Reflexão UFCD 20 – Tecnologia dos Materiais Elétricos

Reflexão UFCD 20 – Tecnologia dos Materiais Elétricos _________________________________________________________________________________ Classificação geral dos materiais Os materiais elétricos podem ser classificados como: Condutores (bons condutores, resistentes e supercondutores) Semicondutores Isoladores Magnéticos Estes materiais podem encontrar-se em estado líquido, sólido ou gasoso. Em qualquer dos estados encontram-se materiais condutores e materiais isoladores. No estado sólido temos, por exemplo: cobre (condutor) e vidro (isolador). No estado líquido temos, por exemplo: mercúrio (condutor) e óleo mineral (isolador). No estado gasoso temos, por exemplo: ar bastante húmido (condutor) e ar seco (isolador). Os materiais condutores são os que melhor conduzem a corrente elétrica, ou seja, oferecem menor resistência à passagem da corrente elétrica. Os metais são os melhores condutores elétricos, pois possuem um elevado número de eletrões livres que facilmente se movimentam, constituindo a corrente elétrica. A resistividade dos condutores situa-se entre 10ˉ⁴ a 10²Ω.mm²/m. São bons exemplos de condutores o cobre, o alumínio, a prata, o ouro, o mercúrio, as ligas de cobre e as ligas de alumínio. Os materiais resistentes são aqueles que conduzem a corrente elétrica, mas apresentam uma maior resistência à passagem da mesma que os condutores. O objetivo destes materiais é provocar, intencionalmente, a dissipação de energia calorífica; eles são utilizados no fabrico de resistências de aquecimento, de resistências de regulação de intensidade de corrente, etc. Os materiais supercondutores são materiais considerados condutores perfeitos, isto é, não apresentam resistência à passagem da corrente elétrica, portanto conduzem a corrente elétrica em dissipação de energia calorífica. O transporte de energia elétrica é efetuado com um rendimento de 100%. No entanto os supercondutores só o são quando submetidos a temperaturas negativas bastante baixas. A supercondutividade foi descoberta em 1911 pelo cientista holandês Heike Kamerlingh Onnes quando aplicava ao mercúrio temperaturas bastante baixas e verificou que se tornava um supercondutor à temperatura de 269ºC. Os materiais isoladores são aqueles que apresentam uma resistência elétrica muito elevada, não deixando passar corrente elétrica. Não há, no entanto isoladores perfeitos, havendo sempre correntes de fuga. São considerados isoladores materiais que apresentam uma resistividade elétrica entre 10ˉ¹⁴ a 10²⁶Ω.mm²/m. São considerados isoladores: a borracha, o vidro, o papel, a mica, o polietileno, etc. Os materiais semicondutores são aqueles que apresentam uma resistividade elétrica intermédia, entre os condutores e os isoladores, situada entre 10⁴ a 10¹⁰Ω.mm²/m. São exemplos de semicondutores: o silício, o germânio e o selénio. Os materiais magnéticos são materiais que são caraterizados por se deixarem atravessar facilmente pelas linhas de força de campo magnético, magnetizando-se. Estes materiais têm uma elevada permeabilidade magnética, de que são exemplos: o ferro, o aço, o níquel e o cobalto. Propriedades e grandezas características dos materiais As propriedades e grandezas dos materiais dividem-se em: elétricas, mecânicas e químicas. Sem a preocupação de as agrupar em compartimentos estanques, apresentam-se em seguida algumas das propriedades e grandezas dos materiais. Condutibilidade elétrica – Propriedade que os materiais têm de conduzir a corrente elétrica, com maior ou menor facilidade. O material com melhor condutibilidade elétrica é a prata. Rigidez dielétrica – É a tensão máxima, por unidade de comprimento, que se pode aplicar aos materiais isolantes sem romper as suas características isolantes. O material com melhor rigidez dielétrica é a mica. Condutibilidade térmica – Propriedade que os materiais têm de conduzir com maior ou menor facilidade o calor. Normalmente os bons condutores elétricos também são bons condutores térmicos. Como bons condutores térmicos temos: a prata, o cobre, etc. Maleabilidade – É a propriedade que os materiais têm de se deixarem reduzir a chapas. Exemplos: ouro, prata. Dutibilidade - É a propriedade de se deixarem reduzir a fios, à fieira. Exemplos: ouro, prata, cobre, ferro. Tenacidade - É a propriedade de resistirem à tensão de rotura, por tração ou compressão. A tensão de rotura é expressa em kg/mm². Exemplos: bronze silicioso, cobre duro. Maquinabilidade – É a propriedade de os materiais se deixarem trabalhar por qualquer processo tecnológico, através de máquinas-ferramentas. Exemplo: ferro. Dureza - Propriedade de os materiais riscarem ou se deixarem riscar por outros materiais. Exemplos: diamante, quartzo. Densidade – É a relação entre o peso da unidade de volume de um dado material e o peso de igual volume de água destilada a 4,1ºC, à pressão normal. Exemplo: mercúrio, prata. Permeabilidade magnética – É a propriedade que consiste em os materiais conduzirem, com maior ou menor facilidade, as linhas de força do campo magnético. Exemplo: ferro-silício, aço, ferro-fundido, etc. Elasticidade – Propriedade de retomarem a forma primitiva, depois de terem sido deformados por ação de um esforço momentâneo. Dilatabilidade - Propriedade de aumentarem em comprimento, superfície ou volume, por ação do calor. Resilência - Propriedade de resistirem à rotura, por pancadas “secas”. Resistência à fadiga - – É um valor limite do esforço sobre o material, resultante de repetição de manobras. Cada manobra vai, progressivamente, provocando o “envelhecimento” do material. Fusibilidade – Propriedade de os materiais passarem do estado sólido ao líquido, por ação do calor. Tem interesse conhecer o ponto de fusão de cada material para sabermos quais as temperaturas máximas admissíveis da instalação onde o material está, ou vai ser, integrado. Resistência à corrosão – Propriedade que os materiais têm de manterem as suas propriedades químicas, por ação de agentes exteriores. Esta propriedade tem particular importância nos materiais expostos (ar livre) e enterrados. Principais materiais condutores O cobre é o material condutor mais utilizado. Existem no entanto dois tipos de cobre: cobre duro e cobre macio. O cobre duro é utilizado nos casos em que se exige elevada dureza e resistência mecânica, como é o caso das linhas aéreas de energia, os cabos telefónicos, os coletores dos motores elétricos, etc. O cobre macio é utilizado nas restantes aplicações, não sujeitas a esforços mecânicos elevados, como: enrolamentos, barramentos, cabos elétricos, instalações elétricas, etc. O alumínio é o segundo material condutor mais utilizado, caracterizado por ser mais leve e mais barato que o cobre. Estas características têm sido fundamentais para a sua escolha em determinadas utilizações: linhas aéreas, condensadores, blindagem elétrica de alguns cabos, em aeronaves, nos rotores de motores assíncronos, equipamento portátil e equipamento móvel, etc. A prata é bastante utilizada, sob forma pura ou em liga, no fabrico de contactos elétrico sem dispositivos que devem apresentar uma boa fiabilidade, em virtude de praticamente não oxidar. As ligas podem incluir níquel, cobalto, paládio, bromo e tungsténio. O ouro é um material que não oxida e apresenta uma elevada resistência mecânica, sendo também utilizado em contactos elétricos em equipamentos de elevada fiabilidade e precisão. O carvão pode ser utilizado como condutor no fabrico das escovas das máquinas de corrente contínua, ou como condutor resistente no fabrico de resistências elétricas. O carvão tem a grande vantagem em relação a outros condutores de não fundir, não soldar, suportando elevadas temperaturas. Principais materiais isoladores Os isoladores existem nos circuitos elétricos sob diversas formas e com finalidades variadas, como: proteger pessoas, evitar curto-circuitos nas instalações, evitar fugas de corrente, etc. Podem ser divididos em sólidos, líquidos e gasosos. Os materiais sólidos e líquidos utilizados para o fabrico de isoladores podem ter três origens: isolantes orgânicos, isolantes minerais e isolantes plásticos. As principais propriedades dos isolantes são: a resistividade elétrica, a rigidez dielétrica, a estabilidade térmica e a temperatura máxima de utilização, o fator de perdas e a versatilidade. Pode-se afirmar ainda que há isolantes que são fortemente atacados pela humidade, como o papel, o amianto, a porcelana; o quartzo é utilizado em situações em que há variações bruscas de temperatura; os isolantes plásticos, além das propriedades isolantes que se lhes reconhecem, têm uma outra que é a sua extrema leveza e versatilidade na aquisição de diferentes formas; a baquelite apresenta-se sob diferentes formas, sendo a baquelite C aquela que melhores propriedades reúne, sendo por isso a mais utilizada. Materiais Semicondutores Os semicondutores, são materiais com uma condutividade muito baixa, quando estão em estado puro, comportam-se quase como isoladores. O silício, o germânio e o selénio são os principais materiais utilizados como semicondutores, sendo os dois primeiros os mais utilizados. Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma substância, a distribuição e disposição desses átomos pode ser ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina. O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica como é mostrado na seguinte figura: Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos eletrões de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns eletrões livres no semicondutor. Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco. A introdução de átomos pentavalentes (como o Arsénio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam eletrões livres no seu interior. Como esses átomos fornecem (doam) eletrões ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas dadoras ou átomos dadores. Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas dadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do eletrão). A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos recebem (ou aceitam) eletrões eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do eletrão). Materiais Magnéticos Os materiais magnéticos são aqueles que têm permeabilidade magnética mais elevada do que a do ar. São aqueles materiais que tem maior facilidade de “conduzirem” as linhas de forçado campo magnético. De entre os materiais utilizados como magnéticos temos os metais magnéticos, como o ferro macio, o aço silicioso, o aço vazado, o ferro fundido, o níquel e o cobalto. Condutores e cabos Alma condutora de um condutor isolado ou de um cabo é o elemento destinado à condução da corrente elétrica, podendo ser constituído por um conjunto de fios devidamente reunidos. A alma condutora por ser unifilar (um só fio) multifilar (vários fios), sectorial ou multisectorial. Condutor nu é o condutor que não possui qualquer isolamento elétrico contínuo. Condutor isolado é a alma condutora revestida de uma ou mais camadas de material isolante que asseguram o seu isolamento elétrico. Cabo isolado, ou simplesmente, cabo é o condutor isolado dotado de baínha ou conjunto de condutores isolados devidamente agrupados, provido de baínha, trança ou envolvente comum. Caracterização do cabo Conforme as exigências dos locais e das condições de funcionamento, assim a necessidade de instalar cabos mais ou menos bem protegidos. Os principais fatores condicionantes da escolha de um cabo para uma instalação elétrica são: Potência, tensão e intensidade nominais; Temperatura ambiente do local onde vai ser instalado; Localização do cabo (à vista, enterrado, subaquático, etc); Efeitos corrosivos e mecânicos do local considerado; Existência ou não de outros cabos no local ou proximidade (particularmente telecomunicações), ou de outras canalizações (água, gás, esgotos, etc) . Os principais revestimentos protetores elétricos, mecânicos ou químicos dos cabos são: Isolamento – camada de material isolante que, envolvendo a alma condutora, assegura o seu isolamento elétrico. Enchimento – material destinado a regularizar a forma do cabo, preenchendo os espaços vazios entre os condutores isolados, de forma a que não haja descontinuidades nem pontos fracos. Blindagem (ou ecrã) – revestimento condutor ou semicondutor que envolve cada um dos condutores isolados ou o seu conjunto, com o fim de assegurar determinadas caraterísticas elétricas, como: equalização de potenciais elétricos, redução de campos electroestáticos, redução das correntes de fuga, evitar interferências de campos eletromagnéticos com outros cabos de energia ou telecomunicações. Bainha – revestimento contínuo que envolvendo completamente o condutor isolado, ou o conjunto cablado de condutores isolados, contribui para a proteção dos cabos. Quando for metálica pode também desempenhar a função de blindagem. Trança – revestimento constituído por fios entrançados têxteis, ou metálicos. Armadura – revestimento metálico que tem como principal finalidade proteger o cabo contra ações mecânicas exteriores, para além de funções de natureza elétrica que possam desempenhar. Cores de identificação dos condutores e respetiva ordem sequencial Nomenclatura dos condutores e cabos Os condutores e cabos que se fabricam atualmente em Portugal obedecem fundamentalmente a duas normas portuguesas (NP) que são a NP – 2361 e a NP – 665. Cabos e condutores mais utilizados Curso: Técnico de Instalações Elétricas Formando: Fernando Miguel da Costa Silva Nº 11 16 de maio de 2013