Condutores
1. 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.
1.1. 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 + Cu2Se 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.
1.2. 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%.
1.3. 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+3H2e 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.
1.4. 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.
2. 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.
3. 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:
4. 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.
5. 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.
|
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 |
Atualizado em 23-Nov-2000.
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