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PARTE I INDICE 1

CONDUCTORES AISLADOS...........................................................................................................................2 1.1 MATERIALES CONDUCTORES...................................................................................................................2 1.1.1 Conducción eléctrica.............................................................................................................................2 1.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES...............................................2 1.2.1 Propiedades eléctricas...........................................................................................................................3 1.2.1.1 Resistencia eléctrica:........................................................................................................................................3 1.2.1.1.1 Variación de la resistencia con la temperatura.............................................................................................3 1.2.1.2 Resistividad eléctrica:.......................................................................................................................................5

1.2.2 1.2.3 1.2.4

Conductividad eléctrica:........................................................................................................................5 Propiedades mecánicas.........................................................................................................................5 Propiedades físico - químicas................................................................................................................6

1.2.4.1 1.2.4.2 1.2.4.3 1.2.4.4 1.2.4.5

Peso específico y densidad:..............................................................................................................................6 Calor específico:...............................................................................................................................................6 Calor y temperatura de fusión:.........................................................................................................................7 Conductividad térmica - Conductibilidad:........................................................................................................7 Coeficiente de dilatación lineal:........................................................................................................................7

1.3 CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES.....................................7 1.3.1 Resistencia de los materiales conductores para corriente de alta frecuencia.....................................7 1.3.2 Resistencia de contacto entre materiales conductores.........................................................................8 1.3.3 Superconductividad...............................................................................................................................8 1.4 MATERIALES CONDUCTORES.............................................................................................................................9 1.4.1 Cobre......................................................................................................................................................9 1.4.2 Cobre electrolítico..................................................................................................................................9 1.4.3 Cobre recocido.......................................................................................................................................9 1.4.4 Cobre semiduro......................................................................................................................................9 1.4.5 Cobre duro...........................................................................................................................................10 1.4.6 Aleaciones de cobre.............................................................................................................................10 1.4.6.1 1.4.6.2

1.4.7

Latones........................................................................................................................................................... 10 Bronces........................................................................................................................................................... 10

Aluminio..............................................................................................................................................10

1.4.7.1

Aleaciones de aluminio...................................................................................................................................12

1.5 MATERIALES CONDUCTORES ESPECIALES........................................................................................12 1.5.1 Plata.....................................................................................................................................................12 1.5.2 Níquel...................................................................................................................................................13 1.5.3 Aleación Cu-Ni....................................................................................................................................13 1.5.4 Aleación Fe-Ni.....................................................................................................................................13 1.5.5 Aleación Cr-Ni.....................................................................................................................................14 1.5.6 Carbón y grafito...................................................................................................................................14 1.5.6.1

1.5.7 1.5.8

Aplicaciones del carbono en uso electrotécnico..............................................................................................15

Hierro...................................................................................................................................................16 Conductores para fusibles...................................................................................................................16

1.5.8.1 1.5.8.2 1.5.8.3 1.5.8.4 1.5.8.5 1.5.8.6 1.5.8.7

La plata:.......................................................................................................................................................... 16 Aleaciones bismuto-plomo-estaño o plomo-estaño:........................................................................................16 Aluminio:....................................................................................................................................................... 17 El zinc:........................................................................................................................................................... 17 El niquel:........................................................................................................................................................ 17 El estaño y el plomo.......................................................................................................................................17 El latón:.......................................................................................................................................................... 17 Cálculo de conductores:..................................................................................................................................18

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1 CONDUCTORES AISLADOS 1.1

MATERIALES CONDUCTORES

Se denomina conductor a todo material que permite el paso continuo de una corriente eléctrica, cuando está sometido a una diferencia de potencial eléctrico. V

A) Ley de Ohm: V = I . R

R A B) Ley de Joule: Q = I2 . R

B I

1.1.1 Conducción eléctrica La conducción eléctrica se puede definir como el movimiento de cargas eléctricas en el espacio. La conducción eléctrica puede ser de dos clases: a) Conducción electrónica: los portadores de cargas son electrones libres. Al aplicar un campo electromagnético exterior el movimiento de los electrones se orienta hacia el polo positivo del campo. b) Conducción iónica: los portadores de cargas son los átomos ionizados, es decir que le sobran o faltan electrones. Al aplicar un campo electromagnético exterior el movimiento de los iones queda orientado en el sentido de un polo según sea su carga. La conductividad iónica aumenta con la temperatura. Los movimientos electrónicos serán más rápidos que los iónicos, al tener el electrón una masa menor que la del átomo ionizado, con una inercia menor. 1.2

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES

Eléctricas

Mecánicas

Físico-químicas

. resistencia . resistividad . conductividad . coeficiente de trabajo a la tracción . coeficiente de trabajo a la compresión . coeficiente de trabajo a la flexión . coeficiente de trabajo a la cortadura . peso específico . calor específico . conductividad térmica . calor y temperatura de fusión . coeficiente de dilatación

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1.2.1 Propiedades eléctricas 1.2.1.1 Resistencia eléctrica: Para un material la resistencia R, constituye un índice del grado de oposición que ofrece al paso de la corriente. Se la define como una relación entre el potencial aplicado y la corriente que circula por efecto de dicho potencial Para un material conductor determinado la resistencia R, es en general independiente de la tensión V y la corriente I, y depende de la naturaleza de los componentes y de sus dimensiones físicas. Para conductores en los cuales es preponderante el largo sobre el alto y el ancho, la R es directamente proporcional al largo e inversamente proporcional a la sección de l modo que R   . ,donde  es la resistividad. S La unidad de resistencia eléctrica es el OHMIO (  ) que se define como la resistencia de un circuito recorrido por una corriente de 1 Amperio, al ser sometido a una diferencia de potencial de 1 Voltio. Se emplean múltiplos y submúltiplos atento al amplio margen de variación de este valor (R) para todos los materiales de uso eléctrico microohmio =  = 10-6 (  ) ohmio Megaohmio = M = 106 (  ) ohmios A la inversa de la resistencia se la llama CONDUCTANCIA I G= (Siemens) y la unidad siemens se define con el mismo criterio que el ohmio. V 1.2.1.1.1 Variación de la resistencia con la temperatura Según la clase de material el comportamiento de la resistencia es función de la temperatura y su variación presenta diferentes características : a) Para los metales en general la resistencia eléctrica aumenta con la temperatura. b) Industrialmente se consiguen aleaciones a base de cobre, niquel, hierro, manganeso cuya resistividad es prácticamente invariable con la temperatura. c) El carbono y sus derivados, en general todos los materiales aislantes, presentan un comportamiento inverso, vale decir que la resistividad disminuye con el aumento de la temperatura. Resulta fácil comprender que la resistividad de un material resultará realmente definida cuando, se acota la temperatura a la cual se toma dicho valor, en general es usual referirla a 20ºC. Constante de temperatura: Experimentalmente se comprueba que la variación de la resistividad por cada grado de temperatura es una constante propia para cada material e independiente de la resistividad inicial de la muestra. Parámetros para el Cu . mm 2 ( ) m -6 c = 68 x 10 ºC

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En general se puede expresar :

t 2   t 1  c(t 2  t1)



Coeficiente de temperatura: Si al variar la temperatura de un conductor desde t 1 a t2 ºC su resistividad aumentara de t1 a t2, se define como coeficiente de temperatura medio t1, a partir de t1 ºC, como la variación de resistividad por grado centígrado referido al valor incial de (t1) ( c   t1    t1 De la expresión  se deduce :

 t2 -  t1 ) t2 - t1  t1 c (t2 - t1) ]  t1

 t2 =  t1 [ 1 +

Si

  t1 

c , se tiene que:  t1

 t2 =  t1 [ 1 +   t1 (t2 - t1) ] Generalmente t1=20ºC, como valor de referencia, lo cual permite obtener la resistividad a cualquier temperatura, lo que permite efectuar la corrección de la resistencia por c   20 = efecto de la temperatura y será:  20

  t1  20 1     20  t1 1    20 (t1  20) 

1

  t1 = (

1  20)  t1   20

l S Hemos considerado hasta aquí que la variación de R es función de la temperatura, pero es claro que con la variación de la temperatura también varían l y S, por dilatación y lo hacen con un coeficiente de dilatación lineal propio del material referido generalmente a 0 ºC (0). Tendremos que:

Coeficiente aparente de temperatura: Si

R  .

Rt2  t2 lt 2 S t 1  t2 1   0 t2 (1   0 t1) 2  t 2 1   0 t1  . .  . .  . Rt1  t1 lt 1 S t 2  t1 1 +  0 t1 (1 +  0 t2) 2  t 1 1 +  0 t2

de donde :

  t 2 1   0 t1  Rt2  Rt1  .( )   t 1 1 +  0 t2  4

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Esta última expresión es de mucha importancia por cuanto permite efectuar las correcciones por temperatura de las mediciones de resistencia. Método especialmente empleado para medir el grado de calentamiento de los bobinados de motores y alternadores. Ya que resulta simple despejar t 2 de la fórmula. 1.2.1.2 Resistividad eléctrica: Es la constante característica de cada material. E s el valor de la resistencia eléctrica de una cantidad unitaria de material y que caracteriza un material, como una constante física propia, independiente de la forma que puede adaptarse para su empleo R  .

l S





R.S l

 . mm 2 m Para un material determinado la resistividad eléctrica será igual a la resistencia de un conductor de 1m de largo y de 1mm2 de sección. Para el caso de conductores iónicos y aún para los electrónicos sin preponderancia de una de sus dimensiones, suele escribirse la expresión:

Si la R la medimos en ohmios, a S en mm2 y l en metros, tendremos que  

1.2.2 Conductividad eléctrica: Es la inversa de la resistividad. 

1 l   R. S

Su uso técnico es indistinto, Por ejemplo: para el Cu 1 S. m .m 2    58    0,017241  m2 m 1.2.3 Propiedades mecánicas Resulta claro que además de permitir el paso de la corriente eléctrica, los materiales conductores deben tener un comportamiento mecánico, que haga posible su uso en los sistemas y circuitos en los cuales se los emplea. Para cada elemento conductor se definen coeficientes o límites de trabajo, que permiten adecuarlos a las solicitaciones mecánicas, que los requerimientos estructurales requieren. Coeficiente de trabajo a la tracción:

t

Ft Kg / mm 2 S

Coeficiente de trabajo a la compresión:

c

Fc Kg / mm 2 S

También se consideran, coeficientes a la flexión y al corte. Todos estos esfuerzos mecánicos producen deformaciones, que pueden situarse en el campo elástico, en cuyo caso desaparecen cuando cesa el esfuerzo, o en el campo plástico, cuando las deformaciones son permanentes.

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Se emplea normalmente el concepto de módulo elástico (Módulo de Young) que es la relación entre el esfuerzo de tracción y el alargamiento producido: M 

F.l S . l

F: esfuerzo (Kg) S: sección (mm2)

l: longitud inicial (mm)  l: alargamiento (mm)

Otra propiedad mecánica que ofrece interés es la dureza, definida como la resistencia a ser penetrado por otro cuerpo más duro. Se mide en coeficientes, que son función de la penetración de una bolita sometida a presión, 10mm  y 3000 Kg de peso para materiales duros y 500 Kg. para materiales blandos, el índice Brinell es donde S es la superficie del casquete esférico penetrado. Para el método Rockwel se mide la profundidad de la penetración de una bolita de 1,59 de diámetro. Coeficientes de trabajo: son las tensiones que puede soportar el material con seguridad Tracción:  t 

Ft S

 kg     mm 2 

Módulo de Young: M 

Compresión:  c 

Fc S

 kg     mm 2 

FL : relación entre el esfuerzo de tracción y S L

el alargamiento producido (L: long. Inicial) 1.2.4 Propiedades físico - químicas 1.2.4.1 Peso específico y densidad: 

P V

y

 

m V

Es la relación entre peso y volumen, se toman a 20ºC y tiene importancia por cuanto el peso del componente produce un factor decisivo en el proyecto , esto es particularmente incidente para el caso de líneas, por cuanto el peso propio del conductor es uno de los factores que definen la capacidad de las estructuras resistentes . 1.2.4.2 Calor específico: Este parámetro es particularmente importante para los conductores empleados en máquinas y equipos , definiendolo como la cantidad de calor necesario para elevar 1C la unidad de masa ; como puede inferirse, a menor calor específico menor 

J



capacidad de evacuación y absorción de calor . Su unidad es    kg . C 

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1.2.4.3 Calor y temperatura de fusión: Se denomina calor de fusión de un cuerpo a una determinada temperatura t en ºC, a la cantidad de calor que se ha de comunicar a la unidad de masa de este cuerpo para que pase del estado sólido al líquido a esta misma temperatura (T: temperatura de fusión). Representa un límite para el empleo , tanto como conductor en situación de componente de circuito y especialmente para el empleo como fusible. 1.2.4.4 Conductividad térmica - Conductibilidad: Es la capacidad de permitir el paso de un flujo calórico y se mide en función de la cantidad de calor que atraviesa una placa de caras paralelas sometida a un flujo constante, en la unidad de tiempo. Teniendo en cuenta que todo material que es sometido al paso de una corriente eléctrica disipa una cantidad de calor definida por la Ley de Joule igual a I 2 R, para conductores aislados. Esta capacidad de transportar el calor puede ser esencial en el proyecto de máquinas y cables. En general puede afirmarse que si bien no existe una proporcionalidad entre la conductibilidad eléctrica y la térmica, el comportamiento de los materiales electrotécnicos es similar para uno y otro fenómeno. Esto tiene capital importancia en la determinación de la sección de los conductores (cables, espiras, etc.) 1.2.4.5 Coeficiente de dilatación lineal: La dilatación lineal es el aumento de longitud en una determinada dirección. Y el coeficiente de dilatación lineal es el aumento que experimenta la unidad de longitud de un determinado material al aumentar un grado centígrado su temperatura. Todo elemento conductor , sometido a un t experimenta una variación de sus dimensiones voluméticas que está regida por la expresión ; l = l0 [ 1 +  ( tf - ti ) ] donde  es el coeficiente de dilatación propio de cada material . 1.3

CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES

1.3.1 Resistencia de los materiales conductores para corriente de alta frecuencia El paso de una corriente alterna por un conductor está siempre acompañado por fenómenos de inducción electromagnética en el interior del conductor y cuyo efecto es modificar la distribución de la corriente eléctrica en la sección del mismo: la densidad de corriente es mayor en la periferia del conductor y va disminuyendo hacia el centro. Este fenómeno se conoce con el nombre de "efecto pelicular o efecto Kelvin". Es por ello que la resistencia eléctrica a la corriente alterna es mayor que a la corriente continua y su valor depende de la frecuencia. Cuando se utilizan varios conductores en bandeja para una misma fase, el efecto pelicular produce mayor circulación de la corriente por los conductores de los costados respecto de los del centro, pudiendo producir el deterioro de los mismos. Una solución consiste en trasponer conductores de distintas fases para que se anulen los efectos del R S T campo magnético entre las fases mencionadas.

S R

RR S T

S T

R

T

R

S T R S

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1.3.2 Resistencia de contacto entre materiales conductores Cuando se únen por contacto dos piezas conductoras , con el objeto de posibilitar el paso de corriente, cualquiera sea la presión que se ejerza siempre habrá una separación, debido a la imperfección superficial, prácticamente no se pueden efectuar uniones con separaciones menores a 1  mientras que los espacios atómicos sean del orden de 0,001  de donde puede comprenderse fácilmente que la resistencia de contacto resulta un problema , que debe ser considerado especialmente . Esta resistencia de contacto se define como la relación existente entre la tensión en los bornes de un contacto y la intensidad de corriente que atraviesa el contacto. En BT las corrientes elevadas circulando a través de los contactos pueden producir calentamiento y deterioro de los mismos. En MT la separación de los contactos podría provocar la descarga disruptiva por aire aumentando la temperatura y fundiendo los contactos. La conducción por contacto, se hace : a) En la superficie de los puntos de contacto íntimo b) A través de una zona de disrupción , ya que el espesor del aislante ( aire) es tan pequeño que se establece una vía de conducción disruptiva. Resulta en consecuencia que la resistencia de contacto, por la suma en paralelo de la resistencia de conducción con la resistencia disruptiva, no cumplirá con la ley de ohm o por lo menos representará una discontinuidad , razón por la que se debe definir para las uniones de contacto un valor de resistencia de contacto, que depende de muchos factores , entre los cuales señalamos : a) Presión de contacto (depende del tipo, forma y accesorios del contacto) b) Composición de las piezas en contacto (deben ser químicamente iguales o parecidas) c) Forma y sección de las piezas en contacto d) Naturaleza del medio ambiente e) Sentido y densidad de la corriente f) Tipo de corriente ( C.C. o C.A.) La plata, cobre y sus aleaciones dan bajos valores de resistencia de contacto, mientras que el aluminio da valores de resistencia que tienen tendencia a incrementarse con el tiempo por la producción de óxido de elevada resistencia eléctrica. La energía puesta en juego es I N2 R . Con I k falla es mayor la potencia debido a falso contacto. Si los elementos de contacto son químicamente diferentes se produce una diferencia de potencial por ser uno electromagnético con respecto al otro (efecto Volta), lo que puede en presencia de agua (humedad) producir electrólisis y consecuente ataque químico, que a su vez aumenta la resistencia produciendo un efecto progresivo de graves consecuencias (especialmente Cu-Al). Este fenómeno se incrementa aún más a temperaturas elevadas. 1.3.3 Superconductividad

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La resistencia en los materiales es un valor creciente con la temperatura, esta pendiente decreciente hacia bajas temperaturas tiene diferentes comportamientos según sea el elemento conductor; pero en las proximidades del 0 ºK absoluto muchos conductores presentan una anomalía ya que bruscamente pierden totalmente la resistividad, entonces se define este entorno anómalo como la superconductividad y se caracteriza por los siguientes aspectos: a) En la zona de superconductividad desaparece la resistencia eléctrica b) El Efecto Joule prácticamente no existe. c ) No hay campo magnético en el interior en la zona de superconductividad. Cada elemento superconductor tiene un punto en el cual se torna superconductor y que le es propio: Plomo _____ 7,2 ºC Mercurio ___ 4,2 ºC Indio _____ 3,4 ºC

Estaño _____ 3,2 ºC Talio _____ 2,47 ºC Galio _____ 1,07 ºC

En general tienen igual comportamiento las aleaciones en las que uno de los componentes es superconductor. 1.4

Materiales conductores

1.4.1 Cobre Es un metal cuyas características físicas y mecánicas son óptimas y las eléctricas y de conducción del calor son sólo superadas por las de la plata. Mecánicamente es muy dúctil, maleable y cuando es maquinado en frío duplica sus valores mecánicos y su dureza, esta propiedad es muy utilizada cuando debe obtenerse elevadas resistencias (tracción, corte, etc.). Cuando esta cualidad no interesa basta con calentarlo, lo que le restablece sus propiedades originales. El cobre no es atacado por el agua, sometido a los agentes atmosféricos, humedad, calor e impurezas, forma en su superficie una película verdosa que avanza muy lentamente (1 µ /año). Sometido a calor se oxida a partir de los 120 ºC superficialmente; en la totalidad de la masa el fenómeno se generaliza a partir de los 500 ºC. El cobre se emplea bajo diferentes formas originadas por procedimientos de elaboración logrando que así se produzca el pasivamiento de la oxidación. El óxido aumenta la superficie de contacto, para evitarlo se los protege con un plateado. 1.4.2 Cobre electrolítico Obtenido por refinado electrolítico. Se alcanza un 99,9 % de pureza (resistencia a la tracción 15 a 20 kg/mm2) 1.4.3 Cobre recocido Se utiliza para la fabricación de conductores eléctricos que no estén sometidos a grandes esfuerzos mecánicos (resistencia a la tracción 22 a 28 kg/mm 2).

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1.4.4 Cobre semiduro Se utiliza en líneas aéreas (resistencia a la tracción 28 a 34 kg/mm 2). 1.4.5 Cobre duro Se obtiene por trabajado en frío y se emplea para conductores en líneas eléctricas exteriores sometidas a esfuerzos mecánicos elevados (resistencia a la tracción 35 a 45 kg/mm2). 1.4.6 Aleaciones de cobre Las más empleadas en electrotecnia son: 1.4.6.1 Latones Son aleaciones de cobre y zinc, en diferentes proporciones que como máximo puede alcanzar el 50 % de zinc, pueden ser binarias (sólo Cu y Zn) o terciarias y aún complejas, aquellas en la que participan en menor proporción además del cobre y zinc, el aluminio, hierro, manganeso, estaño, etc. El empleo de latones surge especialmente del aumento de los valores de resistencia mecánica, con un sensible aumento de resistividad, razón por la que su uso implica considerables aumentos de sección, no obstante en piezas de interruptores, seccionadores, etc., es necesario su adopción por exigencias mecánicas. También se lo usa en dispositivos mecánicos. En algunos casos sus propiedades mecánicas y aún anticorrosivas son necesarias aunque su comportamiento eléctrico sea malo (el caso de tubos de condensadores. 1.4.6.2 Bronces Con esta denominación genérica se caracterizan las aleaciones de cobre con estaño (Sn), haciéndose extensiva esta denominación a todas las aleaciones de cobre con metales (excepto zinc - latón), y admitiendo la incorporación de mas componentes en menores proporciones (ternarios, complejos), tales como los bronces fosforosos, silicosos. La gran diversidad de posibilidades de aleaciones de cobre con otros componentes hacen de los bronces una enorme gama de posibilidades de empleo, así tenemos: i) Bronces silicosos: 80% Cu, 8% Sn, 2% Zn, 4% Si, 0,8%. Piezas mecánicas portaescobillas. ii) Bronces fosforosos: 89% a 98% Cu, 1% a 11% Sn, 0,03% a 0,3% P. iii) Broces al manganeso (manganina): 80% Cu, 12% Mn, 2% Ni. Se usa para la fabricación de resistencias por su buen comportamiento mecánico y a la oxidación, además posee una baja variación de la resistencia con la temperatura. iv) Bronces al niquel (comercialmente alpaca): 55% Cu, 45% Ni o 60% Cu y 40% Ni. Se lo utiliza para resistencias. v) Bronces al berilio (llamado constantán): Posee excelentes propiedades mecánicas, sobre todo un elevado módulo de elasticidad, su empleo en la construcción de resortes conductores (portaescobillas, resortes de contactos, relevos, etc.). 1.4.7 Aluminio Es tres veces mas liviano que el cobre y posee menor conductivilidad que él.

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Es un metal blanco brillante, posee muy baja resistencia mecánica, con gran ductilidad y maleabilidad, lo que permite su confección en láminas, alambres (por trefilado), moldeado, etc. Químicamente tiene una propiedad muy importante que es la de oxidarse con suma facilidad formando sobre su superficie una película de óxido que es muy adherente e impermeable, lo que hace que el aluminio tenga una autoprotección importante contra los agentes atmosféricos. No requiere ningún tratamiento superficial para su protección y conservación, ya que sólo los ácidos muy agresivos (sulfúrico, nítrico diluido y clorhídrico) y algunas soluciones salinas, lo atacan. Estas propiedades del óxido de aluminio se sostienen inalterables hasta los 500 ºC. Estas cualidades son óptimas siempre que el aluminio esté químicamente puro; en general las aleaciones les hacen perder estas cualidades autoprotectoras del óxido. El grado de pureza debe alcanzar un 99%. La dificultad estriba en que con ese grado de pureza es mecánicamente inapto para su empleo como conductor autosoportado (líneas aéreas) y su carga a la rotura es bajísima. Se utiliza para: devanados de transformadores, motores, conductor de fase de preensamblados. Lo que resulta de interés es la comparación cuantitativa del aluminio y el cobre como conductores eléctricos. Siendo:  Cu = 0,0171 y Peso específico Cu = 8,95 gr/cm3

 Al = 0,0282

Peso específico Al = 2,7 gr/cm3

y

tendremos que la relación Cu y Al como conductor, en función de la resistividad es: Al 2,7 0,0282 1  x  Cu 8,95 0,0171 2

Esto permite afirmar que eléctricamente 1 Kg de Cu es igual 0,5 Kg de Al. Si además tenemos en cuenta que comercialmente el Cu es casi siempre más caro que el Al, tendremos una clara explicación de las causas básicas por lo cual el Al ha sustituido al Cu en gran medida, en la contrucción de cables aéreos o autosuspendidos y aún para cables de instalaciones apoyadas o enterradas, con las ventajas que da su menor peso y precio, lo que abarata los apoyos y los herrajes. Su debilidad mecánica encarece los costos de montaje y morsetería ya que el riesgo de producir daños al conductor es muy superior (uso de roldanas blandas, morsas de mayor superficie de ajuste, difícil de soldar, cuidado en las uniones con otros metales por su par voltaico, etc.). Cuadro comparativo de las características del Cu y del Al

A igual conductividad eléctrica A igual calentamiento A igual sección

relación de secciones relación de diámetros relación de pesos relación de las cargas de rotura relación de secciones relación de pesos relación de conductividad

Al 1,64 1,28 0,50 0,78 1,405 0,424 0,61

Cu 1 1 1 1 1 1 1 11

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0,30

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1.4.7.1 Aleaciones de aluminio El aluminio puro tiene pobres cualidades mecánicas, razón por la que presenta interés procurar por intermedio del agregado de otros metales obtener aleaciones que mejoren su comportamiento mecánico. Para este fin se emplea el Cu, Si, Mn, Mg, Cu y Zn, en todos los casos la proporción de Al se mantiene por encima del 90%, siendo generalmente superior al 99%. Las aleaciones mejoran aún sus cualidades mecánicas. Con un tratamiento térmico adecuado se pueden obtener aleaciones que sextuplican la resistencia a la tracción con respecto al Al puro, manteniendo muy próximas las cualidades eléctricas resultantes. Desde el punto de vista del comportamiento electrotécnico este mejoramiento de las cualidades mecánicas, favorece la fabricación de cables autosoportados (aéreos, desnudos o aislados). Comercialmente se conocen muchas aleaciones de óptimo comportamiento tales como ALMELEC, ALDNEY, DURAL o DURALUMINIO, etc. Su composición química no varía sensiblemente, diferenciándose generalmente por los tratamientos térmicos y mecánicos que le otorgan cualidades mecánicas diferentes; la composición es: 98,7% de Al, 0,5% de Mn, 0,5% de Si y 0,3% de Fe. La única prescripción negativa para el empleo como conductor es la adición de Cu (nunca mas del 0,01%) porque favorece la oxidación profunda; en piezas conformadas de uso mecánico el Cu se agrega en mayor proporción, porque aumenta notablemente todas las cualidades mecánicas. Las cualidades de ALDREY son: Peso específico en gr/cm3 .......................................................2,7 Conductividad a 20 ºC en Siemens . m / mm2 ...................... 35,95 Resistividad a 20 ºC en ohm.m/mm2 .......................................0,0313 Coeficiente de temperatura ....................................................0,0036 Módulo de elasticidad en Kg/m2 .............................................6500 Carga de rotura en Kg/mm2 ........................................................35 Límite elástico en Kg/mm2 ..........................................................28 Coeficiente de dilatación (entre 20 ºC y 100 ºC) ............23x10 -6 por ºC 1.5

MATERIALES CONDUCTORES ESPECIALES

1.5.1 Plata Ventajas - Es el mejor conductor - El punto de fusión es casi constante. Ej. Para fusible - Fácil de soldar - Construcción de aparatos de medida de precisión La plata es el metal de mejor cualidades conductoras (10% mayor que el Cu). Es un metal de bajas cualidades mecánicas pero de muy fácil soldadura consigo mismo o con otros metales. Tiene un buen comportamiento químico, no se altera, salvo en presencia

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de sustancias sulfurosas que forman sulfuros de plata cuyo principal inconveniente radica en que son aislantes. La plata se usa aleada con Cu en proporción del orden del 7 al 10 % obteniendo un importante mejoramiento de las cualidades mecánicas. Algunas propiedades de la plata: Peso específico en gr/cm3 .............................................10,42 Conductividad a 20 ºC en Siemens . m / mm2 ...............16,45 (a 20 ºC) Resistividad a 20 ºC en ohm.m/mm2 ...............................0,01628 ( 20ºC) Coeficiente de temperatura .............................................0,0038 Coeficiente de dilatación lineal .....................................18,9x10 -6 por ºC Módulo de elasticidad en Kg/m2 ...................................7000 a 8000 Carga de rotura en Kg/mm2 ............................................28,5 Entre las aplicaciones como material electrotécnico tenemos: como fusible, por su inalterabilidad y corta constante de tiempo de fusión para la ejecución de contactos con elevada conductividad y buen comportamiento al calor y al arco eléctrico. Para la realización de aparatos de medida de alta precisión para recubrir otros metales o aleaciones conductoras. 1.5.2 Níquel Es un metal conductor que tiene excelentes propiedades para el uso eléctrico, por su elevada resistencia mecánica y su facilidad de composición; su resistencia es elevada (mayor en un 14% que la del Cu). Su uso comercial está centrado en: a)fabricación de baterías alcalinas (niquel-cadmio o hierro-niquel) b)como material de recubrimiento protector Sus principales aplicaciones son la obtención de aleaciones que tienen cualidades mecánicas y eléctricas, para la fabricación de resistencias eléctricas, cuyos requerimientos básicos podemos enunciar como sigue: 1.- resistividad elevada para limitar la corriente y disminuir la sección 2.- coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura pequeño o constante 3.- punto de fusión muy alto de modo de poseer un rango de trabajo amplio 4.- resistencia mecánica elevada, aún a altas temperaturas, muy importante para evitar la deformación 5.- conductividad térmica baja 6.- coeficiente de dilatación pequeño 7.- elevada resistencia a los agentes químicos a la temperatura de trabajo, de modo que permanezca inalterable a las altas temperaturas de trabajo. 1.5.3 Aleación Cu-Ni Existen diferentes variedades comerciales pero genéricamente se denomina CONSTANTAN y su principal cualidad es la de tener constante el coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura.

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1.5.4 Aleación Fe-Ni Su principal cualidad es la de tener prácticamente invariable el coeficiente de dilatación con la temperatura, cualidad esencial en resistencias que deben permanecer indeformables con la temperatura. 1.5.5 Aleación Cr-Ni Tiene buen comportamiento a muy alta temperatura porque forman una película de óxido de cromo que es altamente adherente y resistente a los agentes exteriores. 1.5.6 Carbón y grafito Se presenta en la naturaleza como carbono amorfo o grafito. Tiene elevada resistencia mecánica y es muy blando. Se lo emplea para fabricación de escobillas. Cuando se citó a los elementos conductores se dejó expresado la existencia de un conductor no metálico: el carbono. Este elemento se presenta en la naturaleza en diferentes formas cristalinas: 1.- el diamante, cristal muy duro de ninguna aplicación electrotécnica 2.- carbono amorfo (hulla) y sus variedades de baja conductividad y nula aplicación electrotécnica. 3.- el grafito, carbono cristalizado blando, buen conductor de la electricidad y de muy diversas aplicaciones y del cual nos ocuparemos. Se presenta en la forma de cristalización aunque no sean propiamente cristalizaciones diferentes sino diversidades estructurales macrocristalinas que son: 1.- grafito en hojuelas o agujas (1 a 2 mm de largo) 2.- grafito en bloque compactos de 20 a 30 mm de diámetro 3.- grafito microcristalino o pulvorulento. A su vez se obtienen diversas variedades de grafito artificial a partir de carbonos o hidrocarburos. Así tenemos: 1.- grafitos artificiales obtenidos de la antracita 2.- grafito de netorta que se obtiene por carbonización de hidrocarburos livianos 3.- coke en polvo obtenido del petróleo 4.- negro de humo, polvo producto de la combustión de hidrocarburos. Se presenta en estado pulvurento 5.- carbón vegetal que se obtiene de la combustión de la madera blanda (sauce, álamo, cáñamo, etc.) calcinado a baja temperatura (280 ºC). 6.- Carbón activado, es un carbono al que se lo somete a un proceso de saturación de cloro y sucesivas calcinación a temperaturas crecientes. Obteniendo un producto altamente absorbente. En general los grafitos artificiales son mediocres conductores eléctricos y su uso es solo requerido en aplicaciones especiales. Las propiedades más destacadas de las variedades de grafito mas usuales son las siguientes: Carbón de coke Negro de humo grafitado

Peso específico 1,98 - 2,10 1,98 - 2,08

Conductividad 0,022 - 0,029 0,015 - 0,022

Resistividad 35 a 46 46 a 66

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UNC Carbón de electrodo para horno eléctrico Grafito natural Grafito artificial para electrodos de pilas

INSTALACIONES ELECTRICAS 1,54 - 1,57

0,127 - 0,195

5,12 a 2,9

2,25 1,55 - 1,56

0,077 - 0,125 0,709 - 0,769

8 a 13 1,30 a 1,41

Conductividad del carbono: la conductividad de un conglomerado de carbono varía y depende de diversos factores: a) Clase de C d) Impurezas b) Tipo de polvo de C e)Estado de cristalización c) Presión a que se lo somete En general uno de los factores de mayor incidencia de la variación de la conductividad es la temperatura a que se ha formado el conglomerado, a mayor temperatura de formación, mayor conductividad, esta sube hasta aproximadamente el valor del grafito natural. Este valor crece cada vez que es calentado a valores crecientes con respecto a un calentamiento anterior. Una característica notable del C es que el coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura es negativo, a diferencia de los metales. Por otra parte, la conductividad térmica es muy baja y creciente con la temperatura, vale decir que sigue la misma ley de variación que la resistividad. Su empleo se lo encuadra como aislante térmico. 1.5.6.1 Aplicaciones del carbono en uso electrotécnico 1.- Electrodos de pilas, son de carbón artificial sometido a bióxido de manganeso y grafito con el objeto que actúen como despolarizante y aumentar la duración de la pila, ya que esta en general pierde eficacia por aumento de la resistencia interna. 2.- Micrófonos de grafito artificial de origen antracítico, en estado de granos; se recurre a esta variedad porque es de interés una baja conductividad. 3.- Electrodos para arco eléctrico, el uso de carbono en los electrodos de los hornos de arco es insustituible ya que el empleo de otros materiales conductores, alteran sensiblemente la composición química de los aceros obtenidos, cosa que no hace el carbono, por ser un componente cuya tenencia es regulada con facilidad en la elaboración de los aceros. Se los fabrica partiendo de diferentes dosajes de carbón pulvurentos, aglomerados con alquitrán y sometido a cocción y composición, con el objeto de obtener un componente conductor de adecuada resistividad y resistencia mecánica. 4.- para la fabricación de escobillas. Su uso en máquinas eléctricas con colector (CC o rotor bobinado, excitación de alternador, etc.); los requerimientos son diversos, lo que se traduce esencialmente en la participación de diferentes dosajes de aditivos conductores polvorientos que modifican sustancialmente la conductividad aunque para determinadas funciones se emplee el grafito puro (bajas tensiones y corrientes). El interés del grafito, solo o con agregado de Cu, para la fabricación de escobillas se debe fundamentalmente, por ser muy blando y tener propiedades lubricantes, lo que disminuye el desgaste de las partes rotantes (colector) trasladando el desgaste especialmente a la escobilla, elemento de mucho menor costo y de fácil recambio. 5.- como electrodos de soldadura, corte por arco eléctrico o arco luminoso, se emplea en soldadura, se basa especialmente en la no contaminación metalúrgica de los materiales ferrosos y en iluminación, a su propiedad de conductividad creciente 15

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con la temperatura, lo que facilita el control de la intensidad luminosa y por otro lado la insoldabilidad de los electrodos de carbón evita el riesgo de cortocircuito por contacto soldado de electrodos. 6.- el empleo como resistencia eléctrica de calefacción, presenta interés en la calefacción de hornos especiales, cuya apepsia metalúrgica sea un requisito básico. 7.- También se lo emplea para construir crisoles de calentamiento eléctrico, que constituyen otra variante en la que las cualidades del carbono y su comportamiento metalúrgico ofrecen mucho interés y son de aplicación. 1.5.7 Hierro Este elemento tiene múltiples aplicaciones como material estructural, por su elevada resistencia mecánica, facilidad de soldarlo, abundancia en la naturaleza y la gran variedad de aleaciones y composición metalúrgica que lo hace el material básico prácticamente utilizado en todas las industrias. Su uso eléctrico no es de gran difusión toda vez que su resistividad es elevada y el interés en su empleo en uso electrotécnico está dado en que son múltiples las aplicaciones donde si bien se requieren cualidades conductoras, su densidad de corriente puede ser baja, porque las secciones requeridas para las solicitudes mecánicas son grandes en relación con el requerimiento eléctrico. Su uso principal está dado por esta cualidad que se vincula con la puesta a tierra de instalaciones o la conformación de redes equipotenciales de protección contra descargas atmosféricas (hilo de guardia) así como en la construcción de herrajes y estructuras de soportes de otros componentes eléctricos. Un material a base de hierro de gran uso es equipamientos eléctricos de alta frecuencia o especiales (altas solicitudes mecánicas) es el COOPERWELD. Se obtiene por trifilación y su uso en comunicaciones es importante, también en jabalinas de puesta a tierra. 1.5.8 Conductores para fusibles Se denomina de esta manera a los metales y aleaciones metálicas que tienen generalmente un punto de fusión bajo de 60 ºC a 300 ºC, aunque se empleen metales de fusión mayor en distintos casos. Metales puros: bismuto, cadmio, estaño, plomo, plata, mercurio, etc. Aleaciones de los elementos anteriores en proporciones diversas. El empleo está vinculado especialmente a la construcción de dispositivos de protección eléctrica contra cortocircuito. Las potencias de ruptura alcanzadas dependen no del metal utilizado sino de su conformación geométrica y los medios de disipación de calor y capacidad aislante. El empleo de aleaciones y metales en la fabricación de fusibles se basa en propiedades propias de cada componente que en cada caso deben ser seleccionados. Así tenemos: 1.5.8.1 La plata: Se la emplea cuando se requiere precisión en la calibración, ésto lo ofrece la plata por su inalterabilidad en el tiempo, lo que garantiza que aún para el caso que sufra ciclos de calentamiento no se altera su calibración. Su uso en fusible de baja calibración es el más frecuente.

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1.5.8.2 Aleaciones bismuto-plomo-estaño o plomo-estaño: Son empleadas por su velocidad de fusión (bajo calor de fusión y baja temperatura de fusión) lo que permite la construcción de fusibles de rápida intervención. 1.5.8.3 Aluminio: Es un metal de poca precisión porque su resistividad se altera fácilmente con sucesivos calentamientos producidos generalmente por efecto de sobrecargas instantáneas o cortocircuitos eliminados por otras protecciones, casos muy frecuentes en redes eléctricas, una cualidad interesante para esta finalidad, es que tiene punto de fusión alto y calor de fusión elevado, lo que le otorga un tiempo de intervención prolongado, aspecto mas deseado para protección de líneas de distribución. 1.5.8.4 El zinc: Tiene cualidades parecidas al aluminio pero es menos alterable por calentamiento, y mayor inercia a la fusión, se emplea en fusibles no encapsulados; en material inerte se lo abandona porque el zinc fundido se adhiere a las paredes de las cajas que lo contienen y esa metalización los hace conductores, secuela indeseable. 1.5.8.5 El niquel: Por su elevado punto de fusión es solo empleado cuando los requerimientos de inercia de actuación son muy elevados. 1.5.8.6 El estaño y el plomo Puros son poco empleados por su gran masa debido a la baja conductibilidad. 1.5.8.7 El latón: En general no debe ser usado como material fusible ya que su alteración de propiedades (conductividad y resistividad) son notables tanto en el tiempo como por su composición.

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CÁLCULO DE CONDUCTORES

uso domestico monofÁsico

ESTA TABLA ES APRÓXIMADA Y DE USO DOMESTICO, PARA UNA LONGITUD MAXIMA DE 100 METROS LINEALES Y SIN TENER EN CUENTA FACTORES DE PERDIDAS. La fórmula más sencilla para saber los amperios en corriente monofásica es la siguiente: w/v Dónde w son los watios y v los voltios EJEMPLO UNA ESTUFA DE 2200 WATIOS CONSUME A 220 VOLTIOS 10 AMPERIOS

CÁLCULO APROXIMADO CÁLCULO DE CONSUMO En el consumo de energía eléctrica y a efectos de tarificación, lo que interesa a la Compañía no es el valor instántaneo que suministró al abonado, sino la totalidad de lo consumido por él durante un cierto tiempo; de modo que la evaluación de la energía suministrada se hace entonces por el trabajo proporcionado y no por la potencia. La tarifa, en consecuencia, se

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aplica sobre el producto (Potencia X Tiempo)=Trabajo.Así el consumo mensual de un abonado cuya instalación, esté integrada, por ejemplo, por 4 lámparas de 60 watios y dos de 100 que supondremos que funcionan 5 horas diarias, sería.

(4x60+2x100)x5x30=66000 watios-hora=66 Kw-hora

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