22 - Tecnologia Materiais Eléctricos

IEFP Instituto Emprego Formação Profissional

Tecnologia dos Materiais Eléctricos

Materiais Eléctricos

Filipe Daniel Ribeiro Rocha

Novembro de 2010

“Descobrir consiste em ver o que toda a gente viu, mas pensar o que ninguém pensou” Albert SZent‐GyorgYi (Bioquímico norte‐americano)

Centro de Formação Profissional de Viana do Castelo

Materiais Eléctricos Filipe Rocha

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1. Introdução

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.

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.

Ao longo dos séculos têm sido aperfeiçoadas as diferentes indústrias de tratamento, transformação e produção de materiais diferentes, eléctricos ou não eléctricos.

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.

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 eléctrica.

A indústria da madeira transforma a madeira em bruto em pranchas de madeira ou pasta, utilizada no fabrico do papel, ambos utilizados como isoladores eléctricos. Existem muitas outras indústrias, nomeadamente a vidreira, a cerâmica, etc.

Os diferentes materiais obtidos pela indústria, distinguem-se uns dos outros pelas suas propriedades eléctricas, mecânicas, físicas, químicas, etc, o que permite que sejam utilizados em diferentes funções e aplicações na indústria eléctrica.

Para se escolher um material para desempenhar uma dada função num circuito eléctrico, é necessário comparar as propriedades desse material com as características da função a desempenhar. Por exemplo o cobre e o alumínio são bons condutores, no entanto numas aplicações utiliza-se um e noutras o outro.

2. Classificação geral dos materiais

Os materiais eléctricos 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).

Figura 1: Classificação dos materiais eléctricos

Os materiais condutores são os que melhor conduzem a corrente eléctrica, ou seja, oferecem menor resistência à passagem da corrente eléctrica. Os metais são os melhores condutores eléctricos, pois possuem um elevado número de electrões livres que facilmente se movimentam, constituindo a corrente eléctrica. A resistividade dos condutores situa-se entre 10 10 Ω. / . 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 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.

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. 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.

Depois disso, foram sucessivamente fabricados outros materiais supercondutores, a temperaturas cada vez menos negativas, como são os casos de óxidos de cobre com combinação

Condutores

Materiais Eléctricos

Semicondutores Isoladores

Magnéticos

Resistentes Bons Condutores Supercondutores



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de vários elementos (estrôncio, bário, cálcio, etc), materiais cerâmicos diversos, funcionando como supercondutores a temperaturas na ordem de -40ºC.

Estes materiais já são utilizados em algumas situações em que se pretende que não haja elevação de temperatura, nem perdas, provocada pela corrente eléctrica, como são os casos de solenóides de elevados campos magnéticos utilizados em investigação.

Os materiais isoladores são aqueles que apresentam uma resistência eléctrica muito elevada, 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 10 10 Ω. / . São considerados isoladores: a borracha, o vidro, o papel, a mica, o polietileno, etc.

Os materiais semicondutores são aqueles que apresentam uma resistividade eléctrica intermédia, entre os condutores e os isoladores, situada entre 10 10 Ω. /

. São exemplos de semicondutores: o silício, o germânio e o selénio.

Os materiais magnéticos são materiais que são caracterizados por se deixarem atravessar facilmente pelas linhas de força de campo magnético, magnetizando-se. Estes materiais tem uma elevada permeabilidade magnética, de que são exemplos: o ferro, o aço, o níquel e o cobalto.

Figura 2: Escalonamento dos materiais em função da resistividade eléctrica

3. A escolha dos materiais

A escolha de um material para uma dada aplicação depende de vários factores. São escolhidos os amteriais que possuam as prorpiedades mais adequadas à função a desempenhar e para as condições de trabalho e ambiente onde serão inseridos.

Que factores influenciam a escolha do material? O que se pretende deles?

Na escolha do material pretende-se que:

Tenha boa condutividade eléctrica? Ou basta uma condutividade razoável, desde que o preço seja acessível?

Seja muito bom isolador de corrente? Ou seja o mais barato possível? Seja condutor, mas que liberte uma grande quantidade de calor por efeito de joule?



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Mantenha constante, dentro de determinados limites de intensidade ou temperatura, a sua resistividade? Ou não é importante que a resistividade seja constante?

Não seja atacado facilmente pelos agentes atmosféricos ou químicos do meio envolvente? Ou esse cuidado não é importante desde que o material uma vida útil mínima?

Resista bem a esforços de tracção, compressão, torção ou dobragem? Ou as condições em que vai trabalhar, são favoráveis nestes domínios?

Seja leve? Ou é indiferente o peso do material, do ponto de vista técnico? Resista bem a choques (pancadas secas)? Ou as condições são favoráveis a este tipo

de acidentes? Suporte, sem perda das suas características gerais, grandes variações de

temperatura? Seja flexível? Ou deverá ser rígido, em função do local em que vai ser instalado? Seja elástico? Ou não ficará sujeito a esforços da tracção que exijam esta

propriedade? Tenha um ponto de fusão elevado, dadas as temperaturas a que vai ser submetido? Conduza bem a temperatura? Ou, pelo contrário, deve “isolar” a temperatura? Que formas se pretende dar ao material escolhido? Será ele, por um lado,

suficientemente polivalente de modo a ser tratado por qualquer dos meios industriais à disposição e assim obter-se a forma que se pretende?

É importante o estado (sólido, líquido ou gasoso) do material, para o fim em vista? Pretendemos materiais que tenham propiedades diferentes, consoante a variação da

temperatura, da tensão ou intensidade? Deve o material apresentar características magnéticas? Ou a função que vai

desempenhar não o exige? Deve o material resistir bem a arcos eléctricos no circuito? Qual a importância, para o material a escolher, do valor do coeficiente de

temperatura? Vai o material ser submetido a tensões eléctricas elevadas? Ou a baixas? Deve o material em questão ter uma vida útil elevada? Ou a vida útil do próprio

circuito onde vai ser inserido já é, de si, curta? Deve o material a utilizar ser incombustível? Ou incomburente? Vai o material estar sujeito a trepidações, obrigando a tomar precauções especiais

quanto à sua natureza mecânica? O material vai ser utilizado sob a forma de fios, de barras, de chapas? Tem ele

propriedades necessárias para, ao ser trabalhado, adquirir essas formas?

Estas e outras questões têm que ser colocadas antes de se decidir qual o material a utilizar em cada aplicação. Para se conseguir decidir qual o material a utilizar é necessário conhecer as suas propriedades.

4. Propriedades e grandezas características dos materiais

As propriedades e grandezas dos materiais dividem-se em: eléctricas, mecânica e quimicas. 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 eléctrica – 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 dieléctrica – 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.

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.

Ductibilidade – 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 tracção 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 destilidada 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 acção de um esforço momentâneo.

Dilatabilidade – Propriedade de aumentarem em comprimento, superfície ou volume, por acção 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 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. Esta propriedade tem particular importância nos materiais expostos (ar livre) e enterrados.

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. Quanto à oxidação, podemos dividir os materiais em dois grupos: o grupo do cobre,



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prata, alumínio e zinco que pouco se oxidam; o grupo do ferro e aços onde é considerável o fenómeno da corrosão.

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. Há necessidade de evitar este fenómeno, e consegue-se atenuá-lo pelos seguintes processos:

Pintando as superfícies Cromando ou niquelando as suerfícies Utilizando ligas inalteráveis: bronze, cromo-níquel Utilizando metais inalteráveis: ouro, platina, tungsténio, níquel.

5. Principais materiais condutores

Os 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 cromo-níquel (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. Na Tabela 1, encontram-se as princípais propriedades e aplicações usuais dos materiais mais utilizados.

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 colectores dos motores eléctricos, etc. O cobre macio é utilizado nas restantes aplicações, não sujeitas a esforços mecânicos elevados, como: enrolamentos, barramentos, cabos eléctricos, instalações eléctricas, 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 eléctrica 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 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.

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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Por análise dos materiais apresentados na Tabela 1, chega-se às seguintes conclusões:

O condutor mais leve é o alumínio A prata é o melhor condutor O condutor com maior resistência é o bronze-silicioso O condutor com ponto de fusão mais elevado é o cobre O condutor com menor coeficiente de temperatura é o mercúrio As ligas resistentes têm maior resistividade eléctrica A liga resistente com maior ponto de fusão é o ferro-níquel A manganina tem um coeficiente de temperatura practicamente nulo O carvão tem um coeficiente de temperatura negativo

De referir ainda que o ouro e a prata são os materiais mais dúcteis e maleáveis, o que lhes permite serem reduzidos a fios ou chapas, no entanto são caros; o alumínio em contacto com o ar cobre-se de uma camada óxida, chamada alumina, que o protege contra a corrosão; o cobre também se cobre com um óxido, o azebre, que o protege contra a acção dos agentes atmosféricos.

Condutores e ligas condutoras

ComposiçãoResistividade a

20ºC (Ω.mm2/m)

Coef. Temperatura aaaaaaa

Densidade aaaa

Temp. Fusão aaaa

Tensão de Rotura aaaaa

Aplicações

Cobre macio Cobre 0,0172 0,00393 8,89 1080 25Condutores, Contactos

Cobre duroCobre (+ estanho

ou silicio)0,0179 0,0039 8,89 1080 37 Linhas aéreas

Alumínio Alumínio 0,0282 0,004 2,7 657 15 a 20Cabos e linhas

aéreas

Prata Prata 0,016 0,0036 10,5 960 28 Contactos, fusíveis

Bronze silicioso

cobre + estanho + zinco + silício

0,025 0,002 8,9 900 70 Linhas aéreas

Latão cobre + zinco 0,085 0,001 8,4 940 22Contactos, terminais

Almenec, Aldrey

alumínio + magnésio + silício

0,0323 0,0036 2,7 660 30cabos e linhas

aéreas

Mercúrio mercúrio 0,962 0,0009 13,6 -39 ----Contactos,

interruptores

Condutores e ligas condutoras

ComposiçãoResistividade a

20ºC (Ω.mm2/m)

Coef. Temperatura aaaaaaa

Densidade aaaa

Temp. Fusão aaaa

Tensão de Rotura aaaaa

Aplicações

Mailhechortcobre + zinco +

níquel0,3 0,0003 8,5 1290 400 Reóstatos

Constantan cobre + níquel 0,49 0,0002 8,4 1240 400Resistências

padrão

Manganinacobre + níquel +

manganês0,42 0,00002 8,15 910 500

Resistências de precisão

Ferro-Níquelferro + níquel +

crómio1,02 0,0009 8,05 1500 500

Resistências de aquecimento

Níquel-Crómio níquel + crómio 1,04 0,00004 8 1475 1000Resistências de

aquecimento

Grafite carvão 0,5 a 4 -0,0004 2,25 ---- ----

Carvão Amorfo

carvão 32 a 65 -0,0004 2,25 ---- ----

Materiais condutores e resistentesTabela 1

Resistências para fornos de alta temperatura, escovas para motores,

eléctrodos para soldadura, resistências

para electrónica



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Os supercondutores, não referidos na tabela, são materiais que apresentam uma resistência eléctrica praticamente nula quando submetidos a temperaturas negativas. Um material como o cobre que à temperatura ambiente (20ºC) apresenta uma resistividade de 10 Ω. , passa a apresentar um resistividade de 10 Ω. quando a temperatura atinge -252ºC.

Recentemente, têm sido descobertos novos materiais (cerâmicos) que se revelaram supercondutores a temperaturas cada vez mais próximas da temperatura ambiente (-23ºC).

As vantagens destes materiais no futuro são evidentes, conduzir electricidade sem perdas de energia e sem produção de calor, permite que a potência fornecida seja praticamente igual à consumida pelo receptor, reduzindo os custos da instalação. Exigem no entanto, a instalação de fontes frias para arrefecimento dos condutores, o que será praticamente o único consumo da instalação.

6. 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. Os principais isolantes de cada origens estão representados na Tabela 2.

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. Sendo que a temperatura é o maior de todos eles.

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.

Analisando a Tabela 2, conclui-se que:

A mica é o material com maior tensão de disrupção O quartzo é o material com maior resistividade eléctrica A mica é o material com melhor estabilidade térmica O vidro têm maior resistência mecânica O papel seco é bom isolante e barato, mas higroscópico (atacado pela humidade) O polietileno e o policloreto de vinilo são bastante resistentes à acção solar e aos

agentes químicos O policloreto de vinilo não é inflamável



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A porcelana tem a desvantagem de ser porosa (deixa entrar humidade) Os materiais orgânicos e os plásticos têm em relação aos minerais, a grande

vantagem de serem mais flexíveis no seu tratamento e utilização Os isolantes gasosos, como o ar, são baratos

MaterialResistividade

a 20ºC (Ω.mm2/m)

Rigidez dieléctrica aaaaaaaa

Temp. Máx. Utilização aaaaaaa

Propriedades Aplicações

Mica 100 - 200 500 - 600Suporta temperaturas e tensões muito

elevadasSuportes para resistências de aquecimento, isolante

das lâminas do colectro das máquinas eléctricas

Porcelana 35 ----Estável ao longo do tempo. Porosa.

Recoberta de esmalte torna-se impermeávelBase para terminais, isoladores para linhas

Vidro 10 - 40 200 - 250 Elevada resistência mecânicaTubos para lâmpadas flurescentes e incandescentes,

isoladores para linhas

Quartzo 20 - 30 ---- Suporta elevadas temperaturas Lâmpadas de vapor de mercúrio

Óleos 10 - 25 60 - 300Devem ser isentos de impurezas,

incombustíveisIsolantes para transformadores, disjuntores, etc

Amianto 3 200 - 250Resiste a temperaturas elevadas. Absorve a

humidadeIsolante de condutores, apoios para resistências

Borracha natural

20 - 30 ----Elástica. Resistente. Muito sensível à

oxidação e agentes exterioresIsolador de condutores, luvas, tapetes isoladores

Neopreno ---- 10 - 15 ----Borracha sintética. Grande resistência à

penetração de água e grande duraçãoIsolamento de condutores

Chartterton ---- ---- ---- Funde facilmente Enchimento de caixas para cabos subterrâneos

Algodão 5 - 10 ---- Muito flexível na sua formaFios e fitas para cobrir condutores e bobinas de

máquinas eléctricas

Papel impregnado

7 - 8 100 Barato. Higroscópico Isolante dos cabos subterrâneos

Polietileno 40 60 - 80Resistente à acção solar e aos ácidos.

Grande resistividadeSuporte de enrolamentos, caixas para rádio e

televisão, isolamento de condutores

Policloreto de vinilo

30 - 50 70 - 105Não é inflamável. Resiste às acções

químicasIsolamento de condutores. Fabrico de tubos

Poliestileno 55 80 - 90Resina sintética, facilmente moldável.

Bastante resistenteFabrico de placas e caixas de alto poder isolante,

difusores para aparelhagem de iluminação

Resina Époxi

20 - 45 80 - 120Pode ser facilmente moldada, produzindo

diversos aparelhos e peças. Boa resistência mecânica e isolante

Isolador de suporte e travessia, pára-raios, caixas para cabos

Resina fenólica

10 - 20 120Inalterável aos agentes exteriores. Grande

resistividadeFabricação de peças para aparelhagem eléctrica

ar 3 sem limite Isolante barato. Humidifica comfacilidadeComo isolante natural na extinção de arco eléctrico

em aparelhagem de protecção

Gasosos

Plásticos

Outros: hexaflureto de enxofre e azoto

Tabela 2 Materiais isolantes

Outros: fibrocimento, mármore, breu

Minerais

Outros: ebonite, verniz,cartão, madeira

Orgânicos



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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.

7. 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.

No entanto, se estes materiais não forem puros podemos transforma-los em condutores, para isso basta juntar-lhes impurezas à sua constituíção (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.

O silício é o mais utilizado porque é térmicamente mais estável do que o germânio, podendo ser utilizado a temperaturas na ordem dos 150ºC, permitindo reduzir a corrente inversa, reduzindo as perdas e simplificando os processos de refrigeração. 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.

8. 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.

Como se sabe, existe um conjunto de máquinas e recepotores, 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.

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).

O ferro macio é um ferro quase puro, com uma pequena percentagem de carbono. É utilizado no fabrico de fios, chapas, veios, parafusos, mas essencialmente no fabrico de núcleos e armaduras para electroímanes, visto que a sua permeabilidade atinge valores elevados.

O aço é uma liga de ferro e carbono em que a percentagem de carbono varia entre 0,3 e 1,5%. Obtêm-se diversos tipos de aços siliciosos ou ferros siliciosos, por junção de diversos



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materiais como o silício, o manganês, o crómio, o níquel e o tungsténio. O aço silicioso, com 2 a 5% de silício, é bastante utilizado no fabrico de chapas magnéticas para os circuitos das máquinas de corrente alternada, com o objectivo de reduzir as perdas magnéticas (perdas por histerese e por correntes de Foucault).

O ferro fundido ou coado é uma liga de ferro e carbono em que a percentagem deste é superior a 2,5%. A sua permeabilidade magnética é inferior à do ferro macio e à do aço. É, no entanto, muito utilizado no fabrico de carcaças e tampas para máquinas eléctricas, bem como caixas e outra aparelhagem das instalações eléctricas onde não seja importante o valor da permeabilidade e, antes, seja exigida uma elevada resistência mecânica à compressão.

O aço vazado contém menos carbono que o ferro fundido e tem maior permeabilidade. É utilizado nas carcaças de alguns motores.

O cobalto é o material mais tenaz que se conhece. Daí que seja utilizado em todas as situações em que os materiais sejam submetidos a grandes esforços. É utilizado no fabrico de aços e corantes (como o azul-cobalto).

O níquel, como não se altera quando é exposto ao ar, utiliza-se bastante no revestimento de outros metais, como protecção contra a corrosão.

A permeabilidade magnéticados materiais é geralmente referida em função da permeabilidade do ar. Assim, diz-se que um determinado material tem uma permeabilidade 100 vezes maior que a do ar, isto é, esse material tem uma permeabilidade relativa de 100. Deste modo, é mais fácil relacionar entre si as permeabilidades dos diferentes materiais.

Têm que se ter atenção ao facto de apesar de estes materiais não serem utilizados como condutores, eles apresentam uma resistividade eléctrica não muito elevada, conduzindo por isso a corrente com alguma facilidade.

9. Canalizações eléctricas

Uma instalação eléctrica é constituída pela canalização eléctrica e respectivos receptores eléctricos. As Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão definem canalização

Tabela 3

MaterialResistividade a 20ºC

(Ω.mm2/m)Densidade Permeabilidade Relativa

Ferro macio 0,1 a 0,15 7,85 70 a 1700

Ferro silicioso 0,28 a 0,48 7,78 70 a 4200

Ferro fundido 0,8 7,2 30 a 800

Cobalto 0,096 8,83 60

Níquel 0,085 8,9 50

Características dos materiais magnéticos



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eléctrica (261.6 - Canalização (826-06-01)) como “Conjunto constituído por um ou mais condutores eléctricos e pelos elementos que garantem a sua fixação e, em regra, a sua protecção mecânica.”

Portanto, da canalização eléctrica fazem parte diversos elementos, como os condutores ou os cabos, os tubos, os aparelhos de corte, de comando, de protecção e de ligação.

9.1. Condutores e cabos

9.1.1. Definições

As Regras Técnicas das Instalações Eléctricas de Baixa Tensão apresentam algumas definições sobre este tema, que passamos a apresentar:

Alma condutora de um condutor isolado ou de um cabo é o elemento destinado à condução da corrente eléctrica, 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.

Figura 3: Formas da alma condutora

Condutor nu é o condutor que não possui qualquer isolamento eléctrico contínuo. Condutor isolado é a alma condutora revestida de uma ou mais camadas de material

isolante que asseguram o seu isolamento eléctrico. 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.

O condutor nu é constituído apenas pela alma condutora. O condutor isolado tem um isolamento eléctrico em torno da alma condutora, com protecção eléctrica e mecânica. O cabo distingue-se do condutor porque, além do isolamento eléctrico, tem ainda uma bainha que envolve o isolamento eléctrico.

9.1.2. 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 factores condicionantes da escolha de um cabo para uma instalação eléctrica são:

Potência, tensão e intensidade nominais;



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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).

Como se pode concluir, estes factores vão exigir maior ou menor protecção nos cabos, bem como substâncias protectoras diferenciadas, conforme veremos mais à frente.

Os principais revestimentos protectores eléctricos, mecânicos ou químicos dos cabos são:

Isolamento – camada de material isolante que, envolvendo a alma condutora, assegura o seu isolamento eléctrico.

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 características eléctricas, como: equalização de potenciais eléctricos, redução de campos electroestáticos, redução das correntes de fuga, evitar interferências de campos electromagnéticos com outros cabos de energia ou telecomunicações.

Bainha – revestimento contínuo que, envolvendo completamente o condutor isolado ou o conjunto cableado de condutores isolados, contribui para a protecção dos cabos. Quando for metálica pode também desempenhar a função de blindagem.

Trança – revestimento constituído por fios entrançados, texteis ou metálicos. Armadura – revestimento metálico que tem como principal finalidade proteger o

cabo contra acções mecânicas exteriores, para além de funções de natureza eléctrica que possam desempenhar.

De referir que cada condutor ou cabo terá apenas um, alguns ou a totalidade destes revestimentos. O condutor mais simples será aquele que possui apenas o isolamento. Seguidamente, e em grau crescente de complexidade, teremos um cabo com isolamento e bainha exterior, podendo ou não ter material de enchimento entre os dois revestimentos. Depois viriam sucessivamente a blindagem, a trança e a armadura. De referir ainda que podemos ter cabos com duas bainhas, a bainha normal sobre o isolamento e ainda uma exterior sobre a primeira ou sobre a armadura. A figura 4 apresenta um cabo com vários revestimentos.

No quadro seguinte indicam-se os materiais mais utilizados no isolamento, bainha, blindagem e armadura.

Materiais mais utilizados no revestimento de condutores e cabos Isolamento Bainha Blindagem Armadura

Policloreto de vinilo (PVC)

Policloreto de vinilo (PVC)

Fita de alumínio Fitas de aço

Polietileno (PEX) Polietileno (PEX) Fita de cobre Fios de aço Borracha silicone Borracha Trança têxtil

Papel seco ou impregnado (em óleo)

Chumbo



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Figura 4: Cabo eléctrico com diversos revestimentos

9.1.3. Identificação dos condutores

As instalações eléctricas de corrente alternada podem ser monofásicas ou trifásicas. Logo para permitir maior eficiência na colocação ou reparação de uma instalação eléctrica, há necessidade de arranjar um processo de identifcar facilmente cada condutor.

A instalação monofásica é constituída por condutor de fase, condutor neutro e condutor de protecção; a instalação trifásica é constituída por três condutores de fase, condutor neutro e condutor de protecção.

As cores normalizadas do isolamento para identificação dos condutores são as seguintes:

Azul claro para o neutro Castanho, preto ou cinzento para a fase Verde e amarelo para o condutor de protecção (PE)

Figura 5: Cores normalizadas dos condutores



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Figura 6: Cores de identificação dos condutores e respectiva ordem sequencial

Nas instalações de corrente contínua (DC), as cores mais utilizadas são o vermelho, associado ao condutor positivo, e o preto, ao condutor negativo.

Figura 7: Cores normalizadas dos condutores em corrente contínua

9.1.4. Secções normalizadas das almas condutoras

Os materiais mais utilizados na constituição de almas condutoras são, o cobre e o alumínio.

O cobre utilizado é o cobre macio recozido que deve apresentar as seguintes características:

Resistividade igual a 0,0172 Ω. / a 20ºC; Deve estar limpo, sem oxidação, isento de produtos e defeitos nocivos à sua

finalidade.

O cobre quando isolado a borracha, deve ser estanhado para evitar a corrosão provocada pela borracha vulcanizada, devido à acção do enxofre nela existente.

O alumínio utilizado como alma condutora deve apresentar as seguintes características:

Resistividade igual a 0,0282 Ω. / a 20ºC; Elevado grau de pureza; Deve estar limpo e isento de produtos e defeitos nocivos à sua finalidade.

As almas dos condutores rígidos não têm obrigatoriamente um só fio. À medida que a secção vai aumentando, os cond utores deixam de ser unifilares e passam a multifilares. Quanto aos condutores flexiveis e extra-flexíveis, o número de fios por secção é obviamente maior que nos rígidos. O número de fios para cada um dos casos é definido por normas adequadas, para condutores de cobre e de alumínio.



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As secções normalizadas das almas condutoras são as seguintes:

Secções ( ) 0,5 4 25 95 240 630

0,75 6 35 120 300 800 1,5 10 50 150 400 1000 2,5 16 70 185 500

Segundo as R.T.I.E.B.T as secções dos condutores dos circuitos das instalações de locais de habitação devem ser determinadas em função das potências previsíveis, com os valores mínimos indicados no quadro seguinte:

A secção que se utiliza nos condutores para ligação de aparelhos móveis ou portáteis de baixa potência poderá ser de 0,75 mm2 ou mesmo de 0,5 mm2 no caso de condutores extraflexíveis (as pontas de prova dos multímetros utilizam condutores extraflexíveis).

Está tambem regulamentado que a fase, o neutro e o condutor de protecção tenham igual secção até aos 10 inclusive. A partir daí a secção da fase ou fases é maior que a do neutro e condutor de protecção, sendo os seus valores dados pelo quadro seguinte.

Secções ( ) Fase Neutro e PE Fase Neutro e PE

16 10 185 95 25 16 240 120 35 16 300 150 50 25 400 185 70 35 500 240 95 50 630 300

120 70 800 400 150 70 1000 500

Cada secção suporta uma dada intensidade máxima admissível ( á ) permanentemente, sem se verfificar a deterioração do condutor; a partir desse valor, o condutor aquece em demasia



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e vai-se deteriorando rapidamente. Este valor á vai depender também das condições em que o condutor ou cabo é instalado, nomeadamente do tipo de canalização e do número de condutores e cabos à sua volta

O quadro seguinte dá-nos os valores de á para diferentes secções e diferentes condições de instalação, condutores do tipo H05V e H07V e para cabos LVV e LSVV (Cabos de BT, em alumínio e revestido a PVC).

Figura 8: á para condutores do tipo H05V e H07V



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Figura 9: á para cabos LVV e LSVV

9.1.5. Nomenclatura dos condutores e cabos

Os condutores e cabos que se fabricam actualmente em Portugal obedecem fundamentalmente a duas normas portuguesas (NP) que são a NP – 2361 e a NP – 665.

A NP – 2361 é a norma que segue o documento de harmonização HD – 361 do CENELEC (Comité Europeu de Normalização Eléctrica), contemplando os condutores isolados e cabos referidos nas normas NP – 2356 e NP – 2357. Isto é, todos os condutores e cabos fabricados segundo a norma NP – 2361 estão de acordo com as normas definidas para todos os países da Comunidade Europeia. Na figura 10 são apresentados os símbolos que são utilizados para definir a designação CENELEC de um condutor ou cabo de baixa tensão.

A norma NP – 665 é a norma que regulamenta a construção dos condutores e cabos de baixa e média tensão que não estão harmonizados, isto é, não estão de acordo com o documento de harmonização CENELEC HD – 361. A norma NP – 665 é aquela que já era utilizada em Portugal antes de aparecer o documento de harmonização do CENELEC. Na figura 11 apresentam-se os símbolos que são utilizados para definir a designação simbólica dos condutores e cabos de média e baixa tensão não harmonizados.



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Figura 10: Designação simbólica de condutores e cabos isolados até 450/750 V, segundo o HD -361.

Na figura 10 é apresentado um exemplo da designação simbólica de um cabo: A 05 VV -U 5 G 2,5. O que é que isto significa?



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Consultando a figura conclui-se que é um cabo do tipo nacional reconhecido (letra A), com uma tensão de 300/500V (número 05), com isolamento de policloreto de vinilo (letra V), com bainha de policloreto de vinilo (letra V), com condutores rígidos maciços circulares (-U), constituído por 5 condutores de cobre de 2,5 , sendo um deles o condutor de protecção (letra G).

Figura 11 - Designação simbólica de condutores e cabos isolados, para tensões acima de 0,6/1 KV, segundo o NP - 665.



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Na figura 11 é apresentado um exemplo da designação simbólica de um cabo: LXHIOV 1x120 8,7/15 (17,5)kV. O que é que isto significa?

Consultando a figura conclui-se que é um cabo monocondutor de 120 de secção, em alumínio (letra L), isolado a polietileno reticulado (letra X), dotado de um ecrã (ou blindagem) individual (HI) constituído por condutores concêntricos de fios de cobre (letra O), e bainha externa em PVC (letra V). A tensão estipulada é de 8,7/15 (17,5)kV.

Na figura 12 são apresentadas algumas equivalências entre as novas designações e as antigas de alguns cabos harmonizados.

Figura 12 - Algumas equivalências entre a designação de condutores isolados e cabos de acordo com a antiga NP 3261 (HD 361) e a NP 665:1972

Para além dos cabos de energia utilizados na distribuição e transporte de energia, fabricam-se também cabos para outras funções, nomeadamente:

Cabos para telecomunicações (em cobre e em fibra óptica); Cabos de sinalização e telecomando; Cabos para utilizações especiais (aeroportos, ascensores, informática, etc).



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Anexo I

Cabos mais utilizados no transporte e distribuição de energias



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Anexo II

Cabos e condutores mais utilizados



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Bibliografia

“Tecnologias – Curso Tecnológico de Electrotecnia/Electrónica – 10º ano”

“Condutores e Cabos de Energia”, J. Neves dos Santos, Novembro 2005

“Condutores e cabos eléctricos”, Lucínio Preza de Araújo

“Condutores isolados e cabos”, António Batista, Outubro 2006

“Condutores e Cabos [Parte II]”, L. M. Vilela Pinto, Março 2003

“Eurocabos – Tabelas Técnicas de Condutores eléctricos”, Maio 2006

http://www.cabelte.pt/

http://www.cunhabarros.pt/

http://www.eurocabos.pt/

http://www.generalcablecelcat.com/

“O trabalho consegue banir estes três grandes males: aborrecimento, vício e pobreza” Voltaire

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