CTM - Materiais Condutores

Materiais condutores

Introdução

• No primeiro capítulo vimos que tanto os íons quanto os elétrons podem ser responsáveis pelo processo de condução de eletricidade, que sempre envolve a noção de movimentação de cargas.
• Os materiais condutores são caracterizados por diversas grandezas, dentre as quais se destacam: condutividade ou resistividade elétrica, coeficiente de temperatura, condutividade térmica, potencial de contato, comportamento mecânico, etc. Estas grandezas são importantes na escolha adequada dos materiais, uma vez que das mesmas vai depender se estes são capazes de desempenhar as funções que lhe são atribuídas. A escolha do material condutor mais adequado, nem sempre recai naquele de características elétricas mais vantajosas, mas sim, em outro metal ou uma liga, que, apesar de eletricamente menos vantajoso, satisfaz as demais condições de utilização.

• Em um átomo neutro o número de elétrons é igual ao número de prótons. Quando há um desequilíbrio, dizemos que o átomo está ionizado. Se apresentar elétrons em excesso, o átomo estará ionizado negativamente, se apresentar falta de elétrons estará ionizado positivamente.
• É importante observar que o número de prótons é constante, o que se altera é o número de elétrons, isto é, para ionizar o átomo negativamente colocamos elétrons a mais, e se quisermos ionizar o átomo positivamente, retiramos elétrons.

• Do ponto de vista macroscópico, dizemos que o corpo está eletrizado quando houver um desequilíbrio entre o número de prótons e o número de elétrons dos átomos deste corpo.
• A quantidade de carga adquirida pelo corpo depende do número de elétrons retirados ou colocados no corpo.
• Em alguns tipos de átomos, especialmente os que compõem os metais - ferro, ouro, platina, cobre, prata e outros -, a última órbita eletrônica perde um elétron com grande facilidade. * Por isso seus elétrons recebem o nome de elétrons livres.

• Estes elétrons livres se desgarram das últimas órbitas eletrônicas e ficam vagando de átomo para átomo, sem direção definida. Mas os átomos que perdem elétrons também os readquirem com facilidade dos átomos vizinhos, para voltar a perdê-los momentos depois. No interior dos metais os elétrons livres vagueiam por entre os átomos, em todos os sentidos.
• A condução do fluxo de elétrons livres, ou a circulação de uma corrente elétrica é notada tanto em materiais sólidos quanto nos líquidos, e, sob condições favoráveis, também nos gasosos.
• Sob o ponto de vista prático, a maioria dos materiais condutores é de sólidos, e dentro desse grupo, ressaltam-se, os metais que, devido à facilidade de fornecer elétrons livres, são usados para fabricar os fios de cabos e aparelhos elétricos.

• No grupo dos líquidos, vale mencionar os metais em estados de fusão, eletrólitos e as soluções de ácidos, de bases e de sais. Destaca-se o caso particular do mercúrio, único metal que, à temperatura ambiente, se encontra no estado líquido e solidifica-se apenas a –39 ºC. Outro exemplo: em uma solução de água com sal (NaCl), haverá uma dissociação da molécula de cloreto de sódio (NaCl) em íons Na+ e Cl-, que ficam livres para se movimentar pelo interior da solução.
• Quanto aos gasosos, estes adquirem características condutoras sob a ação de campos muito intensos, quando então se podem ionizar. É o caso das descargas através de meios gasosos, como na abertura arco com a formação de um meio condutor conhecido por plasma, e tanto, normalmente, os gases, mesmo os de origem metálica, não podem ser utilizados nem considerados como condutores.

• Exemplos de bons condutores:
  • Metais (como o cobre, alumínio, ferro, etc.) usados para enrolamentos de máquinas elétricas e transformadores, etc.
  • Ligas metálicas usadas para fabricação de resistências, aparelhos de calefação, filamentos para lâmpadas incandescentes, etc.
  • Grafite
  • Soluções aquosas (de sulfato de cobre, de ácido sulfúrico. etc.)
  • Água da torneira, água salgada, água ionizada (como, por exemplo, as das piscinas);
  • Corpo humano;
  • Ar úmido.

Características dos Condutores

Variação da resistividade com a temperatura e a freqüência

• A resistência elétrica de uma dada peça de determinado material (unidade: W) é dada pela equação a seguir:

• onde:
  • ρ - resistividade elétrica do material (W.cm)
  • A - seção transversal (em cm2)
  • l - comprimento do condutor (em cm)

• Quando a temperatura em um material condutor é aumentada, as partículas vibram interferindo nos movimentos dos elétrons. Uma tal influência causa perdas nos deslocamentos dos elétrons e, conseqüentemente, aquecimento do corpo condutor. Traçando-se a curva característica temperatura-resistência, indicada na Figura a seguir, nota-se que ela não obedece em toda sua extensão a uma relação constante de ordenadas e abscissas.

• De interesse prático é o setor reto da característica (trecho AB), cuja inclinação é dada por:

• A relação tgα/R é o chamado coeficiente de temperatura da resistência e indicado por αT1. Normalmente a temperatura inicial, que serve de referência, é tomada como T1 = 20oC.
• Nesse caso:

• A condutividade térmica de metais e ligas também é de extrema importância, pois ela demonstra a capacidade do material de liberar para o ambiente o aquecimento causado pelas perdas.
• A distribuição uniforme de corrente através da seção de um condutor existe apenas para a corrente contínua. Com o aumento da freqüência acontece uma distribuição não-uniforme de corrente, fenômeno este chamado de “efeito pelicular”, pois em um condutor circular a densidade de corrente geralmente aumenta do interior em direção a superfície.

Resistência de contato nos metais

• Quando se aplica uma peça metálica sobre outra, com objetivo de contato elétrico, estas ficam na verdade separadas, qualquer que seja a pressão a que sejam submetidas, por uma distância relativamente grande, se comparada às dimensões do átomo.
• Na verdade existem alguns pontos de contato perfeito e o resto dos pontos a distância da ordem de mm, de onde se entende a existência da resistência de contato.

• A passagem de energia de uma peça a outra se dá por dois modos:
  • através de uma zona de contato íntimo, ou de condução;
  • através de uma zona de disrupção, onde o gradiente de potencial pode alcançar valores elevados, muito pouco inferiores a rigidez dielétrica do ar.

• A partir do momento em que se apresentam ao mesmo tempo fenômenos condutores e disruptivos nos contatos, não é possível aplicar a estes a lei de Ohm. Chama-se de “resistência de contato”, no entanto, a relação entre a tensão nos bornes de um contato e a intensidade de corrente que o atravessa.
• Esta resistência não é constante e depende da pressão a que estão submetidas as peças (pressão de contato), da composição destas, da sua forma, da sua seção, do sentido e intensidade da corrente, etc.

• A prata, o cobre, o bronze, o latão e o tungstênio dão bons contatos, a resistência dos contatos de alumínio, entretanto, é muito elevada. O contato em corrente contínua apresenta uma resistência independente da intensidade de corrente.
• Pode-se considerar bom um contato quando resulta muito pequena a diferença de temperatura entre o mesmo e os pontos ao redor. No caso de contato entre metais, deve-se ficar atento a formação de pares galvânicos (em presença de um líquido condutor ou simplesmente da umidade).

Materiais de elevada condutividade

• Os materiais condutores caracterizam-se por uma elevada condutividade elétrica. Possuem também grande capacidade de deformação, moldagem e condutividade térmica. Com exceção do mercúrio e dos eletrólitos, que são condutores líquidos, e do plasma (gás ionizado) que é gasoso, os materiais condutores são geralmente sólidos e, neste caso, incluem-se os metais, suas ligas e não-metais como o carvão, carbono e grafite.

• Os metais são elementos químicos que formam sólidos opacos, lustrosos, bons condutores de eletricidade e de calor e, quando polidos, bons refletores de luz. A maioria dos metais é forte, dúctil, maleável e, em geral, de alta densidade. Vejamos alguns dos metais mais utilizados na área de Engenharia Elétrica:

Cobre e suas Ligas

• O cobre apresenta as vantagens a seguir, que lhe garantem posição de destaque entre os metais condutores.
  • Pequena resistividade. Somente a prata tem valor inferior, porém o seu elevado preço não permite seu uso em quantidades grandes;
  • Características mecânicas favoráveis;
  • Baixa oxidação para a maioria das aplicações. O cobre oxida bem mais lentamente, perante elevada umidade, que diversos outros metais; esta oxidação, entretanto, é bastante rápida quando o metal sofre elevação de temperatura;
  • Fácil deformação a frio e a quente: é relativamente fácil reduzir a seção transversal do cobre, mesmo para fios com frações de milímetros de diâmetro.

• O cobre tem cor avermelhada característica, o que o distingue de outros metais, que, com exceção do ouro, são geralmente cinzentos, com diversas tonalidades.

• O valor da condutividade informa sobre o grau de pureza do cobre. A máxima pureza é encontrada no cobre obtido em ambiente sem oxigênio, quando se aproxima da condutividade do cobre eletrolítico. Destaque-se então que a condutividade elétrica do cobre é muito influenciada na presença de impurezas, mesmo em pequenas quantidades.

• A resistividade do cobre a 20 ºC é de: ρcu = 1,7241µΩcm2/cm e seu coeficiente de termo-resistividade vale: α = 0.00393/ ºC.

• O cobre resiste bem à ação da água, de fumaças, sulfatos, carbonatos, sendo atacado pelo oxigênio do ar, e em presença deste, ácidos, sais e amoníaco podem corroer o cobre.

• O cobre é obtido em forma eletrolítica, fundido e transformado em lingotes. Na transformação subseqüente aos perfis e peças desejadas, quando não se usa a fusão e sim uma transformação mecânica por laminação e estiramento, efetua-se primeiramente um aquecimento do lingote para facilitar a transformação bruta, até temperaturas de 920-980 ºC.

• Na laminação a frio, o cobre se torna mais duro e elástico, e reduz sua condutividade. É o estado de cobre encruado. Essa modificação de características pode representar um empecilho ao uso do metal e, nesse caso, se faz o seu recozimento a uma temperatura de 500-560 ºC.

Aplicações do Cobre:

• Em função de suas propriedades, o cobre, nas suas diversas formas puras, tem determinadas suas aplicações.
• O cobre encruado ou duro é usado nos casos em que se exige elevada dureza, resistência à tração e pequeno desgaste, como no caso de redes aéreas de cabo nu em tração elétrica, particularmente, para fios telefônicos, para peças de contato e para anéis coletores.

• Em todos os demais casos, principalmente em enrolamentos, barramentos e cabos isolados, se usa o cobre mole ou recozido.
• Casos intermediários precisam ser devidamente especificados.

• Em muitos casos, porém, o cobre não pode ser usado na forma pura, quando então as ligas de cobre passam a ser encontradas.
• Essas ligas são feitas com metais escolhidos de modo a compensar ou melhorar alguma das propriedades do cobre, cabendo destacar, porém, que, geralmente, assim procedendo, estamos prejudicando outras propriedades.

Ligas de Cobre

• A escolha de uma liga deve considerar também os aspectos econômicos. A adição de certos elementos (por exemplo, o níquel e o estanho) pode aumentar o preço da liga, aumentando certas propriedades, ao passo que, a presença de outros elementos (zinco, chumbo) permite abaixar o preço sem redução notável de características técnicas.

• Um exemplo de liga de cobre são os bronzes. As ligas de cobre e estanho podem suportar adições mais ou menos importantes de chumbo, de zinco e as vezes de níquel. O bronze apresenta a característica de ser resistente ao desgaste por atrito, fácil usinagem e são ligas elásticas. Suas aplicações principais são em rolamentos, partes de máquinas, engrenagens, trilhos de contato, molas condutoras, fios finos e peças fundidas. As propriedades variam de acordo com o percentual de estanho.

• Já os latões tradicionais são ligas de cobre e zinco, às quais se adiciona um pouco de chumbo ou alumínio. Em princípio o uso de latões comuns não é aconselhável quando existirem problemas de corrosão. Porém este não é o mesmo caso quando são empregados latões de alta resistência (55-70% Cu, 20-35% Zn + Al, Mn, Fe, Ni, Sn, etc.), os quais são possuidores de excelentes propriedades mecânicas e de notável resistência à corrosão em determinados ambientes.

• Outras ligas de cobre seriam: cobre alumínio (8 a 12% de alumínio) que têm propriedades comparáveis àquelas dos aços inoxidáveis, além da possibilidade de poderem ser obtidas mais facilmente, por fundição em areia ou em moldes metálicos; ligas cobre-cromo,etc.

Curiosidades

• O cobre é um dos poucos metais que ocorrem na natureza em estado puro.
• Na antiguidade era considerado precioso, embora de menor valor que o ouro e a prata.

• A simplicidade de seu tratamento metalúrgico permitiu uma produção elevada já antes do quarto milênio anterior à era cristã.
• Desde então, sofreu progressivas desvalorizações, até que a telefonia e a eletricidade restabelecessem seu consumo, no início do século XX.

• O cobre está também presente em nosso corpo em pequena quantidade (considerando um peso de 70 kg, a pessoa possuirá apenas 72 mg de cobre, concentrando-se principalmente no fígado e ossos).
• Sua função em nosso corpo é a de auxiliar as enzimas envolvidas na utilização de oxigênio.

=== Alumínio e suas Ligas === Amanda

=== Chumbo (Pb) === Murillo

Ouro (Au)

=== Platina (Pt) === Juliano === Mercúrio (Hg) === Christielly

Tungstênio (W)

=== Ferro (Fe) === Isabela

Carvão, Carbono e Grafite

Condutividade Elétrica Experimento