Materiais utilizados na indústria elétrica e eletrónica

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Prof. Alexandre Mano Ano letivo 2013/14

1Módulo 2 – Instalações elétricas

Instalações elétricas

Materiais utilizados na Indústria Elétrica e Eletrónica

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A matéria e os materiais

Existem 118 elementos químicos na Natureza, constantes da Tabela periódica, que originam as diferentes substâncias químicas conhecidas, quando combinados.

A matéria é composta por combinações de moléculas e estas constituídas por combinações de átomos, iguais ou diferentes entre si.

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A matéria-prima (carvão bruto, petróleo, minérios, madeira, etc) é a

matéria que existe em bruto no solo ou no subsolo que vai sendo

extraída e transformada de forma a produzir os materiais que vamos

utilizar.

Os materiais são produtos resultantes da transformação da matéria-

prima, utilizando processos físico-químicos e tecnologia diversa, de

forma a podermos utiliza-los no fabrico de aparelhos, condutores e

receptores do nosso dia-a-dia.

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Ao longo dos séculos têm sido aperfeiçoadas as diferentes indústrias de

tratamento, transformação e produção de materiais diferentes, elétricos

ou não elétricos.

A indústria metalúrgica transforma os diferentes minérios metálicos (ferro,

cobre, alumínio, prata, ouro, platina) em chapas ou fios de materiais

com diferentes qualidades e composições, juntando-lhes outros

elementos químicos que lhes dão novas propriedades úteis em

diferentes aplicações.

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A siderurgia é a indústria metalúrgica que trata apenas do ferro.

A indústria petroquímica transforma as naftas extraídas do

subsolo em diferentes produtos, a diferentes temperaturas,

de entre os quais destacamos os materiais plásticos

(polietileno, policloreto de vinilo, poliestireno, etc) que são

utilizados como isoladores da corrente elétrica.

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A indústria da madeira transforma a madeira em bruto em

pranchas de madeira ou pasta, utilizada no fabrico do

papel, ambos utilizados como isoladores elétricos.

Existem muitas outras indústrias, nomeadamente a

vidreira, a cerâmica, etc.

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Os diferentes materiais obtidos pela indústria distinguem-

se uns dos outros pelas suas propriedades elétricas,

mecânicas, físicas, químicas, etc, o que permite que

sejam utilizados em diferentes funções e aplicações na

indústria elétrica e eletrónica.

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Estes materiais vão ser sujeitos a condições de

funcionamento diferenciadas, como tensões (altas ou

baixas), intensidades (fracas ou elevadas), temperaturas

(altas ou baixas), humidade (reduzida ou elevada), etc.

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Para se escolher um material para desempenhar uma dada função

num circuito elétrico, é necessário comparar as propriedades

desse material com as características da função a

desempenhar.

Por exemplo, apesar do papel ser bom isolador, ele não deve ser

utilizado como isolador em locais onde haja muita humidade,

pois perderia rapidamente as suas propriedades isoladoras.

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Classificação geral dos materiais

Os materiais elétricos podem ser classificados como:

– Condutores (bons condutores, resistentes e supercondutores)

– Semicondutores

– Isoladores

– Magnéticos

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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).

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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 electrões livres que facilmente se

movimentam, constituindo a corrente elétrica. A

resistividade dos condutores situa-se entre 10-4Ω e 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.

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Os materiais resistentes são aqueles que conduzem a

corrente eléctrica, mas apresentam uma maior

resistência à passagem da mesma que os condutores.

O objectivo 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..

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Os materiais supercondutores são materiais

considerados condutores perfeitos, isto é, não

apresentam resistência à passagem da corrente

eléctrica, portanto conduzem a corrente eléctrica sem

dissipação de energia calorífica. O transporte de energia

eléctrica é efectuado com um rendimento de 100%. No

entanto os supercondutores só o são quando

submetidos a temperaturas negativas bastante baixas.

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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.

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Depois disso, foram sucessivamente fabricados outros

materiais supercondutores, a temperaturas cada vez

menos negativas, como são os casos de óxidos de

cobre com combinação de vários elementos (estrôncio,

bário, cálcio, etc), materiais cerâmicos diversos,

funcionando como supercondutores a temperaturas na

ordem de -40ºC.

http://www.youtube.com/watch?v=BHW1YdGY-00

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Os materiais isoladores são aqueles que apresentam

uma resistência eléctrica muito elevada, praticamente

não deixando passar corrente eléctrica. Não há, no

entanto, isoladores perfeitos, havendo sempre

correntes de fuga. São considerados isoladores

materiais que apresentam uma resistividade eléctrica

entre 1014 e 1026 Ω mm2/m. São considerados

isoladores: a borracha, o vidro, o papel, a mica, o

polietileno, etc.

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Os materiais semicondutores são aqueles que

apresentam uma resistividade eléctrica intermédia, entre

os condutores e os isoladores, situada entre 104 e 1010

Ω mm2/m.

São exemplos de semicondutores o silício, o germânio e o

selénio.

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Os materiais magnéticos são materiais que são

caracterizados por se deixarem atravessar facilmente

pelas linhas de força de campo magnético,

magnetizando-se. Diz-se que estes materiais tem uma

elevada permeabilidade magnética. É o caso do ferro, o

aço, o níquel e o cobalto.

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Propriedades e grandezas gerais dos materiais

As propriedades e grandezas dos materiais dividem-se em:

elétricas, mecânica e químicas.

Sem a preocupação de as agrupar em compartimentos

estanques, apresentam-se em seguida algumas das

propriedades e grandezas dos materiais.

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- Condutibilidade elétrica – Propriedade que os materiais têm de conduzir a corrente eléctrica, com maior ou menor facilidade. O material com melhor condutibilidade eléctrica 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 (expressa-se em kV/cm). O material com melhor rigidez dieléctrica é a mica.

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- Condutibilidade térmica – Propriedade que os materiais têm de conduzir com maior ou menor facilidade o calor. Normalmente os bons condutores eléctricos 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.

- Ductilidade – É a propriedade de se deixarem reduzir a fios, à fieira. Exemplos: ouro, prata, cobre, ferro.

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- Tenacidade – É a propriedade de resistirem à tensão de rotura, por tracção ou compressão. A tensão de rotura é expressa em kg/mm2. Exemplos de materiais tenazes: 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 de materiais duros: diamante, quartzo.

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- Densidade – É a relação entre o peso da unidade de volume de um dado material e o peso de igual volume de água destilida a 4,1ºC, à pressão normal. Materiais condutores densos: mercúrio, prata.

- Permeabilidade magnética – É a propriedade dos 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 acção de um esforço momentâneo. Um material muito elástico é a borracha.

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- Dilatabilidade – Propriedade de aumentarem em comprimento, superfície ou volume, por acção do calor.

- Resiliência – 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, perdendo progressivamente as suas características.

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- Fusibilidade – Propriedade de os materiais passarem do estado sólido ao líquido, por acção 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 acção de agentes exteriores (atmosféricos, químicos, etc.). Esta propriedade tem particular importância nos materiais expostos (ar livre) e enterrados.

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Como se sabe, os materiais combinam-se com o oxigénio

do ar, originando óxidos. Estes óxidos, em grande parte

dos casos, acabam por destruir os materiais. A este

fenómeno chama-se corrosão.

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Quanto à oxidação, podemos dividir os materiais em dois

grupos: o grupo do cobre, prata, alumínio e zinco que

pouco se oxidam; o grupo do ferro e aços onde é

considerável o fenómeno da corrosão.

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A oxidação no cobre e no alumínio é geralmente apenas

responsável pela deficiência e mau funcionamento dos

contactos eléctricos. A oxidação no ferro e no aço é

responsável pela destruição completa da estrutura

respectiva, com prejuízos evidentes.

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Há necessidade de evitar este fenómeno, e consegue-se

atenuá-lo pelos seguintes processos:

– Pintando as superfícies

– Cromando ou niquelando as superfícies

– Utilizando ligas inalteráveis: bronze, cromo-níquel

– Utilizando metais inalteráveis: ouro, platina,

tungsténio, níquel.

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Principais materiais condutoresOs principais materiais eléctricos utilizados no fabrico de

condutores são o cobre, o alumínio e a prata. Além destes existem ainda algumas ligas como por exemplo: o bronze, o latão e o almelec (ligas condutoras); e o constantan, o maillechort, o ferro-níquel e o cromoníquel (ligas resistentes).

A escolha do material para desempenhar uma dada função, depende do compromisso entre preço, qualidade e tarefa a desempenhar. Tendo em conta a tarefa a desempenhar, deve-se ter em conta as propriedades do material, as funções a desempenhar, o meio ambiente, as condições a que vai ser submetido.

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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.

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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 eléctrica de alguns cabos, em aeronaves, nos rotores de motores assíncronos, equipamento portátil e equipamento móvel, etc.

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A prata é bastante utilizada, sob forma pura ou em liga, no

fabrico de contactos eléctricos em 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 eléctricos em equipamentos de elevada

fiabilidade e precisão.

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O carvão pode ser utilizado como condutor no fabrico das

escovas das máquinas de corrente contínua, ou como

condutor resistente no fabrico de resistências eléctricas.

O carvão tem a grande vantagem em relação a outros

condutores de não fundir, não soldar, suportando

elevadas temperaturas.

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Materiais condutores

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Materiais resistentes

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Principais materiais isoladores

Os isoladores existem nos circuitos eléctricos 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.

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Materiais isolantes minerais

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Materiais isolantes orgânicos

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Materiais isolantes plásticos

Materiais isolantes gasosos

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Os materiais isolantes como qualquer outro material,

envelhecem com a utilização. Os factores principais

para esse envelhecimento são: a temperatura, o campo

eléctrico que os solicita, os esforços mecânicos a que

estão sujeitos, a humidade, agentes atmosféricos,

agentes químicos, etc.

A temperatura é o mais importante de todos eles.

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As principais propriedades dos isolantes são: a resistividade

eléctrica, a rigidez dieléctrica, a estabilidade térmica e a

temperatura máxima de utilização, o factor de perdas e a

versatilidade.

A rigidez dieléctrica de um isolante é medida pela sua maior ou

menor tensão de disrupção (tensão de perfuração do

isolante).

Dada a grande variedade de isolantes existentes, a escolha

para cada aplicação deverá recair naquele que reúna as

melhores condições, de acordo com as exigências da função.

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Materiais semicondutores

Os materiais 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.

Silício

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No entanto, se estes materiais não forem puros podemos

transformá-los em condutores. Para isso basta juntar

impurezas à sua constituição (como o antimónio, o

fósforo, o boro, o índio, etc). A este processo dá-se o

nome de dopagem. Portanto, os materiais encontram-se

“dopados” quando se acrescenta uma determinada

percentagem de impureza, de forma a torná-los

semicondutores, com diversas aplicações.

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O silício é o mais utilizado porque é termicamente mais

estável do que o germânio, podendo ser utilizado a

temperaturas na ordem dos 150ºC. Além disso, o silício

é, a seguir ao hidrogénio, o elemento químico mais

abundante na natureza. A areia, abundante, tem silício

na sua composição, entrando também no fabrico do

vidro.

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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 força do campo magnético.

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Como se sabe, existe um conjunto de máquinas e

receptores, que no seu funcionamento, geram campos

magnéticos ou estão sob a influência de campos

magnéticos. Neste sentido há necessidade de os

materiais utilizados oferecerem pouca resistência ao

percurso das linhas de força desses campos

magnéticos.

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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, o

cobalto e ainda algumas ligas como o alnico (alumínio,

níquel, cobalto e ferro).

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Materiais utilizados na indústria elétrica e eletrónica