As Materiais Eletrônicos


Etapa 1

Passo 1
Um transformador é formado basicamente de:
Enrolamento - O enrolamento de um transformador é formado de varias bobinas que em geral são feitas de cobre eletrolítico e recebem uma camada de verniz sintético como isolante.
Núcleo - esse em geral é feito de um material ferro-magnético e o responsável por transferir a corrente induzida no enrolamento primário para o enrolamento secundário.
Esses dois componentes do transformador são conhecidos como parte ativa, os demais componentes do transformador fazem parte dos acessórios complementares.

Funções do cobre: Normalmente, o produto final originário dos produtores de cobre (mineiros), são os catodos refinados e os vergalhões de cobre, cuja produção é vendida quase que inteiramente para a indústria de transformação do cobre. Já esta indústria, processa o catodo ou o vergalhão e, através de processos de laminação, extrusão, forjagem, fundição e metalurgia do pó, obtém uma larga variedade de produtos.
O cobre puro (>99,9% de cobre), usado em condutores elétricos, é um metal nobre que quando em contato com outros metais (ferro, aço etc.) não está sujeito à corrosão galvânica. Os fios de cobre também resistem à corrosão por umidade, poluição industrial e outras influências atmosféricas que possam causar danos ao sistema. 
Cobre e Zinco: Esta combinação pertence ao grupo dos latões e o conteúdo de zinco varia de 5% a 45%. Esta liga éutilizada em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóvel, ferragens, cartuchos, diversos componentes estampados e conformados etc.
Cobre e Estanho: A combinação destes metais forma o grupo dos bronzes e o conteúdo de estanho podem chegar a 20%. É utilizado em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, buchas, engrenagens etc.
Cobre e Alumínio: Esta liga normalmente contém mais de 10% de alumínio. É utilizada em peças para embarcações, trocadores de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc.
Cobre e Níquel: Esta liga é conhecida como cuproníquel e o conteúdo de níquel podem variar de 10% a 30%. É utilizada em cultivos marinhos, moedas, bijuterias, armações de lentes etc. As ligas que normalmente contém entre 45% a 70% de cobre, e de 10% a 18% de níquel, sendo o restante constituído por zinco, recebem o nome de alpacas. Por sua coloração, estas ligas são facilmente confundidas com a prata. São utilizadas em chaves, equipamentos de telecomunicações, decoração, relojoaria, componentes de aparelhos óticos e fotográficos etc.
Propriedades:
∙ Densidade: 8,96 g / cm3 ( 20°C )
∙ Ponto de fusão: 1083ºC
∙ Ponto de ebulição: 2595°C
∙ Coeficiente de dilatação térmica linear: 16,5 x 10 - 6 cm/cm/°C ( 20°C)
∙ Resistividade elétrica: 1,673 x 10 -6 ohm.cm (20°C)
∙ Pressão de vapor: 101 mm Hg à 20°C
∙ Condutividade elétrica: 101 % IACS à 20 °C
∙ Calor latente de fusão: 50,6 cal/g
∙ Calorespecífico: 0,0912 cal/g/°C (20°C)
∙ Forma cristalina: Cúbica de faces centradas
Ferro-magnético
Funções: Há uma grande variedade de aplicações da histerese em ferro-magnéticos. Muitos destes fazem uso de sua capacidade de reter memória, por exemplo, cartões de fita magnética, discos rígidos, e de crédito. Nestas aplicações, ímãs de disco rígido como o ferro são desejáveis para a memória não ser facilmente apagada.
Propriedade: O fenômeno da histerese em materiais ferromagnéticos é o resultado de dois efeitos: a rotação do vetor magnetização e as mudanças no tamanho ou número de domínios magnéticos. Em geral, a magnetização varia (em direção, mas não magnitude) através de um ímã. Ímãs maiores são divididos em regiões chamadas de domínios. Em cada domínio, a magnetização não varia, mas entre os domínios temos paredes de domínio relativamente finas em que a direção da magnetização gira na direção de um domínio para outro. Se o campo magnético muda, as paredes se movem, mudando assim o tamanho relativo dos domínios.

Passo 2
Cobre
Existem alguns processos de obtenção do cobre na sua forma metálica, mas, geralmente, o minério, depois de extraído, britado e moído, passa por um processo que permitirá, ao final, obter o cobre metálico. A calcosite ou calcosita (Cu2S), que tem em sua composição sulfetos (compostos de enxofre), sofre aquecimento na presença de oxigênio, etapa essa denominada ustulação, e liberao cobre na forma simples. Aqui, o enxofre, preso ao cobre, une-se ao gás oxigênio formando o gás dióxido de enxofre (SO2).
O metal produzido nesta etapa é o chamado cobre blister, com aproximadamente 98,5% de pureza e alguns agregados de enxofre, ferro e outros metais. A partir dessa fase, o blister passa por um processo de refino que o purifica até se tornar um cobre com 99,5% de pureza. Logo depois, o produto é colocado em células eletrolíticas que, ao sofrerem um fluxo de eletricidade, produzem um cobre 99,9% puro. O cobre é vendido ultimamente a um preço médio de R$15.10 por Kg. 
Alumínio
A obtenção do alumínio é feita a partir do mineral bauxita, o processo se dá em três etapas: Mineração, Refinaria e Redução.
 Mineração: A bauxita contém de 35% a 55% de óxido de alumínio, este mineral é extraído da natureza e através dele se obtém a Alumina (produto intermediário que leva à produção de Alumínio). A Alumina possui fórmula Al2O3. 
O Brasil é muito rico em Bauxita, possui a terceira maior reserva no mundo. 
Refinaria: Nesta etapa, a alumina precisa passar por uma purificação, é então dissolvida em soda cáustica e logo após passa por uma filtração. Um pó branco de alumina pura é obtido e enviado à Redução. 
Redução: Esta última etapa permite a obtenção de alumínio através de eletrólise. A passagem de corrente elétrica na célula eletrolítica promove a redução da alumina, decantando o alumínio metálico nofundo da célula e o oxigênio liberado reage com o ânodo de carbono, formando dióxido de carbono. Vejamos como ocorre a reação de oxirredução: 
A Alumina é colocada no estado fundido em um tanque de ferro revestido com carbono, esse tanque funciona como cátodo. Os ânodos são constituídos de bastões de carbono mergulhados na Alumina fundida. As reações de oxirredução promovidas por esse processo originam Alumínio puro no cátodo. Este, posteriormente, vai para o fundo da célula eletrolítica. Hoje o preço de alumínio gira em torno de R$3,80 o Kg.

Passo 3
A resistividade na temperatura ambiente do cobre é de 1,72×10−8 . Já a do alumínio é de 2.82×10−8 .

Passo 4
Para a fiação de baixa tensão, principalmente para uso doméstico, é o cobre devido a sua ótima relação custo/ benefício, quando comparado a sua condutividade elétrica e o seu custo.

Por exemplo, o ouro é muito melhor condutor, mas tem um custo muito elevado. Mesmo assim ele é utilizado em equipamentos onde é essencial a boa condutividade elétrica, tais como, processadores, equipamentos de som de última linha e etc...

Mas por exemplo, para transmissão de energia em alta tensão, entre as usinas e os centros consumidores, aquelas torres de transmissão de energia, são utilizados cabos de alumínio, que têm pior condutividade elétrica, mas são mais leves, o que compensa sua relação custo/ benefício quando levado em conta o custo da construção datorre de transmissão.


Etapa 2

Passo 2
Segunda lei de Ohm
A resistência de um condutor homogêneo de secção transversal constante é proporcional ao seu comprimento e da natureza do material de sua construção, e é inversamente proporcional à área de sua secção transversal. Em alguns materiais também depende de sua temperatura.
Sendo expressa por:

Onde:
ρ= resistividade, depende do material do condutor e de sua temperatura.
ℓ= largura do condutor
A= área da secção transversal.
Como a unidade de resistência elétrica é o ohm (Ω), então a unidade adotada pelo SI para a resistividade é.
Um condutor metálico, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, se aquece. Num ferro de passar roupa, num secador de cabelos ou numa estufa elétrica, o calor é produzido pela corrente que atravessa um fio metálico. Esse fenômeno, chamado efeito Joule, deve-se aos choques dos elétrons contra os átomos do condutor. Em decorrência desses choques dos elétrons contra os átomos do retículo cristalino, a energia cinética média de oscilação de todos os átomos aumenta. Isso se manifesta como um aumento da temperatura do condutor. O efeito Joule é a transformação de energia elétrica em energia térmica. 

Etapa 3

Passo 1
Montagem de um transformador
O desenho e construção de pequenos transformadores monofásicos, como os empregados por radio-técnicos e hobbystas de eletrônica constitui uma ocupação interessante e instrutiva.Com freqüência são necessários transformadores com tensões que não são encontradas no mercado para utilização em tarefas especiais e aparatos novos. É muito mais barato construir um transformador você mesmo do que terceirizar. 
Por Harold P. Strand

Um transformador elementar consiste de um núcleo de ferro laminado sobre o qual se enrola uma bobina de fio esmaltado isolado. Esta bobina pode ser de bobinagem simples, com juntas, como ocorre no transformador de automóvel, ou composta por bobinas separadas como apresentado nas figuras 1 e 5. Este último tipo de bobinagem é o mais comum e será discutido neste artigo.
Como se indica na figura 5, uma destas bobinas recebe o nome de "bobina primária", ou simplesmente de "primário", e está conectada a entrada de corrente. A segunda bobina, que é a que recebe energia da tomada se chama "bobina secundária", ou "secundário", e terá maior ou menor número de voltas que o primário, conforme o caso. O núcleo compõe-se de placas ou lâminas de aço de silício, pois a inversão constante do fluxo de corrente alternada produz contracorrente num núcleo de ferro maciço. Portanto, se se emprega núcleo de ferro maciço, se produzirá um sobreaquecimento no transformador. O laminado tende a quebrar ditas contracorrentes.
Para resumir, a teoria de funcionamento de um transformador é a seguinte: a tensão da rede elétrica envia uma corrente pelo primário, produzindo desse modo o campomagnético (linhas de força invisíveis) dentro do núcleo de ferro. Como o núcleo também rodeia o secundário, o campo magnético, que varia conforme a corrente alternada, atravessa as espiras do secundário e, pelas leis de indução magnética, induz uma tensão no secundário. Se se fecha o circuito do secundário mediante o acréscimo de uma carga, fluirá uma corrente na mesma. A tensão induzida no secundário é diretamente proporcional ao número de voltas deste, em comparação com o número de voltas do primário, com exceção de uma pequena perda que se explicará mais adiante. Por exemplo, com 100 voltas na bobina primária e 200 na secundária, ao aplicar-se 100 volts no primário, se induzirá 200 volts no secundário. O transformador também se regula pro si mesmo, ou seja automaticamente. Quando se aplica a tensão da rede no primário, uma força eletromotora contra restante, ou tensão, é induzida nesse bobinamento. Esta tensão é praticamente igual a tensão da rede sem carga alguma. Estando o secundário aberto, esta tensão contrária impede que flua corrente no primário, a exceção de uma quantidade muito pequena. Por conseguinte, um transformador sem carga puxa quase corrente alguma da rede. A pequena corrente que consome chama-se "corrente excitadora" e serve para produzir o campo magnético no núcleo do transformador.
Quando se conecta uma carga ao secundário, a corrente nele deve, de acordo com a lei de Lenz, fluir numadireção tal que se oponha ao campo magnético do núcleo. Esta oposição tende a reduzir a intensidade do campo magnético, o qual, por sua vez, reduz a contracorrente eletromotora. Como esta última se opõe ao fluxo da corrente no primário, resta evidente que, ao reduzi-la, se permitirá que mais corrente flua pelo primário, para satisfazer os requisitos de um aumento de carga no secundário. Deste modo, o transformador atua de modo similar a uma válvula reguladora automática. O primeiro passo que se deve ter em conta ao desenhar um transformador, são as dimensões do núcleo e sua relação com uma magnitude de volt/amperes ou "capacidade nominal." Para o benefício do desenhista aficcionado, a tabela nº 4 pode ser usada como um guia geral . Isto não quer dizer que se deva segui-la sempre exatamente; já que, se emprega menor quantidade de ferro em núcleo, deverá compensar-se esta situação com maior número de voltas no primário. Pode ver-se na fórmula, figura 6, que a relação entre a superfície do núcleo e o número de voltas se mantém de modo que se assegura uma densidade magnética prudente no núcleo. Entretanto, não é boa prática usar uma quantidade excessiva de ferro ou cobre, há de se considerar as fugas e a eficiência do transformador. Quando se pode construir núcleos para transformadores com tiras retas de aço silício, as lâminas do tipo E- figura 3, podem ser obtidas de um transformador usado, são convenientes. O que maisse deve ter em conta, ao desenhar um transformador, é a espessura que se obtêm ao sobrepor as placas laminadas, medido como na figura 2, a largura da seção central, "A," na figura 3, e a área das aberturas.



O problema que geralmente enfrentam os aficcionados é determinar o número de voltas e a espessura do fio necessário para produzir uma determinada tensão com um núcleo determinado disponível. Suponha-se, por exemplo, que a largura da seção central das placas disponíveis tenha medida de 1 1/4", uma das aberturas tenha uma medida de 5/8" x 1 7/8" e que haja suficientes placas para sobrepô-las até formar uma espessura de 1 3/4". A área do núcleo é a largura da secção central (1.25") multiplicada pela espessura da pilha de placas (1.75") A e E, figuras 3 e 5, que equivale a 2.19 polegadas quadradas. Usando a tabela da figura 4, vemos que isto corresponde a uma classificação de 125 voltamperes a 60 ciclos.

Se usamos um transformador com uma linha de 115 volts e fosse preciso obter 230 volts a 0,5 amperes nas saídas do secundário, devemos multiplicar 230 x 0,5, obtendo 115 voltamperes, o qual se encontra o suficientemente dentro da classificação de 125 voltamperes para o núcleo.
Para encontrar o número exato de voltas no primário, deve-se usar a fórmula da figura 6. Colocando os valores correspondentes, na fórmula se apresentaria da seguinte forma:



Nesta fórmula 10^8 toma o lugar de 100.000.000
115é a tensão do primário
4,44 é um fator
60 é a frequência
2,19 é a área do núcleo
65.000 são as linhas de força por polegada quadrada do campo magnético.
O resultado, 303 voltas, pode ser arredondado para 300. O próximo passo é dividir 300 pela tensão da rede (115) para obter o número de voltas por volt. Este será de aproximadamente 2.61 voltas por volt. As voltas necessárias no secundário, para qualquer tensão de saída, se calculam multiplicando 2,61 pela tensão desejada. Neste caso, se se deseja obter 230 volts, de maneira que: 230 x 2.61=600 voltas. As fugas que se produzem no enrolamento, que devem ter-se e conta, podem compensar-se com um aumento de 4% no número de voltas.

Também deve considerar-se a "regulação", ou seja, a condição que afeta a tensão de saída, desde a falta de carga até a carga total. Geralmente, um aumento de 2% no número de voltas compensa esta condição. De maneira que, ao aumentar as 600 voltas em 6%, obtêm-se um total de 636 voltas, então haverá 230 volts com uma carga de 0,5 amperes.
A tabela da figura 7, mostra a superfície seccional dos fios de cobre. Se movimentarmos o ponto decimal na coluna de milésimos (mils) circulares três espaços para a esquerda, é possível determinar rapidamente a capacidade de amperagem de cada tamanho. O secundário manejará 0,5 amperes, e, com base na tabela, o fio No.23, de 509 milésimos circulares, é o tamanho mais correto. Para determinar acorrente.. no primário, divida a classificação de voltamperios (capacidade nominal) (1l5 pela tensão no primário (115), resultando em um ampere. Como os transformadores nunca funcionam com uma eficiência de cem por cento, é conveniente agregar uns dez por cento, ou seja, multiplicar o total por 1,1 amperes. Neste caso, ao fio No.19, de 1288 milésimos circulares, é o tamanho mais aproximado.



Material isolante usado no transformador
Papel isolante parafinado
Como sabemos o transformador (transformador monofásico)  no mínimo, possuirá dois enrolamentos, o primário e o secundário, podendo ainda existir transformadores com múltiplos enrolamentos secundários para diferentes tensões de saída. É fato que estes enrolamentos distintos não poderão, de forma alguma, entrar em contato elétrico uns com os outros (mais precisamente: curto-circuito), para evitar isto fazemos uso de um papel especial que realiza a isolação das bobinas, este papel é o papel parafinado. Este papel recebe um banho de parafina para auxiliar na eliminação da umidade causadora de baixa isolação do transformador.
Termocontrátil
É muito importante garantir uma excelente isolação nos terminais que serão disponibilizados no transformador, uma boa maneira de realizar a isolação é fazer uso do termocontrátil nestas conexões. Todas as conexões ente o fio magnético esmaltado e os cabos que serão os terminais dos enrolamentos devem, sem exceção, serdevidamente soldados para um melhor desempenho, ou seja, com os terminais soldados teremos uma melhor resistência mecânica e também a eliminação do aquecimento por mal contato. Além de garantir o isolamento ideal para o transformador, o termocontrátil dará a seu transformador um excelente acabamento agregando um valor estético perfeito.


Etapa 4

Passo 1
Materiais magnéticos
Os materiais magnéticos macios, em geral, são utilizados na construção de motores, geradores e transformadores com núcleo de bobinas alimentadas com corrente alternada, o que induz correntes parasitas, causando elevadas perdas. Por este motivo, rotores e estatores de motores, bem como núcleo de transformadores, são construídos com chapas de aço ferromagnético laminadas, justapostas e isoladas para restringir o fluxo de correntes parasitas e reduzir as perdas, aumentando a resistividade.
Os materiais magnéticos macios mais utilizados são as ligas de aço em geral, com exceção de algumas ligas de aço inox que são paramagnéticos e apresentam a mesma permeabilidade magnética relativa do vácuo. Os três tipos de materiais mais utilizados para núcleos de máquinas elétricas são o aço baixo carbono, aço-silício de grão não orientado e aço-silício de grão orientado.
Fio magnético
Este tipo de fio é aplicado em enrolamento de motor, bobinamento de transformador monofásico,  trifásicos entre outros. Possui um revestimento de verniz que garantea isolação do condutor e a capacidade de suportar temperaturas elevadas cerca de 200°C (A Temperatura suportada varia em função do tipo: HS – Camada Simples ou HD – Dupla Camada), possui capacidade de resistir a umidade e proporciona ao condutor resistência a produtos abrasivos, características dielétricas e choque térmico. Este tipo de condutor pode se apresentar em formato redondo, quadrado ou retangular para diferentes aplicações e potências.
Lâmina de ferro silício para o núcleo
Construído de material ferromagnético, o núcleo do transformador monofásico  é construído por lâminas/chapas de ferro silício. Cada uma das lâminas são isoladas com uma espécie de verniz, este verniz vai evitar o contato elétrico entre as placas prevenindo o transformador de  perdas por Histerese e Foucault. Diferentes modelos de núcleos podem ser encontrados, em nosso exemplo trabalharemos com o núcleo do tipo E+I que tradicionalmente é o mais utilizado em transformadores monofásicos de baixa potência.


Passo 2
Ligas materiais magnéticos 
Este é o grupo mais importante dos materiais magnéticos. Trata-se de materiais que necessitam ter alta intensidade de saturação, alta permeabilidade e uma força coerciva bem pequena. A remanência pode ser baixa ou alta, conforme o tipo de aplicação. Por exemplo, num relé sensível, de desligamento rápido, necessita-se um material de baixa remanência para reduzir o agarramento quando se cortao campo magnetizante.
Na aplicação em corrente alternada necessita-se de ligas de baixa histerese e de alta resistividade para diminuir a perda do núcleo.
 Ferro, níquel e cobalto – Dentre os materiais magneticamente moles deve-se estudar em primeiro lugar os três elementos ferromagnéticos mais comuns: ferro, níquel e cobalto.
 O ferro quimicamente puro é o que apresenta melhores característica magnéticas, mas seu preço é muito elevado para as aplicações normais. Para substituí-lo, usam-se os aços extra doces, que apesar de inferiores, dão resultados satisfatórios. O Ni e o Co, são elementos menos ferromagnéticos do que o Fe e de preço mais elevado. Tipos de ligas Fe-Si, fabricadas na forma de chapas. Seu emprego faz-se em:
 1) Motores fracionários de baixo custo, para uso intermitente.
2) Motores fracionários e peças polares e outros circuitos magnéticos de alta permeabilidade.
 3) Motores e geradores da melhor qualidade. Transformadores pequenos para uso intermitente, relés e reatores.
 4) Motores e geradores de eficiência média. Transformadores pequenos e reatores.
 5) Motores e geradores de alta eficiência e tamanho médio. Transformadores de uso intermitente, reatores, medidores elétricos, peças polares laminadas.
 6) Transformadores de alta eficiência, para redes de distribuição.
 7) Todos os tipos de transformadores, para redes de distribuição e máquinas elétricas de alta eficiência.

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