Transformadores

Aula I Materiais Condutores, Supercondutores e Aplicaes

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - UFBAESCOLA POLITCNICA

Departamento de Engenharia EltricaManoel Messias Silva Jnior1DISCIPLINA: TECNOLOGIA DOS MATERIAIS PARA ENGENHARIA ELTRICA ENGA4712IntroduoOs materiais considerados condutores so aqueles que possuem eltrons 'livres', isto , eltrons que podem se mover 'livremente' quando submetidos a ao de uma fora.

23

34

45Materiais utilizados como condutores eltricos Os materiais utilizados para conduo de corrente eltrica so classificados em dois grandes grupos:

a) Materiais de elevada resistividade; b) Materiais de elevada condutividade.Condutividade Eltrica ()Grandeza que expressa a facilidade com que um material capaz de conduzir a corrente eltrica.Nos metais, a condutividade est associada a eltrons livres ou de conduo deslocando-se no reticulado cristalino.Resistividade eltrica () a capacidade que um material tem de se opor ao fluxo da corrente eltrica. A unidade internacional da resistividade o ohm metro (.m).56Condutividade e Resistividade Eltrica

67Resistividade EltricaOs materiais de elevada resistividade destinam-se s seguintes aplicaes:

Transformao de energia eltrica em trmica. Exemplo: fornos eltricos, chuveiros, aquecedores, ferros eltricos, etc.

Transformao de energia eltrica em luminosa.

Exemplo: filamentos para iluminao em geral (tungstnio).

Criar nos circuitos certas condies destinadas a provocar queda de tenso.

Exemplo: resistores e reostatos.78Condutividade EltricaOs materiais de elevada condutividade, destinam- se a todas as aplicaes em que a corrente eltrica deve circular com as menores perdas possveis.

exemplo: ligaes de aparelhos, equipamentos, dispositivos e transformaes de energia eltrica em outra forma de energia.

Dentre os materiais de elevada condutividade e que possuem maior diversidade de utilizao, podemos citar: cobre, chumbo, bronze, alumnio, platina, lato, prata e mercrio.89Condutividade Eltrica

910Resistividade EltricaEfeito da temperatura na resistividade eltrica de alguns metais

medida que a temperatura aumenta as resistividades dos mateis puros aumentam.

1011Resistividade EltricaPara temperaturas acima de cerca de 200C, na maior parte dos metais, a resistividade eltrica varia aproximadamente de forma linear com a temperatura. Nestas condies, as resistividades eltricas de muitos metais podem ser obtidas pela equao:

1112Exemplo 1

1213Efeito da adio de pequenas quantidades de vrios elementos sobre a resistividade eltrica do cobre temperatura ambiente

1314Lei de OhmA resistncia eltrica num condutor filiforme e homogneo diretamente proporcional ddp entre seus terminais e inversamente proporcional corrente que o atravessa;

A resistncia eltrica num condutor filiforme e homogneo diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional rea de sua seco transversal.

Quando aplicamos uma diferena de potencial num condutor os eltrons livres do condutor se movimentam em funo desta diferena de potencial.1415Exemplo 21516Resistores Especiais

TermistoresSo resistores usados como sensores de temperatura, possuindo um grande valor de coeficiente de temperatura, isso significa que, se a temperatura variar mesmo de alguns graus a resistncia sofrer uma grande variao. Podem ter o coeficiente de temperatura positivo, nesse caso so chamados de PTC (Positive Temperature Coefficient ) ou coeficiente de temperatura negativo, sendo chamados de NTC (Negative Temperature Coefficient ).1617Resistores EspeciaisLDR (Light Dependent Resistor)

O LDR um resistor que tem a sua resistncia alterada quando iluminado por radiao visvel ou infravermelho (IR). No escuro a resistncia muito alta (mega ohms) e quando iluminado a resistncia diminui (algumas dezenas de ohms ). A sua principal aplicao como sensor de luz, detectando a presena ou no de luz. construdo de um material semicondutor, o sulfeto de cdmio, CdS, ou o sulfeto de chumbo.1718Velocidade de DerivaVamos analisar o movimento 'livre' dos eltrons dentro de um condutor.

Em princpio, os eltrons se deslocariam numa trajetria retilnea, porm a trajetria de deslocamento dos eltrons modificada constantemente em funo dos choques com os tomos 'fixos' do condutor. Estes constantes choques acabam por impedir que os eltrons, submetidos a uma acelerao constante, aumentem continuamente sua velocidade. Este 'bate-acelera' contnuo acaba por produzir uma velocidade mdia constante, conhecida como velocidade de deriva ou de arraste.

1819Velocidade de DerivaCorrente eltrica a quantidade que define a taxa do fluxo de eltrons atravs da seco reta de um condutor.

Se o fluxo de cargas q por um intervalo t uniforme temos

isto , corrente a quantidade de carga eltrica que passa por uma seco reta do condutor, por unidade de tempo. Se dividirmos esta corrente pela rea da seco reta temos a densidade de corrente

A carga que passa pelo condutor num determinado perodo de tempo fornecida poronde e a carga do eltron e n o nmero de eltrons que esto se deslocando no cilindro.1920Problema ResolvidoUma corrente uniforme de 5,0 A percorre um cabo eltrico durante 4,0 minutos. (a) Qual a carga que passa por uma superfcie do cabo nesse intervalo? (b) Quantos portadores de carga passam pela superfcie? Soluo: (a) Se a corrente i uniforme temosQ = i t = 5,0 x 4,0 x 60 = 1200 C. (b) Sendo os portadores de carga eltrons temos Q = n e (e: carga do eltron) 2021Problema ResolvidoUm fio condutor, cuja seo transversal um quadrado de 1 mm de lado, conduz uma corrente de 20 A. Sabendo-se que a densidade de eltrons livres do metal 8,0 x 1028 eltrons/m3 , ache (a) a densidade de corrente; (b) a velocidade de deriva dos eltrons livres. 2122Aplicaes

2223Termopares

Juno ligao dos materiais por aperto ou por soldadura Quando dois condutores metlicos A e B de diferentes naturezas so acoplados mediante um gradiente de temperatura, os eltrons de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferena de potencial eltrico num efeito semelhante a uma pilha eletroqumica. Esse efeito conhecido como Efeito Seebeck sendo capaz de gerar energia eltrica com base numa fonte de calor mediante propriedades fsicas dos metais.2324Termopares

2425TermoparesExemplo resolvido em sala2526SupercondutoresSupercondutores so materiais que perdem a resistncia corrente eltrica quando esto abaixo de uma certa temperatura.

Breve histrico: Tudo comeou com o trabalho de Heike Kamerlingh-Onnes, que em 1911 descobriu que o Hg podia transportar corrente eltrica sem nenhuma resistncia aparente. Alm disso, esta corrente podia persistir por um tempo indefinido.

o termo supercondutores vem sendo usado para denotar todos os materiais que, abaixo de uma certa temperatura crtica, Tc, perdem a resistncia passagem de corrente eltrica, alm de apresentar outras propriedades.2627Supercondutores

2728SupercondutoresTiposOs supercondutores so divididos em dois tipos, de acordo com suas propriedades especficas.Os supercondutores do Tipo 1 so formados principalmente pelos metais e por algumas ligas e, em geral, so condutores de eletricidade temperatura ambiente.

Eles possuem um Tcextremamente baixo, que, segundo a teoria, seria necessrio para diminuir as vibraes dos tomos do cristal e permitir o fluxo sem dificuldades dos eltrons pelo material, produzindo assim a supercondutividade.2829SupercondutoresOs supercondutores desse tipo foram os primeiros a serem descobertos e os cientistas verificaram que a transio para o estado supercondutor a baixa temperatura tinha caractersticas peculiares:

No apresentar nenhuma resistncia eltrica (R = 0);O campo magntico dentro do material zero (B = 0)

A ltima caracterstica citada o que chamamos de Efeito Meissner, descoberto porOs supercondutores que apresentam esse efeito so ditos do tipo I. Estes, no apenas so condutores perfeitos, mas tambm diamagnticos perfeitos.2930Supercondutores

Praticamente todos os metais so supercondutores do Tipo 1, a temperaturas suficientemente baixas. Entre eles, temos (Tcem Kelvinentre parnteses): Pb (7.2), Hg (4.15), Al (1.175), Ti (0.4), U (0.2). 3031SupercondutoresTipo IISupercondutores de altas temperaturas;Pequenas penetraes das linhas de campo magntico para dentro do material.Suportam correntes mais fortes que os primeirosMais promissores de possveis aplicaes.

m permanenteSupercondutorRepulso de campos magnticos3132Supercondutores

T