Engenharia.:.Condutores

Condutores

Obtenção

            A obtenção dos metais é um estudo que cabe à metalurgia. A matéria prima básica são os minérios, ou seja, as ligações do metal com oxigênio, enxofre, sais e ácidos.

            Na natureza, encontramos no estado puro apenas os metais nobres, como o ouro e a platina, conta com particularidades, redutores próprios e métodos de purificação. Na obtenção dos metais, vamos, no presente estudo, restringir-se aos de maior uso elétrico.

Obtenção do Cobre

           

            O principal minério de cobre é o Cu2S, o Cu3FeS3, o Cu2O e o CuCo3 . Cu(OH)2. A porcentagem de cobre nesses minérios varia de 3,5 a 0,5%.

            As principais jazidas se localizam no Congo, Rodésia do Norte, Estados Unidos da América, Austrália, Espanha, Suécia, Noruega e Chile.

            Os Processos de obtenção se classificam em processo seco e por via úmida.

            Processo seco. Após a eliminação parcial do enxofre, efetua-se uma redução em fornos de fusão, através de carvão e aditivos ácidos que irão absorver grande parte do ferro. Obtém-se, assim, dois líquidos de peso específico diferente, ficando, na parte de baixo, um composto de cobre, contendo cerca de 45% desse material. A reação química que ai se processa é a  seguinte:

                             2Cu2O + Cu2S( 6Cu + SO2

Por via úmida. Minérios pobres são industrializados por um processo úmido. Aplicando-se ao minério uma solução de enxofre, obtém-se uma solução de sulfato de cobre. Da qual o cobre, representando por mais de 90% de todo o cobre obtido mundialmente.

Obtenção de Chumbo, Zinco e Níquel

                  O minério de chumbo (Pb) e de zinco (Zn) geralmente encontrados são sulfatos, respectivamente PbS e ZnS. O níquel (Ni), por seu lado, é mais raramente encontrados. No caso particular do zinco, o processo de redução se torna mais complexo, pelo fato de a temperatura de fusão ser de 907 ºC. Com isso, na fase de redução o zinco já está no estado de vapor, o que exige fornos fechado para o processo.

                  Processo seco. É o mais imperfeito, o que faz com que se refira o processo eletrolitico. O minério de níquel é inicialmente convertido em NiO. Reduzindo na presença de vapor de água a 400 ºC, obtém-se níquel, que, na presença de gás carbônico, 80 ºC, forma um gás com composição de Ni(CO)4, havendo posteriormente a decomposição do CO. O níquel assim obtido tem pureza de 99,9%.

Obtenção de Tungstênio

                  Os principais minérios de tungstênio (W) são o CaWo4, o PbWO3 e a Wolframita [(Mn, Fe)WO4]. Esses minérios são encontrados principalmente na China, Estados Unidos, Burma, Malásia, Portugal e Bolívia. Os minérios são inicialmente tratados com soda., do que resulta um wolframato de sódio, e que fornece óxido de tungstênio (WO3). Após uma secagem a 300 ºC, o óxido é reduzido à pó a 800 – 1000 ºC.

                  A refrigeração deve ser efetuada em ambiente de hidrogênio. Os grãos de pó metálico serão tanto maior quanto mais elevada a temperatura e mais longo o tempo de redução. A reação química é a seguinte:

                                         WO3+3H2(W+3H2O

                  A redução do WO3 pode ser feita tanto por carbono finalmente dividido quanto por monóxido de carbono (CO), aplicando a 1000 ºC. Esse último processo parece menos adequado à obtenção de tungstênio para uma das suas principais aplicações, que é  na adequação à obtenção de tungstênio para uma das suas principais aplicações, que é na fabricação de filamentos de lâmpadas.

                  O tungstênio possui uma temperatura de fusão muito elevada, da ordem de 3300 a 3400 ºC. Esse fato dificulta extremamente, ou mesmo impossibilita, sua fusão, fazendo com que geralmente seja usado o processo da sintetização dos pós, analisando mais adiante.

Obtenção do Alumínio

                  Os principais minérios são a bauxita (Al2O3 . H2O), ou, em outra forma, hidróxido de alumínio [AlO(OH)], freqüentemente misturando com impurezas, como o ferro e outros aditivos. No grupo dos materiais condutores, o alumínio ocupa lugar cada vez mais importante, por ser uma alternativa técnica e economicamente válida para substituir o cobre, sobretudo devido às jazidas relativamente grandes que existem 7% de toda crosta terrestre é alumínio.

                  O alumínio se caracteriza por uma grande afinidade com o oxigênio, ou seja,  apresenta oxidação rápida. Esse aspecto faz com que a redução normal do alumínio perante carbono ou CO não seja recomendada, passando-se ao processo de obtenção.

                  Como temperatura de fusão do óxido de alumínio é muito elevada (2050 ºC), este é dissolvido a 950 ºC em fluorito de alumínio e sódio (Na3AlF6), para, em seguida, ser-lhe aplicando o processo eletrolitico. O alumínio é o meio líquido, em fusão, que fica sob a ação de uma tensão de aproximadamente 6V e a corrente de 10kA a 30kA. O alumínio que se deposita no gatodo é pouco mais pesado que o eletrolítico em fusão, o que faz com que se deposite no fundo.

Materiais Condutores

                  A circulação de uma corrente elétrica é notada em materiais sólidos e nos líquidos, e, sob condições favoráveis, também nos gasosos. Sob o ponto de vista prático, a maior parte dos materiais condutores são sólidos, e dentro desse grupo, com destaque especial, os metálicos. No grupo dos líquidos, vale mencionar os metais em estados de fusão, eletrólitos e o caso particular do mercúrio, único metal que, à temperatura ambiente, se encontra no estado líquido. O mercúrio solidifica-se apenas a – 39 ºC.

                  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.

A Condutividade Metálica

                  A conceituação da  circulação da corrente elétrica tem sofrido algumas modificações sensíveis, pela teoria que têm sido desenvolvidas. Assim, pela teoria eletrônica clássica, supões-se que o corpo condutor sólido tenha uma cadeia cristalina iônica, envolvendo o íons, uma nuvem de elétrons livres.

                  Esses elétrons livres são provenientes dos átomos da matéria, e deslocados destes pela ação de uma força externa. No deslocamento dessa nuvem de elétrons através do corpo, este se chocam com os íons do sistema cristalino, perdendo energia de deslocamento, e que se faz notar por um aquecimento do corpo.

                  A existência de uma nuvem de elétrons, conforme mencionamos nas linhas anteriores, podem ser constatadas pelos seguintes fatos:

            Durante a passagem de uma corrente elétrica por um elemento condutor, metálico, não se pode observar uma difusão de átomos de um metal no outro.

            Levando-se um elemento que conduz corrente elétrica a velocidades elevadas, e freando-se instantaneamente o condutor, nota-se uma maior concentração de elétrons numa das extremidades, motivadas pela energia dos elétrons que compõem a nuvem.

            Quando um metal sofre aquecimento, este atua sobre os elétrons que formam a nuvem, podendo alguns destes, em função da energia térmica incidente, até abandonar o elemento condutor.

            Condutor Sob a ação de uma diferença de potencial U.            

Coeficiente de temperatura e Condutividade Térmica

                  A resistência elétrica, correlacionando correntes que circulam sob um potencial aplicando, serve indiretamente de medida da quantidade de energia absorvida por imperfeições cristalinas e outros fatores.

A Condutividade Térmica de Metais e Suas Ligas

            Sendo fonte das perdas de energia o condutor pelo qual circula a corrente elétrica e essas perdas, que são impossíveis de serem evitadas, geram calor, deve este ser liberado ao ambiente o mais depressa possível, para evitar, para evitar que a energia térmica altere as condições do material. Compreende-se assim, desde logo, que o estudo do comportamento térmico do material empregado, seja condutor ou isolante, é de importância elevada, para se Ter certeza de que, nas condições de serviço previstas, o equipamento não sofrerá danos.

Caracteristicas dos Metais Condutores

Material Resistência Térmica 

Cobre

Alumínio

Zinco

Estanho

Chumbo

0.24

0.40

0.90

1.55

3.00 

Matéria Abreviatura Potencial em V a 25 ºC  Magnésio Mg -2.34  Alumínio Al -1.33  Zinco Zn -0.76  Cromo Cr -0.51  Ferro Fe -0.44  Cádmio Cd -0.40  Cobalto Co -0.28  Níquel Ni -0.23  Matéria Abreviaturas  Potencial em V a 25 ºC  Estanho Sn -0.16  Chumbo Pb -0.12  Hidrogênio H  0.00  Cobre Cu +0.34  Prata Ag +0.79  Mercúrio Hg +0.35  Ouro Au +1.36  Platina Pt +1.60 

Engenharia.:.Resistência

Resistência

        A resistência é a oposição  ao fluxo da corrente. Para aumentar-se a resistência  de um circuito, são utilizados componentes elétricos chamados resistores. Um resistor é  um dispositivo cuja resistência é ao fluxo da corrente tem um valor conhecido e bem determinado. A resistência é medida  em OHMS e é representada pelo símbolo R nas equações. Define-se o OHM como a quantidade de resistência que limita a corrente num condutor a um ampère quando  a tensão aplicada for de um VOLT.

        Os resistores são elementos comuns na maioria dos dispositivos elétricos e eletrônicos.  Algumas aplicações  freqüentes  dos resistores     são:  estabelecer o valor  adequado da tensão do circuito, limitar a corrente e constituir-se numa carga.

Resistores fixos  x variáveis

       Um resistor fixo é aquele que possui um único valor de resistência que permanece constante sob condições normais.

       Resistor variável é usado para variar  ou mudar a quantidade  de resistência de um circuito. Os resistores variáveis são  chamados de  potenciômetros  ou reostatos. Os potenciômetros geralmente  possuem o elemento resistivo formado por carbono, enquanto nos reostatos ele é constituído  por um fio enrolado. Em ambos os casos o contato com o elemento resistivo fixo é feito através de um braço deslizante.  ( figura-A ).

      À medida que o braço deslizante gira,  seu ponto de contato com o elemento resistivo muda, variando assim,  a resistência  entre o terminal do braço deslizante e os terminais da resistência fixa.( figura-B )

 FIGURA-A: A resistência entre  B e A aumenta

                A resistência entre  B e C diminui

FIGURA-B: A resistência entre B e A diminui

                         A resistência entre B  e C aumenta

      Os reostatos geralmente são usados para controlar correntes muito altas tais como as encontradas em cargas tipo motor e lâmpadas. ( figura C )

        Na figura C, o reostato foi utilizado para controlar a corrente no circuito de uma lâmpada.

        Os potenciômetros podem ser usados para variar o valor da tensão aplicada a um circuito. ( figura D )  Neste circuito a tensão de entrada é  aplicada através dos terminais AC da resistência fixa.  Variando a posição do braço deslizante ( terminal B )  mudará a tensão através dos terminais BC. À medida que o braço deslizante se aproxima do terminal C, a tensão de saída do circuito diminui. À medida que o braço deslizante se aproxima  do terminal A, a tensão de saída do circuito aumenta.  Os potenciômetros como  dispositivos de controle, são encontrados em amplificadores, rádios, aparelhos de televisão e em instrumentos elétricos.  

       A especificação de um resistor variável é a resistência total entre os terminais.

A Resistência depende da Temperatura.

              Perguntamos por que a lei de OHM não  vale para as duas lâmpadas de filamento. Como as duas experimentam uma forte alteração de temperatura a uma crescente intensidade de corrente, isto poderia ser a causa para uma alteração de resistência.

              Na prática a intensidade  de corrente diminui em uma espiral de fio  de ferro (figura E),  quando aquecermos com um fio de Bunsen.  Da mesma maneira comportando-se quase todos os fios de metal, com exceção de ligas especiais como constantã, isabelino, manganina e novo constantã.

        A resistência de  materiais puros aumenta com a temperatura. Como em experiências elétricas são desejáveis resistências constantes dos condutores, utilizamos, geralmente,  para fios de resistências condutores de ligas insensíveis  à temperatura. Enrolamos os fios como bobinas em corpos isolantes e chamamos estes dispositivos de “resistências”.

          Na maior parte das vezes estas resistências têm um contato corrediço, que permite modificar a resistência elétrica  R  do condutor.

          Resistências insensíveis à  tampouco  podem  podem ser carregadas com intensidades ilimitadas de corrente, pois se fundem.  Por isso  encontrados a indicação em corpos de resistência,  ao lado da resistência elétrica,  a maior intensidade de corrente permissível.

          Falta  apenas pesquisar o comportamento da lâmpada de filamento de carvão derivada da lei de HOM.

         Estendemos  um bastonete de grafite entre dois suportes de HOLTZ e os ligamos em um circuito. Ao aquecermos a grafite com um bico de BUNSEN aumenta a intensidade da corrente.

           As experiências confirmam a suposição de que alterações de temperatura, que acontecem como conseqüência de aquecimento  por corrente,  são responsáveis  por alterações da resistência para ambos os lados.

           Medições mostram que: a lei de OHM vale para condutores metálicos, isto é, sua resistência independe da intensidade de corrente quando a temperatura permanece constante.

Coeficiente de Temperatura (x)

                   O coeficiente de temperatura da resistência (x) , indica a quantidade de variação da resistência para uma variação da temperatura. Um valor  positivo de ( x )  indica  que R  aumenta com a temperatura;  um valor negativo de ( x ) significa que R diminui e  um valor  zero para ( x ) significa que R é constante, isto é, não varia com a temperatura. Os valores típicos de ( x )  são apresentados na tabela a seguir:

     

                     

                                                                                                                     

                   Embora  para um dado material ( x )  possa variar ligeiramente com a temperatura,  um acréscimo  na resistência de fio produzido por um aumento na temperatura pode ser determinado aproximadamente a partir da equação:

                

                                           Rt = Ro + Ro ( x AT)

onde:    Rt = resistência mais alta à temperatura mais alta, em Ohms  (     )

             Ro= resistência à temperatura inicial, em Ohms

             X  = coeficiente de temperatura, em ohms/  oC

             AT= diferença  entre  a temperatura final e a inicial .

OBS.:    O Rt pode ser aplicado a cada ponto de uma curva  VxI,  a cada ponto de observação, ou aplicação.

              Observe que o carbono tem um coeficiente de temperatura negativo (- 0,00005).  Em geral , ( x) é negativo para todos os semicondutores como o germânios e o silício.  Observe também que o constatam apresenta um valor nulo para ( x ).  Assim sendo, ele pode ser usado na construção de resistores  de fio enrolado de alta precisão, pois a resistência não varia com o aumento da temperatura.

Engenharia.:.Trefilação

TREFILAÇÃO

  

O que é trefilação?

Trata-se de um processo mecânico que confere ao material precisão dimensional e melhores propriedades mecânicas.

Qual a sua finalidade?

A finalidade do processo de trefilação é a obtenção de fios de dimensões, acabamento superficial e propriedades mecânicas controladas.

  

Como ocorre a trefilação?

A trefilação ocorre pelo pelo racionamento de uma barra , fio ou tubo através de uma matriz com perfil semelhante ao mostrado na Figura 1. Desde que a seção transversal da matriz seja sempre menor que a peça trabalhada, o processo de trefilação ocasionara uma redução em área e um aumento no comprimento.

  

Qual a matéria prima empregada pela trefilação?

A matéria-prima para trefilação, comumente denominado fio-máquina, é o arame laminado a quente que não se fabrica em diâmetros menores que 5,5 mm. Por outro lado, ao longo das etapas de trefilação o material é encruado, ou seja, sua resistência mecânica cresce à medida em que a redução de área aumenta.

Desta forma, em função das características do fio-máquina laminado a quente, das características finais do produto ou da necessidade de uma maior redução de área, faz-se necessário um tratamento térmico de recozimento.

Durante a trefilação, que é realizada abaixo da temperatura de recristalização, o fio sofre um aumento da sua resistência mecânica e de redução da sua ductilidade, devido à deformação plástica, caracterizando o denominado efeito de encruamento. Acima de um certo grau de encruamento não é mais possível trabalhar o fio, sendo então necessário, para o prosseguimento do processo de trefilação, a aplicação de um tratamento térmico [Paparoni,19..]. Bresciani [1991], afirma que o controle das propriedades mecânicas do fio durante o processo de trefilação é muito importante para que este possa ter prosseguimento, sem ruptura do fio, e para que o fio, ao final do processo, apresente as características dimensionais, mecânicas e metalúrgicas exigidas por sua utilização.

O tratamento térmico mencionado, é comumente denominado de recozimento, que pode ser contínuo em fornos contínuos ou estacionário em fornos de campânula ou poço. Portanto, a ductilidade é fator primordial, no caso da trefilação, pois é a propriedade que indica a capacidade do material sofrer grandes deformações permanentes numa determinada direção, sem ocorrer ruptura. Representa a maior ou menor possibilidade do material ser alongado. Normalmente o recozimento dá-se em fornos de atmosfera protetora isenta de oxigênio ou de outros gases contaminantes.

Texto gentilmente cedido por André Luiz Scirre ()

  

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