APOSTILA Materiais Elétricos Agosto-2012

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UNESP – UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Anna Diva Plasencia Lotufo e Carlos Roberto Minussi Ilha Solteira-SP, Agosto-2012. m m a a t t e e r r i i a a i i s s e e l l é é t t r r i i c c o o s s C C C u u u r r r s s s o o o d d d e e e G G G r r r a a a d d d u u u a a a ç ç ç ã ã ã o o o e e e m m m E E E n n n g g g e e e n n n h h h a a a r r r i i i a a a E E E l l l é é é t t t r r r i i i c c c a a a apostila:

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materiais elétricos

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  • UNESP UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

    Anna Diva Plasencia Lotufo e Carlos Roberto Minussi

    Ilha Solteira-SP, Agosto-2012.

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    CCCuuurrrsssooo dddeee GGGrrraaaddduuuaaaooo eeemmm EEEnnngggeeennnhhhaaarrriiiaaa EEEllltttrrriiicccaaa

    apostila:

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    MATERIAIS ELTRICOS

    1. INTRODUO

    Os materiais usados em eletricidade classificam-se, basicamente, nas seguintes classes: 1. supercondutores;

    2. condutores;

    3. semicondutores;

    4. isolantes;

    5. magnticos.

    Estes materiais so abordados a seguir.

    2. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS ELTRICOS

    2.1. Resistividade

    A classificao dos materiais, em eletricidade, caracterizada atravs da quantificao de um parmetro chamado resistividade definida por:

    = R LS (2.1.1)

    ou: R = SL (2.1.2)

    sendo:

    : resistividade ( m); S : seo transversal do material (m2);

    L : comprimento (m).

    Resistividade definida como sendo a resistncia eltrica de um corpo de seo reta uniforme com rea unitria, e cujo comprimento igual unidade.

    Portanto, a resistividade uma caracterstica especfica de cada material, a que varia em funo da temperatura, conforme ser discutido adiante.

    Outro parmetro que empregado na anlise de materiais eltrico refere-se condutividade que definida por:

    = 1 (2.1.3)

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    sendo:

    : condutividade.

    Na Tabela (2.1.1) mostrado os valores da resistividade de alguns materiais disponveis no mercado.

    Tabela 2.1.1. Resistividade de materiais condutores, semicondutores ou isolantes.

    Materiais Resistividade ( m) a 20C Tipo Prata 1,58 x 108

    condutores

    Cobre duro 1,7 x 108

    Ouro 2,44 x 108

    Alumnio 2,82 x 108

    Tungstnio 5,6 x 108

    Ferro 1 x 107

    Carbono (3 60) x 105 semicondutores Germnio (1 500) x 103

    Silcio 0,1 60 Vidro 109 1012

    isolantes Borracha 1013 1015

    O melhor condutor eltrico conhecido, a temperatura ambiente, a prata. No entanto, este metal excessivamente caro para o uso em larga escala. O ouro possui uma resistividade maior do que a do cobre, ou seja, menos condutor em comparao prata e ao cobre.

    2.2. Influncia da Temperatura Sobre a Resistividade

    Com o aumento da temperatura, h um aumento na vibrao dos cristais, criando obstculos a passagem dos eltrons livres e, portanto, diminuindo a condutividade ou aumentando a resistividade. A variao da resistividade pode ser calculada da seguinte forma:

    (T) = 0 [ 1 + ( T T0 )] (2.2.1)

    sendo:

    (T) : resistividade do material em funo da temperatura T; 0 : resistividade do material condutor a uma temperatura de referncia T0; T : temperatura do material;

    T0 : temperatura inicial do material, sendo T > T0;

    : coeficiente da temperatura para a resistividade.

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    2.3. Influncia da Temperatura a Resistncia

    Como a resistividade de um material depende da temperatura, aumentando quando se aquece o condutor, na maior parte dos casos. Assim, quando a temperatura de um fio condutor aumenta, geralmente, sua resistncia aumenta em vista do aumento da resistividade da substncia que o constitui. A variao da resistncia por dilatao do condutor pode ser desconsiderada, em alguns casos. Assim, estes resultados levam-nos a concluir que a resistncia eltrica tambm deve depender da temperatura. Substituindo-se (2.2.1) em (2.1.2), obtm-se:

    R(T) = R0 [ 1 + ( T T0 )] (2.3.1)

    sendo que:

    R0 : resistncia eltrica do material na temperatura inicial T0;

    R(T) : resistncia eltrica do material na temperatura T.

    2.4. Dilatao Linear com a Variao da Temperatura

    A dilatao do material em funo da variao da temperatura dada por:

    LT = L0 [ 1 + K' ( TT - T0) ] (2.4.1)

    sendo:

    LT : comprimento do condutor a T 0C;

    L0 : Comprimento a T0 0C;

    K' : coeficiente de dilatao trmica

    K' = 16,6 x 10-6 para o cobre.

    2.5 Propriedades Mecnicas

    A variao do comprimento de uma barra ou fio de cobre com o esforo de trao calculada por:

    L = L L0 = L0 ES)( 0 (2.5.1)

    sendo:

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    L : comprimento correspondente ao esforo ; L0 : comprimento correspondente ao esforo 0; : esforo; 0 : esforo inicial; E : mdulo de elasticidade;

    S : seo do condutor.

    3. MATERIAIS SUPERCONDUTORES

    A supercondutividade uma caracterstica intrnseca de certos materiais, quando esfriados a temperaturas extremamente baixas, para conduzir corrente eltrica sem resistncia (resistividade nula) e sem perdas, funcionando tambm como um diamagneto perfeito (excluso do campo magntico de seu interior) abaixo de uma temperatura crtica. Esta propriedade foi descoberta, em 1911, pelo fsico holands Heike Kamerlingh Onnes, quando observou que a resistncia eltrica do mercrio desaparecia quando resfriado a 4K (452F, ou 269,15C). Grande parte dos materiais supercondutores composto por cermica com brio, lantnio, cobre, oxignio, bem como outros elementos.

    Estes materiais ainda no esto definitivamente disponveis no mercado, para aplicaes, por exemplo, em transmisso de energia eltrica, embora vrias pesquisas estejam sendo realizadas por laboratrios especializados mundialmente. O grande desafio obter materiais que se caracterizam como supercondutores a temperaturas mais elevadas (temperaturas ambientes). Atualmente, pode-se destacar o uso de supercondutores em aparelhos de ressonncia magntica nuclear, trens baseados em levitao magntica, entre outras aplicaes.

    Como se pode observar, a resistncia eltrica e a temperatura so diretamente proporcionais para os materiais condutores. Assim, a temperaturas suficientemente baixas deveria se atingir valores nulos de resistncia. Esse fenmeno acontece para algumas substncias condutoras como o mercrio e o chumbo, ao contrrio de outras como o cobre e o ouro.

    A transio de um estado de supercondutividade um processo reversvel, pois a temperatura ao ser aumentada perturba este estado, fazendo com que substncia retorne ao seu estado de no-supercondutor com um valor finito de condutividade.

    Algumas substncias no-supercondutoras associadas em ligas com outras que possuem esta propriedade podem alcanar o estado de supercondutividade.

    O fenmeno da supercondutividade mostra que a corrente eltrica, uma vez induzida num lao de resistncia, circular indefinidamente, persistindo sem variaes, desde que seja mantido o resfriamento na temperatura adequada.

    Um supercondutor produz um campo magntico da mesma forma que um m permanente, ou seja, uma bobina supercondutora com corrente circulando um eletromagneto supercondutor.

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    Figura 3.1. Diagrama dos estados.

    Figura 3.2. Variao na resistncia do Hg (mercrio) e Pt(Platina) com o resfriamento profundo.

    Em 1933, Meissner e Ochsenfeld descobriram que os supercondutores quando resfriados a temperaturas inferiores a requerida para supercondutividade subitamente perdem magnetismo, isto , tornam-se diamagnetos ideais. Sua permeabilidade cai subitamente de = 1 a = 0, sendo : permeabilidade magntica.

    Arkadyev demonstrou este fenmeno com o seu magneto suspenso (vide Figuras 3.3 e 3.4).

    Figura 3.3. Magneto Suspenso de Arkadyev.

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    Figura 3.4. Deflexo do fluxo magntico.

    Quando o magneto colocado na superfcie de um material supercondutor, mantida abaixo da temperatura crtica, o magneto repelido da superfcie e permanece suspenso no ar numa posio de equilbrio. A espcie supercondutora pode da mesma forma ser suspendida acima da superfcie magntica.

    Este fenmeno permite a construo de mquinas eltricas de pequeno tamanho, e massa com alta frequncia.

    As bobinas usadas em magnetos supercondutores so geralmente feitas de ligas Nb-Zr e Nb-Ti.

    O resfriamento mantido por hlio lquido, cujo ponto de liquefao est em torno de 4,2 K, o que encarece o uso, alm de no ser facilmente encontrado.

    4. MATERIAIS CONDUTORES

    A seguir, abordar-se-o os principais materiais condutores empregados na Engenharia Eltrica.

    4.1. Cobre

    o material condutor de maior importncia industrial, cujas vantagens referem-se baixa resistividade, alta resistncia corroso, boa maleabilidade;

    o cobre usado como condutores eltricos o cobre eletroltico que contm 99,9% de cobre puro;

    o tratamento para a fabricao de condutores, pode ser de dois tipos, que so: estiramento a frio que resulta no cobre duro e o recozimento que resulta no cobre mole ou recozido;

    resistividade = 0,17 m a 200C para padro de cobre recozido; a resistividade do cobre recozido menor, se comparada a do cobre duro. tipos usuais de cobre: A Especificao Brasileira EB11 da ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas)

    estabelece a resistividade mxima admissvel em fios de cobre para condutores eltricos. Na Tabela (4.1.1) a seguir apresenta-se a relao entre a condutibilidade do fio considerado e a do padro internacional:

    Efeito Meissner T < Tc

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    Tabela 4.1.1. Resistividade de condutores de cobre.

    Condutor Resistividade

    cm Condutividade Padro 100% (cobre padro)

    Fio de cobre recozido 1,7564 98,16

    Fio de cobre meio duro: dimetro at 8,24 mm 1,75 96,66

    Fio de cobre meio duro: dimetro maior que 8,24 mm 1,7654 97,66

    Fio de cobre duro: dimetro at 8,24mm 1,793 96,13

    Fio de cobre duro: dimetro maior que 8,24mm 1,7745 97,16

    Nos clculos, utiliza-se, geralmente, a condutividade de 97,3% para o cobre duro. influncia da temperatura sobre a resistividade: = 0,00427 para T0 = 250C = 0,00393 para T0 = 200C = 0,00385 pata T0 = 00C : coeficiente de temperatura para resistividade. dilatao Linear do cobre com a variao da temperatura: K' = 16,6 x 10-6 OC1 para o cobre.

    Figura 4.1.1. Variao da resistncia com a temperatura.

    Figura 4.1.2. Resistividade x temperatura para o cobre..

    propriedades mecnicas: - a carga de ruptura estabelecida na EB 11 de 22 kg / mm2;

    - o cobre recozido no apresenta limite de elasticidade definido;

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    - o estiramento a frio aumenta a resistncia trao, com a carga de ruptura alcanando 46 kg / mm2, para o cobre duro;

    - o mdulo de elasticidade varia entre 1 x 106 e 1,3 x 106 kg / cm2;

    - a variao do comprimento de uma barra ou fio de cobre com o esforo de trao calculada por:

    L = L L0 = L0 ExA

    )( 0 (4.1.1)

    sendo:

    L : comprimento correspondente ao esforo ; L0 : comprimento correspondente ao esforo 0; : esforo; E : mdulo de elasticidade;

    A : seo do condutor.

    4.2. Ligas de Cobre

    Empregam-se na manufatura de fios e cabos, onde se desejam caractersticas um pouco diferentes das do cobre. Podem, tambm, ser usadas na fabricao de peas para aparelhos eltricos;

    so compostas, principalmente, de cobre, estanho, cdmio, alumnio, mangans, silcio e ferro;

    as propriedades variam com a composio e com os tratamentos trmicos e mecnicos, obtendo-se algumas com maior resistncia trao, melhor resistncia ao desgaste, se comparadas ao cobre eletroltico;

    a resistividade das ligas maior que a do cobre eletroltico; por exemplo, a adio de cdmio ao cobre aumenta a resitncia mecnica e dureza com

    uma pequena reduo na condutividade.

    4.3. Condutores Compostos

    So condutores formados de diferentes materiais condutores. Os mais usados so o fio de ao recoberto de cobre (COPPERWELD) ou de alumnio (ALUMONWELD) e o cabo de alumnio com alma de ao (ACSR);

    a seo total de um condutor composto a soma das sees dos componentes, assim como o peso total. A condutncia total tambm a soma das condutncias dos componentes;

    no processo COPPERWELD o cobre fundido despejado em um molde onde j se encontra uma barra de ao. O processo metalrgico resulta num fio onde o ncleo de ao e a periferia de cobre;

    no processo ALUMONWELD, o alumnio aplicado em p sobre o ao e submetido a tratamento de calor e presso;

    em um fio de alumnio com alma de ao tem-se um fio central de ao em volta do qual so torcidos fios de alumnio;

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    o mdulo de elasticidade calculado pela frmula:

    aS

    aaSS

    A+AEA+EA

    =E (4.3.1)

    sendo:

    E : mdulo de elasticidade do condutor composto ( por exemplo um cabo de alumnio com alma de ao);

    ES : mdulo de elasticidade de um dos componentes ( por exemplo o fio de ao);

    AS : seo do primeiro componente;

    Aa : seo do segundo componente;

    Ea : mdulo de elasticidade do outro componente ( por exemplo os fios de alumnio).

    Nos cabos de alumnio com alma de ao, a resistncia mecnica dada pela alma de ao enquanto o alumnio contribui com a condutividade eltrica.

    4.4. Alumnio

    o material condutor mais importante aps o cobre. Quanto a propriedades eltricas e mecnicas inferior ao cobre;

    a vantagem maior consiste em que o alumnio encontrado em maior quantidade do que o cobre;

    na Tabela 4.4.1. so apresentadas algumas comparaes das propriedades do cobre e do alumnio quando aplicados na fabricao de fios.

    Tabela 4.4.1. Comparaes das propriedades do cobre e do alumnio.

    Propriedade Alumnio Cobre

    Condutncia para mesmo volume 63 100

    Volume para mesma condutncia 159 100

    Dimetro para mesma condutncia 126 100

    Peso para mesmo volume 30,4 100

    Peso para mesma condutncia 48,3 100

    Resistncia mecnica (ruptura) 26 100

    As propriedades mecnicas dependem dos tratamentos trmicos e mecnicos; as ligas de alumnio apresentam uma resistncia mecnica maior. Por exemplo, a liga

    conhecida como ALDREY que contm de 0,3 a 0,5% de Mg, 0,4 a 0,7% de Si e 0,2 a 0,3% de Fe, quase to leve quanto ao alumnio puro, condutividade eltrica bastante prxima e uma resistncia mecnica prxima a do cobre;

    apresentam-se na Tabela 4.4.2 alguns tipos de alumnio ou ligas, submetidos a tratamentos diferentes, com diferentes condutibilidades.

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    Tabela 4.4.2. Condutividade do alumnio e do cobre.

    Material Condutibilidade % a 00C K = 1/

    Alumnio

    55 0,00392 252,5

    59 0,00423 236

    60 0,00431 231

    61 0,00438 228

    62 0,00446 224

    63 0,00454 220

    65 0,00470 212,5

    Cobre 100 0,00427 234,5

    4.5. Ferro e Ao

    o mais comercial e mais barato metal usado como condutor com uma alta resistncia mecnica. Mesmo o ferro puro tem uma resistividade alta comparada ao cobre e ao alumnio, em torno de 0,1 m, o que acontece tambm com o ao que uma liga que contm ferro com carbono principalmente;

    so usados principalmente em circuitos de trao eltrica, ligas de ferro para resistncias eltricas, e nas linhas areas. O ao usado como condutor o chamado ao leve que contm de 0,1 a 0,15 % de carbono, com condutividade eltrica em torno de 1/6 a 1/7 da do cobre. Para baixas correntes a resistncia mecnica que determina a escolha da seo do condutor e no a resistncia eltrica.

    Figura 4.5.1. Seo total de um condutor de alumnio (curva 1), com alma de ao (curva 2) e

    resistncia de uma unidade de comprimento do condutor (3), como funo do dimetro externo.

    Figura 4.5.2. Resistncia de uma unidade de comprimento de condutor em funo do dimetro

    externo.

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    Figura 4.5.3. Resistividade versus temperatura para ferro puro (curva 1), ao com 4% de

    silcio (curva 2) e liga Fe-Ni-Cr (curva 3).

    4.6. Ligas para Resistncias Eltricas

    Devem suportar temperaturas em torno de 1000 0C ou mais, seu coeficiente de resistividade para temperatura deve ser baixo coeficiente de f.e.m. trmica. Devem tambm ser adaptadas para uso contnuo, terem boa maleabilidade e serem usinveis a fraes de milmetros. Alm de tudo devem ser baratas e no conterem elementos raros.

    Exemplos de algumas ligas mais comuns: - Manganin: contm de 80 a 85% de cobre, 12 a 15% de mangans, e 2 a 5% de nquel.

    Resistividade entre 0,42 a 0,48 m. Coeficiente de resistividade para temperatura, 6 a 50 x 10-6 K-1. A temperatura limite est em torno de 2000C. Pode ter dimetro de at 0,02 mm. a mais tpica e mais usada.

    - Constantan: contm 60% de cobre e 40% de nquel. Seu nome se deve a sua resistividade constante a temperaturas variveis. Em temperaturas normais o coeficiente de temperatura para resistividade est entre -5 x 10-6 e - 25 x 10-6 K-1, numa resistividade de 0,48 a 0,52 m. Quanto as propriedades mecnicas se assemelha ao manganin. Seu uso no maior devido conter uma grande quantidade de nquel, que encarece o produto.

    As ligas a base de ferro so principalmente usadas para aquecimento, o qual pode proteger ou oxidar, causando um maior desgaste. o problema da corroso.

    Na Tabela 4.6.1. so mostradas algumas propriedades das ligas nquel-cromo.

    Tabela 4.6.1. Propriedades das ligas nquel-cromo.

    Composio % (Relao Ao ferro) (m) x 106 K-1 Temperatura limite (0C) Cromo Nquel Mangans

    15 - 18 55 - 61 1,5 1,1 - 1,2 100 - 200 1000

    20 - 23 75 - 78 1,5 1,0 - 1,1 100 - 200 1100

    Propriedades das Ligas Cromo-Alumnio (vide Tabela 4.6.2):

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    Tabela 4.6.2. Propriedades das ligas (Cromo-Alumnio).

    Composio % m x106 K-1 Temp. limite 0CCromo Alumnio Carbono Silcio Nquel Mangans

    12-15 3,5-5,5 0,15 1,0 - 0,7 1,26 150 750

    16-19 4,0-6,0 0,12 1,2 - 0,7 1,3 60 850

    16-19 4,0-6,0 0,06 0,6 0,6 0,7 1,3 60 950

    23-27 4,5-6,5 0,12 1,2 - 0,7 1,4 50 1000

    23-27 4,5-6,5 0,06 0,6 - 0,7 1,4 50 1400

    4.7. Ligas Fusveis

    Sua principal utilizao est nos circuitos eltricos para proteo. So compostas principalmente de bismuto, cdmio, chumbo e estanho.

    So conhecidas por nomes comerciais e suas propriedades e caractersticas encontram-se nos manuais dos fabricantes. Em certos fusveis especiais usa-se a prata.

    Existem frmulas para se calcular a corrente necessria para fundir um fio de um determinado metal, baseadas no efeito Joule, lei de Newton e emissividade da superfcie, e tambm se h ou no ventilao natural.

    A Tabela 4.7.1 so apresentadas algumas ligas e seu respectivo ponto de fuso:

    Tabela 4.7.1. Ligas e respectivo ponto de fuso.

    Composio Ponto de fuso 0C

    Bismuto Chumbo Estanho Cdmio Mercrio

    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

    20 _ 80 _ _ 200

    4.8. Carbono e Grafite

    So de aplicao geral na fabricao de eletrodos e escovas para mquinas rotativas. Os eletrodos de carbono operam a altas temperaturas, at acima de 3000 0C.

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    Como outros elementos de carbono, tm um coeficiente de temperatura para resistividade negativa.

    Figura 4.8.1. Resistividade x temperatura para eletrodo de carbono.

    O carbono puro encontrado na forma de diamante um dieltrico. Os carbonos porosos so usados em microfones e a resistividade depende do processo de

    compactao utilizado e do tamanho do gro.

    4.9. Outros Metais

    Tungstnio : um dos mais importantes metais utilizados na fabricao de dispositivos vcuo, como os filamentos incandescentes. Possui alta resistncia mecnica e no funde a altas temperaturas podendo operar a temperaturas acima de 2000 0C.

    Figura 4.9.1. Coeficiente de expanso linear x temperatura para o tungstnio.

    Figura 4.9.2. Calor especfico e condutividade trmica x temperatura para o tungstnio.

    < Caracterstica de isolante

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    Molibdnio : Largamente utilizado na indstria de tubos eletrnicos onde os requisitos de temperatura no so to altos quanto os do tungstnio. Os elementos incandescentes molibdnio devem operar vcuo, gs inerte ou atmosfera reduzida. A resistncia mecnica dependente da tcnica de processamento utilizada. Tambm usado em contatos eltricos.

    Figura 4.9.3. Resistividade x temperatura.

    Prata : Resistente a oxidao em temperaturas normais. o metal de menor resistividade. Usada para contatos em baixas correntes, placas em capacitores de cermica e mica. Baixa resistncia qumica.

    Ouro : Alta plasticidade, usado em contatos resistentes corroso, eletrodos de fotoclula, eletroscpios.

    Estanho : Metal macio e malevel, que pode ser laminado em folhas muito finas. resistente a corroso atmosfrica, estvel na gua e mais ou menos resistente cidos. Usado em revestimentos eltricos para dar uma proteo durvel aos acabamentos de metais, como um elemento de liga em bronzes e soldas leves. Uma lmina de 6 a 8 mm empregada em alguns capacitores, geralmente associado com 15% de chumbo e 1% de antimnio para facilitar o processo de laminao e melhorar a resistncia mecnica. Lminas de 20 a 40 mm so usadas como placas em capacitores de mica.

    Chumbo : Alta resistividade. Metal macio e plstico. Tem uma estrutura cristalina bastante grande. Alta resistncia corroso, estvel na gua, cidos sulfrico e hidroclordrico em baixas temperaturas. Usado em revestimentos de cabos protegendo a isolao do cabo e tambm em placas de baterias, e fusveis. Tambm usado como protetor contra radiaes, absorvendo por exemplo os raios X. As ligas de chumbo com outros materiais como antimnio, telrio, cdmio, cobre, clcio e estanho aumentam a resistncia mecnica, mas reduzem a resistncia corroso comparado ao chumbo puro. So usados principalmente na engenharia de cabos (blindagem).

    Platina : Alta resistncia a agentes qumicos, praticamente no reagindo com o oxignio. Algumas ligas so usadas em termopares para medir temperaturas acima de 1600 0C. Os filamentos de platina so usados para suspenso de sistemas mveis em dispositivos eletromagnticos.

    Paldio : Metal raro com propriedades prximas da platina. Suas ligas com cobre e prata so usadas na produo de contatos eltricos.

    Nquel : Largamente usado na indstria de tubos eletrnicos. Muito usado em ligas com o silcio, mangans entre outros. Alta resistncia mecnica. Usado em dispositivos eltricos vcuo, e ligas condutoras e magnticas.

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    Cdmio : Usado na fabricao de fotoclulas, clulas galvnicas e aplicaes especficas como moderador em reatores atmicos.

    Zinco : Usado em eletrodos e clulas galvnicas, e tambm em fotoclulas.

    Mercrio : nico metal encontrado na forma lquida temperaturas normais. Oxida no ar somente perto do seu ponto de fuso quando aquecido. Metais alcalinos terrosos como magnsio, alumnio, cdmio, platina, ouro e prata se dissolvem no mercrio e formam ligas chamadas amlgamas. usado como ctodo lquido em lmpadas a vapor de mercrio, rels de contato e dispositivos de descarga a gs.

    4.10. Resistividade de Volume e de Massa

    A resistividade de volume v ou simplesmente resistividade , a resistncia eltrica de um condutor de comprimento igual a 1m e seo uniforme igual a 1m2. o valor geralmente utilizado nos clculos de resistncia de condutores.

    sendo:

    l : comprimento e S a seo, a resistncia dada por:

    R = v SL

    (4.10.1)

    O volume condutor V = S L e a sua massa M = V p = S L p, sendo:

    p : peso especfico.

    S = M / (L p) e R = v L2 p / M. A resistividade de massa m a resistncia eltrica de um condutor de seo uniforme,

    comprimento L = 1 e massa M = 1.

    m = v p p = m / v v = R. S / L p = M / S. L

    m = R. M / L 2 Para o cobre padro a 20 0C a resistividade de volume v = 1/58 mm2/m. Um fio de 1 m de comprimento e 1 mm2 de seo apresenta a resistncia de 1/58 . O volume deste fio : V = !m x 1mm2 = 1 cm3. O peso especfico do cobre sendo 8,89 a resistividade de massa ser: m = v p p = 0,15328 m g.

    Porque envolve as grandezas: rea e comprimento

  • 17

    5. CONDUTORES INDUSTRIAIS

    5.1.Tipos Gerais e Nomenclatura

    Os lingotes de material condutor so transformados pelos processos de laminao, trefilamento, torcimento, em condutores industriais. Os mais simples so os fios de seo circular, mas podem existir de seo quadrada, retangular, trapeizodal.

    Podem ser empregados fios nus e isolados. Existem tambm condutores sob a forma de tubos ou barras de formas diversas nus ou isolados.

    Fio : um corpo de metal estirado, de forma cilndrica e seo circular.

    Condutor : um fio, ou conjunto de fios no isolados entre si, destinado a conduzir corrente eltrica.

    Fio nu : um fio sem revestimento isolante de qualquer natureza.

    Fio isolado : um fio revestido de material isolante geralmente protegido por uma capa.

    Cabo : um conjunto de fios encordoados no isolados entre si, com ou sem isolao. Tambm usado para indicar de um modo geral fios e cabos propriamente ditos em expresses como cabos eltricos, cabos de baixa tenso, etc.

    Cabo isolado : onde um grupo de fios, ou cada fio, ou cada grupo de fios revestido de material isolante, e o conjunto protegido por uma capa.

    Cabo singelo : um cabo isolado de um nico condutor.

    Cabo mltiplo : um cabo isolado formado de vrios condutores.

    Cabo armado : cabo isolado provido de uma armao.

    Cabo unipolar : aquele constitudo por um condutor isolado mais cobertura.

    Cabo Multipolar : formado por vrios (dois ou mais) condutores, agora chamados veias, com uma cobertura comum.

    Cordo : um conjunto de condutores isolados, de pequena seo e construo flexvel, dispostos paralelamente ou torcidos helicoidalmente.

    Condutor compactado : um condutor encordoado e submetido a um trabalho mecnico, de forma a ficarem praticamente eliminados os vazios entre os fios, reduzindo o dimetro externo e tornando mais uniforme a superfcie externa.

    Condutor setorial : aquele cuja seo transversal tem a forma aproximada de um setor circular.

    Cabo setorial : um cabo multipolar cujas veias so condutores setoriais isolados, geralmente compactados.

    Cabos multiplexados : so cabos constitudos por vrios condutores isolados ou cabos unipolares reunidos, sem cobertura comum.

    Revestimento : de um condutor a camada delgada de um metal ou liga, depositada sobre um metal ou liga diferente para fins de proteo.

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    Isolao : de um condutor a camada de material isolante aplicada sobre o condutor propriamente dito, para isol-lo eletricamente de outros condutores e da terra.

    Cobertura : um invlucro externo no metlico, sem funo de isolao. Destina-se a proteger a isolao, no caso de instalao exposta, ou o condutor propriamente dito.

    Capa : designa um invlucro interno metlico ou no aplicado sobre uma veia ou sobre um conjunto de veias de um cabo.

    Blindagem : o envoltrio condutor ou semicondutor, aplicado sobre o condutor isolado ( ou eventualmente sobre um conjunto de condutores isolados), para fins exclusivamente eltricos.

    Encordoamento : a disposio dos fios ou grupos de fios que formam um cabo.

    Enchimento : o material usado em cabos mltiplos para preencher os espaos entre os fios isolados e cabos componentes, de modo a constituir um conjunto de forma desejada.

    Armao : uma proteo suplementar aplicada a certos cabos isolados, constituda de fios ou fitas metlicas.

    Cordoalha : um condutor formado por um tecido de fios metlicos extremamente flexvel.

    Barra : um condutor rgido em forma de tubo ou de seo perfilada fornecido em trechos retilneos. Podem se nuas, revestidas ou isoladas.

    Figura.5.1.1. Condutor isolado.

    Figura. 5.1.2. Cabo unipolar.

    Figura 5.1.3. Cabo multipolar setorial.

  • 19

    5.2. Isolaes dos Condutores

    Podem ser constitudas por materiais slidos e do tipo estratificado. Os slidos podem ser termoplsticos (cloreto de polivinila e polietileno) e termofixos (borracha etileno-propileno e polietileno reticulado). As do tipo estratificado utilizam papel impregnado. Este utilizado em cabos de mdia e alta tenso. A isolao estratificada constituda, pois por fitas delgadas de papel, colocadas helicoidalmente em diversas camadas, aps rigoroso processo de secagem, por um material isolante cujas caractersticas variam com o tipo de cabo.

    O papel impregnado utilizado nos cabos a leo sob presso e nos cabos com massa no escoante (usados em redes subterrneas em mdia tenso).

    Os isolantes slidos so mais utilizados nos cabos de baixa e mdia tenso. As caractersticas comuns dependem das propriedades especficas de cada material: - homogeneidade de servio e boa resistncia ao envelhecimento em servio;

    - ausncia de escoamento;

    - reduzida sensibilidade umidade;

    - insensibilidade s vibraes;

    - bom comportamento frente ao fogo.

    Caractersticas especficas: Cloreto de Polivinila (PVC) : Rigidez dieltrica elevada, resistncia de isolamento

    fraca, quando comparado com o polietileno. Perdas dieltricas elevadas (acima de 20 kV). Transmite mal a chama; o envelhecimento trmico pode ser combatido por estabilizantes apropriados. um isolante muito bom para os cabos de potncia e para os cabos de teletransmisso distncia mdia. De uma maneira geral possuem uma fraca absoro de gua, uma elevada resistncia mecnica e abraso, bom comportamento frente ao fogo e resistncias especficas aos solventes ou gasolina.

    Borracha etileno-propileno (EPR) : Melhor resistncia ao envelhecimento trmico e aos agentes oxidantes; boa flexibilidade mesmo em baixas temperaturas; resistncia excepcional s descargas e radiaes ionizantes, mesmo quente; absoro razovel de gua; baixa disperso da rigidez dieltrica.

    Polietileno reticulado (XLPE) : Resistncia deformao trmica bastante satisfatria (at 250 0C); a reticulao permite incorporar outros materiais para melhorar o comportamento mecnico, resistncia s intempries e ao fogo.

    5.3. Blindagem sobre o condutor: (interna)

    Com o condutor encordoado recoberto apenas por uma camada isolante, o campo eltrico assume uma forma distorcida, acompanhando as irregularidades da superfcie do condutor, provocando concentrao de esforos eltricos em determinados pontos. Estas solicitaes eltricas podem exceder os limites permissveis pela isolao, ocasionando uma depreciao na vida do cabo.

  • 20

    Nos cabos com isolao slida, a existncia de ar entre o isolante e o condutor pode dar origem a ionizao, danificando o isolante.

    Com a interposio de uma camada semicondutora, o campo eltrico se torna uniforme e os problemas so minimizados ou mesmo eliminados.

    Na isolao estratificada, a blindagem constituda por fitas de papel semicondutor aplicadas helicoidalmente.

    5.4. Blindagem sobre a isolao: (externa)

    Consiste de uma camada de material semicondutor ou condutor aplicados sobre a superfcie da isolao, com a finalidade de confinar o campo eltrico dentro do cabo isolado.

    O cabo sem blindagem, denominado a "campo no-radial", o campo eltrico distribui-se de forma equilibrada e radialmente em relao ao condutor. A construo a campo radial prefervel em tenses mais elevadas, pois garante solicitaes eltricas uniformes em cada camada isolante.

    Da mesma forma que a blindagem interna, a externa deve ser construda de maneira a eliminar qualquer vazio entre ela e a superfcie externa da isolao.

    A tcnica moderna consiste da extruso simultnea da camada semicondutora. Antes, aplicava-se uma camada contnua de verniz semicondutor seguido de fita txtil semicondutora.

    Figura 5.4.1.

    5.5. Protees

    Podem ser de dois tipos: no-metlicas e metlicas. Protees no-metlicas : A cobertura dos cabos geralmente feita com PVC, polietileno

    ou neoprene, e outros, com a escolha baseando-se na resistncia e aes de natureza mecnica ou qumica. Em instalaes nos ambientes com alto teor de cidos, bases ou solventes orgnicos emprega-se o polietileno pigmentado com negro de fumo para torn-lo resistente a luz solar. Em cabos de uso mvel, que requerem boa flexibilidade e resistncia abraso e lacerao, usa-se o neoprene ou polietileno sulfurado. Nos cabos isolados em papel exige-se uma capa metlica do tipo contnuo. O chumbo e alumnio so os mais empregados e so protegidos contra corroso por uma cobertura de PVC ou polietileno.

  • 21

    Figura 5.5.1. Proteo no-metlica.

    Protees metlicas : Tem a funo de armao nas instalaes sujeitas a danos mecnicos. As mais usadas so: armaes de fitas planas de ao aplicadas helicoidalmente; armaes de fita de ao ou alumnio aplicadas transversalmente, a qual confere boa flexibilidade ao cabo.

    Figura 5.5.2. Proteo metlica.

    5.6. Efeito Cortical: (Skin Effect)

    A resistncia eltrica que um fio ou cabo oferece a circulao de correntes alternada maior que a oferecida corrente contnua considerando o mesmo condutor, embora a resistividade seja a mesma para uma mesma temperatura.

    Este fenmeno, denomina-se efeito cortical ou efeito pelicular e tanto mais acentuado quanto maior for a seo do condutor e mais elevada a frequncia da corrente; variando tambm com a temperatura do condutor.

    A corrente alternada produz fluxos magnticos alternados, os quais induzem foras eletromotrizes tambm alternadas no prprio condutor. As f.e.m. induzidas influem sobre a distribuio da corrente no condutor, a qual no uniforme como no caso da corrente contnua, havendo uma concentrao de corrente na periferia e menor densidade na parte central do condutor.

    Figura 5.6.1.

    sendo:

    J : densidade de corrente aumenta do centro para a periferia.

    Por exemplo, para um tipo de condutor a resistncia a 25 0C para corrente contnua da ordem de 0,018 /km; j para corrente alternada com frequncia de 60 Hz a resistncia

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    0,024/km. Valor este que varia com a variao da frequncia. Se fosse 50 Hz seria 0,022 /km.

    A relao entre a resistncia corrente alternada de uma certa frequncia e a resistncia do mesmo condutor corrente contnua chamada coeficiente para efeito cortical.

    Com a finalidade de reduzir o efeito cortical so empregados condutores ocos (tubos) ou cabos formados de fios de cobre ou alumnio torcidos sobre um ncleo de cnhamo ou sobre um tubo formado sobre uma espiral de ao.

    Figura 5.6.2.

    Em altas tenses este aumento do dimetro evita tambm o efeito corona. Uma reduo considervel no efeito pelicular pode ainda ser obtida empregando-se vrios

    condutores ligados em paralelo, em cabos separados ou no mesmo cabo.

    A figura apresenta um cabo de um s condutor dividido em quatro setores isolados entre si por uma fina camada de papel impregnado de leo. O isolamento do conjunto adequado para a tenso de servio muito maior que o isolamento entre os setores.

    Figura 5.6.2.

    6. MATERIAIS ISOLANTES

    6.1. Campo Eltrico

    Nas proximidades de um corpo eletrizado possvel observar certos fenmenos de atrao e repulso de outros corpos.

    Um corpo eletrizado pode ser considerado como aquele que possui uma certa quantidade de eletricidade. A quantidade de eletricidade que se admite existir em um corpo eletrizado a carga eltrica deste corpo.

    Analisando do ponto de vista eletrnico, um corpo carregado positivamente apresenta uma deficincia de eltrons em relao ao estado normal, no eletrizado ou neutro. A carga negativa corresponde a um excesso de eltrons.

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    Define-se, portanto, campo eltrico como a regio do espao nas proximidades de um corpo eltrico onde so observados fenmenos eltricos.

    6.2. Dieltricos

    possvel observar a ao de um corpo eletrizado sobre outros corpos efetuando experincias. As substncias, atravs das quais o campo eltrico pode se manifestar, so chamadas dieltricos.

    Todas as substncias dieltricas so isolantes, no se comportando todas do mesmo modo quando submetidas a uma diferena de potencial.

    O comportamento do dieltrico depende do nvel mximo de tenso aplicado no podendo ultrapassar este determinado valor. Caso isto acontea o dieltrico perde suas caractersticas isolantes e acontece o fenmeno da ruptura em dieltricos.

    6.3. Vcuo

    Considere o circuito mostrado na Figura 6.3.1., onde as duas placas metlicas paralelas PP' encontram-se em um recipiente no qual se obtm um vcuo to perfeito quanto possvel.

    Figura 6.3.1.

    Pela chave K1 liga-se o polo positivo de E placa P, circulando uma corrente i1, que cessa aps um certo tempo estando aberta K2.

    A corrente i1 a corrente de carga do capacitor formado pelas placas PP' e pelo vcuo. Abrindo K1 no existe corrente. Fechando K2 (K1 permanecendo aberta) h a circulao de uma corrente i2 da placa P a P' atravs da resistncia R. Esta a corrente de descarga do condensador, de sentido contrrio a i1 e de curta durao.

    Se for empregado o mesmo dispositivo, mas com as placas PP' separadas por uma outra substncia isolante que no for o vcuo, so observados diversos fenmenos dependendo do isolante empregado.

    6.4. Dieltrico sem Absoro

    Usando o enxofre como isolante e as chaves K1 e K2 estando inicialmente abertas, ao fechar K1 observa-se a circulao de uma corrente i1 de curta durao;

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    possvel observar uma outra corrente i3 de mesmo sentido que i1 e que persiste enquanto a bateria estiver ligada;

    A corrente i3 a corrente de fuga do dieltrico; ela parte do polo positivo da bateria, passa pela chave K1, placa P, dieltrico, placa P', voltando ao polo negativo da bateria. No incio tem-se a superposio de i1 e i3 e depois somente i3;

    Ao abrir K1 e mantendo K2 aberta, cessam todas as correntes no circuito externo ao condensador; P continua positiva, P' negativa e a corrente de fuga i3 persiste pelo dieltrico diminuindo medida que diminui a diferena de potencial entre P e P'. Passado um certo tempo suficiente a ddp se anular;

    Fechando K2, aps abrir K1 (antes de decorrido tempo suficiente para descarga do condensador pela corrente de fuga), observa-se a circulao da corrente de descarga i2, atravs da resistncia R, cessando rapidamente para pequenos valores de R.

    6.5. Dieltricos com Absoro

    Empregando agora a mica como isolante e repetindo as experincias anteriores, com a chave K2 aberta, ao se fechar K1 observa-se uma corrente que cresce rapidamente at um mximo, decresce rapidamente a princpio e depois lentamente at atingir um valor constante.

    Como no caso anterior, a corrente total compreende a corrente de carga i1 e a corrente de fuga i3; mas existe ainda um terceiro componente da corrente total: a corrente de absoro i4.

    A corrente de carga anula-se rapidamente e persistem as correntes de fuga i3 e de absoro i4; esta corrente vai decrescendo at anular-se ao fim de um tempo que pode ser muito longo, persistindo i3.

    Mantendo K2 aberta, ao abrir K1 o fenmeno semelhante ao anterior: a corrente de fuga continua de P para P' pelo dieltrico enquanto houver ddp entre as placas.

    Fechando K2 aps abrir K1, observa-se atravs de R uma corrente que atinge rapidamente um valor elevado, decrescendo em seguida na mesma velocidade e depois cada vez mais lento. Essa corrente total possui dois componentes: i2 correspondente a i1, e i5 a i4.

    Para que i5 se anule pode requerer um tempo muito elevado, enquanto que i2 se extingue rapidamente.

    Caso K2 seja aberta antes de i5 se anular e seja fechada algum tempo depois, observa-se novamente a circulao de i5, que pode apresentar um valor mais elevado que o observado ao abrir K2.

    Aps o novo fechamento de K2, a descarga continua decrescendo cada vez mais lentamente; i5 a corrente anmala ou corrente residual; corresponde a uma carga durante um certo tempo depois de ligadas as placas.

    A corrente de absoro i4, e residual i5 correspondem ao fenmeno denominado absoro dieltrica.

    Algumas substncias como a mica, ao fim de um tempo suficientemente longo, devolvem toda a carga eltrica acumulada, sendo i3 a corrente de fuga desprezvel; apresentando absoro reversvel.

    Outras substncias isolantes (impuras ou contendo umidade) devolvem somente parte da carga absorvida; apresentam absoro irreversvel.

    De acordo com este comportamento, pode-se classificar os dieltricos como: - dieltricos sem absoro: gases, enxofre;

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    - dieltricos com absoro reversvel: mica, borracha dura;

    - dieltricos com absoro irreversvel: substncias impuras ou contendo umidade.

    6.6. Constante Dieltrica

    A capacitncia C de um condensador possuindo um dieltrico qualquer definida pela relao:

    C = Q / V (6.6.1.)

    sendo:

    Q : carga eletrosttica ou quantidade de eletricidade recebida pelo condensador;

    V : ddp aplicada entre as placas;

    Para o mesmo condensador substituindo o isolante pelo vcuo C0 = Q0 / V (6.6.2)

    sendo :

    kd : C / C0 a constante dieltrica da substncia considerada.

    6.7. Rigidez Dieltrica

    Aumentando a ddp entre as placas, aumenta a quantidade de eletricidade Q recebida pelo condensador.

    Ao atingir um certo valor V, o dieltrico deixa bruscamente de funcionar como isolante, sendo atravessado por uma corrente eltrica. O valor da ddp correspondente, referido a unidade de espessura do dieltrico, kV / mm a resistncia dieltrica ou rigidez dieltrica. O valor da resistncia dieltrica de uma certa substncia isolante depende de vrios fatores, entre os quais:

    - Espessura do dieltrico;

    - Forma do corpo de prova;

    - Temperatura;

    - Durao da aplicao da ddp;

    - Velocidade de crescimento de V;

    - Frequncia (ddp alternada).

    Na Tabela 6.7.1 apresentam-se constante dieltrica e a rigidez dieltrica de alguns isolantes:

    Tabela 6.7.1. Constante dieltrica e rigidez dieltrica de materiais isolantes.

    Material Constante Dieltrica Rigidez Dieltrica kV/cm Ar 1,006 30

    leo mineral 2,1 80 a 200

    gua 80

    Quartzo fundido 3,9 600

    Mica 5,4 600

    Vidros 4 a 10 75 a 300

  • 26

    6.8. Resistncia de Isolamento

    Quando dois condutores so separados por um material isolante, ao se aplicar uma ddp entre os dois condutores corresponde a circulao de uma corrente de fuga;

    A resistncia eltrica oferecida a circulao dessa corrente o que se chama resistncia de isolamento;

    A corrente de fuga pode seguir dois caminhos diferentes: um atravs da massa do isolante e o outro pela superfcie;

    Desta forma distinguem-se a resistncia de isolamento volumtrica e a resistncia de isolamento superficial;

    Conforme o tipo de condutor industrial empregado cada uma dessas resistncias tem um nvel de importncia;

    Por exemplo, em um cabo isolado, a corrente de fuga passa inteiramente atravs do isolante; a resistncia de isolamento superficial no precisa ser considerada;

    Em uma linha area, onde os condutores nus so suportados por isoladores de porcelana, importante considerar a corrente de fuga superficial;

    Para os isolantes, a resistividade diminui com a temperatura; o coeficiente de temperatura negativo para a resistncia;

    A resistividade superficial depende da condutibilidade de uma camada de umidade, as vezes contendo poeiras depositada sobre a superfcie do isolante.

    6.9. Representao Esquemtica de um Isolante

    Um isolante real, Figura 6.9.1, situado entre os pontos A e B de um circuito eltrico pode ser representado pelo esquema da figura. R1 corresponde a perda dieltrica i12R1; a corrente de carga e de absoro i1 atravessa C e R1; R2 corresponde a corrente de fuga i2. Em um dieltrico perfeito R1 = 0 e R2 = .

    Figura 6.9.1.

    Isolante : o material de baixa condutividade no qual o fluxo de corrente que o atravessa, resultante da ddp aplicada desprezvel. A condutividade dos isolantes da ordem de 10-20 a 10-9 -1 / cm.

    Dieltrico perfeito : o material isolante ou isolador entre duas superfcies metlicas, no qual toda a energia requerida para estabelecer um campo eltrico retorna ao sistema gerador, quando retira-se o campo. Sua condutividade nula, o caso do vcuo que o nico dieltrico perfeito conhecido.

    Dieltrico real : o material isolante no qual parte da energia requerida para o estabelecimento do campo atravs dele no retorna ao sistema quando o campo removido; esta energia convertida em calor conhecida

  • 27

    como perda no dieltrico e seu valor caracterizar a qualidade do dieltrico. A maioria dos dieltricos no se torna completamente polarizado no instante em que se aplica o campo eltrico, isto os dipolos da estrutura necessitam de um certo tempo para se orientarem.

    6.10. Emprego dos Materiais Isolantes

    A escolha do material isolante feita em funo das propriedades de cada um e do custo. Devem ser consideradas as propriedades: - Mecnicas : resistncia a trao, compresso, cisalhamento, impacto, porosidade,

    absoro de umidade, dureza, facilidade de trabalho;

    - Eltricas : resistncia de isolamento, resistncia dieltrica, absoro dieltrica;

    - Qumicas : estabilidade de composio, resistncia aos cidos, lcalis, ao calor, oznio, corroso e umidade, combustibilidade;

    - Trmicas : resistncia trmica, calor especfico, coeficiente de dilatao, ponto de fuso.

    Tabela 6.10.1. Constante dieltrica e rigidez dieltrica de materiais isolantes.

    Material Rigidez Dieltrica kV/cm Constante Dieltrica

    Ar 30 1,006

    Titanato de brio 40 103 a 104

    Ebonite 200 3

    Mica 600 5,5 a 9

    Porcelana - 7,5

    Quartzo - 3,8

    Polietileno 400 2,25

    Teflon 800 2

    leo de transformador 250 2,1

    Hexafluoreto de enxofre (SF6) 100 -

    7. POLARIZAO DE DIELTRICOS 7.1. Introduo

    Nos materiais condutores, os eltrons da ltima camada so facilmente arrancados, principalmente se estiverem sob a influncia de um campo eltrico, migrando facilmente de tomo para tomo.

    J nos dieltricos, onde os eltrons esto bem presos, estes no so facilmente arrancados pela aplicao de campos eltricos comuns, permanecendo nas suas posies de equilbrio.

    7.2. Polarizao

    Quando se coloca um dieltrico na presena de um campo eltrico, observa-se que h um ligeiro deslocamento dos eltrons em relao aos seus ncleos, de maneira que os tomos

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    individuais se comportam como pequenos dipolos atmicos, embora no haja migrao de carga.

    Na presena destes dipolos atmicos, diz-se que o dieltrico est polarizado ou que est num estado de polarizao.

    Removendo o campo eltrico, os dipolos desaparecem e os tomos retornam ao seu estado normal.

    Considere a representao de um tomo de um material dieltrico por um dipolo eltrico, uma carga pontual positiva representando o ncleo e uma carga pontual negativa representando a carga eletrnica, estando separados por uma pequena distncia.

    Os eltrons giram em rbitas ao redor do ncleo e agem como uma nuvem carregada negativamente circundando o ncleo, e o tomo estando despolarizado, a nuvem circunda o ncleo simetricamente e o momento de dipolo zero.

    Figura 7.2.1.

    Sob a influncia de um campo eltrico a nuvem de eltrons fica ligeiramente deslocada ou assimtrica, e o tomo polarizado.

    Figura 72.2.

    Figura 7.2.3. Dipolo equivalente.

    Considera-se a barra dieltrica da figura situada no vcuo. Aplica-se um campo eltrico E uniforme, normal barra, que ao polarizar induz dipolos atmicos em toda a barra. No interior da barra, os dipolos adjacentes anulam os efeitos das cargas positivas e negativas. Assim a polarizao produz uma camada de carga negativa numa superfcie e outra positiva na outra.

  • 29

    Figura 7.2.4.

    O efeito dos dipolos atmicos pode ser descrito pela polarizao P ou momento de dipolo por unidade de volume:

    P = p / V = (Q d ) / V (7.2.1)

    sendo:

    p : momento de dipolo

    = Q d

    Considere o volume retangular da figura em que A a rea da superfcie e L a espessura:

    V = A. L (7.2.2)

    P = p / V = (Q L) / (A L) = Q / A = sp (7.2.3)

    sendo:

    sp : a densidade superficial de carga de polarizao que aparece nas faces da barra; P tem dimenso de carga por rea.

    Para definir P num ponto supe-se que o dieltrico na presena do campo eltrico tem uma distribuio contnua de dipolos infinitesimais, isto uma polarizao contnua, apesar de que os dipolos so tomos discretos polarizados.

    Esta suposio no leva a erros pois se est trabalhando com regies microscpicas. Assim o valor de p num ponto pode ser definido como:

    P = Vp

    lim0V (7.2.4)

    A aplicao do campo faz com que as cargas positivas se movam na direo do campo e as cargas negativas na direo contrria.

    Retirado o campo as cargas retornam ao seu estado inicial e os dipolos perdem a sua orientao devido as flutuaes trmicas.

    Considere agora um campo eltrico uniforme aplicado num capacitor de placas paralelas separados por uma distncia d.

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    Figura 7.2.5.

    Na parte superior o meio o vcuo com permissividade 0, a parte inferior contm uma barra dieltrica de permissividade .

    D0 = 0 E (7.2.5) sendo:

    D : densidade de fluxo eltrico (c/m2);

    0 : permissividade do vcuo; 0 = 8,85 x 10-12 F/m; E : intensidade de campo eltrico (V/m);

    E = V/d (7.2.6)

    V = b

    adLE (7.2.7)

    o qual trabalho realizado por uma fonte externa ao mover uma carga unitria positiva de um ponto ao outro em um campo eltrico. Trabalho realizado ao movimentar de b para a, porque b frequentemente tomado no e a uma posio fixa.

    Na parte inferior, o campo eltrico polariza o dieltrico forando o aparecimento de cargas sp em ambas as faces da barra dieltrica.

    Estas cargas induzem cargas livres de sinais contrrios nas placas do capacitor que traz como consequncia um aumento na densidade superficial de cargas livres.

    Assim, no dieltrico tem-se: sp0 ED

    (7.2.8)

    Mas, como sp = P, ento: PED 0

    (7.2.9) Esta uma equao vetorial de aplicao geral, apesar de ter sido desenvolvida para o caso

    de um capacitor de placas paralelas.

    No dieltrico: ExD

    (7.2.10) sendo:

  • 31

    : permissividade do dieltrico;

    EP

    PEE

    0

    0

    (7.2.11)

    ou:

    0EP

    .

    que tambm pode ser escrita como:

    0EP

    sendo:

    : suceptibilidade eltrica, = r - 1, onde r = permissividade relativa. No vcuo = 0 e r = 1

    Nos meios isotrpicos, P e E esto na mesma direo, e o seu quociente um escalar.

    Nos meios anisotrpicos, como os cristais, P e E no esto na mesma direo, e portanto no mais um escalar.

    PED 0 ( uma expresso mais geral) (7.2.12).

    ED ( uma expresso concisa, apenas para os meios isotrpicos). (7.2.13)

    8. RUPTURA EM DIELTRICOS

    8.1. Introduo

    Um dieltrico na presena de um campo eltrico pode perder suas propriedades de isolante se a intensidade do campo exceder um certo valor crtico. Este fenmeno conhecido como ruptura do dieltrico e a tenso na qual isto ocorre a tenso de ruptura ou tenso disruptiva.

    A resistncia dieltrica determinada pela tenso de ruptura referida a espessura do dieltrico no ponto de penetrao

    Ebr = Vbr / h (8.1.1)

    sendo:

    Ebr : resistncia dieltrica;

    Vbr : tenso de ruptura;

    h : espessura do dieltrico;

    A unidade comumente usada no SI MV/m, apesar da tenso ser dada em kV e a espessura em mm.

    O centelhamento num gs devido a coliso e a ionizao dos ftons. A ruptura em lquidos se origina de processos de ionizao. Nos dieltricos lquidos as

    falhas eltricas ocorrem devido a presena de impurezas.

  • 32

    A ruptura em slidos devido a processos trmicos e eltricos que ocorrem sob a ao de um campo eltrico.

    A ruptura eltrica est associada com o processo eletrnico que se desenvolve num campo eltrico muito intenso no momento da descarga e provoca um crescimento rpido e instantneo na densidade local de corrente.

    A ruptura trmica resulta de um decrscimo da resistncia do dieltrico devido ao seu aquecimento sob o efeito do campo eltrico. Neste processo a corrente efetiva cresce e causa aquecimento do dieltrico enquanto se rompe.

    Quando a tenso aplicada ao dieltrico for por um perodo muito longo, a ruptura pode ser causada por processos eletroqumicos que se desenvolvem no dieltrico sob a influncia do campo eltrico.

    A ruptura em gases um fenmeno puramente eltrico e, portanto, todos os dados numricos na descarga de gases se referem a tenses de pico. Como a ruptura de lquidos e especialmente nos slidos um processo trmico, os valores numricos da tenso de ruptura se referem a valores efetivos ou rms, quando o campo alternado atua no dieltrico.

    8.2. Ruptura em Gases

    O ar serve como isolante externo em vrios equipamentos eltricos, tais como: transformadores, linhas de transmisso, capacitores.

    Em condies normais, a resistncia dieltrica do ar baixa comparada com a resistncia dieltrica de muitos dieltricos lquidos ou gasosos.

    Considere um gs cujas molculas esto no estado neutro, e uma pequena quantidade de eltrons e ons negativos e positivos no seu movimento na direo do campo eltrico.

    A energia adicional das partculas carregadas transferida s molculas com as quais elas colidem. Se esta energia for suficientemente alta, os tomos e molculas se tornam excitados e os eltrons se movem a distncias maiores que a sua rbita, at mesmo deixando estas rbitas naturais, formando o que se conhece como ons positivos. Estes ons acelerados vo colidir com as partculas neutras ionizando o gs.

    O potencial de ionizao definido por: Vi = Wi / q (8.2.1)

    sendo:

    Wi : energia de ionizao

    W = q V ; q carga eltrica;

    V : a tenso de queda em torno de um caminho livre . Se o campo for uniforme V = E. , onde E a resistncia do campo, portanto:

    W = E q (8.2.2)

    O potencial de ionizao para vrios gases est entre 4 e 25 V, que corresponde a uma energia de ionizao de 4 a 25 eV.

    Em alguns casos, o eltron acelerado no est apto a ionizar a molcula, somente levando a um estado de excitao. Num prximo momento, a molcula excitada libera sua energia excessiva por radiao, emitindo um fton. Ento outras molculas absorvem o fton e

  • 33

    assim inicia a ionizao, provocando uma descarga devido a rpida propagao da radiao.

    Considerando um entreferro de 1cm, o tempo necessrio para o incio da descarga ordem de 10-7 a 10-8 s. Quanto maior a tenso aplicada ao entreferro gasoso, menor o tempo de ataque da descarga.

    A descarga em gases depende do grau de uniformidade do campo eltrico. A resistncia dieltrica do ar como uma funo da distncia entre dois eletrodos mostrada

    na figura.

    Figura 8.2.1. Resistncia dieltrica do ar versus distncia entre eletrodos num campo uniforme.

    Em pequenas distncias entre eletrodos, a resistncia dieltrica cresce significativamente. Este fenmeno pode ser considerado pela dificuldade em fortalecer a descarga num

    pequeno entreferro.

    Sob condies normais de temperatura e presso a resistncia dieltrica do ar de 3,2 MV/m com os eletrodos separados de 1 cm e cresce at 70 MV/m num espaamento de 5 mm.

    A rigidez dieltrica de um gs depende bastante da densidade do referido gs, o que tambm pode ser dito, mantendo a temperatura constante, a rigidez dieltrica depende da presso do gs; Este fenmeno observado na Figura 8.2.2.

    Figura 8.2.2. Dependncia entre a rigidez dieltrica e a presso.

    Para campos homogneos, a tenso de ruptura de um gs depende bastante tambm da frequncia, conforme por ser observado na Figura 8.2.3.

  • 34

    Figura 8.2.3.

    Um campo no uniforme se forma entre dois pontos, ponto e plano, entre condutores de uma linha de transmisso, superfcies esfricas espaadas em uma distncia superior ao raio da esfera.

    Figura 8.2.4. Resistncia dieltrica do ar versus espaamento do entreferro num campo no-

    uniforme de diferentes polaridades.

    A caracterstica que distingue a ruptura de um gs num campo no uniforme a formao de uma descarga parcial, chamada corona, nos lugares onde a resistncia do campo alcana valores crticos; a descarga corona pode subsequentemente se modificar para uma centelha ou descarga em arco com tenso crescente.

    Em altas frequncias a tenso de ataque corona sempre coincida com a tenso de ruptura que cresce suavemente com a distncia entre os eletrodos. Mas em frequncias comerciais, a relao entre a tenso de ruptura e o espaamento do entreferro quase sempre linear.

    Figura 8.2.4. Resistncia dieltrica do ar versus espaamento do entreferro para vrias

    frequncias.

    A descarga atravs do ar perto de uma superfcie de um dieltrico slido chamada descarga de superfcie ou "flashover".

  • 35

    Esta descarga depende da forma do campo eltrico determinado pela configurao dos eletrodos e dieltrico, frequncia do campo, estado da superfcie do dieltrico e presso do ar.

    A umidade relativa do ar exerce uma grande influncia na tenso de "flashover" dos isoladores em baixas frequncias e tenses contnuas, e tem pouco efeito em frequncias de rdio. Assim um aumento na umidade relativa do ar de 60 a 80 ou 90% frequentemente dividem a tenso de "flashover" dos isoladores de cermica operando numa frequncia de 50 Hz.

    8.3. Ruptura em Lquidos

    Sob condies normais, os dieltricos lquidos tem uma resistncia dieltrica superior a dos gases. Mas quase impossvel se obter dieltricos absolutamente puros. As impurezas quase sempre presentes so gua, gases e partculas slidas, as quais so responsveis pela ruptura do dieltrico.

    O campo eltrico aplicado produz a emisso de eltrons da superfcie dos eletrodos metlicos que ento ionizam as molculas do lquido da mesma maneira que os gases. A resistncia dieltrica dos lquidos maior que a dos gases porque o caminho livre para os eltrons substancialmente menor.

    A ruptura atribuda ao sobreaquecimento local (devido a energia gasta nas bolhas de algum gs facilmente ionizvel) que leva a formao de canais gasosos entre os eletrodos.

    O efeito da gua por exemplo na resistncia dieltrica em leos de transformador, onde a gua no se mistura mas flutua sob a forma de gotas, na presena de um campo eltrico, se polarizam e formam canais de alta condutibilidade produzindo uma descarga eltrica entre os eletrodos.

    Figura 8.3.1. Resistncia dieltrica do leo em funo da quantidade de gua.

    A presena da gua no leo diminui sua resistncia dieltrica em temperaturas normais. Por exemplo, a purificao de impurezas nos dieltricos lquidos pode aumentar a resistncia dieltrica de 4 MV/m para 20 a 25 MV/m, para o caso dos leos de transformadores.

    A influncia negativa da elevao da temperatura sobre as propriedades isolantes faz com que o aquecimento que aparece em conseqncia das perdas reduzam a rigidez dieltrica em freqncias elevadas, principalmente em lquidos polares.

  • 36

    Figura 8.3.2. Resistncia dieltrica do leo de transformador em funo da temperatura.

    8.4. Ruptura em dieltricos slidos

    Podem-se distinguir quatro tipos: - ruptura eltrica em dieltricos homogneos (macroscpica);

    - ruptura eltrica em dieltricos heterogneos;

    - ruptura trmica;

    - ruptura eletroqumica.

    Cada um dos tipos ocorre em um dieltrico, e para o mesmo material depende das caractersticas do campo eltrico (AC ou DC, alta ou baixa frequncia), defeitos no cristal, tais como proximidade dos vazios, condies de resfriamento, perodo de ao da tenso.

    8.4.1 Ruptura eltrica em dieltricos homogneos

    Acontece muito rapidamente para intervalos de 10-7 a 10-8 s, e no depende da energia dissipada no dieltrico como calor, embora o calor afete de uma certa forma a resistncia dieltrica do material.

    A ruptura se d por um processo eletrnico no qual alguns eltrons iniciam uma avalanche eletrnica. Nos seus movimentos os eltrons espalham a energia que ganharam no campo eltrico causando vibraes elsticas na estrutura do cristal. Os eltrons que atingiram uma certa velocidade crtica se chocam com novos eltrons livres nas suas rbitas, desagregando o estado estacionrio e assim iniciando a ionizao por impacto (coliso) no corpo slido.

    Figura 8.4.1.1. Tenso de ruptura a 50 Hz versus espessura do vidro para um dos tipos de vidro

    comercial.

  • 37

    8.4.2 Ruptura Dieltrica em Dieltricos Heterogneos

    Ocorre na maioria dos dieltricos que contm impurezas gasosas. Como no caso homogneo, a ruptura ocorre muito rapidamente.

    A tenso de ruptura para dieltricos heterogneos expostos a campos externos uniformes ou no uniformes geralmente menor e difere pouco em magnitude.

    Figura 8.4.2. Tenso de ruptura x espessura do dieltrico para a porcelana.

    A resistncia dieltrica de dieltricos slidos praticamente independente da temperatura enquanto no atinge um certo ponto. Acima deste ponto a resistncia do dieltrico decresce acentuadamente, o que indicativo de um ataque da ruptura trmica.

    Na Figura 8.4.3. mostrada a dependncia da temperatura da resistncia dieltrica para a porcelana eltrica a frequncia de 50 Hz.

    Figura 8.4.3.

    A resistncia dieltrica baixa tpica para dieltricos com poros abertos, tais como mrmores, papel no impregnado, madeira e cermicas porosas. Os dieltricos slidos com poros fechados tais como cermicas densas tm uma resistncia dieltrica alta.

    Vazios gasosos em isoladores slidos so particularmente perigosos em altas frequncias. A resistncia dieltrica alta especfica para dieltricos de estruturas fechadas que no tem

    espaos preenchidos por gases. A este tipo pertencem a mica, papel impregnado com dieltrico lquido e vidros.

  • 38

    Tabela 8.4.1.

    Material Ebr eff (MV/m) Caracterstica

    Vidro 100 - 300 Dieltricos, densos e Homogneos Sal 100 150

    Mica 100 300

    Papel impregnado 100 300

    Filmes orgnicos 90 120

    Cermicas 10 - 30 Dieltricos heterogneos com poros fechados Micalex 10 15

    Plsticos com filtros 10 - 15

    Mrmore 4 - 5 Dieltricos com poros grandes abertos Cermicas porosas 1,5 2,5

    Madeira 4 - 6

    Papel no-impregnado 7 - 10

    8.4.3. Ruptura Trmica

    A ruptura eletrotrmica causada pelo aquecimento de um material na presena de um campo eltrico para temperaturas nas quais aparece no mnimo uma degradao local das propriedades eltricas isoladoras devido a uma alta corrente de fuga ou perdas dieltricas.

    A tenso de ruptura trmica depende da frequncia do campo, condies de resfriamento, temperatura ambiente.

    Redes em baixas frequncias usam materiais cujas tangentes de perdas crescem rapidamente mesmo em temperaturas em torno de 20-300C; por outro lado os materiais dieltricos so disponveis onde as tangentes de perdas variam pouco dentro de temperaturas acima de 150-2000C.

    A ruptura trmica nestes materiais se desenvolve somente quando a temperatura alcana este limite.

    Em altas frequncias, na maioria dos casos o calor removido por conveco atmosfrica. o caso dos isoladores de suspenso e de suporte, capacitores cermicos.

    A temperatura no deve exceder um valor crtico acima da qual ocorre a destruio trmica; para isso necessrio estabelecer uma tenso permissvel.

    8.4.4 Ruptura Eletroqumica

    Acontece principalmente a altas temperaturas, com alta umidade do ar e pode aparecer tanto em CC como CA em baixas frequncias como resultado do processo eletroltico que causa um decrscimo irreversvel da resistncia de isolao levando a ruptura do dieltrico.

    A ruptura eletroqumica um processo lento e est associada a um crescimento lento na conduo eltrica, ou seja uma liberao progressiva de substncias quimicamente ativas ou formao de compostos semicondutores. O material dos eletrodos tem uma grande influncia na progresso da ruptura eletroqumica em tenses CC e CA em baixas frequncias e condies de elevada temperatura e alta umidade do ar.

  • 39

    9. PROPRIEDADES MECNICAS E FSICO-QUMICAS

    9.1. Resistncia Umidade

    Os materiais eltricos isolantes so higroscpicos, num maior ou menor grau, ou seja, so capazes de absorver umidade do sistema. Outros so permeveis, isto a gua passa atravs do material. O ar atmosfrico contm sempre alguma quantidade de vapor de gua. A saturao do ar com vapor de gua varia com a temperatura.

    A gua um dieltrico polar com uma baixa resistividade, da ordem de 103-104 .m e quando penetra em dieltricos slidos porosos, piora suas propriedades eltricas. O efeito da umidade particularmente pronunciado em elevadas temperaturas (30-400C) e com altos valores da umidade relativa do ar (98-100%), principalmente em pases de clima tropical, estaes das chuvas, afetando a operao de equipamentos e mquinas eltricas.

    A umidade elevada do ar afeta a condutividade superficial de dieltricos. As partes isoladoras feitas de dieltricos slidos podem ser protegidas aplicando uma superfcie de vernizes repelentes a gua.

    A umidade aumenta a resistividade de volume de materiais porosos contendo impurezas solveis em gua.

    Figura 9.1.1. Resistividade de volume de um espcime seco com impurezas eletrolticas em funo

    da temperatura.

    Inicialmente, a resistividade cai em conseqncia do crescimento da decomposio das impurezas na gua. Depois cresce por causa da remoo da mistura e secagem, voltando a cair novamente em altas temperaturas.

    Para reduzir a higroscopicidade e permeabilidade de materiais isolantes porosos usa-se a impregnao, a qual somente diminui a absoro a umidade, mas no altera o valor da resistividade aps um tempo prolongado de exposio a umidade.

    Aps um tempo prolongado de uso de equipamentos eltricos em regies tropicais, pode haver um crescimento de fungos em dieltricos orgnicos. Isto pode decrescer a resistividade de superfcie, causar perdas dieltricas, diminuir a resistncia mecnica da isolao conduzindo corroso de partes metlicas adjacentes. Os materiais mais vulnerveis so celulose, incluindo aqueles impregnados, vernizes e os mais resistentes so os inorgnicos, cermicas, vidros, mica e alguns orgnicos como resinas epoxi, teflon, polietileno e poliestireno.

    Para torn-los mais resistentes comum introduzir alguns fungicidas que retardam seu crescimento, ou cobrir a isolao com vernizes contendo fungicidas. Os mais comuns contm nitrognio, cloro e mercrio.

  • 40

    9.2. Propriedades Mecnicas

    Resistncia trao, compresso e flexo so de grande importncia, visto que os materiais isolantes esto sujeitos a cargas mecnicas.

    A resistncia mecnica dos materiais anisotrpicos (laminados, fibrosos) depende grandemente da direo de aplicao da carga.

    importante observar que para uma variedade de dieltricos (vidros, cermicas, maioria dos plsticos, e outros), a resistncia compresso substancialmente maior que a trao e flexo, enquanto que nos metais da mesma ordem de grandeza.

    A resistncia mecnica de um nmero de dieltricos dependente da rea da seo transversal do espcime.

    A resistncia varia tambm com a temperatura, decresce com o aumento de temperatura. A dos materiais higroscpicos frequentemente dependente da umidade.

    Figura 9.2.1. Tenso de trao do polietileno de baixa densidade em funo da temperatura.

    A viscosidade uma caracterstica muito importante para lquidos e semi-lquidos, tais como leos, vernizes e componente de enchimento e impregnao.

    Figura 9.2.2. Relao tpica entre viscosidade e temperatura de um lquido.

    Associados viscosidade esto os conceitos de velocidade interna de deslocamento e resistncia dinmica de deslocamento, pois deles depende a facilidade de transferncia do calor recebido por esses isolante.

    9.3. Propriedades Trmicas

    As propriedades trmicas mais importantes so: resistncia trmica, resistncia frio, conduo de calor e expanso trmica.

  • 41

    9.3.1 Resistncia Trmica

    Qualidade dos materiais isolantes de resistirem a altas temperaturas sem falhas para um perodo de tempo longo ou curto.

    Nos dieltricos inorgnicos a caracterstica determinada por mudanas substanciais nas propriedades eltricas ou por um decrscimo na resistividade.

    Para dieltricos orgnicos esta caracterstica determinada pela deformao sob trao ou flexo.

    Por exemplo, a resistncia trmica de alguns materiais dada em funo da temperatura, determinando a estabilidade trmica:

    Ebonite : 65-750C

    Poliestireno : -70-850C

    Pertinax : 150-1800C

    9.3.2 Resistncia frio

    Em baixas temperaturas as propriedades eltricas dos materiais isolantes geralmente melhoram, mas alguns destes materiais, que so flexveis e elsticos em temperaturas normais, se tornam quebradios a baixas temperaturas diminuindo a confiabilidade de isolao.

    As temperaturas as quais os materiais devem estar sujeitos so de -600C a -700C. 9.3.3 Conduo Trmica

    A energia trmica dissipada devido a perdas em condutores isolados ou ncleos magnticos e tambm devido as prprias perdas dieltricas na isolao, passam nas vizinhanas destes e outros materiais permitindo a conduo trmica. A conduo trmica afeta a resistncia dieltrica durante a ruptura trmica, e a resistncia dos materiais a choques trmicos.

    Os valores da condutividade trmica para alguns dieltricos se encontram na Tabela 9.3.3.1.

    Tabela 9.3.3.1.

    Material Condutividade Trmica (/m oK)

    Ar (entreferro) 0,05

    Betume 0,07

    Papel 0,10

    Vernizes 0,13

    gua 0,58

    Quartzo fundido 1,25

    Porcelana 1,6

    Esteatita 2,2

    Quartzo cristalino 12,5

    Alumina 30

    Magnsia 36

    Berilio 218

  • 42

    A expanso trmica de dieltricos estimada pelo coeficiente de expanso linear da temperatura.

    Materiais com um baixo valor deste coeficiente mostram uma alta resistncia trmica e vice-versa.

    A tabela exemplifica os valores de alguns coeficientes de expanso trmica dentro de uma faixa de temperatura de 20-1000C. Os dieltricos orgnicos tm altos valores de coeficiente de expanso trmica quando comparados aos inorgnicos. Isto em conseqncia das partes feitas de materiais inorgnicos oferecerem um aumento na estabilidade de suas dimenses durante flutuaes de temperatura.

    Tabela 9.3.3.2.

    Material x 106 (K-1) Polivinilacetato 265

    Polietileno 145

    Acetato de celulose 120

    Nylon 115

    Politetrafluoretileno 100

    Nitrocelulose 100

    Poliestireno 68

    Polivinil 64

    Resinas epoxi 55

    Mica 37

    Vidro Slica 9,2

    Cermicas 7

    Esteatita 6,6

    Porcelana 3,5

    Quartzo fundido 0,55

    9.4. Propriedades Qumicas

    O conhecimento das propriedades qumicas essencial para estimar sua confiabilidade de operao e processos de produo.

    Quando em operao por um longo perodo, os dieltricos no devem se degradar; no induzir corroso em partes metlicas adjacentes; no reagir com gua, gases, cidos, lcalis e solues salinas. Os dieltricos diferem substancialmente um do outro em resistir a ao destas substncias.

    Devido ao alto tempo de exposio a radiaes, importante conhecer o grau no qual o material estvel radiao e sua qualidade de manter as propriedades mecnicas e eltricas.

  • 43

    10. ALGUNS MATERIAIS DIELTRICOS

    10.1. Introduo

    O nmero de materiais isolantes usados comercialmente chega a milhares. As propriedades dos materiais so requisitos para seu uso nos diversos equipamentos. Os materiais podem ser classificados pelo seu estado de agregao e subdivididos em

    substncias slidas, lquidas e gasosas. Pela sua natureza qumica so classificados em orgnicos e inorgnicos.

    Alguns materiais apresentam superioridade em certos casos e em outros inadequados. Por exemplo, a porcelana excelente para linhas areas pelas suas propriedades dieltricas, qumicas e mecnicas, mas inadequada aos cabos isolados pela falta de flexibilidade.

    A borracha apresenta excelentes qualidades qumicas, mecnicas e eltricas, mas no resiste a altas temperaturas, atacvel pelos leos e pelo oznio.

    O fato de um material apresentar propriedades eltricas muito superiores a outras (alta resistncia dieltrica, alta resistividade, baixas perdas), no suficiente para determinar o seu emprego se no tiverem propriedades qumicas e mecnicas adequadas. As substncias orgnicas alm de outras, so deteriorveis.

    10.2. Isoladores de Vidro e Porcelana

    As propriedades do vidro variam de acordo com sua composio e seu tratamento trmico. A resistncia compresso muito maior que trao.

    Os vidros como outras substncias amorfas no tm um ponto de fuso definido e com aquecimento a viscosidade decresce gradualmente.

    Os vidros de slica so resistentes a cidos. A solubilidade do vidro cresce com a temperatura.

    Em temperaturas normais a resistividade de 106 a 1015 .m, e a permissividade, de 3,8 a 16,2.

    As cermicas formam uma larga variedade, com diferentes propriedades dependendo do seu propsito.

    Figura 10.2.1. Resistividade do vidro em funo de sua composio.

  • 44

    Muitos dos materiais cermicos tm alta resistncia mecnica, alta resistncia trmica, perdas dieltricas pequenas.

    A porcelana feita de argilas especiais de grande pureza e outros materiais como quartzo e feldspato.

    O aquecimento serve para remover toda a gua e tornar a estrutura mais compacta durante o processo de fabricao.

    Os isoladores classificam-se basicamente como isoladores de suspenso para altas tenses e de pino para baixas tenses. Outros tipos so usados em transformadores, conectores, disjuntores de chaveamento e em linhas telefnicas.

    10.2.1 Tenso de Descarga

    a caracterstica eltrica bsica dos isoladores usados em alta tenso. a tenso que aparece entre os eletrodos atravs do isolador. Pode-se distinguir dois tipos, tenso de descarga a seco, e tenso de descarga mida. A primeira a que acontece atravs dos eletrodos sob condies normais, e a segunda em condies de chuva, mesmo chuva simulada.

    A tenso a seco maior em mdulo que a sob chuva, e esta tenso d uma idia do comportamento do isolador sob chuva. tambm de interesse a tenso de ruptura atravs do corpo do isolador, a qual obtida simulando vrias situaes.

    A tenso de ruptura para alguns isoladores est entre 110 e 130 kV. Os isoladores resistem a temperaturas de 1300 a 13500C para alguns componentes de

    subestaes e at 14100C para linhas de alta tenso.

    10.2.2 Caractersticas dos Isoladores

    As nervuras e saias tm por finalidade aumentar o percurso, para reduzir a corrente de fuga superficial do condutor para o suporte que corresponde a resistncia de isolamento.

    Em um isolador estabelecido um campo eltrico entre o condutor e o suporte; parte do fluxo atravessa somente a porcelana ou o vidro e outras linhas de fluxo dirigem-se somente pelo ar. O campo eltrico no ar influenciado pela forma do isolador, cujo material apresenta elevada permissividade.

    Existindo um cilindro de porcelana o campo modificado. A um meio de permissividade mais elevada corresponde uma densidade de fluxo maior; como todo fluxo que atinge o cilindro de porcelana atravessa o ar, nas suas proximidades a densidade maior do que nas regies afastadas; consequentemente junto ao cilindro a intensidade de campo eltrico ainda maior.

    Ao longo de uma diretriz do cilindro, o campo eltrico no ar, tambm mais intenso que antes de introduzi-lo, podendo se ter uma descarga disruptiva contornando o cilindro.

    Pequenas nervuras: considervel aumento da intensidade do campo no ar. Grandes nervuras: no provocam este fenmeno.

  • 45

    Figura 10.2.2.1. Isolador de pino.

    A ddp estabelecida entre o fio metlico AA' de amarrao do condutor e o pino metlico T. Se estivessem em um meio dieltrico homogneo, as linhas do campo eltrico teriam o aspecto da figura, e caso s funcionassem a seco, a sua superfcie coincidiria com as linhas de fluxo A'B'. Com a chuva, a resistncia eltrica superficial reduzida, recorrendo-se as saias para alongar a linha de fuga e impedir que a chuva forme um percurso molhado contnuo. Quando molhadas as superfcies superiores das saias comportam-se como superfcies equipotenciais; as linhas de fluxo partindo da superfcie superior da saia superior, atravessam as demais saias e os intervalos de ar; a posio das saias deve adaptar-se s superfcies de nvel tericas.

    Figura 10.2.2.1 Direo da descarga num isolador de pino testado para resistncia de

    "flashover".

  • 46

    sendo:

    AB, CD, EF- pores da superfcie do isolador molhado pela chuva.

    10.3. leos

    O leo de transformador o lquido mais comum dos dieltricos lquidos empregados na engenharia eltrica. Tem dois objetivos, o primeiro, preencher os poros fibrosos e os entreferros entre os enrolamentos condutores e os espaos entre o tanque e assim aumentar a resistncia do dieltrico da isolao; segundo, facilitar a remoo do calor dissipada pelas perdas nos enrolamentos e no ncleo magntico.

    Tem uma colorao amarelo-preta e formado de vrios hidrocarbonos e so inflamveis. Os leos de capacitores servem para impregnao dos papis de capacitores, especialmente

    os capacitores de potncia para compensar mudana de fase em circuitos indutivos. So similares aos de transformador, mas requerem um cuidado especial na limpeza com absorventes.

    Os leos para cabos servem como impregnantes dos papis usados nestes cabos. Aumentam a resistncia dieltrica do papel e tambm ajudam a remover o calor devido as perdas dieltricas.

    10.4. Lquidos Sintticos

    So superiores em algumas propriedades aos leos de transformador. Os mais importantes so os clorohidrocarbonos ou "askareis", os quais tem como desvantagens serem altamente txicos, tanto na forma lquida como seus vapores, o que faz com que seja proibido o uso em muitos pases.

    Os silicones lquidos tm baixa higroscopicidade, baixas perdas dieltricas e resistncia trmica realada. Devido ao seu alto custo, sua aplicao limitada.

    Os fluorcarbonos lquidos tem uma baixa perda dieltrica, higroscopicidade desprezvel e alta resistncia trmica. Baixa viscosidade, tenso de superfcie pequena que favorece a impregnao, alto coeficiente de temperatura para expanso volumtrica e alta volatilidade.

    10.5. Resinas

    So substncias orgnicas slidas ou semi-slidas, amorfas, de origem animal, vegetal, mineral ou sinttica. Solveis no ter e no lcool mas no na gua.

    So usadas na impregnao de materiais fibrosos ou na preparao de materiais moldados, onde so empregados dissolvidos, outras so fludos para serem usados diretamente secando no ar ou no forno.

    As resinas sintticas so dentre outras: poliolefinas, poliestireno, lcool polivinlico, fluorcarbonos, resinas termoplsticas, fenolformaldedo, resinas de poliester, resinas epoxi, resinas de silicone.

    As resinas naturais podem ser a goma laca, breu (resina de pinheiro) e o mbar: Goma laca : = 1013 a 1015 .m 3,5 Breu : = 1012 a 1013 .m mbar : = 1015 a 1017 .m = 2,8.

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    10.6. Vernizes

    So obtidos pela dissoluo de resinas ou gomas em lcool ou leo. Devido sua aplicao podem ser divididos em vernizes impregnantes, de recobrimento e

    adesivos.

    Tambm so usados os esmaltes que so vernizes pigmentados ou tintas esmaltadas. Os vernizes adesivos so usados como cimento na junta de materiais isolantes com metais. Os chamados compostos diferem dos vernizes por no conterem solventes. Consistem de

    vrios leos, resinas, betumes.

    Se eles estiverem inicialmente no estado slido, devem ser aquecidos at atingirem uma viscosidade suficiente. So usados como impregnantes e em enchimento.

    10.7. Plsticos

    So importantes pela sua capacidade de tomar formas de acordo com um molde quando sob presso. So usados como isolantes e como materiais de construo.

    So geralmente formados por um aglutinante que um polmero orgnico, capaz de ser deformado sob presso e um enchimento que se adere ao aglutinante que pode estar na forma de p, fibras e outros como algodo, asbesto, fibra de vidro, mica, papel.

    Podem ser classificados ainda como termoplsticos que podem ser dissolvidos aps moldagem que so os polivinil, derivados de celulose e resinas poliamidas, e os termofixos os quais aps a ao do calor durante a moldagem passam para um estado insolvel. Cita-se os baseados em fenolformaldedo, carbamida e outras resinas termofixas.

    Os plsticos laminados so aqueles onde vrios materiais fibrosos produzidos em lminas servem como enchimento. Incluem o pertinax (baquelite laminada) e textolite (resina laminada). A baquelite um formaldedo que reage com uma molcula de fenol formando uma resina termofixa.

    10.8. Elastmeros:

    De grande importncia numa variedade de aplicaes industriais. As borrachas naturais so provenientes das rvores (seringueiras), no so a prova d'gua,

    so quebradias a baixas temperaturas e se tornam deformveis acima de 500C. A vulcanizao (tratamento feito com enxofre) melhora sua resist6encia trmica a frio, sua resistncia mecnica e a solventes.

    A borracha natural tem = 1014 .m e = 2,4. Suas propiedades dependem da composio e do processo de fabricao.

    As borrachas usadas em isolao tem 1013.m, permissividade entre 3 a 7, resistncia dieltrica de 20 a 30 MV/m.

    As borrachas sintticas so derivadas do petrleo e apresentam qualidades superiores como serem quimicamente inertes e resistirem a umidade.

    Cita-se o butadieno, o butadieno-estireno, butil, cloropreno, nitrila, e borrachas de silicone as quais tem uma alta resistncia trmica (2500C) e boa resistncia a frio (-70 a -1000C), mas baixas propriedades mecnicas, fraca estabilidade a cidos e muito dispendiosa.

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    10.9. Mica

    Alta resistncia dieltrica, resistncia trmica, resistente a umidade, boa resistncia mecnica e flexibilidade, muito usado em isolaes de alta tenso, mquinas eltricas, incluindo os grande turbogeradores, geradores hidrulicos, e tambm como dieltrico em certos capacitores.

    um mineral encontrado na natureza e sua composio qumica varivel. 106 a 108 .m 11 a 16 ou 23 a 46. MICALEX um plstico fortemente preenchido com mica, e como aderente vidro pastoso.

    Tem alto custo devido ao seu processo de fabricao ser muito difcil.

    = 1010 a 1012 .m; = 6 a 8,5; resistncia dieltrica: 10 a 20 MV/m.

    10.10. Betume

    So materiais amorfos que consistem de misturas complexas de hidrocarbonos e contm alguma quantidade de oxignio e enxofre.

    So de cor preta ou marrom escuro, quebradios em baixas temperaturas. So solveis em hidrocarbonetos, mais especificamente no benzeno e tolueno do que na gasolina, instvel em leos, insolvel no lcool e na gua, baixa higroscopicidade e praticamente impermevel na gua.

    Permissividade de 2,5 a 3.

    Ebr de 10 a 25 MV/m

    Resistividade de 1013 a 1014 .m So empregados na produo de vernizes e compostos.

    10.11. Asbesto

    o nome geral de uma variedade de fibras minerais. Ocorrem na rocha na forma de veios consistindo de fibras que correm paralelas umas s outras. A vantagem que oferecem sobre as fibras orgnicas sua alta resistncia trmica. Seu ponto de fuso 11500C e em temperaturas entre 400 a 5000C se degradam a resistncia mecnica. Possuem alta higroscopicidade que pode ser diminuda pela impregnao com resinas e betumes. As propriedades de isolao eltrica no so altas, por isso no so muito viveis em altas tenses e altas frequncias. s vezes contm certa quantidade de ferro, prejudicando suas propriedades isolantes.

    Encontram vasta aplicao em vrios campos da engenharia eltrica. As fibras so usadas em ls (torcidas em tramas a prova de fogo) em fbricas de produo de papel.

    Atualmente so substitudas pela fibra de vidro que tem alta resistncia trmica e melhor propriedade de isolao eltrica.

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    11. MATERIAIS MAGNTICOS MACIOS

    11.1. Introduo

    Os materiais magnticos macios ou doces possuem laos de histerese com superfcies relativamente pequenas, sendo utilizados na construo de dispositivos que trabalham com fluxos magnticos alternados ou variados. Por exemplo, os rels de acionamento rpido que devem promover um desligamento com resposta instantnea, as mquinas eltricas e os transformadores so construdos com materiais de lao de histerese de pequena rea. Constituem o grupo mais importante dos materiais magnticos.

    Sendo a perda por histerese proporcional a rea do lao, os aparelhos que funcionam com fluxos alternados tm suas perdas aumentadas em funo do tipo de material e da resistividade eltrica imposta, j que estes influenciam na propagao das correntes induzidas no material.

    11.2. Ferro

    Dentre os materiais magnticos, os ferros quimicamente puros, so os que apresentam melhores caractersticas quanto a sua rea do lao de histerese. Por seu preo elevado, o ferro substitudo por ligas, que apesar de serem inferiores podem oferecer um desempenho satisfatrio.

    O nquel e o cobalto so materiais ferromagnticos, mas so inferiores ao ferro quimicamente puro.

    Na Figura 11.2.1 mostra-se as variaes da densidade de fluxo e da intensidade de fluxo para o ferro, nquel e cobalto.

    Figura 11.2.1.

    O ferro que indicado para os dispositivos que funcionam em corrente contnua, possui baixa resistividade, o que faz com que as perdas por efeito Foucault sejam relativamente elevadas, quando alimentadas por correntes alternadas.

    Adicionando ao ferro quimicamente puro porcentagens variadas de silcio, as perdas no ncleo diminuem e as propriedades eltricas e magnticas destas ligas variam com as porcentagens da mistura.

    A adio de silcio diminui o valor da intensidade de campo necessria para a saturao, alterando a permeabilidade magntica e a rea do lao de histerese.

    A mais importante liga de ferro-silcio o hipersil e contm 3,25% de silcio. A partir de processos metalrgicos, esta estrutura magntica ganha orientao preferencial

    a propagao do fluxo.

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    Os materiais magnticos que possuem esta propriedade so chamados de materiais com gros orientados.

    Na Tabela 11.2.1 apresenta-se uma comparao entre os materiais que apresentam composies diferentes em relao a porcentagem de silcio na liga.

    Tabela 11.2.1.

    % Si Resistividade

    ( cm) Perdas (W/kg) Uso

    0,25-0,30 28 5,1 1

    0,50-0,60 28 3,4 2

    1,25-1,50 44 3,7 3

    2,50-2,75 44 2,5 4

    2,75-3,25 50 2,1 6

    3,60-4,00 52 1,58 7

    4,00-4,25 58 1,43 7

    4,25-4,50 60 1,27 7

    4,50-4,75 65 1,15 7

    As aplicaes a que se refere a tabela podem ser resumidas como segue: 1. motores fracionrios de baixo custo para uso intermitente;

    2. motores fracionrios, peas polares e circuitos de alta permeabilidade magntica;

    3. mquinas de boa qualidade, transformadores pequenos de uso intermitente, rels e reatores;

    4. mquinas de eficincia mdia, transformadores pequenos e reatores;

    5. mquinas de alta eficincia e tamanho mdio, transformadores de uso intermitente, reatores, aparelhos de medidas, peas polares laminadas;

    6. transformadores de potncia;

    7. todos os tipos de transformadores de distribuio e mquinas eltricas de alta eficincia.

    Salienta-se que a tabela refere-se a materiais magnticos fabricados em forma de chapas.

    11.3. Outras Ligas

    Outras ligas so conseguidas com a combinao dos elementos ferromagnticos bsicos (Fe, Ni, Co) com outros elementos no ferromagnticos como o cobre, cromo, molibdnio e carbono.

    As ligas de ferro-nquel so aplicadas em instrumentos de medidas, em ncleos magnticos de bobinas de rdio frequncia.

    As ligas de ferro-cobalto por suportarem densidades de fluxos magnticos relativamente mais elevadas do que as de ferro-silcio, podendo chegar a 2,5 tesla, so empregadas na construo de ncleos magnticos para dispositivos de pequenas dimenses fsicas.

    Na Tabela 11.3.1. pode-se observar as caractersticas magnticas das diversas ligas obtidas com combinao entre o nquel e o ferro.

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    Tabela 11.3.1.

    Nome % Fe % Ni inicial final Bsaturao tesla

    cm