UNIVERSIDADE BANDEIRANTES / ANHANGUERA

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MATERIAIS ELETRÔNICOS

ENGENHARIA ELÉTRICA

5º SEMESTRE

CONDUTORES E ISOLANTES

Professor: Alexandre Oliveira

Osasco - SP

Março – 2014

1. INTRODUÇÃO

O trabalho de materiais eletrônicos é constituído em parte escrita e seminário, onde

deverá ser feito conclusão e uma apresentação com os respectivos temas

abordados.

2

SUMÁRIO

1

INTRODUÇÃO 2

2 CONDUTORES E ISOLANTES .............................................................................4

3 O COBRE COMO CONDUTOR. ............................................................................5

3.1 HISTÓRIA..............................................................................................................5

3.2 PROCESSO INDUSTRIAL DO COBRE .......................................................................6

3.3 PROPRIEDADES BÁSICAS DO COBRE .....................................................................8

3.4 PRICIPAIS ATRIBUTOS DO COBRE NA CONDUÇÃO DE ENERGIA................................9

4 FIOS E CABOS: CONDUTORES DA EVOLUÇÃO HUMANA ..............................9

5 TIPOS DE ISOLAÇÃO .........................................................................................11

6 A CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE METAIS E SUAS LIGAS ............................16

7 CARACTERISTICAS DOS METAIS CONDUTORES ..........................................17

8 CONCLUSÃO ......................................................................................................18

9 BIBLIOGRAFIA.....................................................................................................19

3

2. CONDUTORES E ISOLANTES

 

Materiais condutores e isolantes

Todos os corpos são constituídos por átomos e estes são formados por partículas

com pequenas dimensões que são os nêutrons (não possuem carga), os prótons

(partículas de carga positiva) e os elétrons (partículas de carga negativa). Os

nêutrons juntamente com os prótons ficam no interior do núcleo, e os elétrons ficam

na eletrosfera. Para manter esses elétrons sempre em órbita na eletrosfera, existem

forças internas que os seguram, não deixando que os mesmos escapem. No

entanto, quanto maior a distância entre a órbita e o núcleo, mais fraca é a força que

mantém o elétron preso ao átomo, pois, dessa forma, pode se mover com certa

liberdade no interior do material, dando origem aos chamados elétrons livres.

O que determina se um material é condutor ou isolante é justamente a existência

dos elétrons livres. São eles os responsáveis pela passagem e transporte da

corrente elétrica através dos materiais. São chamados de condutores aqueles

materiais onde há possibilidade de trânsito da corrente elétrica através dele como,

por exemplo, o ferro. Este é um elemento químico que possui dois elétrons na última

camada, os quais estão fracamente ligados ao núcleo. Dessa forma, o ferro se torna

um ótimo condutor de eletricidade.

Com os materiais isolantes, também chamados de materiais dielétricos, ocorre o

processo inverso. Nesses materiais, os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo

atômico, ou seja, eles não possuem elétrons livres ou a quantidade é tão pequena

que pode ser desprezada. Dessa maneira, não permitem passagem de corrente 4

elétrica. São bons exemplos de materiais isolantes: o vidro, a borracha, a cerâmica e

o plástico.

3. O COBRE COMO CONDUTOR.

3.1 HISTORIA.

O cobre foi o primeiro metal usado pelo homem.

Acredita-se que por volta de 13.000 a.C. foi

encontrado na superfície da Terra em forma de

"cobre nativo", o metal puro em seu estado metálico.

Usado inicialmente como substituto da pedra como

ferramenta de trabalho, armas e objeto de

decoração, o cobre tornou-se, pela sua resistência,

uma descoberta fundamental na história da evolução

humana.

Os Romanos designaram o

cobre com o nome de "Aes

Cyprium", o Metal de Cyprus, já

que a Ilha de Cyprus ( Chipre )

foi uma das primeiras fontes do

metal. Com o tempo, o nome se

transformou em Cyprium e

depois em Cuprum, originando

o símbolo químico "Cu".

Através dos séculos, o cobre foi identificado pelo símbolo, que é uma forma

modificada do antigo hieróglifo usado pêlos antigos egípcios para representar a vida

eterna.

O fato de se ter encontrado objetos de cobre tão antigos em diversos lugares do

mundo é prova das propriedades únicas do metal: durabilidade, resistência à

corrosão e fácil manejo.

5

Apesar de sua antiguidade, o Cobre manteve, aliado aos metais mais novos, um

papel predominante na evolução da humanidade, sendo utilizado em todas as fases

das revoluções tecnológicas pelas quais o ser humano já passou.

As minas de cobre mais importantes do mundo estão localizadas no Chile,

Estados Unidos, Canadá, Rússia e Zâmbia.

Em 1874, foi descoberta a mina Caraíba, no sertão da Bahia. Somente após 70

anos é que foram iniciados os trabalhos de prospecção.

3.2 PROCESSO INDUSTRIAL DO COBRE.

As minas de cobre são classificadas de acordo com o sistema de exploração:

Minas à Céu Aberto são aquelas cujo mineral se encontra próximo da superfície e

Minas subterrâneas, aquelas em que o mineral se encontra em profundidade,

necessitando de explosivos para sua extração.

6

Da mina sai o minério contendo de 1% a 2% de cobre. Depois de extraído,

britado e moído, o minério passa por células de

flotação que separam a sua parte rica em cobre

do material inerte e converte-se num

concentrado, cujo teor médio de cobre é de

30%. Este concentrado é fundido em um forno

onde ocorre a oxidação do ferro e do enxofre,

chegando-se a um produto intermediário

chamado matte, com 60% de cobre. O matte

líquido passa por um conversor e, através de um processo de oxidação (insufla

oxigênio para a purificação do metal ), é transformado em cobre blister, com 98,5%

de cobre, que contém ainda impurezas como resíduos de enxofre, ferro e metais

preciosos. O cobre blister, ainda no estado líquido, passa por processo de refino e,

ao seu final, é moldado, chegando ao ânodo com 99,5% de cobre. Após resfriados,

os ânodos são colocados em células de eletrólise. São então intercalados por finas

chapas de cobre eletrolítico, denominadas chapas de partida. Aplicando-se uma

corrente elétrica, o cobre se separa do ânodo e viaja através do eletrólito até

depositar-se nas placas iniciadoras, constituindo-se o catodo de cobre, com pureza

superior a 99,99%. Este cátodo é moldado em suas diferentes formas comerciais

para, posteriormente, ser processado e transformado em fios, barras e perfis,

chapas, tiras, tubos e outras aplicações da indústria.

7

Breve fluxograma do processo até um produto final.

3.3 PROPRIEDADES BÁSICAS DO COBRE.

O cobre é um elemento metálico com número atômico 29 e peso atômico de

63,57. O seu símbolo químico é Cu, e suas valências são +1 e +2. Não é magnético

e pode ser utilizado puro ou em ligas com outros metais que lhe conferem

excelentes propriedades químicas e físicas.

Densidade: 8,96 g / cm3 ( 20°C )

Ponto de fusão: 1083ºC

Ponto de ebulição: 2595°C

Coeficiente de dilatação térmica linear: 16,5 x 10 -6 cm/cm/°C ( 20°C)8

Resistividade elétrica: 1,673 x 10 -6 ohm.cm (20°C)

Pressão de vapor: 101 mm Hg à 20°C

Condutividade elétrica: 101 % IACS à 20 °C

Calor latente de fusão: 50,6 cal/g

Calor específico: 0,0912 cal/g/°C (20°C)

O Cobre Como Padrão de Condutibilidade

Em 1913, a Comissão Internacional de Eletrotécnica adotou a condutibilidade do

cobre como padrão, definindo-a como sendo 100% para cobre recozido (IACS). Isto

significa que o cobre proporciona uma maior capacidade de conduzir corrente

elétrica para um mesmo diâmetro de fio ou cabo do que qualquer outro metal de

engenharia usualmente empregado como condutor elétrico.

Cabos elétricos de cobre requerem menor isolação e eletrodutos de menor

diâmetro quando comparados com cabos de alumínio. O alumínio possui menor

condutibilidade elétrica, necessitando, portanto, de cabos de maior diâmetro quando

comparados com o cobre para conduzir a mesma corrente. Este é o motivo pelo qual

num dado eletroduto é possível instalar uma maior quantidade de fios ou cabos de

cobre comparados com o alumínio. Além disso, o cobre também proporciona uma

condutividade térmica superior (60% superior ao alumínio), o que leva a uma

economia de energia e facilita a dissipação de calor.

3.4 PRINCIPAIS ATRIBUTOS DO COBRE NA CONDUÇÃO DE ENERGIA

O cobre é o mais eficiente, resistente e confiável metal para ser utilizado em

condutores elétricos. Veja o porquê:

O Cobre Possui Resistência e Ductilidade;Esta única combinação faz do cobre o

metal ideal para condutores. Normalmente quanto mais resistente é um metal,

menos flexibilidade ele terá. Isto não ocorre com o cobre. Assim você terá as

vantagens de durabilidade e ductilidade quando especificar o cobre como material

condutor.

9

Com fios e cabos de cobre você obtém:

capacidade de corrente superior com menos seções.

fácil instalação, não necessita de conectores especiais, ferramentas,

procedimentos etc.

maior quantidade de fios por eletroduto.

elevada resistência ao estiramento, ao creep, à corrosão, à quebra e à

diminuição de seção do condutor.

ausência de manutenção.

extra proteção contra possíveis problemas durante a operação do sistema.

4. FIOS E CABOS: CONDUTORES DA EVOLUÇÃO HUMANA

Criados inicialmente para a transmissão de dados telegráficos, os fios e

cabos evoluíram graças às descobertas de materiais mais eficientes para

sua isolação, tornando os condutores cada vez mais seguros.

A eletricidade é responsável por uma revolução no cotidiano de toda a

humanidade, mas muitos dos avanços e facilidades trazidos pela energia elétrica só

foram conquistados graças à invenção dos fios e cabos. Surgidos no início do século

XVIII, os primeiros condutores eram muito diferentes daqueles que conhecemos hoje

e suas primeiras aplicações eram na transmissão de mensagens de telégrafos.

Telégrafo

 

A primeira experiência bem sucedida foi realizada pelo inglês William Watson, em

1747, quando um condutor feito de juta e com pouco mais de três quilômetros de

extensão foi utilizado para transmitir informações entre as margens do rio Tamisa,

10

em Londres. Em 1795, o espanhol Dom Francisco Salva aplicou, pela primeira vez

na história dos condutores, papel para isolar condutores metálicos usados também

na transmissão telegráfica. Já a invenção do primeiro cabo efetivamente isolado é

creditada ao barão Von Schilling que, entre 1812 e 1815, desenvolveu um condutor

submarino que cruzava o rio Sena para detonação de minas e era feito de fios de

cobre e isolado com um tipo de borracha indiana seca e envernizada.

 

Com o fim da guerra, Schilling convenceu o imperador russo Nicolau a construir

uma linha telegráfica entre São Petersburgo e Peterhoff, em 1836. As linhas eram

formadas por cabos aéreos nus e subterrâneos que foram isolados individualmente

com seda envernizada, amarrados e impregnados com asfalto.

A experiência deu certo e estimulou pesquisas de novos tipos de isolação para os

cabos de transmissão de dados e, em 1848, a isolação com uma planta asiática

chamada gutta percha foi aplicada em um cabo de uma linha telegráfica subterrânea

com mais de cinco quilômetros, localizada entre as cidades de Berlim e Gross

Berem, ambas na Alemanha.

 

A utilização da tecnologia dos condutores para a transmissão de eletricidade se

deve a dois fatores: à descoberta das células voltaicas por Alessandro Volta, em

1800, que permitiu a reprodução repetitiva e contínua da energia elétrica, e à criação

do dínamo em anel por Zénobe Gramme, em 1871, que possibilitou o uso do

gerador de corrente contínua em alta tensão.

O uso dos condutores na transmissão de energia

se popularizou com o processo de iluminação pública

iniciado por Thomas Alva Edison , em 1882, quando o

inventor utilizou dois grossos fios de cobre separados

por papel dentro de um tubo de ferro cheio de betume

para conduzir eletricidade para lâmpadas

incandescentes, formando o primeiro sistema de

iluminação pública que se tem notícia.

11

O sistema funcionou com eficiência durante um ano e só foi substituído porque o

professor de engenharia elétrica John Hopkinson criou um sistema de cabos

trefilados para condução de corrente contínua que utilizava 50% menos cobre.

Assim, o sistema usado por Edison foi trocado por outro que usava dentro de cada

tubo de ferro, ainda preenchido com betume, três fios de cobre isolados

individualmente com gutta percha e colocados em forma de triângulo sobre outro

condutor.

  Este tipo de condutor foi utilizado para a iluminação de diversas cidades até

meados de 1950, quando os cabos foram substituídos por tecnologias mais

parecidas com as conhecidas atualmente.

5. TIPOS DE ISOLAÇÃO

Entre os componentes dos fios e cabos, a isolação é um dos mais importantes,

pois, como o próprio nome sugere, serve para isolar eletricamente a parte metálica

do produto – o condutor – de outros condutores e do ambiente. É importante lembrar

que isolação é diferente de isolamento, termo que não se aplica a este tema, pois

isolamento refere-se à quantidade, como resistência, e isolação refere-se à

qualidade do produto.

 

As primeiras isolações de condutores

elétricos foram as mesmas utilizadas nos

cabos telegráficos, como a planta gutta

percha. No final do século XIX outras

substâncias como gomas, fibra de vidro,

areia e compostos betuminosos foram

usadas, mas um material, o papel –

utilizado pela primeira vez para isolação

de fios e cabos em 1795 – é aplicado até

hoje. As propriedades isolantes do papel

foram descobertas e aplicadas pelo

espanhol Francisco Salva, mas foi somente em 1836 que seu uso foi conhecido,

12

Planta gutta percha

graças à apresentação sobre o tema do cientista Michael Faraday na Academia Real

de Londres.

O uso do papel para a isolação foi difundido apenas em 1890, também em

Londres, e o material era impregnado de betume para reduzir a perda da

característica isolante devido à umidade. A isolação em papel facilitou o aumento

das tensões utilizadas em cabos, porém as descargas internas começaram a

provocar perfurações na isolação e o papel começou a perder espaço no início do

século XX.

 

Essas isolações que utilizam papel impregnado são chamadas de estratificadas.

De acordo com o gerente técnico comercial da Wirex Cable, Carlos Finck, apesar de

atualmente haver isolações melhores, ainda é possível encontrar alguns condutores

com isolação de papel impregnado em óleo fluido, principalmente em média e alta

tensão para a reposição de circuitos antigos. “Atualmente no país existem várias

linhas de transmissão para tensões superiores a 145 kV com cabos isolados em

papel ainda em operação”, completa o gerente de marketing de produtos da

Prysmian, Rubens Bertim de Campos.

 

Depois da isolação em papel, foram utilizadas isolações a óleo, onde os cabos

eram impregnados da substância e mantidos sob pressão por vasos de

compensação ligados a caixas de junção. Ainda no século XIX, foram utilizados

como isolantes a gutta percha, a borracha natural e a borracha vulcanizada.

 

Em 1850, o esmalte começou a ser usado para isolação de fios para

enrolamentos de transformadores e motores e em 1910 passou a ser produzido em

larga escala. Este tipo de isolação é utilizado até hoje, mas sua composição química

mudou ao longo da evolução tecnológica, principalmente com a chegada dos

isolantes termoplásticos e termofixos, chamados de isolação por materiais sólidos.

 

13

Os isolantes termoplásticos são o polietileno (PE – pouco utilizado atualmente no

Brasil) e o cloreto de polivinila, mais conhecido como PVC, plásticos derivados de

petróleo. Já os isolantes termofixos são o etileno-propileno, chamado no mercado

simplesmente de EPR, e o polietileno reticulado, o XLPE.

O isolante de PVC é composto por resina sintética (cloreto de polivinila puro),

estabilizantes, cargas e plastificante. Possui boa estabilidade química,

principalmente se comparado com outros isolantes, e é pouco sensível à água.

Podem ser facilmente coloridos e a utilização de estabilizantes adequados pode

combater o envelhecimento térmico. Sua rigidez dielétrica e poder indutor são altos,

mas sua resistência de isolamento é mais fraca comparada ao isolante de polietileno

e suas perdas dielétricas acima de 20 kV são grandes. Por isso, são indicados para

cabos de potência em instalações elétricas de até 10 kV.

O PVC não é exatamente um bom condutor de fogo, mas sua queima produz

fumaça com grandes quantidades de gases tóxicos e corrosivos. “Como a base do

PVC possui cloro, é emitido gás clorídrico durante incêndios, e a intoxicação por

fumaça é uma das principais causas de morte nestes casos”, completa o vice-

presidente comercial e de marketing da Nexans, Chaim Tencer.

 

Os cabos isolados com PVC são mais facilmente encontrados no mercado e isso

se deve ao relativo pouco tempo de existência dos condutores com baixa emissão

de fumaça e gases tóxicos, cujas normas ABNT NBR 5410 e a NBR 13570 obrigam,

em certos locais e em certas maneiras de instalar, o uso de cabos com baixa

emissão de fumaça, gases tóxicos e corrosivos, que devem ser fabricados conforme

a NBR 13248.

 

Os cabos isolados com etileno-propileno, ou EPR, são geralmente reticulados

com peróxidos orgânicos e dessa mistura é possível obter uma boa resistência aos

agentes oxidantes e ao envelhecimento térmico, que permite manter em um nível

aceitável as densidades de correntes quando instalados em ambientes quentes.

Também possui elevada resistência às radiações e descargas ionizantes, e

14

resistência à deformação térmica durante curtos-circuitos de até 250 ºC. Como o

EPR é um tipo de borracha, também é muito flexível mesmo em temperaturas

baixas.

 

O EPR possui baixas perdas em média tensão, mínima dispersão da rigidez

dielétrica e é pouco suscetível a um fenômeno chamado treeing, que é responsável

pela formação de arborescências na isolação, resultando em descargas localizadas

e deterioração do material. Podem ser usados em condutores para baixa, média e

alta tensão. Atualmente o mais utilizado é o EPR 105 que permite que os cabos

trabalhem com gradiente elétrico elevado e suportem temperatura de operação do

condutor de até 105 ºC.

 

O polietileno reticulado, conhecido no mercado como XLPE, em sua reticulação

passa por um processo interno de transformação parecido com a vulcanização de

uma borracha, com isso, o material deixa de estar sujeito a fissuras que poderiam

ocorrer na utilização da resina em seu estado original. A reticulação também otimiza

o comportamento mecânico do polietileno e aumenta a resistência à intempéries e

ao fogo.

 

O XLPE também é resistente às deformações térmicas em até 250 ºC e tem

desempenho satisfatório quando opera em baixas temperaturas, mantendo sua

estabilidade química.

 

Os condutores com XLPE são comumente utilizados em baixa e média tensão,

mas sua aplicação em instalações com tensão superior a 15 kV exige cautela, pois

esse tipo de isolação possui dispersão alta da rigidez dielétrica e pode apresentar

treeing. Esse tipo de isolação só não é recomendada para aplicações em que os

cabos serão submetidos a algum tipo de umidade, como instalações subterrâneas

ou em canaletas. “Sem os cuidados adequados de projeto e processo, a isolação em

15

XLPE apresenta uma maior propensão à formação de arborescência”, completa

Campos.

 

Além das particularidades já apresentadas, as isolações em PVC, EPR e XLPE

possuem algumas propriedades em comum, como o escoamento mínimo mesmo

quando instalados na vertical já que os isolantes são sólidos. Os três isolantes

compartilham da elevada resistência ao envelhecimento por causas elétricas e

químicas, da homogeneidade da isolação, além da mínima absorção de umidade e

insensibilidade à vibração.

 

Atualmente, o PVC é o isolante mais utilizado para condutores de baixa tensão

por seu baixo custo, bom desempenho elétrico e boa resistência à propagação de

incêndio. Porém, polímeros mais modernos como o Etileno Vinil Acetato (EVA) tem

ganhado cada vez mais espaço por serem livres de halogênios e,

consequentemente, emitirem pouca fumaça e gases tóxicos em caso de incêndio.

A existência de uma nuvem de elétrons, conforme mencionamos nas linhas

anteriores, podem ser constatadas pelos seguintes fatos:

Durante a passagem de uma corrente elétrica por um elemento condutor,

metálico, não se pode observar uma difusão de átomos de um metal no outro.

Levando-se um elemento que conduz corrente elétrica a velocidades elevadas, e

freando-se instantaneamente o condutor, nota-se uma maior concentração de

elétrons numa das extremidades, motivadas pela energia dos elétrons que compõem

a nuvem.

Quando um metal sofre aquecimento, este atua sobre os elétrons que formam a

nuvem, podendo alguns destes, em função da energia térmica incidente, até

abandonar o elemento condutor.

Condutor Sob a ação de uma diferença de potencial U.

Coeficiente de temperatura e Condutividade Térmica

16

A resistência elétrica, correlacionando correntes que circulam sob um potencial

aplicando, serve indiretamente de medida da quantidade de energia absorvida por

imperfeições cristalinas e outros fatores.

6. A CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE METAIS E SUAS LIGAS

A condutividade térmica   quantifica a habilidade

dos materiais de conduzir energia térmica, ou seja, de proporcionar calor. Estruturas

feitas com materiais de alta condutividade térmica conduzem energia térmica de

forma mais rápida e eficiente que estruturas análogas feitas contudo de materiais

com baixa condutividade térmica. Desta maneira, materiais com alta condutividade

térmica são utilizados em dissipadores térmicos e materiais de baixa condutividade

térmica são utilizados na confecção de objetos que visam a prover isolamentos

térmicos, a exemplo, emcobertores.

Sendo fonte das perdas de energia o condutor pelo qual circula a corrente

elétrica e essas perdas, que são impossíveis de serem evitadas, geram calor, deve

este ser liberado ao ambiente o mais depressa possível, para evitar, para evitar que

a energia térmica altere as condições do material. Compreende-se assim, desde

logo, que o estudo do comportamento térmico do material empregado, seja condutor

ou isolante, é de importância elevada, para se Ter certeza de que, nas condições de

serviço previstas, o equipamento não sofrerá danos.

7. CARACTERISTICAS DOS METAIS CONDUTORES

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Material Resistência Térmica

Cobre 0.24

Alumínio 0.40

Zinco 0.90

Estanho 1.55

Chumbo 3.00

Abreviatura Potencial em V a 25 ºC

Magnésio Mg -2.34 Estanho Sn -0.16

Alumínio Al -1.33 Chumbo Pb -0.12

Zinco Zn -0.76 Hidrogênio H 0.00

Cromo Cr -0.51 Cobre Cu +0.34

Ferro Fe -0.44 Prata Ag +0.79

Cádmio Cd -0.40 Mercúrio Hg +0.35

Cobalto Co -0.28 Ouro Au +1.36

Níquel Ni -0.23 Platina Pt +1.60

8. CONCLUSÃO

18

Analisando os fatos históricos expostos no trabalho podemos concluir a imensa

importância dos materias condutores e isolantes no decorrer da evolução humana,

suas principais características e suas aplicações.

9. BIBLIOGRAFIA

19

- http://www.brasilescola.com/fisica/condutores-isolantes.htm ( Acessado em

22/03/2014 ás 10:40)

- ATITUDE EDITORIAL / Edição 47, Dezembro de 2009 Por Weruska Goeking

- http://monografias.brasilescola.com/engenharia/condutor.htm ( Acessado em

22/03/2014 ás 13:33)

IMAGENS

-http://press.algarvecentral.net/wp-content/uploads/2009/09/Fotografia-Tel

%C3%A9grafo.jpg ( Acessado em 22/03/2014 ás 10:45)

- http://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/antiqueimages/edison.jpg

( Acessado em 22/03/2014 ás 10:50)

- http://www.keele.ac.uk/arboretum/trees/species/gutta-perchatree/ ( Acessado em

22/03/2014 ás 12:30)

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