Materiais Utilizados em Engenharia Elétrica

Este artigo lança luz sobre as quatro categorias importantes de materiais utilizados em engenharia elétrica. As categorias são: 1. Materiais usados ​​na engenharia elétrica 2. Materiais usados ​​para conduzir eletricidade 3. Materiais isolantes 4. Materiais usados ​​para o fortalecimento de campos magnéticos.

Engenharia Elétrica: Categoria # 1. Materiais utilizados em Engenharia Elétrica:

Os materiais em uso na engenharia elétrica podem ser divididos em quatro categorias importantes, de acordo com seu uso:

a) Materiais utilizados para conduzir eletricidade,

b) Materiais utilizados para isolar,

c) Materiais utilizados para reforçar os campos magnéticos,

(d) Materiais usados ​​para fazer suportes, carcaças e outras peças mecânicas e forjamento de moedas.

Os materiais a serem usados ​​em equipamentos elétricos devem ser tais que conduzam eletricidade e também alguns que isolam. A corrente elétrica pode fluir eficientemente apenas através de um caminho feito a partir de materiais que conduzam bem a eletricidade. Um circuito elétrico só pode ser controlado se a corrente estiver bem confinada ao caminho condutor por um isolamento eficiente.

A maior parte da energia elétrica fornecida a uma mina de carvão ou usada em qualquer outra indústria é usada em equipamentos como motores, transformadores, relés, sinos, etc., que, de fato, operam através do efeito magnético da corrente elétrica.

A eficiência de tal aparelho depende em grande parte do uso de materiais para núcleos e peças polares que fortalecem os campos magnéticos criados quando a corrente flui nos enrolamentos do equipamento.

É um fato que quase todos os equipamentos elétricos estão fechados de uma forma ou de outra, embora os compartimentos sejam diferentes uns dos outros. Certamente não pode ser que todos os recintos sejam os mesmos. Na verdade, o design do gabinete depende do uso do equipamento e também do ambiente em que será instalado.

Além disso, em motores e quadros há muitas partes móveis que exigem materiais especialmente escolhidos, considerando as características do design do componente em particular. Portanto, podemos ver que a escolha de materiais para equipamentos elétricos deve ser feita com muito cuidado, reflexão e cálculo.

Engenharia Elétrica: Categoria # 2. Materiais utilizados para conduzir eletricidade:

Os materiais dos quais os circuitos elétricos são feitos são escolhidos principalmente pela facilidade com que eles conduzem eletricidade. A facilidade de condução não é, no entanto, a única consideração. Muitas partes de um circuito devem ter propriedades mecânicas, tais como resistência à tração ou resistência ao desgaste, ou ductilidade ou resistência à compressão, etc.

Certos tipos de aparelhos exigirão materiais condutores que reajam à passagem da corrente, como os filamentos usados ​​em lâmpadas elétricas. Outros materiais são escolhidos porque oferecem resistência à corrente, por exemplo, aqueles usados ​​para fazer resistores e reostatos, que controlam a corrente em um circuito. Alguns dos materiais condutores mais úteis encontrados entre os metais usados ​​em equipamentos elétricos são apresentados abaixo.

Cobre:

Este material é mais comumente usado para formar caminhos de corrente em circuitos elétricos. Ele conduz eletricidade com muita facilidade e suas propriedades físicas permitem que ele seja usado de várias maneiras. É um metal macio, de modo que ele pode ser puxado para fora em barras e fios, ele também pode ser dobrado e moldado conforme necessário. Ele pode ser unido por solda, brasagem, aparafusamento ou soldagem.

O cobre é usado para os enrolamentos de aparelhos eletromagnéticos, por exemplo, motores, geradores, transformadores e relés. A maioria das bobinas é feita de fio de cobre, mas o enrolamento destinado a transportar correntes pesadas pode ser formado a partir de barras de cobre moldadas. Os segmentos condutores do comutador são geralmente feitos de cobre, mas possuem um design e uma forma específicos, necessários para transportar a corrente nominal específica.

Mais uma vez vemos o cobre em diferentes formas, como os fios usados ​​no centro dos cabos que transportam corrente. Aqui também a questão da capacidade de carga atual é importante. No design dos cabos, um projetista precisa pensar com muito cuidado e cálculos.

Agora, se olharmos para o projeto de barramentos e contatos de comutação, aqui novamente vemos o que uma peça importante de cobre desempenha como um condutor de corrente. Às vezes, esses contatos têm que carregar corrente na faixa de alguns milhares de ampères, e para esses contatos e barramentos, seções transversais e formas são feitas de seção transversal necessária de acordo com o projeto.

Latão:

Este material, que de fato é uma liga de cobre e zinco, também é usado extensivamente em equipamentos elétricos, embora saibamos que o latão não conduz eletricidade nem cobre, mas é mais duro que o cobre e pode resistir mais prontamente ao desgaste e danos. .

Como o cobre, isso também pode ser usado em fios, barras e formas especiais para uso em diferentes aplicações. Isso também pode ser unido por solda, brasagem, aparafusamento e rebitagem. Ele é usado para plugues, tomadas, barras de conexão, terminais, contatos de arco em contatores de menor classificação e para parafusos e porcas para componentes energizados.

Alumínio:

O alumínio também é um bom condutor de eletricidade. O alumínio é, na verdade, um metal leve e não é tão forte quanto o cobre. O problema com este metal é que a união é de grande dificuldade, embora a união por aparafusamento e mesmo a brasagem por soldagem a arco de argônio especial seja possível com sucesso.

É usado principalmente em caso de rotores de gaiola de motores de gaiola de esquilo. Também é usado em linhas aéreas e cabos subterrâneos. Como o cobre, o alumínio também pode ser extraído na forma de barras, barras e qualquer forma especial para ser usado em vários equipamentos elétricos.

No caso de uso em minas de carvão, o uso de alumínio, ou ligas de alumínio como material de caixa para qualquer equipamento elétrico para uso subterrâneo, como máquinas de perfuração, acessórios de iluminação, etc. é agora proibido devido ao risco de centelhas acesas. O equipamento pode ser atingido por um golpe forte de alguma outra peça de material ou equipamento muito mais duro, como arco de aço, trilho de tubo ou outros materiais mais duros.

Constantan (Eureka) e Magnanin:

Constantan é uma liga de cobre e níquel, e a manganina é uma liga de cobre, níquel e manganês. Ambas as ligas oferecem uma maior resistência à corrente elétrica do que a maioria dos outros metais utilizados como condutores, e seu principal uso é na construção de resistências e reostatos usados ​​principalmente como elementos de aquecimento.

Tungstênio:

Este metal é usado principalmente para os filamentos de lâmpadas elétricas. Tem um alto ponto de fusão e pode, pela passagem de uma corrente elétrica, ser aquecida (em um tubo de vidro cheio de gás) até a temperatura em que emitirá luz brilhante.

Zinco, chumbo, ferro e níquel:

Esses metais são usados ​​nos eletrodos de baterias primárias e secundárias.

Mercúrio:

Metal líquido usado como condutor em vários tipos de interruptor de mercúrio, interruptores automáticos e retificador de arco de mercúrio. Acima discutimos os condutores metálicos que conduzem eletricidade, mas também existem condutores não-metálicos que conduzem eletricidade igualmente bem e são muito usados ​​em engenharia elétrica.

Carbono:

Em comparação com os metais, o carbono oferece uma alta resistência à corrente elétrica. No entanto, tem uma propriedade importante, pois é autolubrificante (a grafita, uma forma de carbono, é usada como lubrificante em algumas máquinas). O carbono é, portanto, o material mais comumente usado em escovas de motores e geradores.

As escovas de carvão, na verdade, podem manter um contato firme, mas suave, com um comutador rotativo ou com o slipring sem causar superaquecimento ou desgaste rápido.

Esta é de fato uma propriedade maravilhosa do carbono, um condutor não metálico, que nenhum condutor metálico pode igualar. De fato, nenhum contato metálico teria funcionado no lugar das escovas de carvão usadas no slipring ou no comutador.

No entanto, as escovas de carvão geralmente contêm uma pequena quantidade de cobre para melhorar sua condutividade. Carbono também é encontrado extremamente útil para fazer resistores fixos e variáveis ​​e também como eletrodos para baterias primárias.

Líquidos:

Sabemos, pela teoria e pela prática, que os líquidos não metálicos que conduzem eletricidade, de fato, o fazem pelo processo de eletrólise. Em comparação com os metais, eles oferecem uma alta resistência à corrente elétrica. Os eletrólitos de células primárias e secundárias usadas em baterias são líquidos que conduzem por eletrólise.

E esses líquidos incluem ácido sulfúrico diluído e soluções de sal amônia (cloreto de amônio) e hidróxido de potássio. Um líquido condutor também é usado às vezes como uma resistência de serviço pesado para dar partida em motores de alta classificação. De fato, uma solução de carbonato de sódio em água, por exemplo, fornece o elemento de resistência em motores de partida líquidos.

Engenharia Elétrica: Categoria # 3. Materiais isolantes:

Materiais isolantes são usados ​​para confinar ou guiar as correntes elétricas para o circuito através do qual elas são projetadas para fluir. Se não houvesse isolamento, a corrente encontraria imediatamente o caminho mais próximo à Terra e comprometeria todo o sistema.

De fato, a eficácia e a eficiência dos materiais isolantes dependem não apenas do desempenho eficiente do equipamento elétrico e da instalação elétrica como um todo, mas também da segurança da vida das pessoas que trabalham com ele.

Na verdade, o isolamento é uma proteção que salva vidas, tanto para o equipamento quanto para as pessoas que usam esse equipamento elétrico. Portanto, a seleção de classe e grau de isolamento para o equipamento é uma tarefa primordial para um engenheiro elétrico que deve projetar o equipamento a ser usado na indústria, seja ele uma mina de carvão ou usina siderúrgica.

Hoje em dia, aumentando o grau de isolamento e aumentando a capacidade do isolamento para suportar a temperatura muito mais alta sem qualquer deterioração dos materiais isolantes, a classificação do equipamento elétrico, como motores e transformadores, interruptores e também barramentos é incrivelmente aumentada no mesmo quadro do equipamento.

No entanto, muitos tipos de materiais isolantes estão em uso. A escolha do material isolante em particular para qualquer finalidade específica é determinada pela tensão do circuito a ser isolado e pelo requisito físico e ambiente do equipamento. Materiais que isolam um condutor vivo da terra, ou que isolam um condutor vivo de outro, têm uma diferença de potencial aplicada através dele.

Embora a corrente não flua através dos materiais isolantes, o material é submetido a uma tremenda tensão conhecida como tensão dielétrica. Se a diferença de potencial é aumentada, esta tensão dielétrica aumenta, e uma diferença de potencial pode ser alcançada quando a tensão se torna muito grande.

O isolamento então se quebra e uma corrente passa através dele. E uma vez que o isolamento tenha quebrado, suas propriedades isolantes são permanentemente prejudicadas. Materiais isolantes que podem suportar altas tensões têm uma alta rigidez dielétrica e são essenciais para o isolamento de circuitos de alta e média tensão.

Em circuitos de baixa voltagem e sinalização, a rigidez dielétrica não é tão importante e os materiais isolantes podem ser escolhidos principalmente pela facilidade de manufatura, adaptabilidade ou manuseio seguro do equipamento, pois mesmo um pequeno choque elétrico pode se tornar fatal por toda a vida.

Agora, além das propriedades de isolamento, outras características dos materiais devem ser levadas em consideração. Para alguns propósitos, por exemplo, o isolamento de cabos, os materiais devem ser flexíveis e não devem perder suas propriedades isolantes quando esticados ou distorcidos.

A resistência mecânica também é muito importante para muitos propósitos, particularmente para o motor usado para o serviço de transporte, onde às vezes a velocidade do motor atinge quase mais que o dobro da velocidade.

Nesses casos, se a resistência mecânica do material isolante não for forte o suficiente, os condutores e até mesmo os condutores (que são ligados por materiais isolantes) podem se soltar, causando sérios danos não apenas ao motor, mas também à instalação.

Portanto, a resistência mecânica é importante para muitos propósitos, pois a resistência dielétrica pode ser prejudicada se partes do material isolante racharem ou se romperem. Danos mecânicos ao isolamento são uma causa da quebra elétrica. Às vezes, se esse dano mecânico não for percebido a tempo, o colapso eleitoral pode se tornar muito sério.

E, portanto, é uma obrigação para inspecionar regular e minuciosamente o isolamento para verificar se ele começou a deteriorar-se, envelhecer ou rachar, ou se seu valor de infravermelho caiu para muito menos do que o limite permitido para usos específicos. Na verdade, a vida do isolamento determina a vida de um equipamento elétrico. Portanto, está em curso uma pesquisa regular sobre a melhoria do isolamento (consulte a tabela 2.2).

Tipos de isolamento:

Ar seco:

O ar seco é, de fato, um isolante importante e eficiente. Por exemplo, sabemos que dois condutores descobertos são separados por ar e isolados uns dos outros. O melhor exemplo disso são os barramentos do painel de controle e o motor e o transformador dos terminais. No entanto, o isolamento do ar tem um limite considerando sua força dielétrica.

Portanto, se uma tensão excessivamente maior do que a tensão nominal é passada através desses terminais, a rigidez dielétrica se romperá e causará uma quebra. Portanto, ao projetar a câmara da barra de ônibus e a caixa de terminais, um projetista precisa ir de acordo com a norma de espaçamento comprovado entre duas barras vivas expostas, conforme estabelecido pela especificação padrão indiana ou britânica, conforme a experiência e a teoria.

De fato, quando ocorre alta voltagem excessiva, o ar entre as duas barras vivas ioniza e um arco se desenvolve através do espaço intermediário, que é chamado de linha para linha e depois para a terra, ou seja, curto-circuito total. Outro grande exemplo de decomposição do isolamento do ar é a ocorrência de raios.

Borracha:

Este também é um isolante, mas isso é incapaz de suportar uma temperatura muito alta. Sendo um material flexível, este é usado principalmente para cobertura interna de condutores de cabo de vários tamanhos. Na verdade composto de borracha desempenha um papel importante na fabricação de cabos.

Borracha vulcanizada:

Esta borracha processada é de fato muito mais resistente do que a borracha pura, embora tenha uma baixa força dielétrica.

Plástico:

Plástico em todas as suas diversas formas está sendo usado cada vez mais para materiais isolantes.

Eles são numerosos demais para mencionar individualmente neste livro, mas como um guia útil, alguns dos materiais que substituem a borracha como meio isolante para fios e cabos são os seguintes:

a) PVC (Policloreto de Vinila)

b) Neoprone

c) Borrachas Butílicas

d) EPR (Ethyline - borracha de propileno)

e) CSP (polifosfonato de polifosfonato)

Algodão e Verniz, Fibras de Vidro, etc .:

Nos projetos anteriores, os condutores de motores e transformadores estavam sendo isolados principalmente com algodão e vernizes. Hoje em dia, no entanto, na maioria dos casos, estes foram substituídos por materiais isolantes mais eficazes e modernos, como esmaltes à base de resina, fibra de vidro, amianto, etc.

Hoje em dia, os filmes isolantes à base de resina tendem a substituir o algodão e o verniz pelo isolamento dos enrolamentos. Na verdade, esses filmes são mais facilmente aplicados e também são mais resistentes à umidade. No entanto, antes de usar esses filmes isolantes, os enrolamentos devem estar perfeitamente cozidos para se livrar de qualquer umidade.

Papel impregnado de óleo:

Papel impregnado com óleo isolante também tem uma alta rigidez dielétrica, é comumente usado para isolar os condutores de cabos de alta tensão, que não precisam ser flexíveis. O papel absorve a umidade com muita facilidade, para que possa ser usado apenas em equipamentos projetados para impedir a entrada de umidade, como cabos revestidos com chumbo.

Por esse motivo, quando qualquer cabo com isolamento de papel é cortado, a extremidade deve ser lacrada imediatamente para protegê-lo da umidade.

Óleo isolante:

O óleo isolante tem uma alta rigidez dielétrica e, portanto, é usado para isolar certos tipos de equipamentos de alta tensão. Transformadores e condensadores conectados em circuitos de alta tensão são normalmente imersos em óleo isolante. O óleo é freqüentemente usado como um meio de resfriamento, bem como um isolamento.

Por isso, tem duas funções importantes no equipamento elétrico. O uso de óleo isolante no transformador é um bom exemplo. O contato de alguns painéis de alta tensão opera em óleo isolante, o que além de isolar, ajuda a extinguir o arco desenhado. Quando a parte dos contatos, o óleo isolante é fino e altamente inflamável.

Ele vaporiza quando aquecido e, como os vapores contêm hidrogênio, o equipamento cheio de óleo deve estar bem protegido contra o perigo de explosão.

Pyrochlor:

Este tipo de líquido isolante está atualmente em uso. Este líquido é de fato mais pesado e tem mais rigidez dielétrica do que o óleo de transformador usado regularmente. Mas a dificuldade com esse líquido é o manuseio regular, pois fica mais espesso quando está frio e fica mais fino com o aumento da temperatura. Este tipo de líquido é usado principalmente na Rússia.

Porcelana:

A porcelana tem uma rigidez dielétrica muito alta e é, portanto, comumente usada como isolante, em circuitos de alta tensão. Sendo uma forma de barro, deve ser moldado na forma requerida durante a fabricação e, uma vez queimado, não pode ser trabalhado.

Ele é usado principalmente para isolantes que suportam condutores de base, por exemplo, suportes para barramentos e partes condutoras de aparelhagem de ferro e caixas de junção. Isoladores para linhas ao ar livre também são feitos de porcelana.

Mica:

Uma substância mineral quebradiça usada como isolamento de ranhuras para enrolamentos de motores e para isolamento entre os segmentos de comutadores. Ele irá suportar altas temperaturas e é impermeável à umidade. Outras formas de isolamento de ranhura consistem em materiais como papéis envernizados, fibras de vidro, laminado de asbesto e o mais recente milinex.

Placa isolante:

Existem vários tipos de painéis isolantes e isolamentos moldados. Press pahn, tuffnol e letheroid são comumente usados ​​em equipamentos elétricos. Seus usos incluem placas de terminais, formadores de bobinas, isolamento de ranhuras para enrolamentos de motores e transformadores e escovas e arruelas de isolamento.

Ebonite:

Uma forma de borracha vulcanizada muito dura que se assemelha à aparência de ébano de madeira. Seu uso inclui placa terminal e escovas e arruelas isolantes.

Madeira de Permali:

Este é um tipo especial de madeira com melhor rigidez dielétrica do que a madeira comum. Estes têm mais força resistente à umidade. Estes são geralmente utilizados para painéis de contato, separadores, suportes de terminais de buchas.

Fita isolante:

A fita isolante é usada para envolver bobinas ou condutores de base dentro de gabinetes, por exemplo, dentro de painéis e carcaças de motores. Às vezes é usado para reparar ou substituir o isolamento danificado. As fitas são feitas de fibras vulcanizadas (por exemplo, Elephantide), de algodão envernizado, seda ou tecido de fibra de vidro (por exemplo, fita Empire) ou de lascas de mica coladas (Micanite).

Fitas plásticas (PVC), ou fitas de nylon de propriedade elétrica são comumente usadas atualmente em uma ampla variedade de circuitos de baixa, média e alta tensão.

Composto isolante:

Composto isolante é usado para encher caixas de junção de cabos, unidades de conectores e gabinetes de terminais. Muitos compostos baseiam-se no betume e devem ser aquecidos e colocados no recinto para serem enchidos imediatamente enquanto estiverem quentes. Compostos de vazamento a frio consistindo de um óleo mineral ou sintético com um endurecedor estão agora sendo usados ​​mais amplamente.

Engenharia Elétrica: Categoria # 4. Materiais utilizados para o fortalecimento de campos magnéticos:

Motores, transformadores, relés, que são de fato equipamentos eletromagnéticos, têm suas bobinas enroladas nos núcleos. Os materiais de que esses núcleos são feitos são escolhidos por sua capacidade de produzir um campo magnético forte quando magnetizados por uma corrente fluindo no enrolamento. Tais materiais são descritos como tendo alta permeabilidade magnética.

No entanto, a alta permeabilidade magnética não é o único requisito dos materiais do núcleo. Os materiais devem ser capazes de se tornar magnetizados muito rapidamente, e de perder seu magnetismo o mais rápido possível depois que a corrente de magnetização parar de fluir.

Este requisito é particularmente importante em aparelhos de corrente alternada, como transformadores, em que os núcleos são magnetizados e desmagnetizados cem vezes por segundo. O atraso na resposta às mudanças na corrente magnetizante é chamado de histerese, todos os materiais magnéticos estão sujeitos a histerias, embora em alguns esse fator seja realmente muito pequeno.

Outro requisito importante do material do núcleo é que eles devem reter o menor magnetismo possível quando a corrente de magnetização parar de fluir. Todos os materiais magnéticos retêm algum grau de magnetismo quando foram colocados em um campo magnético, mas os materiais variam muito na quantidade que retêm. A baixa retenção está associada à baixa histerese e vice-versa.

Um ímã permanente, por exemplo, possui um fator de histerese extremamente alto e, portanto, é difícil magnetizá-lo quando a corrente de magnetização é interrompida. No entanto, os materiais do núcleo são facilmente magnetizados e retêm uma quantidade de magnetismo dificilmente detectável quando a corrente de magnetização cessa.

Bons materiais de núcleo são, portanto, aqueles que possuem alta permeabilidade magnética e baixa histerese. Na verdade, ferro macio satisfaz esses requisitos e ao mesmo tempo foi usado extensivamente para núcleos eletromagnéticos.

Algumas ligas de ferro, no entanto, provaram ser muito mais eficientes. Entre as ligas agora em uso comum estão as ligas de silício e ferro (por exemplo, Lohys e Stalloys), ligas de cobalto e ferro (Permendur) e ligas de níquel e ferro (Permalloy).

Núcleos de enrolamentos indutivos, como os de transformadores, motores e geradores são invariavelmente constituídos de finas camadas de metais (espessura de 0, 005 a 0, 007) chamadas laminações, que são isoladas uma da outra (por finas camadas de 0, 002 de filme). de verniz) e aparafusados ​​juntos. Este método de construção é adotado para impedir que correntes parasitas circulem no núcleo.

No entanto, os materiais do núcleo sendo principalmente um metal ferroso é um condutor dentro do campo magnético, de modo que o emf é gerado quando há qualquer alteração na intensidade do campo. Se o núcleo fosse sólido, existiria um caminho de baixa resistência, permitindo a circulação de correntes pesadas.

Se permitido circular, então as correntes parasitas criariam um campo magnético em oposição àquele criado pela corrente de magnetização, desse modo seriamente superaquecendo. O isolamento entre a laminação impede o fluxo das correntes parasitas, sendo a laminação colocada na direção do campo magnético, de modo que o efeito sobre a força do campo em si é minimizado.

Quadros, Alojamentos:

Ferro fundido, ligas fundidas e chapas de aço são, de longe, os materiais mais comuns para as armações e carcaças de equipamentos elétricos usados ​​nas indústrias de mineração. O plástico duro moldado é usado para algumas peças mecânicas e a resina epóxi é usada agora para algumas finalidades. As janelas de montagem e inspeção de luz elétrica usam vidro blindado pesado. Aços de alto grau são usados ​​para eixos de motores e superfícies de rolamentos.