Ligas de medição
- Essas ligas são altamente resistivas, apresentam uma resistividade elétrica, à temperatura ambiente, muito maior do que os elementos puros, que dificilmente ultrapassam a resistividade de 0,2 Ωmm²/m. Neste caso, além de apresentar uma elevada resistência, para ligas de medição também é necessário apresentar uma resistividade constante, seu coeficiente de temperatura deve ser no máximo 2,5x10-6 /°C, além de uma tensão de contato em relação ao cobre de no máximo 1x10-5 V/°C. Outro ponto a atentar seria a variação da temperatura à temperatura ambiente.
- É importante salientar que essas ligas geralmente sofrem deformação com o frio, causando um “envelhecimento” do material com seu uso, modificando suas características, o que para um instrumento de medição não é viável. Portanto, um processo chamado “envelhecimento artificial” é utilizado, estabilizando o material por meio de um tratamento térmico controlado, diminuindo seu coeficiente de temperatura. Em uma vista interna do material, esse processo homogeneíza e estabiliza os cristais, além de eliminar tensões internas, tendo assim um melhor proveito das ligas.
- Algumas ligas de medição podem ser vistas a seguir.
Ligas de cobre-níquel
- Algumas dessas ligas são usadas para fins de medição, como as seguintes:
Konstantan
- Liga composta por 54% de Cu, 45% de Ni e 1% de Mn. Sua resistividade elétrica é de 0,50 Ωmm²/m, praticamente constante, e seu coeficiente de temperatura é -0,03x10-3/°C, recomendado até temperaturas de 400 °C. Material que pode ser utilizado para fins de medição, mesmo não sendo sua principal utilização, pois ele possui boa estabilidade térmica, no entanto, sua tensão de contato em relação ao cobre é de 40µV/°C, o que torna o material inadequado para baixas tensões. Além de suportar bem a corrosão de ácidos diluídos e vapores de amoníaco.
Ligas de cobre-manganês
Manganina
- Composta de 86% Cu, 12% Mn e 2% Ni Elevada estabilidade térmica, coeficiente de temperatura 1x10-5 /°C, muito próximo ao zero, sua resistividade elétrica é de 0,43 Ωmm²/m, recomendada para temperaturas de até 400 °C. É uma liga muito mais recomendada para resistores de precisão, para fins de medição, do que o Konstantan, uma vez que sua tensão de contato com o cobre é muito baixa. A liga te uma resistividade muito estável em relação à mudança da temperatura ambiente.
Isabelina
- Composta de 84% Cu, 13% Mn e 3% Al. É uma variante da manganina, se comporta similarmente a essa também. Seu coeficiente de temperatura é de 0,002x10-3 /°C e resistividade elétrica de 0,5 Ωmm²/m, recomendada para temperaturas até 300 °C. Sua tensão de contato com o cobre é de 1µV/°C, tornando muito recomendada para ser matéria-prima de resistores de precisão.
Ligas de ouro-cromo
- São ligas utilizadas especialmente em resistores de precisão e em padrões. A adição do cromo ao ouro faz com que haja uma aumento na resistividade elétrica do ouro (0,02 Ωmm²/m), assim como uma acentuada redução do coeficiente de temperatura (4x10-3 /°C). Uma liga de ouro-cromo com 97,95% de Au e 2,05% de Cr, chega a ter uma resistividade elétrica de 0,33 Ωmm²/m e uma tensão de contato de 7 a 8µV/°C. Porém, ela é muito frágil a ação de esforços mecânicos e variações da umidade ambiente. E devido à pequena quantidade de cromo adicionado, a coloração da liga permanece como a do ouro.
Ligas de níquel-cromo
- Como complemento, pode-se dizer também que ligas de níquel-cromo, apesar de estarem mais ligadas ao aquecimento, elas podem ser utilizadas para fins de medição se apresentarem uma baixa quantidade (ou ausência) de ferro na composição. Com a diminuição da durabilidade causada pelas condições do ambiente, pode-se adicionar tório e cálcio à composição, pois ambos reduzem a oxidação da liga.
Aplicações
Engenharia Elétrica
- Essas ligas são usadas para compor equipamentos de precisão. Por exemplo:
- Resistência de fios para laboratórios e aparelhos de precisão.
- Derivadores shunt, que são acoplados a instrumentos de medida, como voltímetros, amperímetros etc.
- Voltímetro eletrodinâmico: para melhorar o desempenho do aparelho em corrente alternada, um resistor (rrad) é colocado. Além de aumentar a a corrente suportada pelo equipamento, ele melhora a resposta em faixas críticas como o inicio e o fim da escala de medidas e melhora a estabilidade em condições onde a temperatura não é favorável.
- São usadas como referência em relação à resistência, a chamada “resistência padrão”.
- Mas de um modo geral estão ligados intrinsecamente à aparelhos de precisão.
Curiosidades
- As resistências padrões são resistências cujos valores são conhecidos com grande precisão. Era utilizado o mercúrio para a realização dessa medida padrão, mas hoje são utilizados padrões de fios metálicos. Um padrão de resistência deve possuir características fundamentais:
- Resistência invariável com o tempo;
- Resistência invariável com a temperatura.
- Ou seja, características de ligas de medição, os materiais que melhor obedecem a essas qualidades, por exemplo, são as ligas chamadas konstantan e manganina. Que foram as ligas citadas.
- Outra curiosidade que pode ser citada, apesar de abordar outro assunto, é a utilização de certas ligas citadas como “termopares”, utilizados para medição de temperatura, consistindo, de maneira sucinta, em dois metais diferentes com extremidades ligadas. Por exemplo, o termopar E cromel(níquel-cromo)/konstantan, cromel 90% Ni 10% Cr, pode ser utilizado para a medição de temperaturas entre -270 °C e 1000 °C.
Resumo
- Resistores para instrumentos de precisão admitem um coeficiente de temperatura máximo de 2,5x10-6/ºC, uma pequena tensão de contato com relação ao cobre e uma resistência praticamente constante.
- Tais ligas sofrem geralmente deformação a frio, o que pode acarretar “envelhecimento” sensível após algum uso. Por essa razão é comum aplicar-se um processo de envelhecimento artificial, para estabilizar o material, através de um tratamento térmico controlado, que elimina tensões internas, estabiliza e homogeneiza os cristais.
- Os tipos usados para resistências-padrão são muito diversos dos empregados para reostatos de partidas de motores, ou para regulação de aparelhos.
- As ligas de níquel-cromo apresentam elevada resistividade e baixo coeficiente de temperatura para a resistência; por exemplo Nichrome V. As ligas de ferro-níquel, de custo muito menor que as de níquel-cromo, apresentam menor resistividade que essas e menor resistência à corrosão, por exemplo Nilvar.
- As ligas de cobre-níquel têm resistividade ainda menor, não resistem tão bem às altas temperaturas quanto as de níquel-cromo, porém apresentam coeficientes de temperatura praticamente desprezíveis, por exemplo Advance, o que é essencial para equipamentos de medida de precisão. No entanto, a niquelina não se aplica a esse caso, devido ao fato de que com a variação da temperatura, sua resistividade não se mantém constante.
- As ligas de prata com 8,7% de Mn, sem estanho (Sn), podem ser utilizadas para fim de medição, ao contrário das demais ligas de prata. Nessa liga, o coeficiente de temperatura é zero, isso após um tratamento térmico de 12 horas a 250o<\sup>.
Referência bibliográfica
- Schimidt, Valfredo - Materiais elétricos -- São Paulo: Blucher, 1979.
- Branco, André. Ligas de Alta Resistividade -- Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Paraná (UFPR), 2012.