“Inventar consiste na combinação de cérebro e materiais.
Quando mais cérebro se utiliza, menos material se gasta.”
Charles Kettering
Materiais Elétricos e Magnéticos
Materiais Elétricos e Magnéticos se encontram no centro da tecnologia e do mundo moderno e se constituem nas tintas e pincéis da fascinante arte da Engenharia.
Para muitos, Engenharia consiste apenas na aplicação enfadonha de Matemática, Física e Química, mas poucos enxergam a arte e a beleza dessa profissão.
Tudo começou quando o homem transformou pedras em ferramentas, e a Idade da Pedra marcou o início da Ciência dos Materiais.
Segundo Adams (2011), a Ciência dos Materiais produziu cerca de 5% dos artigos indexados pela Web of Science, e este percentual dobrou entre 1981 e 2009. A China se destaca pela quantidade de trabalhos publicados, seguida pelos Estados Unidos da América. Dominar a Ciência dos Materiais representa uma vantagem competitiva que mudou, e continuará mudando, o curso da história.
Matéria e Energia compõe o Universo, e Einstein provou que elas se relacionam através da velocidade da luz.
Propriedades dos Materiais
Contudo, nem toda matéria é material. Para se tornar material, a matéria necessita das propriedades apresentadas na Figura 2, e a escolha do material resulta de um processo de otimização que incorpora todas elas.
Disponibilidade dos Materiais
A disponibilidade consiste na primeira característica necessária para a matéria se tornar material. Matéria indisponível não é material, e a disponibilidade depende da localização e do tempo.
Por exemplo, não se utiliza o concreto em regiões secas ou desérticas devido à indisponibilidade da água necessária para sua fabricação.
Mede-se a disponibilidade dos elementos químicos através de sua ocorrência no universo, na crosta da terra, e nos oceanos. Evidentemente, a disponibilidade dos materiais se encontra relacionada à ocorrência dos elementos químicos na crosta da terra.
A Figura 3 mostra que o Oxigênio e o Silício apresentam as maiores disponibilidades na crosta terrestre, e os elementos radioativos instáveis inexistem.
Portanto, a disponibilidade se tornou condição necessária, mas não suficiente, na escolha do material.
Propriedades Físico-Químicas
A matéria deve possuir determinadas propriedades físico-químicas para se tornar material. Por exemplo, a condutividade elétrica determina a escolha dos materiais de fios e cabos elétricos.
A Figura 4 mostra que a Prata possui a maior condutividade elétrica dentre todos os elementos da Tabela Periódica e, por isso, deveria ser a escolha para a fabricação de fios e cabos.
Porém, o Cobre se tornou um dos principais materiais na fabricação de fios e cabos condutores de eletricidade, apesar de possuir uma condutividade elétrica 5% menor do que a Prata, porque apresenta disponibilidade 900 vezes maior e custo inferior.
Por outro lado, a baixa condutividade elétrica do oxigênio e sua elevada disponibilidade o colocaram como o isolante elétrico mais utilizado em linhas de transmissão e subestações de energia elétrica.
Essa lógica ocorre com todas as outras propriedades físicas e químicas da matéria.
O material para o filamento das lâmpadas incandescentes exemplifica que as propriedades elétricas nem sempre determinam a escolha do material mais adequado para equipamentos elétricos.
Lâmpadas incandescentes funcionam a partir da emissão de luz causada por temperaturas elevadas. Portanto, a lâmpada incandescente ideal deveria funcionar com a temperatura mais próxima da temperatura da superfície do nosso sol – 4 727 oC. Entretanto, para que isso seja possível, necessita-se encontrar um material que suporte elevadas temperaturas. Isto significa encontrar substâncias com temperaturas de fusão próximas da temperatura da superfície do sol.
A Figura 5 mostra que o Carbono e o Tungstênio apresentam as maiores temperaturas de fusão, 3 600 oC e 3 422 oC respectivamente. Porém, como essas temperaturas se encontram 28% inferiores à temperatura do sol, o olho humano percebe essa diferença através do melhor conforto de visão com a luz solar.
Como o Tungstênio somente foi descoberto no início do século XX, o desenvolvimento da lâmpada iniciou com o Carbono. Porém, o Carbono possui uma propriedade extremamente indesejável; ele entra em combustão na presença do oxigênio. Por isso, as lâmpadas duravam apenas minutos no início do seu desenvolvimento.
Portanto, deve-se considerar todas as propriedades físicas e químicas na escolha dos materiais aplicados a projetos de engenharia.
Comportamento dos Materiais
Estímulos externos afetam a matéria, e a resposta aos estímulos depende da Estrutura da Matéria.
De uma forma geral, sempre existirá uma função matemática – R – que aproxima a relação entre resposta e estímulo. Esta função pode assumir diversas formas, normalmente não lineares, conforme mostram as curvas A a D da Figura 3.
Normalmente, determina-se esta função R empiricamente sem utilizar nenhuma teoria. Na verdade, a história dos materiais iniciou de forma empírica e a ciência evoluiu posteriormente explicando os resultados experimentais.
A função R, que representa determinada propriedade do material, pode ser expandida como uma série de Taylor de acordo com a Equação 1.
Quando o material não apresenta resposta permanente ou remanente ao estímulo, a parcela R0 se torna nula.
Esta condição se torna desejável para assegurar a linearidade da função, propriedade matemática que facilita o uso prático da equação.
Contudo, isso nem sempre ocorre na prática. Por exemplo, a resposta permanente existe no caso de deformação plástica ou magnetismo residual.
Aproxima-se a série de Taylor apenas pelo primeiro termo do somatório da Equação 1 para assegurar a linearidade da função. O erro desta aproximação depende do valor relativo dos demais termos da série, mas garante a linearidade da propriedade do material.
A Equação 2 apresenta a relação resposta/estímulo aproximada.
Livros e manuais apresentam a grandeza P como a propriedade do material, mas deve-se sempre ter em mente a aproximação desse valor.
Por exemplo, a resistividade elétrica dos metais aumenta com a temperatura de forma não linear, mas essa dependência pode ser considerada linear para determinadas faixas de temperaturas.
Todas as grandezas físicas e químicas representam potenciais estímulos, e classificam-se as grandezas em Intensivas ou Extensivas.
Grandezas Intensivas independem1 das dimensões do sistema ou da quantidade de material, tais como volume e massa.
Massa Específica, Temperatura, Resistividade Elétrica, Pressão e Índice de Refração representam algumas das grandezas intensivas.
Grandezas Extensivas dependem das dimensões do sistema ou da quantidade de material.
Massa, Volume, Resistência Elétrica, Energia e Carga Elétrica exemplificam as grandezas extensivas.
A divisão de duas propriedades extensivas gera uma propriedade intensiva, e grandezas intensivas podem ser consideradas grandezas normalizadas.
Por exemplo, a divisão da massa pelo volume de um material, ambas grandezas extensivas, gera uma grandeza intensiva denominada de massa específica.
Questões Propostas
- O que pesa mais, um quilograma de Chumbo ou um quilograma de Alumínio?
- Qual a relação dessa pergunta com as grandezas intensivas e extensivas?
A Ciência dos Materiais enfoca nas Propriedades Intensivas porque se encontram relacionadas apenas às características intrínsecas dos materiais e independem da sua quantidade ou dimensões.
Por outro lado, a Engenharia utiliza as propriedades Extensivas porque projetos possuem dimensões físicas e, consequentemente, torna-se necessário considerar massa e volume.
Portanto, engenheiros devem conhecer ambas para entender as características dos materiais e atender às especificações dos projetos.
Trabalhabilidade dos Materiais
Necessita-se trabalhar a matéria para que possamos considerá-la material. A trabalhabilidade representa a facilidade com que se obtêm e manuseia a matéria.
A obtenção do material se relacionada com a disponibilidade na terra, os minérios, as minas e os processos químicos de separação de elementos.
O manuseio do material, após sua obtenção, depende das propriedades mecânicas, tais como a elasticidade e tenacidade.
A Figura 4 mostra a relativa facilidade de trabalhar a madeira. A importância da madeira como material decorre da sua disponibilidade em quase todas as regiões do planeta2, de suas propriedades e da sua trabalhabilidade. Qualquer pessoa pode trabalhar com madeira em casa com ferramentas simples e sem riscos.
Por outro lado, o cobre ocorre na terra na forma metálica e, consequentemente, se tornou mais simples obtê-lo do que outros elementos. Seu uso remonta 8 000 anos antes de cristo e somente 4 000 anos depois surgiu o Bronze, uma liga de cobre e estanho.
Economicidade dos Materiais
A Matéria pode possuir todas as características adequadas, mas, se não for econômico utilizá-la, não se pode considerá-la material.
Conforme visto na Figura 4, a prata possui a maior condutividade elétrica dentre os elementos da tabela periódica. Contudo, não a utilizamos em condutores elétricos devido seu custo, que decorre, em parte, da sua disponibilidade e de seu valor de mercado.
Por sua vez, o Alumínio consiste no elemento metálico mais abundante na crosta terrestre – 1 000 superior à do Cobre, mas possui uma condutividade elétrica 36% menor. Todavia, como possui densidade 70% menor do que a do cobre, o Alumínio se tornou o material preferido para cabos linhas de transmissão de energia elétrica porque reduz o custo total do projeto.
A Economicidade dos Materiais depende do preço, que varia de acordo com as leis da oferta e procura, da disponibilidade e das propriedades.
Resumindo, a Engenharia identifica materiais, encontra aplicações para novas propriedades, e desenvolve processos para utilizá-los de forma econômica.
Sustentabilidade dos Materiais
Finalmente, surgiu recentemente a questão da Sustentabilidade. Além de todas as propriedades anteriores, a questão ambiental também se encontra presente nos materiais.
De nada adiantam materiais com excelentes propriedades se forem nocivos ao meio ambiente e/ou à vida na terra.
Por exemplo, os plásticos, que revolucionaram os tempos modernos, se encontram na mira dos ambientalistas em decorrência da sua durabilidade. A quantidade de lixo plástico representa um problema ambiental que afeta a todos. Isto resultou no renascimento do papel em embalagens, apesar de contribuir para o desmatamento.
Contudo, a questão ambiental criou oportunidades para o desenvolvimento de novos materiais sustentáveis e processos de reciclagem.
Resumindo, Deus criou a Matéria, mas o Engenheiro a transforma em Material.
Referências
- ADAMS, J, PENDLEBURY, D., Global Research Report – Materials Science and Technology, Evidence, 2011.