Esta publicação é uma espécie de "pivô" para vários conteúdos do blog, sendo então:
-> A continuação do Capítulo 1 e Capítulo 2 da série sobre plásticos e borrachas, que explana sobre os principais tipos destes materiais existentes no mercado. Aqui, será dado enfoque na natureza elétrica destes compostos poliméricos;
-> A continuação do Capítulo 1.0 (sobre condutores e isolantes elétricos) da série de conteúdos sobre Eletrônica;
-> A complementação do Capítulo 2.0 (sobre Eletrostática), também da série sobre Eletrônica.
OBSERVAÇÃO: Aqui será dado enfoque nos metais, com breves citações de outros elementos fora desta classe afim de fazer comparações.
É errado dizer que o Ouro é o melhor condutor elétrico. No planeta Terra, em temperatura ambiente o melhor condutor elétrico é a Prata. Veja abaixo a condutividade de alguns materiais com valores dados em S.m/mm2 (Siemens metro por milímetro quadrado):
-> Prata: 62,5 -> Níquel: 10,41
-> Cobre: 61,7 -> Ferro: 10,2
-> Ouro: 43,5 -> Platina: 9,09
-> Alumínio: 34,2 -> Estanho: 8,6
-> Tungstênio: 18,18 -> Constantan: 2
-> Zinco: 17,8 -> Mercúrio: 1,0044
-> Bronze: 14,9 -> Nicromo: 0,909
-> Latão: 14,9 -> Grafite: 0,07
ATENÇÂO: Como as dimensões de uma substância afetam sua condutividade (tamanho de grão, estrutura cristalográfica e etc.), a lista assume que todas as amostras têm as características mais próximas possíveis. A temperatura e a frequência da tensão aplicada também interferem na condutividade (agitação das partículas e efeito de pele, respectivamente), portanto esta lista soa um tanto quanto genérica e serve apenas para se admitir uma noção do assunto.
Perceba que os quatro maiores condutores são a Prata, o Cobre, o Ouro e o Alumínio. O Tungstênio já é um péssimo condutor, tanto que é utilizado nas velhas lâmpadas incandescentes, desperdiçando uma quantidade muito grande de energia em forma de calor.
Já latão, outro condutor não muito bom, é composto de Cobre e uma quantidade que varia entre 3% e 45 % de Zinco, porém outros elementos podem ser adicionados para melhorar a resistência mecânica e proteção contra oxidação e corrosão (tipo a adição de Alumínio e ou galvanização com Estanho), tudo depende da aplicação. Obviamente, na lista apresentada no início do tópico, utiliza-se como base de comparação uma liga de latão com a menor porcentagem de Cobre. Deixando-a com 70%Cu e 30% Zn já se pode eleva-la para o quinto lugar entre os melhores condutores, por exemplo.
O latão é encontrado em contatos e terminais elétricos devido ao seu custo baixo. Um fator que pesa contra é que se a peça não sofrer um tratamento que retarde a oxidação, será uma questão de tempo para criar o famoso "zinabre", uma película esverdeada ou azul-esverdeada (Carbonato de Cobre) que se forma por cima da superfície de ligas que contém Cobre em sua composição e dificulta a passagem de corrente elétrica, resultando em mau contato. Veja a imagem abaixo:
Imagem 1 - Observe o zinabre (de cor esverdeada) no polo da bateria. Qualquer liga que contenha Cobre está suscetível a oxidação quando não tiver um tratamento que a retarde
Outro fator que joga contra o latão que possui uma concentração grande de Zinco (em geral, mais que 15%) é a desincificação, uma espécie de corrosão, que faz a 'migração' do Zinco deixando a liga porosa e frágil, piorando suas propriedades gerais. Por isso a necessidade de galvanização com metais tipo o Estanho.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o Cobre e ligas de Bronze e Latão, CLIQUE AQUI!
É comum ver pinos / contatos de processadores de computadores de mesa e notebooks, contatos de módulos de memória RAM e diversos outros contatos elétricos banhados a Ouro pra retardar ao máximo a oxidação e manter as propriedades de condução do Cobre, que neste caso é utilizado sem elementos ligantes - ou seja, é puro, maximizando ainda mais sua oxidação. No entanto, o Ouro é caro e encarece os componentes. Veja a imagem abaixo:
Imagem 2 - Processador AMD para soquete AM3. Cada pino possui uma fina película de Ouro depositada através de galvanização a frio
CURIOSIDADE: Dentro de microchips, o Ouro também se faz presente em quantidades ínfimas, insignificantes, dado o tamanho pequeno das pastilhas de semicondutor e a variedade de materiais que são utilizados em sua composição.
A Prata também é utilizada para recobrir o Cobre (através de galvanização a frio) e retardar sua oxidação. Hoje em dia, por exemplo, existem algumas poucas linhas de fusíveis com terminais feitos em Cobre galvanizado com Prata.
O Zinco também não é um bom condutor, no entanto, suas propriedades podem ser alteradas combinando-o com Alumínio (em geral), Cobre, Estanho, tornando as ligas de Zinco relativamente comuns na confecção de terminais elétricos. Apesar de sua elevada resistência a oxidação, em muitos casos se faz a galvanização a frio com Estanho, como é o caso de muitos dos fusíveis utilizados em automóveis, bem como placas de circuito de lanternas traseiras.
Para saber mais sobre o uso de ligas de Zinco em fusíveis, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: Mas porque recobrir um material não tão bom condutor com Estanho, que é menos condutor ainda? Assim como a galvanização com Níquel em heatpipes de Cobre de coolers ou uma galvanização com Ouro em pinos de processadores, uma galvanização a frio pode ser muito bem controlada e depositar uma camada de Estanho com poucos átomos de espessura, fazendo com que não se afete de forma significativa as propriedades elétricas e térmicas do substrato, independente de qual seja sua composição.
O Nicromo é uma liga metálica composta por Níquel e Cromo, podendo ter uma pequena porcentagem de Ferro. Sua utilização é bastante comum na confecção de alguns tipos de resistores, como por exemplo os de cabos de vela e potenciômetros. Algumas ligas contém uma quantidade igual ou superior de Ferro em relação ao Níquel.
O Ferro é outro material com condução limitada, porém, pode gerar uma excelente liga com propriedades resistivas ao ser misturado com Níquel e Cromo, por exemplo, ou então formar um condutor elétrico razoável ao ser misturado com elementos mais condutivos.
A Platina é utilizada como eletrodo e tem papel de catalisador em células de combustível que operam com baixas temperaturas. É comum sua utilização em células que trabalham com água (junção ou separação de Hidrogênio e Oxigênio).
Por que Cobre e não Prata?
Apesar da Prata e Ouro serem condutores excelentes, eles são metais preciosos e encareceriam demais o custo dos equipamentos. Isso faz com que o Cobre seja o elemento químico mais utilizado em circuitos elétricos e eletrônicos. Desde um cabo de energia até as trilhas e contatos elétricos de uma placa de circuito, e isso se deve justamente a sua boa condutividade elétrica dentre os metais não preciosos.
O Alumínio também é bastante utilizado em cabeamentos elétricos, entretanto, sua resistividade elétrica é 65% maior que a do Cobre, fazendo com que os fios tenham que ser mais espessos para transportar a mesma corrente elétrica que o Cobre transportaria. Por outro lado, o Alumínio é três vezes mais leve que o Cobre por unidade massa, o que o faz ser bastante utilizado em cabeamento aéreo, onde a massa é um fator crucial para as estruturas de sustentação da rede elétrica. Já em instalações elétricas subterrâneas e de edificações, o Cobre é mais viável, tornando o circuito mais compacto.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre ligas de Alumínio aplicadas em fiações elétricas, CLIQUE AQUI!
Um fator positivo do Cobre é a facilidade e confiabilidade em se fazer emendas na fiação. Esse é o principal motivo, por exemplo, para as inúmeras restrições que a norma ABNT NBR 5410 faz ao uso de condutores de Alumínio nas instalações elétricas de baixa tensão.
Nem sempre a condução de eletricidade é feita com Cobre ou Alumínio puros, e é o que veremos no próximo tópico...
Nos automóveis
Um automóvel é, na verdade, um grande condutor elétrico!
Os cabos negativos que fecham o circuito de sistemas elétricos / eletrônicos dos automóveis são fixados diretamente na carroceria.
Imagem 3 - Cabo de aterramento localizado na dianteira, do lado esquerdo da cabine de um caminhão DAF XF 105.510
Com isso, as regiões onde os cabos são fixados não são equipotenciais, ou seja, a resistência elétrica ao longo da estrutura metálica varia e cria diferentes comportamentos diante de uma corrente elétrica. E isso tem um motivo:
O ponto de aterramento na parte traseira não possui o mesmo potencial da parte dianteira e vice-versa. Esta é uma condição comum, já que o chassi / carroceria do veículo não é estampado em uma única chapa metálica, mas sim em várias delas, com espessuras diferentes e que são "emendadas" uma na outra através de solda. Outro fator é que a estrutura de um carro é formada por ligas metálicas diversas, como por exemplo:
-> Ferro-Carbono (também conhecido como Aço-Carbono) e Ferro Fundido;
-> Partes em liga de Alumínio (AlMg, AlMgSi, AlMn e etc);
-> Alguns tipos de Aço-Liga também podem estar presentes.
Estas partes metálicas podem estar presentes em forma de chapa ou bloco fundido e geralmente possuem um tratamento químico na superfície para proteger contra corrosão. São por estes motivos que há diferenças resistivas ao longo de toda a 'caixa'. Veja a imagem abaixo:
Imagem 4 - Em um veículo monobloco há apenas uma grande "caixa" que compõe a sua estrutura, também chamada de carroceria
Portanto, há fluxos de corrente para vários circuitos que consomem 'quantidades' de energia diferentes, e uma vez que saem de um ponto em comum, podem causar oscilações. Por isso, esta condição é trabalhada utilizando sistemas de aterramento híbridos, ou seja, separando os pontos de aterramento para circuitos específicos.
Enquanto uma lanterna ou um painel de instrumentos podem ter os terminais negativos parafusados diretamente na traseira do veículo, o motor requer um grosso cabo de Cobre o ligando em uma chapa estrutural da dianteira, pois nele estão fixados motor de arranque, velas e bobinas de ignição, alternador (que gerará energia pra suprir todo o sistema e manter a bateria 'cheia') e até mesmo alguns sensores.
Lembre-se que a conexão elétrica do motor e câmbio com a carroceria é um tanto quanto limitada, pois ambos estão suspensos por buchas de borracha absorvedoras de vibrações. O sistema de suspensão também está todo apoiado por buchas de borracha. Por isso que faz-se necessário criar caminhos para a corrente elétrica colocando alguns cabos de Cobre para fazer a ligação do sistema mecânico com a estrutura.
Recentemente me deparei com exemplo que demonstra bem como regiões da estrtura metálica precisam de soluções específicas para ficarem 'conectadas ao circuito':
Imagem 5 - Se trata de um Volvo FH 540
A região da imagem é a face externa do local onde se situam os pedais do acelerador e freio. Note que a chapa é afixada por parafusos e a vedação é feita por cola à base de resina plástica (seta vermelha). Para permitir uma boa conexão elétrica entre a tal chapa e o restante da estrutura metálica da cabine há um pequeno cabo (seta verde). Uma cordoalha também cumpriria bem este papel. Retirar um simples cabo desse pode gerar problemas elétricos e luzes de avaria acesas no painel!
Já que o assunto é fiação, vamos aumentar este rolo de informações!
Com o amplo uso de condutores em tudo quanto é sistema elétrico / eletrônico, surgiram as padronizações para cabos. Devemos nos ater às especificações de fiações, sejam elas compostas por Cobre, Prata, Alumínio, Ferro ou qualquer outro material utilizado como ligação entre dois terminais, pois qualquer sistema mal projetado pode ocasionar perdas de eficiência ou até mesmo problemas mais sérios, como por exemplo incêndios.
Uma das principais especificações são as dimensões do condutor, que são padronizadas pelo sistema AWG, BS 6722:1986 ou SWG.
O padrão AWG (American Wire Gauge) foi criado nos EUA e concebido para a medição de diâmetros ou áreas de secção transversal de fios. Historicamente, ele competiu com o sistema britânico conhecido como Birmingham Wire Gauge (BWG). No entanto, depois de pequenas modificações, no final do século XIX o BWG foi substituído pela Standard Wire Gauge (SWG), hoje ainda utilizado no Reino Unido.
A diferença principal entre AWG e SWG é o material do fio medido. O sistema americano foi concebido para as medições de condutores sólidos e cabos entrançados feitos de metais e ligas não ferrosas (não magnéticas), sendo principalmente o Cobre, porém incluindo também o Alumínio e a Prata. Já o padrão britânico foi desenvolvido para padronizar os tamanhos de fios de Ferro. Além disso, o sistema AWG define 44 tamanhos básicos, enquanto o padrão SWG estabelece 57 deles.
Embora os instrumentos de medição SWG e do AWG pareçam quase idênticos, os números individuais desses sistemas correspondem a diferentes tamanhos do fio. Veja as diferenças na imagem abaixo, que mostra duas ferramentas de medição para os dois padrões:
Imagem 6 - Perceba que o número 14AWG é quase igual ao número 16SWG
CURIOSIDADE: SWG também é conhecido como "Imperial Wire Gauge" ou "British Standard Gauge". O "Standard Wire Gauge" foi removido, gradualmente, e substituído pelo padrão BS 6722:1986.
O sistema AWG é usado para a produção de diferentes tipos de fios nos países que utilizam o sistema de medição imperial. Nos países que utilizam o sistema métrico, o padrão BS 6722:1986 e o sistema AWG são utilizados atualmente, dependendo da aplicação do fio produzido.
Como o padrão AWG é o mais comum, vamos dar enfoque nele neste texto.
O sistema de medição AWG foi desenvolvido na primeira metade do século XIX. A sua versão final foi dada em 1957 por Joseph Rogers Brown para a Brown & Sharpe, fabricante de instrumentos de medição. Foi aí que assumiu um segundo nome, isto é, Brown and Sharpe Wire Gauge (B&S).
O valor AWG é expresso como um número inteiro que corresponde a uma dimensão específica. Neste sistema, o tamanho do fio progressivamente menor corresponde ao aumento do número medido.
EXEMPLO:
1 AWG = 42.40 mm³
28 AWG = 0.32 mm³
A ordem inversa do sistema AWG é devido ao processo de produção de fios usado no momento em que o padrão foi desenvolvido. Originalmente o valor AWG correspondia ao número de operações de trefilação necessárias para produzir um determinado diâmetro do fio, ou seja, para produzir um fio com uma área de secção transversal de 1,02 kCmil são 20 operações, sendo assim definido como um fio 20 AWG.
Os tamanhos menores que 1 (0 [1/0], 00 [2/0], 000 [3/0] e 0000 [4/0]) foram introduzidos posteriormente, e fios com tamanhos correspondentes foram fabricados em fio-máquina, peças compactadas ou barras de fundição contínua com uma área de secção transversal maior que 106 kCmil.
CURIOSIDADE: "kCmil" é a especificação canadense e americana de secção transversal. Significa "Thousand Circular mils". Em resumo, 1 kCmil equivale a 0,5 mm³.
No AWG há 44 tamanhos, isto é, do número 0000 [4/0], que corresponde ao maior diâmetro do fio, ao número 40 que corresponde ao menor diâmetro do fio. À medida que o tamanho aumenta, a área da secção transversal diminui em, aproximadamente, 20,5% (e o diâmetro diminui em, aproximadamente, 10,25%). Isto é devido ao fato de que as fieiras utilizadas pela B&S permitirem reduzir o diâmetro do fio em exatos 10,25%.
As seguintes relações resultam do que foi mencionado acima:
→ A área de secção transversal é dobrada quando o número AWG diminui em 3. Por exemplo: dois fios com o número AWG 12 têm a mesma área de secção transversal que um único fio de 9 AWG;
→ O diâmetro do fio é dobrado quando o tamanho diminui em 6. Por exemplo: o diâmetro de um fio 9 AWG é, aproximadamente, duas vezes maior do que o diâmetro de um fio 15 AWG;
→ O diâmetro do fio é triplicado quando o número AWG diminui em 10;
→ O diâmetro do fio aumenta cinco vezes quando o número AWG diminui em 14;
→ O diâmetro do fio aumenta dez vezes quando o número AWG diminui em 20.
CURIOSIDADE: Como já foi dito, as propriedades físicas dos materiais de fabricação do fio impõem certas regras. Os fios de Alumínio têm a mesma resistência que um fio de Cobre com o número AWG inferior de 2 tamanhos, trocando em miúdos, o fio de Alumínio precisa ser mais grosso para conduzir o mesmo que o Cobre.
Na tabela abaixo, as dimensões, resistências, corrente máxima admissível (para a corrente contínua) e frequência máxima à qual o efeito pelicular não ocorre (para a corrente alternada). Todos os parâmetros aqui mostrados são para fios de Cobre imersos em uma temperatura ambiente de 25 °C.
Tabela 1 - Padrão AWG para fios de Cobre maciços
Os diâmetros dos condutores e cabos trançados com o mesmo número AWG são diferentes. A secção transversal / diâmetro de um cabo trançado inclui os fios e espaços vãos entre esses fios. Esses vãos dependem do arranjo da trança. O número AWG de um cabo trançado representa a soma das áreas de secção transversal dos fios individuais, e não a área de secção transversal total do cabo.
A tabela abaixo mostra os parâmetros de um condutor sólido e de um cabo trançado, ambos compostos de Cobre. São comparados a estrutura, o diâmetro exterior e a área de secção transversal (incluindo os vãos entre os fios, excluindo o isolamento) e a resistência do fio (em Ω/km).
Tabela 2 - Comparação do AWG de fios de Cobre maciços e trançados
Acima temos uma lista dos números AWG4/0 [0000] até 2, seguido dos tamanhos pares até 36. Os fios com números AWG maiores que 36 não são produzidos como cabos trançados, pois o diâmetro do fio requerido teria de ser demasiado pequeno.
As especificações técnicas dos padrões de interfaces de comunicação de dados ou alimentação elétrica incluem diretrizes rigorosas relativas à produção de fios compatíveis com elas. Considerando que a maioria das atuais tecnologias ainda é desenvolvida nos EUA (ou em estreita colaboração com empresas americanas), os condutores utilizados em dispositivos eletrônicos são fabricados, principalmente, de acordo com o sistema AWG.
Para se ter uma ideia do amplo uso do padrão AWG, aqui vão alguns exemplos de interfaces de comunicação e as respectivas medidas de fios:
1. Cabos de rede Ethernet possuem o diâmetro de cada um dos fios trançados não maior do que 22AWG e nem menor do que 24AWG. Para segmentos curtos, podem ser usados os patch cords com um número do fio 26AWG. Veja a imagem de um trecho de um patch cable da fabricante D-Link com a especificação 24AWG:
Imagem 7 - Cabo de rede Ethernet CAT-5 com fios 24AWG
2. Para o padrão USB, são produzidos dois tipos de cabos, ambos com fios de Cobre trançados:
→ Cabos para a transmissão de dados entre os dispositivos periféricos (câmeras fotográficas, dispositivos de armazenamento com alimentação autônoma e etc.) e o PC: Todos os fios possuem o mesmo número, sendo, normalmente, 28AWG;
→ Cabos de transmissão de dados que servem também como interface de alimentação elétrica (Cabos USB de smartphones, Microfones USB e etc): Podem ter uma marca AWG dupla, isto é, para os fios D- e D+ usa-se comumente o 28AWG, já para os fios +V e GND normalmente o 24AWG.
Estas especificações valem tanto para USB 1.1, quanto para a USB 2.0 e 3.0. No caso de, por exemplo, carregadores de smartphone com maior potência, podem ser utilizados cabos USB 2.0 e 3.0 com fios +V e GND mais espessos.
3. No caso dos velhos cabos PATA (IDE), você pode ver mais detalhes sobre o tipo de fio utilizado, bem como dezenas de outras informações interessantes CLICANDO AQUI!
4. Os cabos SATA também são produzidos com fios de Cobre seguindo o padrão AWG. Para saber mais sobre esta interface, CLIQUE AQUI!
5. Fontes de alimentação ATX contam com fios trançados entre 10AWG e 20AWG, depende do projeto, isto pois existem fontes com potências variadas no mercado, bem como qualidades diferentes. Veja a imagem abaixo:
Imagem 8 - Conjunto de fios de uma fonte de alimentação ATX
OBSERVAÇÃO: Aqui será dado enfoque nos materiais orgânicos cuja base seja o Carbono (compostos poliméricos, isto é, plásticos e borrachas), bem como os materiais cuja base seja o Silício (não os semicondutores, mas sim compostos poliméricos inorgânicos, isto é, alguns tipos de borrachas)
OBSERVAÇÃO: Para ter um melhor embasamento sobre compostos poliméricos, recomendo a leitura dos artigos da série sobre plásticos e borrachas. Basta começar CLICANDO AQUI!
Quando adentramos no âmbito da elétrica, não existe um padrão de classificação dos plásticos, entretanto, a Poliamida (PA, mais conhecida pelos nomes comerciais Nylon, Tecnil ou Tecalon) é um exemplo de material que tende a ser mais condutivo, diferente do Politetrafluoretileno (PTFE, mais conhecido como Teflon). Já o Poliuretano (AE ou EU), que pode assumir estrutura de plástico ou de elastômero (borracha) é 'mais condutor' que uma borracha inorgânica de Silicone, por exemplo.
Em termos de classificação, com as borrachas não é diferente, no entanto, de forma genérica, elas podem ser divididas em três classes:
→ Borrachas isolantes: Não conduzem energia. Um bom exemplo é a borracha de EPDM. Um exemplo de uso do EPDM é no isolamento do fio de Nicromo de cabos de vela resistivos para motores de combustão interna. A resistência elétrica superficial das borrachas isolantes é superior a 10 e8 Ohms.
→ Anti-estáticas: É um isolante elétrico, porém, possui condutividade suficiente para prevenir um aumento na carga elétrica da superfície. Normalmente, as borrachas são consideradas anti-estáticas quando a resistência está na faixa dos 5.10 e4 até 10 e8 Ohms. Borrachas anti-estáticas são utilizadas como mantas em bancadas de oficinas de equipamentos eletrônicos.
→ Condutoras: São borrachas que, assim como fios metálicos, conduzem eletricidade. São consideradas condutivas quando possuem resistência menor que 5.10 e4 Ohms. É o caso da Borracha Nitrílica e do Policloropreno, por exemplo.
Veja o gráfico abaixo:
Gráfico 1 - Classificação genérica das borrachas
A borracha e o plástico, tais como outros materiais, quando sujeitos a ações de fricção com materiais de natureza diferente, dão origem à criação de eletricidade estática. Sendo, por outro lado, via de regra, materiais mau condutores da energia, essas correntes estáticas não se dissipam na medida em que são criadas, e originam descargas que podem causar problemas, seja em seres Humanos ou objetos. Problemas particularmente graves são as descargas em atmosferas potencialmente explosivas ou em condições de puderem originar incêndios.
A presença de determinados ingredientes, como o negro de Carbono, grafite e óxidos metálicos diminuem o poder isolante, pois são substâncias de natureza altamente polar.
Para que compreendas melhor o tema 'energia estática', recomendo a leitura do seguinte texto:
Propaganda de conteúdo do HC!
Clicando na propaganda acima você verá um pouco de teoria, bem como alguns exemplos de eletrização por atrito, por indução e por contato que se combinam com o que está sendo visto neste texto!
Exemplos de sistemas que sofrem com energia estática:
As correntes estáticas geradas pelas correias transportadoras no seu contato com os roletes de apoio ou com o deslizar do material transportado pela cinta na sua superfície;
As correntes estáticas geradas pela fricção entre polias e correias de transmissão de movimento;
CURIOSIDADE: No vídeo abaixo vemos a partida de um motor de combustão interna e a correia de acessórios (feita de EPDM+PET) transmitindo movimento do eixo do propulsor para as polias metálicas (e a roldana do tensor, feita de PA66-GB40) que movimentam o alternador e o compressor do ar condicionado:
Vídeo 1 - É assim que uma correia pode gerar eletricidade estática
As correntes estáticas geradas pela utilização de calçado com sola de couro ou de borracha sobre um carpete de lã;
As correntes estáticas geradas numa mangueira de jato de areia.
Sendo o assunto energia e polímeros, vamos 'condensar' mais conhecimento neste texto!
Quando dois materiais diferentes, não condutores ou maus condutores de eletricidade, são pressionados ou friccionados um contra o outro, a superfície de um deles capta elétrons da superfície do outro material. Depois de separados, adquire uma carga elétrica negativa o material que ganhou elétrons, e uma carga positiva o material que perdeu elétrons.
CURIOSIDADE: Materiais como o couro, vidro e Poliamidas tendem a ceder elétrons e adquirem uma carga elétrica positiva.
Materiais como a ebonite, borracha de PU, borracha natural e borracha de Silicone tendem a ganhar elétrons e adquirem uma carga negativa.
CURIOSIDADE: O sinal das cargas elétricas geradas nestas ações de pressão / fricção entre dois materiais de natureza diversa depende das respectivas capacidades relativas para fixar ou ceder elétrons.
Essa capacidade relativa é apresentada na Tabela 1, para vários tipos de materiais.
Tabela 3 - Capacidade relativa de ceder ou captar elétrons
Na Tabela abaixo indicam-se as afinidades de carga para vários tipos de borrachas e outros materiais.
Tabela 4 - Afinidade de carga para vários materiais
A Tabela 3 pode ser útil para a seleção de materiais para uma determinada aplicação, como por exemplo o revestimento de um rolo para a indústria de papel.
O papel apresenta uma afinidade de carga de +10 nC/J. Se o revestimento for executado em Borracha Natural (NR), que possui afinidade eletrônica de -105 nC/J, existirá uma carga transferida, por efeito da pressão / fricção no rolo, de:
+10 - (-105) = 115 nC/J
Se o revestimento for executado em Borracha Nitrílica (NBR), que possui afinidade de carga de +3 nC/J, existirá uma carga transferida, por Joule de energia, dezesseis vezes inferior:
+10-(+3) = 7 nC/J
Neste exemplo, o NBR, do ponto de vista de correntes estáticas, deve ser o material escolhido. Percebeu aqui que o NBR é um bom condutor?
A condutividade elétrica da borracha é função direta da polaridade da mesma, sendo assim, quanto mais polar é o composto, mais condutivo será o produto final.
Dentre todos os tipos de borracha existentes atualmente, a Borracha Nitrílica (NBR) é a que mais apresenta características condutivas, que variam de acordo com o teor de acronitrilo. Em segundo lugar temos o Policloropreno (CR), com grande potencial para utilização como condutor de eletricidade.
CURIOSIDADE: A borracha NBR é utilizada para fabricar roletes de fiação que trabalham com fios têxteis em alta velocidade e temperatura, havendo a necessidade de uma grande dissipação de energia estática. Sem este revestimento de NBR, os fios não entram em contato com os roletes.
Se tratando de cabos de vela para motores de combustão interna, é raro, porém há o uso incomum de borracha NBR (ou Policloropreno, por exemplo) em substituição ao super comum Nicromo (Níquel+Cromo). Para saber mais sobre cabos de vela, CLIQUE AQUI!
Em oposição ao NBR e CR, o Etilieno Propileno Dieno Metileno (EPDM) é um excelente isolante elétrico, seguido da Borracha Sintética de Estireno (SBR).
CURIOSIDADE: O EPDM é tão bom isolador que seu uso é bastante comum em cabos de vela para motores de combustão interna. A borracha de Silicone (Q) e o Polietileno Cloro Sulfonado (CSM) também são elastômeros de grande capacidade isolante.
Nem sempre é possível minimizar a criação de correntes estáticas através de uma simples seleção de materiais, como se mostrou no exemplo do "rolo revestido para indústria de papel". Resta então um último recurso:
Agentes anti-estáticos
Estes agentes são substâncias que vão reduzir ou eliminar a criação destas cargas estáticas e / ou conferir condutividade elétrica, permitindo assim o escoamento das correntes estáticas criadas. Como a umidade e os sais aumentam a condutividade elétrica, as moléculas das substâncias anti-estáticas possuem zonas com características hidrofílicas e hidrofóbicas. As zonas com características hidrofóbicas reagem com a superfície do material, já as zonas hidrofílicas reagem com a umidade do ar e fixam as moléculas de água e de sais minerais. Observe a imagem abaixo:
Imagem 9 - Como se estabelece um agente anti-estático num polímero
CURIOSIDADE: As embalagens anti-estáticas são belos exemplos do emprego de plásticos comuns aditivados com agentes dissipativos.
Imagem 10 - Placas eletrônicas precisam sempre ser embaladas em pacotes antiestáticos
A Embalagem Antiestática é produzida, geralmente, com duas camadas de plástico intercalada com uma de Alumínio vaporizado. A funcionalidade do saco antiestático é semelhante ao princípio da “Gaiola de Faraday”, sendo um escudo protetor, ou uma blindagem, que evita o acúmulo e a incidência de energia eletrostática, protegendo e proporcionando maior segurança ao produto que ela irá envolver.
Tais embalagens possuem uma camada externa de Poliéster dissipativo ou Poleitileno dissipativo e uma camada interior de Polietileno dissipativo. Os aditivos utilizados para tornar o Polietileno de Baixa Densidade (PELD) e o Poliéster anti-estáticos nunca são informados, porém, com esse texto temos o embasamento necessário para saber que se tratam de surfactantes que formam uma película condutora que permite "absorver" e dissipar a energia estática ao longo de toda a embalagem, que também possui uma camada interna com Alumínio (um condutor) facilitando o processso.
Após a conversão termoplástica como extrusão, moldagem por injeção, calandragem ou moldagem por compressão, o aditivo anti-estático migra para a superfície do plástico. O agente anti-estático residual no volume do polímero serve como um reservatório caso o material na superfície seja removido de alguma forma. Agentes anti-estáticos externos também podem ser aplicados como uma solução líquida em artigos acabados, como filmes poliméricos. Este método é altamente flexível de usar, pois o agente é aplicado apenas no final do processo e não durante a extrusão.
Imagem 11 - Agentes anti-estáticos podem ser chamados de surfactantes
Algumas das chamadas "cargas" utilizados nos compostos de borracha conferem alguma condutividade elétrica, seja ela superfícial ou volumétrica. Se tratando disso, pode se dividir as cargas em dois grupos distintos:
Cargas negras
Este grupo é composto por alguns tipos de negros de Carbono (chamado vulgarmente de "negro de fumo"). Como se sabe, existem tipos de negros de Carbono mais condutores de eletricidade, como é o caso dos que pertencem a classe do negro de acetileno.
Além da classe utilizada (negro de Acetileno, Lamparina, Canal, Térmico e etc.), vários fatores influenciam na condutividade elétrica, distribuição de calor e resistência física proporcionada pelo negro de carbono:
1. Geometria e composição de negro de carbono:
-> Tamanho da partícula;
-> Formato da partícula;
-> Porosidade;
-> Teor de matérias orgânicas voláteis e não voláteis;
2. Quantidade de negro de carbono no composto;
3. Grau de dispersão do negro de fumo no composto:
-> Tipo de processamento;
-> Tempo de processamento;
-> Temperatura de processamento.
A resistência específica diminui com o aumento da estrutura do negro de fumo e com a diminuição do tamanho da partícula, tornando o composto mais condutivo. Já o teor de matérias voláteis relativamente alto conferem aumento na resistividade específica.
A condutividade elétrica do negro de fumo é dependente da distância que separa as partículas. A medida que a distância diminui, mais condutivo é o composto, pois as partículas servem como ponte para os elétrons se movimentarem pela cadeia de átomos. Uma das maneiras de se diminuir a distância é aumentar a quantidade de negro de fumo no composto polimérico, no entanto, isto também altera propriedades físicas, como por exemplo a viscoelasticidade.
De nada adianta utilizar borracha com cargas e plastificantes corretos para se obter um composto condutivo se a dispersão do negro de fumo não for bem feita. Se o composto polimérico for processado por muito tempo, deixa as partículas mais dispersas e reduz a condutividade do produto final. Caso o produto seja pouco processado, pode haver uma dispersão irregular, deixando áreas mais condutivas e outras menos, tornando o produto final não muito eficiente. É por isso que o tipo, tempo e temperatura de processamento do polímero também devem ser seriamente levadas em conta para que se obtenham as características finais desejadas.
Um bom exemplo de aplicação do negro de fumo como agente condutor de cargas eletrostáticas é em tanques e tubulações de combustível feitas de plástico e presentes em automóveis, caminhões e tratores. Este material, em sua variante Acetileno (o mais condutor) é misturado de forma homogênea à resina antes da moldagem da peça.
Imagem 12 - Um tanque feito de Polietileno de Alta Debnsidade (PEAD) para armazenamento de Diesel num cavalo mecânico Mercedes-Benz
A movimentação do combustível dentro do tanque e tubos gera atrito, que por sua vez produz eletricidade. Como estamos falando de materiais inflamáveis, faz-se necescessário uma maneira de dissipar a energia acumulada para evitar explosões.
Segundo uma patente da Ford Motor Company do Brasil, de meados de 2019, mais de um tipo de negro de fumo pode ser adicionado ao material base, proporcionando uma resistência elétrica específica ao projeto (mas atendendo a norma SAE J2260), além de melhorar propriedades mecânicas da peça.
A patente em questão trata de um compósito com base em borracha NBR misturada com plástico PVC contendo cinza de casca de arroz (em substitição ao Talco ou CaCo3) para promover uma melhor resistência e durabilidade ao ataque químico provocado pelo Biodiesel. Obviamente há o negro de fumo condutivo para dissipar cargas eletrostáticas. O documento pode ser acessado aqui:
Ademais, complementando o tópico como um todo, partículas de Carbono grafênico também conferem uma relativamente baixa resistividade superficial.
Cargas brancas
Um dos mais comuns é o Óxido de Zinco (especialmente os nano fios de Óxido de Zinco). Veja abaixo uma tabela com algumas cargas brancas que aumentam ou diminuem a resistividade do material:
Tabela 5 - Cargas brancas utilizadas em polímeros
CURIOSIDADE: O Carbonato de Cálcio (CaCo3) é muito utilizado como reforço em compósitos que utilizam como base o Polipropileno (PP). Um material amplamente utilizado e que possui características semelhantes é a Sílica de Magnésio (Talco, abreviado "T" ou "TD"), tanto que em placas de circuito de lanternas de veículos, o uso de PP-T é muito comum, aguentando altas temperaturas de operação e também sendo um excelente isolante elétrico.
O PP+40%CaCo3 pode sair mais barato no projeto, além de ter maior dureza superficial e alongamento na ruptura significativamente melhor (60%) em comparação com PP com 40% de Talco (8%). O ponto negativo é a resistência à tração, módulo e temperatura de deflexão térmica (HDT) reduzidos em comparação ao PP-T40. Caso queira saber mais alguns detalhes sobre o compósito feito de Polipropileno com adição de CaCo3, leia o seguinte PDF:
Veja a imagem abaixo. É um exemplo de placa de lanterna feita em PP-T. Este exemplo une do tópico anterior (sobre metais) com o tópico atual (sobre polímeros):
Imagem 13 - Placa feita em Polipropileno (PP) reforçado com 20% de Talco (T ou TD). Trilhas e terminais elétricos feitos em liga de Zinco (Zinco com pequena porcentagem de Alumínio, bem como outros metais)
Para saber mais sobre placas de circuito e suas características químicas e físicas, CLIQUE AQUI!
Para alguns tipos de borrachas e plásticos, as propriedades anti-estáticas têm de ser obtidas com nano fios de Óxido de Zinco, Óxido de Titânio de tipo condutor (com partículas esféricas ou acirculares), ou deve se recorrer aos...
Plastificantes
Os PLASTIFICANTES são, em geral, baseados em:
-> Aminas e amidas alifáticas de cadeias longas;
-> sais de amônio quaternário;
-> ésteres de ácido ftalico;
-> ésteres de ácido fosfórico;
-> ésteres do ácido sulfônico;
-> ésteres de polietilenoglicol;
-> ésteres de ácidos gordos e polióis;
-> éteres poliglicólicos.
Para se obter um composto condutivo, deve se utilizar plastificantes polares do tipo DOP (Di-n-octilftalato) e DBP (ou DIBP - di iso butil ftalato), evitando-se os poliméricos. Porém, pode se utilizar óleos parafínicos, naftênicos ou aromáticos. É fundamental que haja compatibilidade entre o óleo e a borracha, afim de evitar a exsudação do óleo, que afeta diretamente a resistividade volumétrica.
OBSERVAÇÃO: Exsudação é fenômeno migratório do óleo existente na composição para a superfície deste material.
Os plastificantes de base polimérica oferecem um "efeito de longo termo", sendo muito reduzida a sua migração na massa do composto de borracha. Quando utilizados em níveis de dosagem maiores (10% até 20%) afetam normalmente, em maior grau, as propriedades físicas do composto.
As dosagens são muito variáveis. Dependem da resistência elétrica intrínseca do composto de borracha (a resistência que o composto possui antes da adição do agente anti-estático) e também do nível de resistência elétrica que se pretende obter. Recomenda-se, por este motivo, a leitura das folhas técnicas do agente a ser utilizado e a realização de ensaios para determinação das resistividades elétricas superficiais e/ou volumétricas.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre plastificantes, leia o tópico "Plástico e Plastificante" do Capítulo 5 da série sobre Plásticos e Borrachas. Para acessar, CLIQUE AQUI!
Semicondutores são um caso a parte. CLIQUE AQUI para acessar o artigo com a explicação sobre o funcionamento dos semicondutores orgânicos e inorgânicos, intrínsecos e extrínsecos.
No "Capítulo 1.1 - Introdução a Eletrodinâmica" há uma explicação no tópico "Resistência elétrica" sobre a primeira Lei de Ohm e os dispositivos Não-Ohmicos, que incluem os semicondutores.
Para saber mais sobre semicondutores inorgânicos, características e utilidades, recomendo a leitura dos seguintes textos:
Para saber mais sobre semicondutores orgânicos, características e utilidades, recomendo a leitura dos seguintes textos:
E pra finalizar este tópico, o artigo sobre LEDs também explica sobre os semicondutores orgânicos e inorgânicos. Para acessar CLIQUE AQUI!
Resumidamente:
-> Prata, Cobre, Ouro e Alumínio são os melhores condutores de eletricidade, sendo o Cobre e Alumínio os mais utilizados;
-> Os fios possuem padrões universais de tamanho, sendo o padrão AWG, utilizado para o Cobre, Alumínio e Prata o mais comum no mundo;
-> A carroceria de um veículo (carro, caminhão, trator e etc.) pode ser considerada um grande condutor cuja resistência elétrica é muito desparelha, tendo vários pontos não equipotenciais. Em menor grau a resistência superficial também pode ser incluída, isto pois há um tratamento químico anti-corrosão nas chapas, bem como a pintura, que em certos pontos pode contribuir para o aumento da resistência elétrica;
-> Plásticos e borrachas são polímeros, cuja base da molécula é sempre composta por Carbono (polímero orgânico) ou Silício (polímero inorgânico);
-> Não existe uma classificação para se distinguir os plásticos e borrachas mais condutores e os menos condutores. Se tratando de borrachas, elas podem ser divididas de maneira genérica em isolantes, anti-estáticas e condutoras;
-> A energia elétrica, assim como a térmica, pode ser gerada através de fricção e pressão entre dois materiais. Para que haja dissipação desta energia, deve haver um projeto de "drenagem" utilizando-se de materiais com características condutoras específicas para a aplicação;
-> Quando não há a possibilidade de utilizar um plástico ou borracha condutivo, pode se manipular a resistência elétrica superficial, ou até mesmo a volumétrica de outros materiais poliméricos utilizando-se de cargas negras (negro de fumo, carbono grafênico ou grafite), cargas brancas (Óxido de Zinco, Óxido de Titânio, Silicato de Cálcio e etc.) ou plastificantes (ácidos ftalicos, fosfóricos, sulfônico e etc.).
-> Os semicondutores são materiais cuja base é sempre um elemento inorgânico (Silício e Germânio são os mais comuns) dopado com outros elementos que alteram as características elétricas do material. Já os semicondutores orgânicos possuem como base da molécula o elemento Carbono combinado com outros elementos diversos, formando polímeros com características condutivas específicas.
Este texto sobre condutores e isolantes foi publicado em 2018 e originalmente trazia apenas uma pequena página com algumas informações sobre o assunto. Ao longo do tempo este artigo foi editado várias vezes e muito conteúdo foi adicionado, tornando-se necessário a criação de dois capítulos.
Este segundo capítulo acaba por ser uma interligação de vários conteúdos já tratados aqui no blog, reunindo informações sobre elétrica automotiva, Ciência e Tecnologia dos Materiais e eletricidade estática.
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FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter
Imagens, Tabelas e Gráficos: Leonardo Ritter; Site CTborracha; Google Imagens.
Referências: Livro "Eletrônica para Autodidatas, Estudantes e Técnicos"; meu caderno de física da escola; Mundo Educação; Alfa Connection; Brasil Escola; Instituto Newton C. Braga; Edufer; Engenheiro Tem que Estudar (EtE); ctborracha.com; Wikipedia (Somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 07 de Junho de 2024.