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1Módulo 2 – Instalações elétricas
Instalações elétricas
Materiais utilizados na Indústria Elétrica e Eletrónica
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2Módulo 2 – Instalações elétricas
A matéria e os materiais
Existem 118 elementos químicos na Natureza, constantes da Tabela periódica, que originam as diferentes substâncias químicas conhecidas, quando combinados.
A matéria é composta por combinações de moléculas e estas constituídas por combinações de átomos, iguais ou diferentes entre si.
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3Módulo 2 – Instalações elétricas
A matéria-prima (carvão bruto, petróleo, minérios, madeira, etc) é a
matéria que existe em bruto no solo ou no subsolo que vai sendo
extraída e transformada de forma a produzir os materiais que vamos
utilizar.
Os materiais são produtos resultantes da transformação da matéria-
prima, utilizando processos físico-químicos e tecnologia diversa, de
forma a podermos utiliza-los no fabrico de aparelhos, condutores e
receptores do nosso dia-a-dia.
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4Módulo 2 – Instalações elétricas
Ao longo dos séculos têm sido aperfeiçoadas as diferentes indústrias de
tratamento, transformação e produção de materiais diferentes, elétricos
ou não elétricos.
A indústria metalúrgica transforma os diferentes minérios metálicos (ferro,
cobre, alumínio, prata, ouro, platina) em chapas ou fios de materiais
com diferentes qualidades e composições, juntando-lhes outros
elementos químicos que lhes dão novas propriedades úteis em
diferentes aplicações.
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5Módulo 2 – Instalações elétricas
A siderurgia é a indústria metalúrgica que trata apenas do ferro.
A indústria petroquímica transforma as naftas extraídas do
subsolo em diferentes produtos, a diferentes temperaturas,
de entre os quais destacamos os materiais plásticos
(polietileno, policloreto de vinilo, poliestireno, etc) que são
utilizados como isoladores da corrente elétrica.
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6Módulo 2 – Instalações elétricas
A indústria da madeira transforma a madeira em bruto em
pranchas de madeira ou pasta, utilizada no fabrico do
papel, ambos utilizados como isoladores elétricos.
Existem muitas outras indústrias, nomeadamente a
vidreira, a cerâmica, etc.
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7Módulo 2 – Instalações elétricas
Os diferentes materiais obtidos pela indústria distinguem-
se uns dos outros pelas suas propriedades elétricas,
mecânicas, físicas, químicas, etc, o que permite que
sejam utilizados em diferentes funções e aplicações na
indústria elétrica e eletrónica.
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8Módulo 2 – Instalações elétricas
Estes materiais vão ser sujeitos a condições de
funcionamento diferenciadas, como tensões (altas ou
baixas), intensidades (fracas ou elevadas), temperaturas
(altas ou baixas), humidade (reduzida ou elevada), etc.
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9Módulo 2 – Instalações elétricas
Para se escolher um material para desempenhar uma dada função
num circuito elétrico, é necessário comparar as propriedades
desse material com as características da função a
desempenhar.
Por exemplo, apesar do papel ser bom isolador, ele não deve ser
utilizado como isolador em locais onde haja muita humidade,
pois perderia rapidamente as suas propriedades isoladoras.
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10Módulo 2 – Instalações elétricas
Classificação geral dos materiais
Os materiais elétricos podem ser classificados como:
– Condutores (bons condutores, resistentes e supercondutores)
– Semicondutores
– Isoladores
– Magnéticos
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11Módulo 2 – Instalações elétricas
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12Módulo 2 – Instalações elétricas
Estes materiais podem encontrar-se em estado líquido,
sólido ou gasoso. Em qualquer dos estados encontram-
se materiais condutores e materiais isoladores. No
estado sólido temos, por exemplo: cobre (condutor) e
vidro (isolador). No estado líquido temos, por exemplo:
mercúrio (condutor) e óleo mineral (isolador). No estado
gasoso temos, por exemplo: ar bastante húmido
(condutor) e ar seco (isolador).
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13Módulo 2 – Instalações elétricas
Os materiais condutores são os que melhor conduzem a
corrente elétrica, ou seja, oferecem menor resistência à
passagem da corrente elétrica. Os metais são os
melhores condutores elétricos, pois possuem um
elevado número de electrões livres que facilmente se
movimentam, constituindo a corrente elétrica. A
resistividade dos condutores situa-se entre 10-4Ω e 102Ω
mm2/m. São bons exemplos de condutores o cobre, o
alumínio, a prata, o ouro, o mercúrio, as ligas de cobre e
as ligas de alumínio.
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14Módulo 2 – Instalações elétricas
Os materiais resistentes são aqueles que conduzem a
corrente eléctrica, mas apresentam uma maior
resistência à passagem da mesma que os condutores.
O objectivo destes materiais é provocar,
intencionalmente, a dissipação de energia calorífica;
eles são utilizados no fabrico de resistências de
aquecimento, de resistências de regulação de
intensidade de corrente, etc..
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15Módulo 2 – Instalações elétricas
Os materiais supercondutores são materiais
considerados condutores perfeitos, isto é, não
apresentam resistência à passagem da corrente
eléctrica, portanto conduzem a corrente eléctrica sem
dissipação de energia calorífica. O transporte de energia
eléctrica é efectuado com um rendimento de 100%. No
entanto os supercondutores só o são quando
submetidos a temperaturas negativas bastante baixas.
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16Módulo 2 – Instalações elétricas
A supercondutividade foi descoberta em 1911 pelo
cientista holandês Heike Kamerlingh Onnes quando
aplicava ao mercúrio temperaturas bastante baixas e
verificou que se tornava um supercondutor à
temperatura de -269ºC.
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17Módulo 2 – Instalações elétricas
Depois disso, foram sucessivamente fabricados outros
materiais supercondutores, a temperaturas cada vez
menos negativas, como são os casos de óxidos de
cobre com combinação de vários elementos (estrôncio,
bário, cálcio, etc), materiais cerâmicos diversos,
funcionando como supercondutores a temperaturas na
ordem de -40ºC.
http://www.youtube.com/watch?v=BHW1YdGY-00
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18Módulo 2 – Instalações elétricas
Os materiais isoladores são aqueles que apresentam
uma resistência eléctrica muito elevada, praticamente
não deixando passar corrente eléctrica. Não há, no
entanto, isoladores perfeitos, havendo sempre
correntes de fuga. São considerados isoladores
materiais que apresentam uma resistividade eléctrica
entre 1014 e 1026 Ω mm2/m. São considerados
isoladores: a borracha, o vidro, o papel, a mica, o
polietileno, etc.
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19Módulo 2 – Instalações elétricas
Os materiais semicondutores são aqueles que
apresentam uma resistividade eléctrica intermédia, entre
os condutores e os isoladores, situada entre 104 e 1010
Ω mm2/m.
São exemplos de semicondutores o silício, o germânio e o
selénio.
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20Módulo 2 – Instalações elétricas
Os materiais magnéticos são materiais que são
caracterizados por se deixarem atravessar facilmente
pelas linhas de força de campo magnético,
magnetizando-se. Diz-se que estes materiais tem uma
elevada permeabilidade magnética. É o caso do ferro, o
aço, o níquel e o cobalto.
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21Módulo 2 – Instalações elétricas
Propriedades e grandezas gerais dos materiais
As propriedades e grandezas dos materiais dividem-se em:
elétricas, mecânica e químicas.
Sem a preocupação de as agrupar em compartimentos
estanques, apresentam-se em seguida algumas das
propriedades e grandezas dos materiais.
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22Módulo 2 – Instalações elétricas
- Condutibilidade elétrica – Propriedade que os materiais têm de conduzir a corrente eléctrica, com maior ou menor facilidade. O material com melhor condutibilidade eléctrica é a prata.
- Rigidez dielétrica – É a tensão máxima, por unidade de comprimento, que se pode aplicar aos materiais isolantes sem romper as suas características isolantes (expressa-se em kV/cm). O material com melhor rigidez dieléctrica é a mica.
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23Módulo 2 – Instalações elétricas
- Condutibilidade térmica – Propriedade que os materiais têm de conduzir com maior ou menor facilidade o calor. Normalmente os bons condutores eléctricos também são bons condutores térmicos. Como bons condutores térmicos temos: a prata, o cobre, etc.
- Maleabilidade – É a propriedade que os materiais têm de se deixarem reduzir a chapas. Exemplos: ouro, prata.
- Ductilidade – É a propriedade de se deixarem reduzir a fios, à fieira. Exemplos: ouro, prata, cobre, ferro.
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24Módulo 2 – Instalações elétricas
- Tenacidade – É a propriedade de resistirem à tensão de rotura, por tracção ou compressão. A tensão de rotura é expressa em kg/mm2. Exemplos de materiais tenazes: bronze silicioso, cobre duro.
- Maquinabilidade – É a propriedade de os materiais se deixarem trabalhar por qualquer processo tecnológico, através de máquinas-ferramentas. Exemplo: ferro.
- Dureza – Propriedade de os materiais riscarem ou se deixarem riscar por outros materiais. Exemplos de materiais duros: diamante, quartzo.
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25Módulo 2 – Instalações elétricas
- Densidade – É a relação entre o peso da unidade de volume de um dado material e o peso de igual volume de água destilida a 4,1ºC, à pressão normal. Materiais condutores densos: mercúrio, prata.
- Permeabilidade magnética – É a propriedade dos materiais conduzirem, com maior ou menor facilidade, as linhas de força do campo magnético. Exemplo: ferro-silício, aço, ferro-fundido, etc.
- Elasticidade – Propriedade de retomarem a forma primitiva, depois de terem sido deformados por acção de um esforço momentâneo. Um material muito elástico é a borracha.
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26Módulo 2 – Instalações elétricas
- Dilatabilidade – Propriedade de aumentarem em comprimento, superfície ou volume, por acção do calor.
- Resiliência – Propriedade de resistirem à rotura, por pancadas “secas”.
- Resistência à fadiga – É um valor limite do esforço sobre o material, resultante de repetição de manobras. Cada manobra vai, progressivamente, provocando o “envelhecimento” do material, perdendo progressivamente as suas características.
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27Módulo 2 – Instalações elétricas
- Fusibilidade – Propriedade de os materiais passarem do estado sólido ao líquido, por acção do calor. Tem interesse conhecer o ponto de fusão de cada material para sabermos quais as temperaturas máximas admissíveis da instalação onde o material está, ou vai ser, integrado.
- Resistência à corrosão – Propriedade que os materiais têm de manterem as suas propriedades químicas, por acção de agentes exteriores (atmosféricos, químicos, etc.). Esta propriedade tem particular importância nos materiais expostos (ar livre) e enterrados.
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28Módulo 2 – Instalações elétricas
Como se sabe, os materiais combinam-se com o oxigénio
do ar, originando óxidos. Estes óxidos, em grande parte
dos casos, acabam por destruir os materiais. A este
fenómeno chama-se corrosão.
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29Módulo 2 – Instalações elétricas
Quanto à oxidação, podemos dividir os materiais em dois
grupos: o grupo do cobre, prata, alumínio e zinco que
pouco se oxidam; o grupo do ferro e aços onde é
considerável o fenómeno da corrosão.
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30Módulo 2 – Instalações elétricas
A oxidação no cobre e no alumínio é geralmente apenas
responsável pela deficiência e mau funcionamento dos
contactos eléctricos. A oxidação no ferro e no aço é
responsável pela destruição completa da estrutura
respectiva, com prejuízos evidentes.
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31Módulo 2 – Instalações elétricas
Há necessidade de evitar este fenómeno, e consegue-se
atenuá-lo pelos seguintes processos:
– Pintando as superfícies
– Cromando ou niquelando as superfícies
– Utilizando ligas inalteráveis: bronze, cromo-níquel
– Utilizando metais inalteráveis: ouro, platina,
tungsténio, níquel.
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32Módulo 2 – Instalações elétricas
Principais materiais condutoresOs principais materiais eléctricos utilizados no fabrico de
condutores são o cobre, o alumínio e a prata. Além destes existem ainda algumas ligas como por exemplo: o bronze, o latão e o almelec (ligas condutoras); e o constantan, o maillechort, o ferro-níquel e o cromoníquel (ligas resistentes).
A escolha do material para desempenhar uma dada função, depende do compromisso entre preço, qualidade e tarefa a desempenhar. Tendo em conta a tarefa a desempenhar, deve-se ter em conta as propriedades do material, as funções a desempenhar, o meio ambiente, as condições a que vai ser submetido.
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33Módulo 2 – Instalações elétricas
O cobre é o material condutor mais utilizado. Existem no entanto dois tipos de cobre: cobre duro e cobre macio. O cobre duro é utilizado nos casos em que se exige elevada dureza e resistência mecânica, como é o caso das linhas aéreas de energia, os cabos telefónicos, os coletores dos motores elétricos, etc. O cobre macio é utilizado nas restantes aplicações, não sujeitas a esforços mecânicos elevados, como: enrolamentos, barramentos, cabos elétricos, instalações elétricas, etc.
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34Módulo 2 – Instalações elétricas
O alumínio é o segundo material condutor mais utilizado, caracterizado por ser mais leve e mais barato que o cobre. Estas características têm sido fundamentais para a sua escolha em determinadas utilizações: linhas aéreas, condensadores, blindagem eléctrica de alguns cabos, em aeronaves, nos rotores de motores assíncronos, equipamento portátil e equipamento móvel, etc.
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35Módulo 2 – Instalações elétricas
A prata é bastante utilizada, sob forma pura ou em liga, no
fabrico de contactos eléctricos em dispositivos que
devem apresentar uma boa fiabilidade, em virtude de
praticamente não oxidar. As ligas podem incluir níquel,
cobalto, paládio, bromo e tungsténio.
O ouro é um material que não oxida e apresenta uma
elevada resistência mecânica, sendo também utilizado
em contactos eléctricos em equipamentos de elevada
fiabilidade e precisão.
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36Módulo 2 – Instalações elétricas
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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37Módulo 2 – Instalações elétricas
Materiais condutores
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38Módulo 2 – Instalações elétricas
Materiais resistentes
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39Módulo 2 – Instalações elétricas
Principais materiais isoladores
Os isoladores existem nos circuitos eléctricos sob diversas
formas e com finalidades variadas, como: proteger
pessoas, evitar curto-circuitos nas instalações, evitar
fugas de corrente, etc.
Podem ser divididos em sólidos, líquidos e gasosos. Os
materiais sólidos e líquidos utilizados para o fabrico de
isoladores podem ter três origens: isolantes orgânicos,
isolantes minerais e isolantes plásticos.
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40Módulo 2 – Instalações elétricas
Materiais isolantes minerais
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41Módulo 2 – Instalações elétricas
Materiais isolantes orgânicos
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42Módulo 2 – Instalações elétricas
Materiais isolantes plásticos
Materiais isolantes gasosos
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43Módulo 2 – Instalações elétricas
Os materiais isolantes como qualquer outro material,
envelhecem com a utilização. Os factores principais
para esse envelhecimento são: a temperatura, o campo
eléctrico que os solicita, os esforços mecânicos a que
estão sujeitos, a humidade, agentes atmosféricos,
agentes químicos, etc.
A temperatura é o mais importante de todos eles.
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44Módulo 2 – Instalações elétricas
As principais propriedades dos isolantes são: a resistividade
eléctrica, a rigidez dieléctrica, a estabilidade térmica e a
temperatura máxima de utilização, o factor de perdas e a
versatilidade.
A rigidez dieléctrica de um isolante é medida pela sua maior ou
menor tensão de disrupção (tensão de perfuração do
isolante).
Dada a grande variedade de isolantes existentes, a escolha
para cada aplicação deverá recair naquele que reúna as
melhores condições, de acordo com as exigências da função.
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45Módulo 2 – Instalações elétricas
Materiais semicondutores
Os materiais semicondutores, são materiais com uma
condutividade muito baixa, quando estão em estado
puro, comportam-se quase como isoladores. O silício, o
germânio e o selénio são os principais materiais
utilizados como semicondutores, sendo os dois
primeiros os mais utilizados.
Silício
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46Módulo 2 – Instalações elétricas
No entanto, se estes materiais não forem puros podemos
transformá-los em condutores. Para isso basta juntar
impurezas à sua constituição (como o antimónio, o
fósforo, o boro, o índio, etc). A este processo dá-se o
nome de dopagem. Portanto, os materiais encontram-se
“dopados” quando se acrescenta uma determinada
percentagem de impureza, de forma a torná-los
semicondutores, com diversas aplicações.
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47Módulo 2 – Instalações elétricas
O silício é o mais utilizado porque é termicamente mais
estável do que o germânio, podendo ser utilizado a
temperaturas na ordem dos 150ºC. Além disso, o silício
é, a seguir ao hidrogénio, o elemento químico mais
abundante na natureza. A areia, abundante, tem silício
na sua composição, entrando também no fabrico do
vidro.
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48Módulo 2 – Instalações elétricas
Materiais magnéticos
Os materiais magnéticos são aqueles que têm
permeabilidade magnética mais elevada do que a do ar.
São aqueles materiais que tem maior facilidade de
“conduzirem” as linhas de força do campo magnético.
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49Módulo 2 – Instalações elétricas
Como se sabe, existe um conjunto de máquinas e
receptores, que no seu funcionamento, geram campos
magnéticos ou estão sob a influência de campos
magnéticos. Neste sentido há necessidade de os
materiais utilizados oferecerem pouca resistência ao
percurso das linhas de força desses campos
magnéticos.
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50Módulo 2 – Instalações elétricas
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).