Materiais Elétricos - Lapa - aula 06 2018.ppsx

Curso Superior de Tecnologia em Instalações Elétricas

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

FA

TE

C

S

P

2018

MATERIAIS ELÉTRICOS

MATERIAIS ELÉTRICOS

Aula 06

2018

Aula 06

2018

As ligas metálicas resistivas são utilizadas com três finalidade básicas:

–

♦;

♦; ♦

Materiais de Elevada Resistividade

Materiais de Elevada Resistividade

A - Ligas metálicas resistivas

1-ligas metálicas resistivas para aquecimento :

Fundamentalmente aplicações em que é necessário transformar energia elétrica em energia térmica (Efeito Joule);

1-ligas metálicas resistivas para aquecimento :

Fundamentalmente aplicações em que é necessário transformar energia elétrica em energia térmica (Efeito Joule);

2-ligas metálicas resistivas para medição : Padrões de resistência, instrumentação industrial.

2-ligas metálicas resistivas para medição : Padrões de resistência,

instrumentação industrial.

3- ligas metálicas resistivas para regulação: Controlar o nível de corrente elétrica,limitação

3- ligas metálicas resistivas para regulação: Controlar o nível de

1- Ligas metálicas resistivas para aquecimento

• .

•

1- Ligas metálicas resistivas para aquecimento

• .

•

Estas ligas devem ter uma elevada estabilidade

térmica, resistência a corrosão e estabilidade

química na temperatura de trabalho

Estas ligas devem ter uma elevada estabilidade

térmica, resistência a corrosão e estabilidade

química na temperatura de trabalho

Cada liga desse tipo possui uma temperatura

máxima de serviço, que não pode ser

ultrapassada, referida ao ambiente de serviço,

geralmente em contato com o ar.

Cada liga desse tipo possui uma temperatura

máxima de serviço, que não pode ser

ultrapassada, referida ao ambiente de serviço,

geralmente em contato com o ar.

• Essas ligas possuem, muitas vezes, uma fina película de óxido, a qual protege o restante do metal

contra a ação do ambiente

.

• Essas ligas possuem, muitas vezes, uma fina película de óxido, a qual protege o restante do metal

contra a ação do ambiente.

Tal película, porém, poderá romper-se se houver frequentes aquecimentos e resfriamentos, ou seja, frequentes ligações e desligamentos da rede

elétrica, reduzindo assim a durabilidade do componente.

Tal película, porém, poderá romper-se se houver frequentes aquecimentos e resfriamentos, ou seja, frequentes ligações e desligamentos da rede

elétrica, reduzindo assim a durabilidade do componente.

• Resistores de alta dissipação; – • Resistências para aquecimento :

• Resistores de alta dissipação; – • Resistências para aquecimento :

Resistores de alta dissipação; – Resistências para aquecimento

Resistores de alta dissipação; – Resistências para aquecimento

• As ligas de níquel-cromo apresentam elevada

resistividade e baixo coeficiente de temperatura

(variação da resistência com a temperatura ),

resistência mecânica elevada a frio e a quente;

grande resistência à oxidação sob altas

temperaturas;

• Nichrome V (80% Ni + 20% Cr),

• Cromel (90% Ni + 10% Cr )

• Cromax (30% Ni + 20% Cr + 50% Fe)

• As ligas de níquel-cromo apresentam elevada

resistividade e baixo coeficiente de temperatura

(variação da resistência com a temperatura ),

resistência mecânica elevada a frio e a quente;

grande resistência à oxidação sob altas

temperaturas;

• Nichrome V

(80% Ni + 20% Cr),

• Cromel

(90% Ni + 10% Cr )

• Cromax (30% Ni + 20% Cr + 50% Fe)

• Ligas de Níquel-Cromo • Aplicações :

• Resistências para aquecimento

• fornos em siderúrgicas,

• fornos em geral,

• ferros de soldar e passar,

• estufas, fogões elétricos, eletrodomésticos, etc

• Reostatos e termopares.

• Ligas de Níquel-Cromo • Aplicações :

• Resistências para aquecimento

• fornos em siderúrgicas,

• fornos em geral,

• ferros de soldar e passar,

• estufas, fogões elétricos, eletrodomésticos, etc

• Reostatos e termopares.

• As ligas de ferro-níquel, de custo muito menor

que as de níquel-cromo, apresentam menor

resistividade que essas e menor resistência à

corrosão, por exemplo Nilvar ou Invar

• As ligas de ferro-níquel, de custo muito menor

que as de níquel-cromo, apresentam menor

resistividade que essas e menor resistência à

corrosão, por exemplo Nilvar ou Invar

Fio de Invar ou Nilvar ( Fe –Ni )Fio de Invar ou Nilvar ( Fe –Ni ) Ligas de Ferro-Níquel Ligas de Ferro-Níquel

• Composição: Cr (40 a 80%) + Fe + Al + Co;

• Característica principal: – Ótimas ligas para

utilização em aquecimento elétrico em geral;

• Aplicações: – Fornos industriais, ferros de

solda, chuveiros, etc.

• Composição: Cr (40 a 80%) + Fe + Al + Co;

• Característica principal: – Ótimas ligas para

utilização em aquecimento elétrico em geral;

• Aplicações: – Fornos industriais, ferros de

solda, chuveiros, etc.

Ligas de Cromo-Ferro

Ligas de Cromo-Ferro

2- Ligas metálicas resistivas para medição :

• Resistores para instrumentos de precisão

admitem um coeficiente de temperatura

máximo de 2,5x10

/

C, ou seja, termicamente

estáveis e uma resistência praticamente

constante.

• Ao longo do tempo, pode ocorrer um processo

de “envelhecimento” com variação do valor da

resistência elétrica. Por essa razão é comum

aplicar-se um processo de pré envelhecimento

artificial, para estabilizar o material, através de

um tratamento térmico controlado, que elimina

tensões internas, estabiliza os cristais.

2- Ligas metálicas resistivas para medição

:

• Resistores para instrumentos de precisão

admitem um coeficiente de temperatura

máximo de 2,5x10

/

C, ou seja,

termicamente

estáveis e uma resistência praticamente

constante.

• Ao longo do tempo, pode ocorrer um processo

de “envelhecimento” com variação do valor da

resistência elétrica. Por essa razão é comum

aplicar-se um processo de

pré envelhecimento

artificial, para

estabilizar o material

, através de

um tratamento térmico controlado, que elimina

tensões internas, estabiliza os cristais.

• Ligas metálicas resistivas para Instrumentação Eletrônica :

• Manganina (86% Cu + 12% Mn + 2% Ni),

• Isabelina (84% Cu + 13% Mn + 3% Al),

• Novo Konstaton (82,5% Cu + 12% Mn + 4% Al + 1,5% Fe); • Características principais: – Elevada estabilidade térmica

(indicada até 400°C); – Baixa variação da resistividade com a temperatura;

• Aplicações: – Fabricação de resistores de precisão para instrumentos de medição

As ligas Níquel-Cobre têm menor resistividade que as de níquel-cromo e resistem pior às altas temperaturas, mas têm um coeficiente de variação da resistência com a temperatura praticamente nulo às temperaturas normais, o que é importante para a construção de aparelhos de medida de precisão.

As ligas Níquel-Cobre têm menor resistividade que as de níquel-cromo e resistem pior às altas temperaturas, mas têm um coeficiente de variação da resistência com a temperatura praticamente nulo às temperaturas normais, o que é importante para a construção de aparelhos de medida de precisão.

• Ligas de Niquel-Cobre

Constantan (40% Ni + 60% Cu),

Prata alemã (18% Ni + 64% Cu + 18% Zn) Cuprothal (44% Ni + 55% Cu + 1% Mn);

Características principais: – Termoestáveis; – Boa condutividade e resistência mecânica;

Aplicações: – Termopares;

– Resistências de precisão;

– Resistências para reostatos em máquinas de precisão. • Ligas de Niquel-Cobre Constantan (40% Ni + 60% Cu), Prata alemã (18% Ni + 64% Cu + 18% Zn) Cuprothal (44% Ni + 55% Cu + 1% Mn);

Características principais: – Termoestáveis; – Boa condutividade e resistência mecânica;

Aplicações: – Termopares;

– Resistências de precisão;

– Resistências para reostatos em máquinas de precisão.

• Os tipos usados para resistências padrão são

muito diversos dos empregados para reostatos

de partidas de motores, ou para regulação de

aparelhos.

• Os tipos usados para resistências padrão são

muito diversos dos empregados para reostatos

de partidas de motores, ou para regulação de

aparelhos.

• 3-Ligas metálicas resistivas para regulação:

• Nesse caso a faixa de temperatura se limita a 200 oC.

As ligas ternárias de ferro, níquel e cromo são as

que melhor satisfazem às condições :

• resistividade elevada,

• pequena variação da resistividade com a

temperatura,

• grande resistência química aos agentes oxidantes,

• funcionamento prolongado a alta temperatura,

sem deformação excessiva.

A presença de cromo melhora a resistência às

ações químicas da liga e confere-lhe melhores

características mecânicas.

• 3-Ligas metálicas resistivas para regulação:

• Nesse caso a faixa de temperatura se limita a 200 oC.

As ligas ternárias de ferro, níquel e cromo são as

que melhor satisfazem às condições :

• resistividade elevada,

• pequena variação da resistividade com a

temperatura,

• grande resistência química aos agentes oxidantes,

• funcionamento prolongado a alta temperatura,

sem deformação excessiva.

A presença de cromo melhora a resistência às

ações químicas da liga e confere-lhe melhores

características mecânicas.

• Aplicações:

• Potenciômetros de fio :potenciômetros de potência para controle de correntes;

• Resistências de aparelhos de precisão;

• Aplicações

:

• Potenciômetros de fio :potenciômetros de potência para controle de correntes;

• Reostatos para partida e controle

de velocidade de motores;

• Reostatos de campo para máquinas

elétricas (motores e geradores CC);

• Reostatos para carga de bateria

• Reostatos para partida e controle

de velocidade de motores;

• Reostatos de campo para máquinas

elétricas (motores e geradores CC);

• Reostatos para carga de bateria

• As ligas habitualmente empregadas são as seguintes:

• _{∗ Liga A: 12Ni + 12Cr + 76Fe. Aplicada em resistências}

de aquecimento a temperatura moderada e reostatos de partida de motores.

• _{∗ Liga B: 36Ni + 11Cr + 53Fe. Aplicada em resistências}

de aquecimento a temperatura moderada. Aquecimento doméstico. Reostatos de motores de tração.

• _{∗ Liga C: 48Ni + 22Cr + 30Fe. Aplicada na fabricação de}

radiadores, fornos de tratamento a altas temperaturas e em aparelhos de medida.

• _{∗ Liga D: 60Ni + 15Cr + 25Fe. Aplicações análogas às da}

anterior.

• As ligas habitualmente empregadas são as seguintes: • _{∗ Liga A: 12Ni + 12Cr + 76Fe. Aplicada em resistências}

de aquecimento a temperatura moderada e reostatos de partida de motores.

• _{∗ Liga B: 36Ni + 11Cr + 53Fe. Aplicada em resistências} de aquecimento a temperatura moderada. Aquecimento doméstico. Reostatos de motores de tração.

• _{∗ Liga C: 48Ni + 22Cr + 30Fe. Aplicada na fabricação de} radiadores, fornos de tratamento a altas temperaturas e em aparelhos de medida.

• _{∗ Liga D: 60Ni + 15Cr + 25Fe. Aplicações análogas às da}

anterior.

Existem algumas ligas ternárias que habitualmente se empregam em aplicações, de aquecimento bem como de regulação: fabricação de reostatos, resistências de aquecimento para fornos, aquecedores e aparelhos de laboratório, etc.

Existem algumas ligas ternárias que habitualmente se empregam em aplicações, de aquecimento bem como de regulação: fabricação de reostatos, resistências de aquecimento para fornos, aquecedores e aparelhos de laboratório, etc.

• Os fios para resistências elétricas são

normalmente revestidos de uma película

impermeável e isolante de óxido, a qual permite

bobinar resistências com as espiras encostadas,

desde que a diferença de potencial entre os

pontos vizinhos não exceda valores em torno de

2V.

• Os fios para resistências elétricas são

normalmente revestidos de uma película

impermeável e isolante de óxido, a qual permite

bobinar resistências com as espiras encostadas,

desde que a diferença de potencial entre os

pontos vizinhos não exceda valores em torno de

2V.

• Isto permite fabricar reostatos de variação

conhecida como variação contínua, com um

contato deslizante.

• Estes reostatos suportam geralmente

temperaturas da ordem dos 600

_.C.

• Isto permite fabricar reostatos de variação

conhecida como variação contínua, com um

contato deslizante.

• Estes reostatos suportam geralmente

temperaturas da ordem dos 600

_.C.

• Ligas Fusíveis : Para construção de dispositivos fusíveis são necessários materiais que fundam entre 60oC e

200oC.

Os dispositivos fusíveis são empregados na proteção de circuitos elétricos, tendo como constituintes principais:, chumbo (Pb) e estanho(Sn).

• Podendo haver adição de bismuto(Bi) e/ou cádmio (Cd). • Ligas especiais para fusão abaixo de 60oC, utilizam

mercúrio (Hg).

• Ligas Fusíveis : Para construção de dispositivos fusíveis

são necessários materiais que fundam entre 60oC e

200oC.

Os dispositivos fusíveis são empregados na proteção de circuitos elétricos, tendo como constituintes principais:, chumbo (Pb) e estanho(Sn).

• Podendo haver adição de bismuto(Bi) e/ou cádmio (Cd). • Ligas especiais para fusão abaixo de 60oC, utilizam

mercúrio (Hg).

• Fusíveis ou dispositivos fusíveis.

• Dispositivos de proteção constituídos de um fio ou de uma lâmina de um metal ou liga metálica de

baixo ponto de fusão que se intercala em um ponto

de uma instalação elétrica, para que funda, por efeito Joule, quando a intensidade de corrente elétrica superar um determinado valor, devido a um curto-circuito ou sobrecarga.

Condições que poderiam danificar os condutores, com o risco de incêndio ou destruição de outros elementos do circuito e equipamentos.

• Fusíveis ou dispositivos fusíveis.

• Dispositivos de proteção constituídos de um fio ou de uma lâmina de um metal ou liga metálica de

baixo ponto de fusão que se intercala em um ponto de uma instalação elétrica, para que funda, por efeito Joule, quando a intensidade de corrente elétrica superar um determinado valor, devido a um curto-circuito ou sobrecarga.

Condições que poderiam danificar os condutores, com o risco de incêndio ou destruição de outros elementos do circuito e equipamentos.

Ponto de Fusão Bi _{Pb Sn Cd Hg ºC} 20 20 --- --- 60 20 50 27 13 10 --- 72 52 40 --- 8 --- 92 53 32 15 --- --- 96 54 26 --- 20 --- 103 29 43 28 --- --- 132 --- 32 50 18 --- 145 50 50 --- --- --- 160 15 41 44 --- --- 164 33 --- 67 --- --- 166 Composição (%) Composição (%)

A Tabela abaixo, apresenta algumas composições típicas.

(Em certos fusíveis especiais são utilizados outros metais, como a prata) A Tabela abaixo, apresenta algumas composições típicas.

• Quando um condutor é aquecido por uma corrente elétrica e

atinge uma temperatura estável, a energia transformada em calor por efeito Joule (I2R) é igual ao calor que deixa a superfície do

condutor por convecção e radiação, e que leva a fusão do material.

• A corrente necessária para fundir um fio de um determinado metal é calculada pela fórmula de Preece:

I f = a.d3/2

onde :

• If é a corrente de fusão do fio ( A)

• d é o diâmetro da liga fusível (mm)

• a é o coeficiente de Preece , que depende do material

• Quando um condutor é aquecido por uma corrente elétrica e

atinge uma temperatura estável, a energia transformada em calor por efeito Joule (I2R) é igual ao calor que deixa a superfície do

condutor por convecção e radiação, e que leva a fusão do material.

• A corrente necessária para fundir um fio de um determinado metal é calculada pela fórmula de Preece:

I f = a.d3/2

onde :

• If é a corrente de fusão do fio ( A)

• d é o diâmetro da liga fusível (mm)

• a é o coeficiente de Preece , que depende do material

Material Diâmetro do fio (em polegadas) Diâmetro do fio ( em milímetros ) Cobre 10244 80,0 Alumínio 7585 59, 3 Liga cobre-níquel (60:40) 5680 44, 4 Prata 5230 40, 9 Platina 5172 40, 4 Ferro 3148 24, 6 Estanho 1642 12, 8 Chumbo 1379 10, 8 Liga chumbo-estanho (2:1) 1318 10, 3

O corpo da Tabela indica os valores do Coeficiente de Preece (a), para alguns materiais.

O corpo da Tabela indica os valores do Coeficiente de Preece (a), para alguns materiais.

• Cálculo da corrente necessária para se fundir um fio de determinado material condutor :

Ex : Fio de cobre de seção 4 mm2 _:

• A =

• Cálculo da corrente necessária para se fundir um fio de determinado material condutor :

Ex : Fio de cobre de seção 4 mm2 _:

• A = pd

_{/ 4}

I

= a.d

Para o cobre, o coeficiente de Preece é : a = 80 Assim, a corrente de fusão vale I_f = 80.(2,26)3/2 _{, o}

que resulta I_f = 272 A

Repetindo o cálculo , considerando o mesmo fio, porém construído com estanho , com coeficiente de Preece, a = 12,8 resulta I_f = 42,5 A

Para o cobre, o coeficiente de Preece é : a = 80 Assim, a corrente de fusão vale I_f = 80.(2,26)3/2 _{, o}

que resulta I_f = 272 A

Repetindo o cálculo , considerando o mesmo fio, porém construído com estanho , com coeficiente de Preece, a = 12,8 resulta I_f = 42,5 A

• :

• Uma dada intensidade de corrente permanecendo um determinado tempo, provocará, através do Efeito Joule a fusão do fio do fusível e, assim, o circuito elétrico abre ( interrompendo a passagem de corrente ) logo que se extinga o arco elétrico resultante.

• :

• Uma dada intensidade de corrente permanecendo um determinado tempo, provocará, através do Efeito Joule a fusão do fio do fusível e, assim, o circuito elétrico abre ( interrompendo a passagem de corrente ) logo que se extinga o arco elétrico resultante.

Ação fusível Ação fusível

• Tipos de fusíveis mais usuais em proteção elétrica:

Montagem Fusíveis DIAZED e base

Fusíveis ultra-rápidos SILIZED

Fusíveis NEOZED

Fusíveis tipo NH : NH são as iniciais de

'Niederspannungs Hochleistungs , o que significa :

Fusíveis tipo NH : NH são as iniciais de

'Niederspannungs Hochleistungs , o que significa :

Baixa Tensão e Alta Capacidade de Interrupção

Baixa Tensão e Alta Capacidade de Interrupção

Fusíveis NHFusíveis NH

Fusíveis ultra-rápidos SITOR

Tipos de fusíveis mais usuais em proteção elétrica:

Barramento de uma instalação elétrica, com proteção por fusíveis NH ( sistema trifásico)

fusíveis com invólucro de vidro

Tipos de fusíveis mais usuais em proteção elétrica: Fusíveis com invólucro de vidro para equipamentos eletrônicos

Tipos de fusíveis mais usuais em proteção elétrica:

fusível

Chave fusível

Chave com fusíveis de alta tensão para rede de distribuição primária 13,8kV

Suporte isolador

Chave fusível

Tipos de fusíveis mais usuais em proteção elétrica: Fusíveis Especiais :

Termofusíveis ( ligas com baixo ponto de fusão)

Termo-fusível

Fusíveis de ação ultra rápida para circuitos

eletrônicos

Termo-fusível

Devido a sua baixa confiabilidade, NÃO são mais utilizados os fusíveis tipo “rolha “ e tipo “cartucho”

Devido a sua baixa confiabilidade, NÃO são mais utilizados os fusíveis tipo “rolha “ e tipo “cartucho”

• Podem ser classificadas em grafites e carbonos amorfos.

• Enquanto que a grafite existe em estado natural, os

carbonos amorfos provêm principalmente da pirogenização (queima) de matérias orgânicas contendo carbono.

grafite carbonos amorfos, carvão

As variedades de grafite cristalizam no

sistema hexagonal

• Função de suas propriedades, a grafite é muito mais densa, melhor condutora de eletricidade, e menos sensível aos agentes químicos quando comparadas aos carbonos amorfos.

• A palavra carvão serve para designar os carbonos amorfos aglomerados e que não constituem,

portanto, grafite natural ou artificial

• Função de suas propriedades, a grafite é muito mais densa, melhor condutora de eletricidade, e menos sensível aos agentes químicos quando comparadas aos carbonos amorfos.

• A palavra carvão serve para designar os carbonos amorfos aglomerados e que não constituem,

portanto, grafite natural ou artificial

RESISTIVIDADE µΩ⋅cm DENSIDADE -Carbono amorfo 3200 a 6500 1 ,98 - 2, 10 Carvão eletrografítico 800 a 1200 2 ,20 - 2, 24 Grafite natural 50 a 400 2 , 25

Nota : Se submetermos o carvão amorfo a temperaturas acima 2200 o_{C, produz-se uma modificação cristalina e uma}

purificação.

Daí uma evolução das propriedades do carvão no sentido das do grafite: aumento de densidade, de condutibilidade elétrica e térmica e do seu caráter refratário.

Ao produto assim obtido dá-se o nome de carvão

eletrografítico

Nota : Se submetermos o carvão amorfo a temperaturas acima 2200 o_{C, produz-se uma modificação cristalina e uma}

purificação.

Daí uma evolução das propriedades do carvão no sentido das do grafite: aumento de densidade, de condutibilidade elétrica e térmica e do seu caráter refratário.

Ao produto assim obtido dá-se o nome de carvão

eletrografítico

• Coeficiente de Variação da resistividade com a

temperatura ( Termorresistividade ) (α):

• Enquanto que o cristal de grafite apresenta,

tal como os metais, um coeficiente de

variação positivo (α > 0), no carvão amorfo ou

no grafítico dá-se o contrário, coeficiente de

variação negativo (α< 0).

• O respectivo valor de α, depende do tipo de

carvão, mas está normalmente compreendido

entre: -1.10

C

e + 5.10

C

• Coeficiente de Variação da resistividade com a

temperatura ( Termorresistividade ) (α):

• Enquanto que o cristal de grafite apresenta,

tal como os metais, um coeficiente de

variação positivo (α > 0), no carvão amorfo ou

no grafítico dá-se o contrário, coeficiente de

variação negativo (α< 0).

• O respectivo valor de α, depende do tipo de

carvão, mas está normalmente compreendido

entre: -1.10

C

e + 5.10

C

• São variadas as aplicações do carvão em eletrotécnica:

• elementos de resistências, • resistências fixas elevadas,

• eletrodos para fornos de arco, • carvões para soldagem,

• São variadas as aplicações do carvão em eletrotécnica:

• elementos de resistências, • resistências fixas elevadas,

• eletrodos para fornos de arco, • carvões para soldagem,

• Elementos de resistência:

• As qualidades refratárias do carvão e a sua perfeita resistência ao choque térmico, aliados a um grande poder irradiante, tornam este material muito conveniente para a 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. .

• Elementos de resistência:

• As qualidades refratárias do carvão e a sua perfeita resistência ao choque térmico, aliados a um grande poder irradiante, tornam este material muito conveniente para a 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. .

• Resistências fixas elevadas:

• Para a obtenção de resistividades mais elevadas que as do carbono (3000 Ω mm2/m), podem ser empregados

aglomerados de carbono com uma base isolante mineral ( alumina Al2O3) e um ligante orgânico que

constituirão elementos de resistência elevada com bom poder de dissipação e um coeficiente de variação da resistividade com a temperatura negativo (α< 0) .

• Resistências fixas elevadas:

• Para a obtenção de resistividades mais elevadas que as do carbono (3000 Ω mm2/m), podem ser empregados

aglomerados de carbono com uma base isolante mineral ( alumina Al2O3) e um ligante orgânico que

constituirão elementos de resistência elevada com bom poder de dissipação e um coeficiente de variação da resistividade com a temperatura negativo (α< 0) .

• Eletrodos para fornos de arco

:

• O eletrodo para forno elétrico constitui a forma

em que maiores quantidades de carvão se

consomem

em

eletrotécnica,

podendo

considerar-se dois grupos fundamentais: os de

carvão amorfo e os de carvão eletrografítico,

sendo muito raro o emprego da grafite natural.

• Eletrodos para fornos de arco

:

• O eletrodo para forno elétrico constitui a forma

em que maiores quantidades de carvão se

consomem

em

eletrotécnica,

podendo

considerar-se dois grupos fundamentais: os de

carvão amorfo e os de carvão eletrografítico,

sendo muito raro o emprego da grafite natural.

Comparativamente com os de carvão amorfo, os eletrodos de carvão eletrografítico apresentam o seguinte conjunto de vantagens:

A-têm maior condutibilidade, o que reduz as perdas por efeito Joule e permite maiores densidades de corrente;

B-têm menor suscetibilidade às ações químicas, queimando-se e desagregando-se menos;

Comparativamente com os de carvão amorfo, os eletrodos de carvão eletrografítico apresentam o seguinte conjunto de vantagens:

A-têm maior condutibilidade, o que reduz as perdas por efeito Joule e permite maiores densidades de corrente;

B-têm menor suscetibilidade às ações químicas, queimando-se e desagregando-se menos;

• Um material supercondutor é um material que pode conduzir eletricidade sem resistência elétrica a temperaturas ligeiramente acima do zero absoluto. 0K ( 0 K, Kelvin ou -273o_C)

Este fenômeno têm sido estudado desde 1911, quando foi descoberto pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes .

• Um material supercondutor é um material que pode conduzir eletricidade sem resistência elétrica a temperaturas ligeiramente acima do zero absoluto. 0K

( 0 K, Kelvin ou -273o_C)

Este fenômeno têm sido estudado desde 1911, quando foi descoberto pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes .

7-Materiais Supercondutores7-Materiais Supercondutores

• Onnes verificou que certos tipos de substâncias

quando em temperaturas muito baixas, muito

próximas

do

zero

absoluto

(-273oC),

apresentavam resistência elétrica quase nula,

ou seja, os elétrons livres que formam corrente

elétrica podiam transitar livremente na rede

cristalina.

• Esse fenômeno, observado por Onnes, ficou

conhecido como supercondutividade

• Onnes verificou que certos tipos de substâncias

quando em temperaturas muito baixas, muito

próximas

do

zero

absoluto

(-273oC),

apresentavam resistência elétrica quase nula,

ou seja, os elétrons livres que formam corrente

elétrica podiam transitar livremente na rede

cristalina.

• Esse fenômeno, observado por Onnes, ficou

conhecido como

supercondutividade

• A passagem da condutividade elétrica normal para supercondutividade ocorre abruptamente em uma temperatura de transição chamada temperatura crítica , T_c

• No mercúrio esse fenômeno ocorre à temperatura de 4K, já o chumbo à temperatura de 7K.

• A passagem da condutividade elétrica normal para supercondutividade ocorre abruptamente em uma temperatura de transição chamada temperatura crítica , T_c

• No mercúrio esse fenômeno ocorre à temperatura de 4K, já o chumbo à temperatura de 7K.

resistividade

temperatura

Tc

Supercondutividade condutividade normal

Resistividade

Temperatura (K) Temperatura Crítica (K)

• Além de conduzirem eletricidade sem perdas,

supercondutores também transportam

quantidades muito grandes de corrente em

condutores de pequena seção transversal,

dada a excepcional condutividade, sob

baixíssimas temperaturas.

• Além de conduzirem eletricidade

sem perdas

,

supercondutores também transportam

quantidades muito grandes de corrente em

condutores de pequena seção transversal,

dada a excepcional condutividade, sob

• 1986 os cientistas alemães K.A. Muller e J.G. Bednorz

tiveram grande surpresa, com a descoberta de um novo material:

uma cerâmica cuja composição (La-Ba-CuO) tinha o óxido de cobre, misturados com lantânio ou ítrio e cuja temperatura de transição era 125K.

• Esse fato causou surpresa por que as cerâmicas de uma forma geral, não são bons condutores de eletricidade !!!

• 1986 os cientistas alemães K.A. Muller e J.G. Bednorz

tiveram grande surpresa, com a descoberta de um novo material:

uma cerâmica cuja composição (La-Ba-CuO) tinha o óxido de cobre, misturados com lantânio ou ítrio e cuja temperatura de transição era 125K.

• Esse fato causou surpresa por que as cerâmicas de uma forma geral, não são bons condutores de eletricidade !!!

K.A. Muller J.G. Bednorz

• 1988 Supercondutividade a 110K (-163oC) no sistema

Bi-Ca-Sr-CuO.

1988 Supercondutividade a 125K (-148oC) com o composto de

TiCa-Ba-Cu-O.

• 1993 Descoberta a supercondutividade num composto de Hg-Ba-Ca-Cu-O, com Tc ≈ 135K (-138oC) .

• 1997 Não há aceitação pela comunidade científica de uma única teoria que explique o fenômeno da supercondutividade em altas temperaturas.

• Mas a busca da supercondutividade a temperaturas ainda maiores continua.

• 1988 Supercondutividade a 110K (-163oC) no sistema

Bi-Ca-Sr-CuO.

1988 Supercondutividade a 125K (-148oC) com o composto de

TiCa-Ba-Cu-O.

• 1993 Descoberta a supercondutividade num composto de

Hg-Ba-Ca-Cu-O, com Tc ≈ 135K (-138oC) .

• 1997 Não há aceitação pela comunidade científica de uma única

teoria que explique o fenômeno da supercondutividade em altas temperaturas.

• Mas a busca da supercondutividade a temperaturas ainda maiores continua.

• As cerâmicas apresentam vantagens, pois possuem temperatura de transição superior à temperatura de fusão do nitrogênio (78K). Já o nitrogênio é um

elemento químico que é muito abundante na natureza e que pode, com certa facilidade, ser liquefeito.

• As cerâmicas apresentam vantagens, pois possuem temperatura de transição superior à temperatura de fusão do nitrogênio (78K). Já o nitrogênio é um

elemento químico que é muito abundante na natureza e que pode, com certa facilidade, ser liquefeito.

• Através do processo de liquefação do nitrogênio é possível manter a cerâmica no estado de

supercondutor com baixo custo e com equipamentos mais acessíveis.

• Através do processo de liquefação do nitrogênio é possível manter a cerâmica no estado de

supercondutor com baixo custo e com equipamentos mais acessíveis.

Material

Tc (Kelvin)

Tipo 1 - Supercondutores Metálicos W Al Sn 0.015 1.18 3.72 Tipo 2 – Supercondutores Metálicos/Intermetálicos

Nb Nb₃Sn GaV₃ 9.25 18.05 16.80 Tipo 3 - Supercondutores Cerâmicos

(La,Sr)₂CuO₄ YBa₂Cu₃O₇-x TlBa₂Ca₃Cu₄O₁₁ 40 93 122

As temperaturas críticas Tc de alguns supercondutores selecionados

Para que estes materiais superconduzam, eles

extremamente baixas.

• O hélio líquido, com um ponto de fusão de 4 Kelvin (-269 ºC) é usado para refrigerar vários materiais

supercondutores.

• O nitrogênio líquido, com um ponto de fusão de 77 Kelvin (-196 ºC), pode ser utilizado para alguns

supercondutores cerâmicos.

extremamente baixas.

• O hélio líquido, com um ponto de fusão de 4 Kelvin (-269 ºC) é usado para refrigerar vários materiais

supercondutores.

• O nitrogênio líquido, com um ponto de fusão de 77 Kelvin (-196 ºC), pode ser utilizado para alguns

• Supercondutores de alta temperatura para

cabos de transmissão de energia:

Podem oferecer benefícios significativos na transmissão de potência sem perdas, aumentando a capacidade de transmissão e substituindo os óleos e fluidos isolantes (dielétricos) utilizados atualmente nos cabos de cobre pelo ecologicamente aceito

nitrogênio líquido

• Supercondutores de alta temperatura para

cabos de transmissão de energia:

Podem oferecer benefícios significativos na transmissão de potência sem perdas, aumentando a capacidade de transmissão e substituindo os óleos e fluidos isolantes (dielétricos) utilizados atualmente nos cabos de cobre pelo ecologicamente aceito

Supercondutores de alta temperatura para cabos de transmissão de energia:

• Supercondutores de alta temperatura para

transformadores de potência:

• A fiação com supercondutores possibilitará a

redução no tamanho e no peso dos

transformadores pela metade, além de

reduzirem as perdas também à metade.

• Supercondutores de alta temperatura para

transformadores de potência:

• A fiação com supercondutores possibilitará a

redução no tamanho e no peso dos

transformadores pela metade, além de

reduzirem as perdas também à metade.

• O óleo ou fluido isolante (dielétrico) utilizado

para refrigerar transformadores convencionais

seria substituído por nitrogênio líquido,

eliminando ainda riscos de incêndio e outros

problemas existentes atualmente.

• O óleo ou fluido isolante (dielétrico) utilizado

para refrigerar transformadores convencionais

seria substituído por nitrogênio líquido,

eliminando ainda riscos de incêndio e outros

problemas existentes atualmente.

• Efeito Meissner ( ou Efeito Meissner-Ochsenfeld) • Já foi observado que o campo magnético no interior

de um supercondutor é constante.

• Os físicos W. H. Meissner e Robert Ochsenfeld mostraram que o campo magnético no

supercondutor não se limita a ser apenas constante, ele é na verdade nulo. B=0

• Efeito Meissner ( ou Efeito Meissner-Ochsenfeld)

• Já foi observado que o campo magnético no interior de um supercondutor é constante.

• Os físicos W. H. Meissner e Robert Ochsenfeld mostraram que o campo magnético no

supercondutor não se limita a ser apenas constante, ele é na verdade nulo. B=0

Robert Ochsenfeld Walther Meissner

• Assim, se um material supercondutor, inicialmente a uma temperatura superior a Tc, ou seja, em um estado

em que ele não pode ser considerado supercondutor, é submetido a um campo magnético B e em seguida é resfriado a uma temperatura inferior a Tc , ele “expele”

todo o campo magnético do seu interior.

• Assim, se um material supercondutor, inicialmente a uma temperatura superior a Tc, ou seja, em um estado

em que ele não pode ser considerado supercondutor, é submetido a um campo magnético B e em seguida é resfriado a uma temperatura inferior a Tc , ele “expele”

• A demonstração clássica do efeito Meissner consiste em fazer um ímã permanente flutuar sobre a superfície de um supercondutor.

• As linhas do campo magnético são impedidas de penetrarem no supercondutor e tomam uma forma semelhante a que teriam se houvesse outro ímã idêntico dentro do material supercondutor (ímã "imagem").

• Dessa forma, o ímã sofre uma repulsão que compensa seu peso ( gravidade ) e "levita" sobre o supercondutor.

• A demonstração clássica do efeito Meissner consiste em fazer

um ímã permanente flutuar sobre a superfície de um supercondutor.

• As linhas do campo magnético são impedidas de penetrarem no supercondutor e tomam uma forma semelhante a que teriam se houvesse outro ímã idêntico dentro do material supercondutor (ímã "imagem").

• Dessa forma, o ímã sofre uma repulsão que compensa seu peso ( gravidade ) e "levita" sobre o supercondutor.

o ímã sofre uma repulsão que compensa seu peso ( gravidade ) e "levita" sobre o supercondutor.

• Exercício : Fazer uma breve pesquisa sobre

outras aplicações de materiais

supercondutores

• Exercício : Fazer uma breve pesquisa sobre

outras aplicações de materiais

• Leitura Complementar :

• EFEITO MEISSNER e LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

• Leitura Complementar :

• Como a resistência R de um supercondutor é nula, o campo elétrico no seu interior também deve ser nulo. A ausência de resistência elétrica permitirá que as

correntes sejam infinitas. Lei de Ohm : E = Ri

sendo i = E/R , se R0, i infinito

• Sendo assim, o campo magnético no interior de um supercondutor não pode variar, precisa ser constante, já que pela Lei de Faraday, qualquer variação no

campo magnético produz um campo elétrico. E = df /dt

• Como a resistência R de um supercondutor é nula, o campo elétrico no seu interior também deve ser nulo. A ausência de resistência elétrica permitirá que as

correntes sejam infinitas. Lei de Ohm : E = Ri

sendo i = E/R , se R0, i infinito

• Sendo assim, o campo magnético no interior de um supercondutor não pode variar, precisa ser constante, já que pela Lei de Faraday, qualquer variação no

campo magnético produz um campo elétrico. E = df /dt

• Suponhamos que um supercondutor seja

colocado em uma região na qual inicialmente

o campo magnético seja nulo.

• Depois, aproximamos desse supercondutor

um ímã. Como o campo magnético dentro do

supercondutor é inicialmente nulo e não pode

mudar ( constante), ele deve continuar nulo.

• Suponhamos que um supercondutor seja

colocado em uma região na qual inicialmente

o campo magnético seja nulo.

• Depois, aproximamos desse supercondutor

um ímã. Como o campo magnético dentro do

supercondutor é inicialmente nulo e não pode

mudar ( constante), ele deve continuar nulo.

• Assim, ao aproximarmos um imã de um material supercondutor, de acordo com a Lei de Faraday, a aproximação do ímã induz correntes no supercondutor, as quais induzem um campo magnético oposto ao do ímã, produzindo uma repulsão.

• Como se trata de material supercondutor, a corrente persiste e o ímã permanece em “levitação” .

• Assim, ao aproximarmos um imã de um material supercondutor, de acordo com a Lei de Faraday, a aproximação do ímã induz correntes no supercondutor, as quais induzem um campo magnético oposto ao do ímã, produzindo uma repulsão.

• Como se trata de material supercondutor, a corrente persiste e o ímã permanece em “levitação” .

Curso Superior de Tecnologia em Instalações Elétricas

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

FA

TE

C

S

P

2016