Introdução Materiais condutores definição: toda matéria que permite o estabelecimento de um fluxo de elétrons em seu interior, compatível com a d.d.p. aplicada ao mesmo; Aplicabilidade: Eletricidade e eletrônica: veiculação de corrente elétrica e desenvolvimento de ações de comando, monitoração e controle; Eletrotécnica: principalmente no transporte de energia na forma de corrente elétrica.

3 Introdução Circulação de corrente: Notada em materiais sólidos, alguns líquidos e nos gases ionizados (plasmas); Ausência de campo elétrico externo: elétrons livres (abundantes) ficam vagando aleatoriamente de um átomo a outro, determinando valor médio nulo à corrente resultante no interior do material.

4 Introdução Materiais condutores: Sólidos (maioria): ressaltam-se os metais em geral que, devido à facilidade de fornecer elétrons livres, são usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos; Líquidos: metais em estados de fusão, eletrólitos e as soluções de ácidos, de bases e de sais. Exemplos: Mercúrio: único metal que à temperatura ambiente se encontra no estado líquido e solidifica-se apenas a 39 ºC; Solução de água com sal (NaCl): haverá uma dissociação da molécula de cloreto de sódio (NaCl) em íons Na + e Cl -, que ficam livres para se movimentar pelo interior da solução. Gases ionizados (plasmas): pequena diferença de cargas os torna eletricamente condutíveis, fazendo com que apresentem uma forte resposta a campos eletromagnéticos.

5 Introdução Exemplos de bons condutores: (cobre, alumínio, ferro, etc.) usados para enrolamentos de máquinas elétricas e transformadores, etc.; Ligas metálicas usadas para fabricação de resistências, aparelhos de calefação, filamentos para lâmpadas incandescentes, etc.; Grafite; Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido sulfúrico, etc.); Água; Corpo humano; Ar úmido.

6 Elevada condutividade elétrica e térmica: Diferentemente dos metalóides (não-metais), todos os metais são bons condutores de eletricidade e calor; Apresentam elevação da resistência com o aumento da temperatura. Geralmente sólidos à temperatura ambiente: com exceção do Hg (solidifica-se apenas a -39 C). Características gerais

7 Estrutura cristalina (arranjo cristalino): átomos apresentam uma disposição regular, organizada e repetida em todas as suas dimensões; Formação de ligas: metais possuem grande capacidade combinacional; Capacidade de deformação e moldagem: são moldáveis perante elevação de temperatura e posterior esforço mecânico; Características gerais

8 Características gerais Brilho e opacidade: possuem elevada capacidade de reflexão à luz e mantêm-se opacos até uma espessura maior ou igual a 0,001 mm; Encruamento: metais deformados a frio endurecem e reduzem sua condutividade; Transformam-se em derivados metálicos perante certos ambientes: em contato com o O 2 do ar formam-se óxidos menos condutores que os metais de origem;

9 Classificação (por densidade) leves: todos com densidade abaixo de 4 g/cm 3. Ex.: Al, Mg, Be, Na e Ca; pesados: densidade maior ou igual a 4 g/cm 3. Dois tipos: Baixo ponto de fusão (PF 1000 C): Sn, Pb, Zn, Sb; Médio ponto de fusão (1000 C < PF 2000 C): Cu, Fe, Ni, Mn; Alto ponto de fusão (PF > 2000 C): W, Mo, Ta.

10 Cobre (Cu)

11 Baixa resistividade (somente a prata tem valor inferior, porém com custo bem mais proibitivo); Boa flexibilidade; Fácil manuseio a frio (trifilação) e a quente (facilidade, por exemplo, em ser reduzido a fios muito dúctil); Alta condutividade térmica; Facilidade à operações de solda, laminação e emendas. Cobre (Cu)

12 Facilidade de capeamento por outros metais através de processos eletroquímicos; Resistência à ação dos agentes químicos mais comuns (água, ar atmosférico, fumaças, sulfatos e carbonatos); Baixa dureza; Média resistência à tração; Vida útil considerável. Cobre (Cu)

13 Cobre (Cu) Condutividade: muito influenciada pela presença de impurezas, pois elas diminuem a mobilidade dos elétrons; Condições de aplicação: Encruado ou duro: quando se exige elevada dureza, resistência à tração e pequeno desgaste. Ex.: fios telefônicos, peças de contato e anéis coletores; Mole ou recozido: demais casos. Ex.: enrolamentos, barramentos, fios e cabos isolados, etc.

14 Cobre (Cu) Depois do ferro, é o metal mais usado na indústria elétrica; É usado em estado puro ou em ligas (bronzes e latões); Cobre padrão internacional: recozido com 99,97% de pureza que, a 20 ºC, apresenta uma resistividade de 1, Ω m.

15 Alumínio (Al)

16 Alumínio (Al) Segundo metal mais usado na eletricidade, havendo nos últimos anos uma preocupação permanente em substituir mais e mais as aplicações do cobre pelo alumínio por motivos econômicos; É inferior ao cobre tanto elétrica quanto mecanicamente (pouco resistente à tração), porém é bem mais abundante e mais barato; É um metal dúctil de pequena resistividade (apesar de não ser inferior à do cobre).

17 Alumínio (Al) Tem grande estabilidade, grande vida útil (alta resistência à corrosão) e alta condutividade térmica; É empregado como cabo condutor com alma de aço (para aumentar a resistência à tração) em linhas de transmissão de alta tensão. Motivos: Mais barato; É menos denso (mais leve ) que o cobre.

18 É usado também em instalações de baixa tensão (desde que a queda de tensão possa ser desprezada): Enrolamentos de transformadores; Barras condutoras injetadas nas ranhuras de motores de indução; Barramentos e placas; Lâminas para capacitores; Etc. Alumínio (Al)

19 Algumas condições de aplicações: Eletrotécnicas: teor máximo de 0,5% de impurezas; Folhas e eletrodos de capacitores: máximo de 0,05% de impurezas. Resistividade: 2, Ω m. Alumínio (Al)

20 Alumínio (Al) A superfície do Alumínio exposta ao ar sofre rápida oxidação; O óxido de alumínio é altamente isolante e isto acaba impedindo que a oxidação se amplie; O alumínio é de difícil soldagem (a solda comum de Sn+Pb não serve) e a camada de óxido atrapalha ainda mais. Solução: Limpeza da superfície com pastas especiais; Uso de solfas elétricas; Emprego de braçadeiras metálicas para eliminar as soldas

21 Prata (Ag)

22 Prata (Ag) É o condutor de menor resistividade (1, Ω m); Sua aplicação é limitada a casos especiais devido ao alto preço; É o metal nobre de maior uso industrial;

23 Prata (Ag) Aplicações: Resistência de aparelhos de precisão; Elos de fusíveis ultra-rápidos (casos em que constante de tempo para proteção do aparelho é importante); Camada de contato ôhmico em cristais osciladores e semicondutores; Peças de contato mecânico; Prateação: banho eletroquímico (recobrimento) em fios de bobinas para melhorar seu fator de qualidade e em metais mais sujeitos a corrosão.

24 Ouro (Au)

25 Ouro (Au) Condutor elétrico de uso mais especial; Metal nobre de elevado preço e baixo ponto de fusão (1063 ºC); Resistividade elétrica: 2, Ω m Maior que da Ag e Cu, menor que do Al.

26 Ouro (Au) Apresenta grande estabilidade química devido a sua resistência à oxidação e sulfatação e pela sua ductilidade; Aplicações importantes: Peças de contato na área de correntes muito baixas (casos em que qualquer oxidação poderia causar interrupções elétricas no circuito) em áudio, eletrônica e telecomunicações; Chaves e relés de baixa corrente, alta precisão e alta confiabilidade; Películas condutoras; Instrumentos especiais de medição (ex.: eletroscópio).

27 Ferro (Fe)

28 Ferro (Fe) Grande resistência à tração, compressão, cisalhamento e fadiga, além de grande tenacidade; Baixa resistividade ( Ω m) e é ferromagnético; O ferro e suas ligas (aços) ocupam um lugar de destaque na produção de equipamentos elétricos.

29 Ferro (Fe) Aplicações: Linhas aéreas: nestas são utilizados frequentemente como alma de cabos de alumínio, para aumentar a resistência mecânica; Trilhos condutores; Barramentos, etc. Limitações: Fácil e rápida corrosão; Elevado efeito pelicular na condução de correntes AC.

30 Chumbo (Pb)

31 Metal mole e plástico; Resistividade relativamente baixa ( Ω m) e fácil soldagem; Bastante resistente à ação da água potável, de sais e ácidos; Não resiste à ação da água destilada, vinagre, materiais orgânicos em decomposição e cal; É venenoso. Chumbo (Pb)

32 Aplicações: CAP. 2 MATERIAIS CONDUTORES Painéis de raios-x; Acumuladores de chumbo ácido (baterias de veículos automotores); Ligas de solda (devido à baixa temperatura de fusão: 327 C); Camadas ou placas protetoras contra corrosão (blindagem de cabos); Elos fusíveis. Chumbo (Pb)

33 Estanho (Sn)

34 Metal mole (não tanto quanto o chumbo); Resistividade relativamente baixa (11, Ω m); Estanho (Sn) Não se oxida à temperatura ambiente; Não é atacado pela água, mas ácidos diluídos o atacam lentamente;

35 Estanho (Sn) Aplicações: Muito usado como ingrediente de ligas: Sn + Cu = bronze; Sn + Pb = soldas (PF do Sn: 232 C). Usado largamente como revestimento anticorrosivo.

36 Platina (Pt)

37 Platina (Pt) Metal nobre bastante estável quimicamente e de alto ponto de fusão (1774 C); Relativamente dúctil: permite fácil deformação mecânica, bem como redução à folhas e fios muito finos;

38 Platina (Pt) Aplicações: Por ser antioxidante: peças de contato, anodos e fios de aquecimento; Por permitir leitura mais precisa sob altas temperaturas que outros metais: termômetro resistivo (RTD) até 1000 C.