Trabalho sobre Fusíveis - Versão final

Trabalho sobre Fusíveis - Versão final

(Parte 1 de 3)

UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO

Ligas Metálicas para Formação de Fusíveis

Recife, 2012

UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO

Ligas Metálicas para Formação de Fusíveis

Trabalho entregue ao professor Carlos Salviano, da disciplina de Materiais Elétricos, da Universidade de Pernambuco.

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Jamersson Luiz de Santana

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Marcelo Luiz Freire

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Rodrigo Cesar Lira da Silva

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Rodrigo Fonseca Santa Cruz de Oliveira

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Rodrigo Morais de Oliveira

Recife, 2011

Sumário

  1. Introdução....................................................................................................................5

  2. Materiais......................................................................................................................6

    1. Classificação (Condutores, Isolantes e Semicondutores)...............................6

    2. Propriedades dos Materiais Condutores.........................................................8

      1. Propriedades Mecânicas.......................................................................8

        1. Deformações Elásticas e Plásticas.................................................8

        2. Ductibilidade e Maleabilidade......................................................9

        3. Dureza.........................................................................................10

        4. Outras Propriedades....................................................................10

      2. Propriedades Químicas......................................................................12

        1. Corrosão......................................................................................12

        2. Dissolução Química....................................................................12

        3. Oxidação Eletroquímica dos Metais...........................................13

        4. Corrosão Galvânica.....................................................................13

        5. Prevenção da Corrosão................................................................14

  3. Ligas Metálicas..........................................................................................................15

    1. Classificação das Ligas Metálicas................................................................15

    2. Principais ligas metálicas..............................................................................16

    3. Aplicações.....................................................................................................17

  4. Fusíveis......................................................................................................................18

    1. História..........................................................................................................18

    2. Definição.......................................................................................................18

    3. Funcionamento..............................................................................................19

    4. Composição..................................................................................................21

    5. Principais Elementos das ligas fusíveis........................................................22

    6. Tipos de Fusíveis..........................................................................................26

      1. Tipo Rolha..........................................................................................26

      2. Tipo Cartucho....................................................................................26

      3. Tipo Faca............................................................................................27

      4. Tipo Diazed........................................................................................28

      5. Tipo NH.............................................................................................28

      6. Fusível para alta tensão......................................................................29

      7. Fusível de baixa corrente para circuitos eletroeletrônicos.................30

  5. Conclusão..................................................................................................................31

  6. Bibliografia................................................................................................................32

  7. Anexos.......................................................................................................................33

1. Introdução

Nos dias atuais a aplicação dos fusíveis é de suma importância para garantir proteção ideal com especial atenção à segurança e confiabilidade aos sistemas e aparelhos.

Neste trabalho introduzimos alguns conceitos importantes para o bom entendimento do mesmo e mostramos as principais propriedades dos materiais utilizados na indústria e no mundo da engenharia. Falamos ainda das ligas metálicas e seu uso na fabricação de fusíveis, enfatizando as aplicações no nosso cotidiano.

2. Materiais

2.1. Classificação (Condutores, Isolantes e Semicondutores).

De acordo com a teoria estudada desde o ensino médio, os átomos são constituídos de um núcleo formado por prótons e nêutrons, orbitados por elétrons. Os prótons possuem carga positiva, os elétrons cargas negativa, e os nêutrons são desprovidos de carga elétrica. À medida que se fornece a energia para um elétron, este passa para uma órbita mais afastada. Em alguns materiais, o elétron (ou elétrons) que está na órbita externa está frouxamente ligado ao átomo, e migra facilmente de um átomo para outro quando submetido a ação de um campo elétrico. Estes elétrons recebem o nome de cargas verdadeiras. Estes materiais que possuem esse tipo de comportamento recebem o nome de condutores.

Em outros tipos de materiais, porém, os elétrons estão de tal maneira presos ao átomo, que não podem ser liberados pela simples aplicação de campos elétricos. Estes materiais recebem o nome de dielétricos ou isolantes. Quando um dielétrico é submedito a um campo elétrico ocorre uma polarização, ou seja, um deslocamento do elétron em relação à sua posição de equilíbrio. As cargas induzidas em um isolante recebem o nome de cargas de polarização.

Outro grupo de materiais apresenta um comportamento intermediário entre condutores e isolantes. São os chamados semicondutores. Sob certas condições podem agir como isolante, mas com a aplicação de calor ou de campo elétrico suficientemente forte, tornam-se condutores.

Tudo isso pode ser visualizado na Figura 1. No primeiro, as duas bandas de condução estão parcialmente superpostas. Esse é o caso dos materiais condutores. O elétron passa facilmente de uma banda para outra. Na figura do meio o espaço vazio é grande, e dificilmente o elétron pulará de uma banda para outra. No caso da direita, o espaço vazio é intermediário entre os dois casos, e o material pode se comportar como condutor ou isolante, dependendo das circunstâncias (semicondutor).

Figura 1 - Comportamento do condutor, isolante e semicondutor.

O aumento da temperatura apresenta consequências diferentes, no comportamento dos materiais condutores, isolantes e semicondutores. A mobilidade das partículas μp  é uma função da temperatura. Em um condutor metálico, por exemplo, o movimento vibratório aumenta com o aumento da temperatura. Consequentemente há uma diminuição na velocidade de arraste, devido às colisões desordenadas que ocorrem no interior do material.

Nos materiais isolantes e semicondutores o aumento do movimento vibratório com o aumento da temperatura contribui para o aumento da mobilidade das partículas, em função do campo elétrico aplicado. Assim, definindo a resistividade ρ como sendo o inverso da condutividade σ ( ρ = 1/σ), podemos resumir esse conceito através da Tabela 1.

Tabela 1

2.2. Propriedades dos Materiais Condutores

Conceito Resumido: “É toda matéria que permite o estabelecimento de um fluxo de portadores de carga em seu meio, compatível (proporcional) com a DDP aplicada ao mesmo.”

2.2.1. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas são extremamente necessárias na vida do engenheiro. Elas possuem características essenciais para um projeto de estruturas ou componentes que utilizam determinados materiais. O objetivo principal do estudo de tais propriedades é o de evitar a ocorrência de níveis de deformação e/ou falhas mecânicas.

Os materiais estão sujeitos a forças e cargas e o seu comportamento mecânico reflete a relação entre sua resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada. Algumas propriedades mecânicas importantes: resistência, dureza e ductibilidade.

Basicamente, as tensões de tração e compressão são as propriedades mais importantes de um material principalmente quando são relacionadas com estruturas que suportam esforços externos e que devem sofrer deformações bem pequenas. Os esforços mecânicos podem ser ainda de cisalhamento e de torção.

A tensão é definida como a força por unidade de área e no SI é expressa em Newton/m². No estudo dos materiais é mais comum expressá-la em Newton/cm² ou mm².

2.2.1.1. Deformações Elásticas e Plásticas

A deformação é a alteração de forma produzida em um material sob a influência de uma tensão mecânica e pode ser elástica ou plástica. A deformação elástica é reversível e desaparece quando a tensão é removida. Neste tipo de deformação os átomos são deslocados de suas posições iniciais pela aplicação da tensão e quando a mesma é removida os átomos voltam às posições iniciais que tinham em relação a seus vizinhos. A deformação elástica obedece à Lei de Hooke, a qual estabelece que a deformação é diretamente proporcional à tensão aplicada.

A deformação plástica se dá quando o material é tensionado acima do seu limite de elasticidade. Os átomos se movimentam dentro da estrutura do material, adquirindo novas posições permanentes em relação aos seus vizinhos.

Figura 2. Tipos de Deformação

2.2.1.2. Ductibilidade e Maleabilidade

A maleabilidade está relacionada com a capacidade do material se deformar, sem fraturar, quando submetido a esforços mecânicos em pelo menos duas direções.

A ductibilidade se refere a capacidade do material se deformar sem se fraturar quando submetido a esforços mecânicos em uma única direção. Todos os materiais dúcteis são maleáveis mas a recíproca não é verdadeira.

O estudo da ductibilidade é bastante importante, pois fornece dados aos projetistas sobre o grau de deformação plástica que uma estrutura poderá sofrer antes de fratura.

2.2.1.3. Dureza

A dureza é definida como a capacidade do material resistir à abrasão superficial. A dureza relativa dos minerais é constatada através da escala de Mohs. Esta escala consiste de uma lista de materiais agrupados de tal maneira que qualquer mineral da lista pode riscar os que tem dureza menor que a dele, como pode ser visto na Tabela 2. Então o carbono na forma alotrópica de diamante, que é a substância mais dura que se conhece, encabeça a lista com o índice de dureza igual a 10. A dureza superficial de qualquer substância pode ser vinculada à Escala de Mohs, determinando-se quais as substâncias padrão desta escala que riscam a referida substância.

Dureza

Mineral

Fórmula Química

1

Talco

Mg3Si4O10(OH)2

2

Gipsita

CaSO4.2H2O

3

Calcita

CaCO3

4

Fluorita

CaF2

5

Apatita

Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)

6

Ortoclásio

KAlSi3O8

7

Quartzo

SiO2

8

Topázio

Al2SiO4(F,OH)2

9

Coríndon

Al23

10

Diamante

C

Tabela 2. Dureza dos materiais.

2.2.1.4. Outras Propriedades

Tenacidade

A tenacidade é medida em termos da energia necessária para fraturar um corpo de prova padrão. Sendo assim, a tenacidade não deve ser confundida com o limite de resistência à tração, o qual é medido em termos da tensão necessária para fraturar um corpo de prova padrão. A área sob a curva tensão/deformação está diretamente relacionada à energia necessária para fraturar o material, pois a energia é o produto da força média pela distância na qual ele atua.

Resiliência

É a capacidade do material absorver energia quando deformado elasticamente e devolver esta energia quando a carga aplicada é removida. Os materiais resilientes são aqueles que apresentam uma elevada tensão (tração ou compressão) associada a uma baixa elasticidade. Materiais com estas características são utilizados para a fabricação de molas.

Fluência

A fluência pode ser definida como sendo uma deformação (plástica) contínua, com a passagem do tempo, em materiais sujeitos a uma tensão constante. A fluência é um fenômeno de elevadas temperaturas, associado a plantas de vapor e tecnologia de turbinas de gás. No entanto, para alguns dos metais e ligas mais macios e com baixo ponto de fusão, a fluência ocorrerá de forma significativa a temperaturas ambientes. Um exemplo de fluência ocorre com os cabos aéreos das linhas de transmissão elétricas de alta tensão. Grandes vãos sujeitos a uma tensão mecânica constante, durante muitos anos.

Fadiga

Refere-se a uma forma de falha do material sob a ação de tensões repetidas. Sob estas condições é possível ocorrer a fratura do material, mesmo que o nível de tensão aplicada seja menor que o valor limite suportado pelo material. O termo fadiga é usado porque este tipo de falha normalmente ocorre após um longo período de tensões cíclicas. Muitas causas da fadiga são devidas a vibrações não previstas e muitas vezes não detectadas, sendo responsáveis por 90% das falências metálicas. Como exemplo, os cabos de alumínio usados em linhas de alta tensão sofrem fadiga provocada pela vibração produzida pelos ventos.

2.2.2. Propriedades Químicas

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