A ciência por trás dos materiais condutores em máquinas elétricas

24 de junho de 2024 Luciano Bertene

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Na área da engenharia elétrica, a utilização de materiais condutores é de central importância para a funcionalidade e eficiência das máquinas elétricas. Esses materiais servem como canais através dos quais a corrente elétrica flui, permitindo a geração, conversão e distribuição de energia. A ciência por trás dos materiais condutores é uma fusão complexa de propriedades dos materiais, propriedades elétricas e precisão de engenharia.

Noções básicas: condutores, isolamento, ímãs em máquinas

As principais propriedades essenciais das máquinas elétricas são as dos condutores dos dispositivos elétricos, o sistema de isolamento necessário para isolar os circuitos e os aços especiais e ímãs permanentes utilizados no circuito magnético.

Seleção e propriedades de materiais

Os materiais condutores incluem uma variedade de substâncias, desde metais tradicionais, como cobre e alumínio, até ligas modernas de alto desempenho.
Propriedades do material como condutividade elétrica, condutividade térmica e resistência mecânica são cruciais para adequação a determinadas aplicações.
Ao selecionar materiais condutores, deve-se encontrar um equilíbrio entre eficiência, custo e impacto ambiental.

Condutividade elétrica

A condutividade elétrica é a capacidade de um material conduzir corrente elétrica.
Materiais com alta condutividade elétrica, como o cobre, são preferidos para aplicações que requerem perda mínima de energia durante a transmissão e conversão.
Os avanços na engenharia de materiais visam melhorar a condutividade, mantendo outras propriedades necessárias.

Dissipação de calor e eficiência

Os materiais condutores não apenas facilitam o fluxo de eletricidade, mas também ajudam a dissipar o calor gerado durante a operação.
A dissipação de calor eficiente garante maior vida útil da máquina e desempenho ideal.
A condutividade térmica é um fator chave na regulação do calor em máquinas elétricas.

Propriedades eletromagnéticas

Os materiais condutores influenciam o comportamento magnético das máquinas elétricas.
Materiais como ferro e aço são usados em núcleos magnéticos para melhorar a eficiência de transformadores, motores e geradores.
As propriedades magnéticas afetam a eficiência, o fator de potência e o desempenho geral da máquina.

Supercondutores e novas tecnologias

Os materiais supercondutores não oferecem resistência elétrica a baixas temperaturas e prometem uma eficiência sem precedentes em máquinas elétricas.
O objetivo da pesquisa em supercondutores de alta temperatura é permitir aplicações práticas sem resfriamento extremo.
Esses materiais têm o potencial de revolucionar a transmissão e o armazenamento de energia.

Desafios e direções futuras

Os desafios incluem encontrar materiais que equilibrem condutividade, custo e impacto ambiental.
Novas tecnologias, como nanomateriais e condutores compósitos, oferecem oportunidades para avanços no design de máquinas elétricas.

Materiais condutores

Cobre e alumínio são geralmente usados como condutores. Abaixo estão algumas das qualidades interessantes que um bom líder deve possuir.

A essência do fluxo de poder

Os materiais condutores são selecionados por sua excepcional condutividade elétrica, permitindo-lhes transmitir correntes elétricas de forma eficiente com resistência mínima.
O cobre e o alumínio são preferidos devido à sua alta condutividade, tornando-os ideais para transmissão e distribuição de energia.

Geração de energia e motores

Materiais condutores são usados em geradores para criar campos magnéticos e facilitar a conversão de energia mecânica em energia elétrica.
Os motores usam esses materiais para converter energia elétrica em movimento mecânico para alimentar máquinas e dispositivos.

Transferencia de energia

Os materiais condutores servem como espinha dorsal das linhas de transmissão de energia, facilitando o transporte de eletricidade a longa distância desde as fontes de geração até os usuários finais.
A sua baixa resistência minimiza as perdas de energia durante a transmissão.

Eletrônica e circuitos

Condutores como o cobre criam traços em placas de circuito impresso (PCBs) e circuitos integrados.
Esses materiais habilitam as redes complexas que alimentam computadores, smartphones e diversos dispositivos eletrônicos.

Tecnologias energéticas sustentáveis

Fontes de energia renováveis, como painéis solares e turbinas eólicas, contêm materiais condutores para gerar e transportar eletricidade.
As inovações materiais contribuem para melhorar a eficiência e a viabilidade de soluções energéticas sustentáveis.

Desafios e inovações

A busca por materiais condutores mais eficientes continua e está impulsionando a pesquisa de novos materiais e estruturas compósitas.
Os desafios incluem equilibrar condutividade, custo, impacto ambiental e durabilidade.

Horizontes futuros

A nanotecnologia e a descoberta de novos materiais prometem revolucionar os materiais condutores.
Avanços como os supercondutores de alta temperatura poderiam mudar fundamentalmente a transmissão e o armazenamento de energia.

Fatores a serem considerados ao projetar máquinas elétricas

Pequeno valor baixo da constante de temperatura da resistência.
Um pequeno valor de resistência ou uma alta condutividade.
Alta resistência à corrosão.
Alta contagem de threads.
Alto ponto de congelamento.
Permita soldar, colar ou soldar para garantir que as conexões sejam confiáveis.
Extremamente maleável e elástico. Robusto e econômico.

Certas propriedades do cobre e do alumínio estão tabeladas abaixo:

sim não	detalhes	cobre	alumínio
1	Resistência aos 20^0°C	0,0172 ohms/m/mm²	0,0269 ohms/m/mm²
2	Condutividade a 20⁰C	58,14×10⁶ S/m	37,2×10⁶ S/m
3	Densidade a 200 °C	8.933 kg/m3	2.689,9 m³
4	Coeficiente de temperatura (0-100^ÓC)	Explicação: A temperatura aumenta em 1^ÓC, a resistência aumenta em 0,4% para o alumínio
5	Coeficiente de expansão linear (0-100^ÓC)	16,8×10^-6 Por ^ÓC	23,5×10^-6 Por ^ÓC
6	resistência à tração	25 a 40 kg/mm²	10 a 18 kg/mm²
7	Propriedades mecânicas	muito maleável e elástico	não muito maleável e elástico
8º	ponto de fusão	1083⁰C	660⁰C
9	Condutividade térmica (0-599 W/m ⁰C	599 W/m ⁰C	238 W/m ⁰C
10	Colocar	é fácil de soldar	não pode ser soldado facilmente

Classificação de máquinas DC

Com a mesma resistência e comprimento, a seção transversal do alumínio é quase 60% maior que a dos condutores de cobre e quase 50% mais leve que a do cobre.

Embora o alumínio reduza o preço dos transformadores de baixa potência, aumenta o tamanho e o preço dos transformadores de grande potência. O alumínio é usado abundantemente hoje em dia, pois a soma do cobre é quase 50% mais barata que o cobre e não muito mais alta.

Máquinas DC com comutação de escova de carvão

A comutação com escova de carbono é um método comum em máquinas DC.
As escovas de carbono fornecem uma conexão elétrica deslizante à armadura rotativa, permitindo que a corrente flua para os vários enrolamentos da bobina.
Essas máquinas geralmente usam cobre ou ligas de cobre para os condutores do enrolamento da armadura.

Cobre e outros materiais condutores

Devido à sua excelente condutividade elétrica e propriedades mecânicas, o cobre é frequentemente usado em enrolamentos de armadura em máquinas CC.
O cobre oferece baixa resistência, permitindo que a corrente flua de forma eficiente e reduzindo a perda de energia.
Ligas de cobre, como bronze fosforoso, também são usadas para aplicações especializadas onde é necessária maior durabilidade.

Fio esmaltado em enrolamentos de campo

Os enrolamentos de campo que geram o campo magnético geralmente usam fio magnético de cobre com revestimento de isolamento de alta temperatura.
O fio magnético garante um fluxo de corrente eficaz e mantém a integridade do isolamento sob condições operacionais.

Inovações em materiais supercondutores

Com a sua capacidade de conduzir eletricidade a baixas temperaturas sem resistência, os materiais supercondutores oferecem perspectivas interessantes de inovação no campo das máquinas de corrente contínua.
Os supercondutores de alta temperatura oferecem o potencial de aumentar a eficiência da máquina e reduzir as perdas de energia.

Avanços em nanomateriais

A pesquisa explora o uso de nanomateriais como nanotubos de carbono e grafeno para melhorar a condutividade e o desempenho de componentes condutores em máquinas DC.
Os nanomateriais são uma grande promessa para otimizar a eficiência, o gerenciamento térmico e o design geral da máquina.

Considerações de classificação

A escolha de materiais condutores afeta a eficiência, confiabilidade e economia da máquina.
Classifico as máquinas DC com base em materiais condutores para ajudar a desenvolver máquinas personalizadas para aplicações específicas.

Conclusão

No complexo mundo das máquinas eléctricas, os materiais condutores emergem como heróis desconhecidos, orquestrando o fluxo de electricidade que alimenta a nossa sociedade moderna. Esta exploração da “ciência por trás dos materiais condutores em máquinas elétricas” revelou uma sinfonia de princípios onde a condutividade elétrica, o gerenciamento térmico e o comportamento magnético se harmonizam para impulsionar a eficiência e a confiabilidade. A notável jornada através de materiais como cobre e ligas e tecnologias emergentes como supercondutores e nanomateriais sublinha o seu papel crucial no avanço das máquinas. À medida que avançamos para uma era de energia sustentável e de avanço tecnológico, o desenvolvimento contínuo de materiais condutores irá definir o ritmo do progresso eléctrico e orquestrar um futuro onde a eficiência e a inovação se unem para iluminar os nossos horizontes electrificados.