{"id":1134,"date":"2015-02-01T22:37:33","date_gmt":"2015-02-02T00:37:33","guid":{"rendered":"https:\/\/www.antonioguilherme.web.br.com\/blog\/?page_id=1134"},"modified":"2024-08-07T16:56:23","modified_gmt":"2024-08-07T19:56:23","slug":"materiais-eletricos-e-magneticos","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.antonioguilherme.web.br.com\/blog\/materiais-eletricos-e-magneticos\/","title":{"rendered":"Materiais El\u00e9tricos e Magn\u00e9ticos"},"content":{"rendered":"

\u201cInventar consiste na combina\u00e7\u00e3o de c\u00e9rebro e materiais.<\/em><\/strong><\/span>
\n Quando mais c\u00e9rebro se utiliza, menos material se gasta.<\/em><\/strong>\u201d<\/span>
\nCharles Kettering<\/p>\n

Materiais El\u00e9tricos e Magn\u00e9ticos<\/span><\/h2>\n

Materiais El\u00e9tricos e Magn\u00e9ticos se encontram no centro da tecnologia e do mundo moderno e representam as tintas e pinc\u00e9is da fascinante arte da Engenharia.<\/span><\/p>\n

Para muitos, Engenharia consiste apenas na aplica\u00e7\u00e3o enfadonha de Matem\u00e1tica, F\u00edsica e Qu\u00edmica, mas poucos<\/span> enxergam a arte e a beleza dessa profiss\u00e3o.\u00a0<\/span><\/p>\n

Tudo come\u00e7ou quando o homem transformou pedras em ferramentas, e a<\/span> Idade da Pedra marcou o in\u00edcio da Ci\u00eancia dos Materiais. <\/span><\/p>\n

Segundo Adams (2011), a Ci\u00eancia dos Materiais produziu cerca de 5% dos artigos indexados pela Web of Science, e este percentual dobrou entre 1981 e 2009. <\/span>A China se destaca pela quantidade de trabalhos publicados, seguida pelos Estados Unidos da Am\u00e9rica. Dominar a Ci\u00eancia dos Materiais representa uma vantagem competitiva que mudou, e continuar\u00e1 mudando, o curso da hist\u00f3ria.\u00a0<\/span><\/p>\n

Bl\u00e1zquez & Guerrero<\/span><\/a> \u00a0mostram que a produ\u00e7\u00e3o cient\u00edfica na \u00e1rea de materiais cresceu exponencialmente a partir de 1960 no mundo, demonstrando a import\u00e2ncia do assunto na comunidade cient\u00edfica e, consequentemente, na engenharia.<\/span><\/p>\n

Mat\u00e9ria e Energia comp\u00f5e o Universo, e Einstein provou que <\/span>elas se relacionam atrav\u00e9s da velocidade da luz.\u00a0<\/span><\/p>\n

\"\"
Figura 1. Energia x Mat\u00e9ria<\/figcaption><\/figure>\n

Propriedades dos Materiais<\/span><\/h3>\n

Contudo, nem toda mat\u00e9ria \u00e9 material. <\/span>Para se tornar material, a mat\u00e9ria necessita das propriedades apresentadas na Figura 2, e a escolha do material resulta de um processo de otimiza\u00e7\u00e3o que incorpora todas elas.<\/span><\/p>\n

\"Propriedades
Figura 2. Propriedades dos Materiais<\/figcaption><\/figure>\n

Disponibilidade dos Materiais<\/strong><\/span><\/h3>\n

A disponibilidade consiste na primeira caracter\u00edstica necess\u00e1ria para a mat\u00e9ria se tornar material.\u00a0 Mat\u00e9ria indispon\u00edvel n\u00e3o \u00e9 material<\/strong>, e a disponibilidade depende da localiza\u00e7\u00e3o e do tempo.<\/span><\/p>\n

Por exemplo,<\/span> n\u00e3o se utiliza o concreto em regi\u00f5es secas ou des\u00e9rticas devido \u00e0 indisponibilidade da \u00e1gua necess\u00e1ria para sua fabrica\u00e7\u00e3o.<\/span><\/p>\n

Mede-se a disponibilidade dos elementos qu\u00edmicos atrav\u00e9s de sua ocorr\u00eancia no universo, na crosta da terra, e nos oceanos. Evidentemente, a disponibilidade dos materiais se encontra relacionada \u00e0 ocorr\u00eancia dos elementos qu\u00edmicos na crosta da terra.<\/span><\/p>\n

A Figura 3 mostra que o Oxig\u00eanio e o Sil\u00edcio apresentam as maiores disponibilidades na crosta terrestre, e os elementos radioativos inst\u00e1veis inexistem.<\/span><\/p>\n

Portanto, a disponibilidade se tornou condi\u00e7\u00e3o necess\u00e1ria, mas n\u00e3o suficiente, na escolha do material.<\/span><\/p>\n

\"Disponibilidade
Figura 3. Disponibilidade dos elementos qu\u00edmicos na crosta terrestre. Fonte: Ptable<\/a>.<\/figcaption><\/figure>\n

Propriedades F\u00edsico-Qu\u00edmicas<\/strong><\/span><\/h3>\n

A mat\u00e9ria deve possuir determinadas propriedades f\u00edsico-qu\u00edmicas para se tornar material. <\/span>Por exemplo, a condutividade<\/a> el\u00e9trica determina a escolha dos materiais de fios e cabos el\u00e9tricos.<\/span><\/p>\n

A Figura 4 mostra que a Prata possui a maior condutividade el\u00e9trica dentre todos os elementos da Tabela Peri\u00f3dica e, por isso, deveria ser a escolha para a fabrica\u00e7\u00e3o de fios e cabos. <\/span><\/p>\n

Por\u00e9m, o<\/span> Cobre se tornou um dos principais materiais na fabrica\u00e7\u00e3o de fios e cabos condutores de eletricidade, apesar de possuir uma condutividade el\u00e9trica 5% menor do que a Prata, porque apresenta disponibilidade 900 vezes maior e custo inferior.<\/span><\/p>\n

Por outro lado, a baixa condutividade el\u00e9trica do oxig\u00eanio e sua elevada disponibilidade o colocaram como o isolante el\u00e9trico mais utilizado em linhas de transmiss\u00e3o e subesta\u00e7\u00f5es de energia el\u00e9trica.<\/span><\/p>\n

\"Condutividade
Figura 4. Condutividade El\u00e9trica dos Elementos Qu\u00edmicos. Fonte: Ptable<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Essa l\u00f3gica ocorre com todas as outras propriedades f\u00edsicas e qu\u00edmicas da mat\u00e9ria<\/span>.<\/p>\n

O material para o filamento das l\u00e2mpadas incandescentes exemplifica que as propriedades el\u00e9tricas nem sempre determinam a escolha do material mais adequado para equipamentos el\u00e9tricos.<\/span><\/p>\n

L\u00e2mpadas incandescentes funcionam a partir da emiss\u00e3o de luz causada por temperaturas elevadas<\/a>. Portanto, a l\u00e2mpada incandescente ideal deveria funcionar com a temperatura mais pr\u00f3xima da temperatura da superf\u00edcie do nosso sol – 4 727 o<\/sup>C. Entretanto, para que isso seja poss\u00edvel, necessita-se encontrar um material que suporte elevadas temperaturas. Isto significa encontrar subst\u00e2ncias com temperaturas de fus\u00e3o pr\u00f3ximas da temperatura da superf\u00edcie do sol.<\/span><\/p>\n

A Figura 5 mostra que o Carbono e o Tungst\u00eanio apresentam as maiores temperaturas de fus\u00e3o, 3 600 o<\/sup>C e 3 422 o<\/sup>C respectivamente. Por\u00e9m, como essas temperaturas se encontram 28% inferiores \u00e0 temperatura do sol, o olho humano percebe essa diferen\u00e7a atrav\u00e9s do melhor conforto de vis\u00e3o com a luz solar.<\/span><\/p>\n

Como o Tungst\u00eanio somente foi descoberto no in\u00edcio do s\u00e9culo XX, o desenvolvimento da l\u00e2mpada iniciou com o Carbono. Por\u00e9m, o Carbono possui uma propriedade extremamente indesej\u00e1vel; ele entra em combust\u00e3o na presen\u00e7a do oxig\u00eanio. Por isso, as l\u00e2mpadas<\/a> duravam apenas minutos no in\u00edcio do seu desenvolvimento.<\/span><\/p>\n

\"Temperatura
Figura 5. Temperatura de Fus\u00e3o dos Elementos Qu\u00edmicos. Fonte: Ptable<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Portanto, deve-se considerar todas as propriedades f\u00edsicas e qu\u00edmicas na escolha dos materiais aplicados a projetos de engenharia.<\/span><\/p>\n

Comportamento dos Materiais<\/span><\/h4>\n

Est\u00edmulos externos afetam a mat\u00e9ria, e a resposta aos est\u00edmulos depende\u00a0<\/span>da Estrutura da Mat\u00e9ria<\/a>.<\/span><\/p>\n

De uma forma geral, sempre existir\u00e1 uma fun\u00e7\u00e3o matem\u00e1tica – R –<\/strong> que aproxima a rela\u00e7\u00e3o entre resposta e est\u00edmulo. Esta fun\u00e7\u00e3o pode assumir diversas formas, normalmente n\u00e3o lineares, conforme mostram as curvas A a D da Figura 3.<\/span><\/p>\n

\"\"
Figura 3. Est\u00edmulo x Resposta<\/figcaption><\/figure>\n

Normalmente, determina-se esta fun\u00e7\u00e3o R empiricamente sem utilizar nenhuma teoria. Na verdade, a hist\u00f3ria dos materiais iniciou de forma emp\u00edrica e a ci\u00eancia evoluiu posteriormente explicando os resultados experimentais.<\/span><\/p>\n

A fun\u00e7\u00e3o R, que representa determinada propriedade do material, pode ser expandida como uma s\u00e9rie de Taylor de acordo com a Equa\u00e7\u00e3o 1.<\/span><\/p>\n

Quando o material n\u00e3o apresenta resposta permanente ou remanente ao est\u00edmulo, a parcela R0<\/sub> se torna nula.<\/span><\/p>\n

\"taylor\"<\/a>
Equa\u00e7\u00e3o 1. S\u00e9rie de Taylor da fun\u00e7\u00e3o R<\/figcaption><\/figure>\n

Esta condi\u00e7\u00e3o se torna desej\u00e1vel para assegurar a linearidade da fun\u00e7\u00e3o, propriedade matem\u00e1tica que facilita o uso pr\u00e1tico da equa\u00e7\u00e3o. <\/span><\/p>\n

Contudo, isso nem sempre ocorre na pr\u00e1tica. Por exemplo,\u00a0<\/span>a resposta permanente existe no caso de deforma\u00e7\u00e3o pl\u00e1stica ou magnetismo residual.<\/span><\/p>\n

Aproxima-se a s\u00e9rie de Taylor apenas pelo primeiro termo do somat\u00f3rio da Equa\u00e7\u00e3o 1 para assegurar a linearidade da fun\u00e7\u00e3o. O erro desta aproxima\u00e7\u00e3o depende do valor relativo dos demais termos da s\u00e9rie, mas garante a linearidade da propriedade do material.<\/span><\/p>\n

A Equa\u00e7\u00e3o 2 apresenta a rela\u00e7\u00e3o resposta\/est\u00edmulo aproximada.<\/span><\/p>\n

\"propriedades\"<\/a>
Equa\u00e7\u00e3o 2. S\u00e9rie de Taylor aproximada<\/figcaption><\/figure>\n

Livros e manuais apresentam a grandeza P<\/strong> como a propriedade do material<\/strong>, mas deve-se sempre ter em mente a aproxima\u00e7\u00e3o desse valor.<\/span><\/p>\n

Por exemplo, a resistividade el\u00e9trica dos metais aumenta com a temperatura de forma n\u00e3o linear, mas essa depend\u00eancia pode ser considerada linear para determinadas faixas de temperaturas.<\/span><\/p>\n

Todas as grandezas f\u00edsicas e qu\u00edmicas representam potenciais est\u00edmulos, e classificam-se as grandezas em\u00a0<\/span>Intensivas ou\u00a0<\/span>Extensivas.<\/span><\/p>\n

Grandezas Intensivas<\/strong> independem<\/span>1<\/sup><\/a><\/span> das dimens\u00f5es do sistema ou da quantidade de material, tais como volume e massa. <\/span><\/p>\n

Massa Espec\u00edfica, Temperatura, Resistividade El\u00e9trica, Press\u00e3o e \u00cdndice de Refra\u00e7\u00e3o representam algumas das grandezas intensivas.<\/span><\/p>\n

Grandezas Extensivas<\/strong> dependem das dimens\u00f5es do sistema ou da quantidade de material. <\/span><\/p>\n

Massa, Volume, Resist\u00eancia El\u00e9trica, Energia e Carga El\u00e9trica exemplificam as grandezas extensivas.<\/span><\/p>\n

A divis\u00e3o de duas propriedades extensivas gera uma propriedade intensiva, e grandezas intensivas podem ser consideradas grandezas normalizadas.<\/span><\/p>\n

Por exemplo, a divis\u00e3o da massa pelo volume de um material, ambas grandezas extensivas, gera uma grandeza intensiva denominada de massa espec\u00edfica.<\/span><\/p>\n

\n
Quest\u00f5es Propostas<\/h6>\n
    \n
  1. O que pesa mais, um quilograma de Chumbo ou um quilograma de Alum\u00ednio?<\/span><\/li>\n
  2. Qual a rela\u00e7\u00e3o dessa pergunta com as grandezas intensivas e extensivas?<\/span><\/li>\n<\/ol>\n
    \n

    A Ci\u00eancia dos Materiais enfoca nas Propriedades Intensivas porque se encontram relacionadas apenas \u00e0s caracter\u00edsticas intr\u00ednsecas dos materiais e independem da sua quantidade ou dimens\u00f5es.<\/span><\/p>\n

    Por outro lado, a Engenharia utiliza as propriedades Extensivas porque projetos possuem dimens\u00f5es f\u00edsicas e, consequentemente, torna-se necess\u00e1rio considerar massa e volume. <\/span><\/p>\n

    Portanto, engenheiros devem conhecer ambas para entender as caracter\u00edsticas dos materiais e atender \u00e0s especifica\u00e7\u00f5es dos projetos.<\/span><\/p>\n

    Trabalhabilidade dos Materiais<\/strong><\/span><\/h3>\n

    Necessita-se trabalhar a mat\u00e9ria para que possamos consider\u00e1-la material. A trabalhabilidade representa a facilidade com que se obt\u00eam e manuseia a mat\u00e9ria. <\/span><\/p>\n

    A obten\u00e7\u00e3o do material se relacionada com a disponibilidade na terra, os min\u00e9rios, as minas e os processos qu\u00edmicos de separa\u00e7\u00e3o de elementos. <\/span><\/p>\n

    O manuseio do material, ap\u00f3s sua obten\u00e7\u00e3o, depende das propriedades mec\u00e2nicas, tais como a elasticidade e tenacidade.<\/span><\/p>\n

    A Figura 4 mostra a relativa facilidade de trabalhar a madeira. A import\u00e2ncia da madeira como material decorre da sua disponibilidade em quase todas as regi\u00f5es do planeta<\/span>2<\/sup><\/a><\/span>, de suas propriedades e da sua trabalhabilidade. Qualquer pessoa pode trabalhar com madeira em casa com ferramentas simples e sem riscos.\u00a0<\/span><\/p>\n

    \"\"
    Figura 4. Trabalhabilidade<\/figcaption><\/figure>\n

    Por outro lado, o cobre ocorre na terra na forma met\u00e1lica e, consequentemente, se tornou mais simples obt\u00ea-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.<\/span><\/p>\n

    Economicidade dos Materiais<\/span><\/h3>\n

    A Mat\u00e9ria pode possuir todas as caracter\u00edsticas adequadas, mas, se n\u00e3o for econ\u00f4mico utiliz\u00e1-la, n\u00e3o se pode consider\u00e1-la material.<\/span><\/p>\n

    Conforme visto na Figura 4, a prata possui a maior condutividade el\u00e9trica dentre os elementos da tabela peri\u00f3dica. Contudo, n\u00e3o a utilizamos em condutores el\u00e9tricos devido seu custo, que decorre, em parte, da sua disponibilidade e de seu valor de mercado.<\/span><\/p>\n

    Por sua vez, o Alum\u00ednio consiste no elemento met\u00e1lico mais abundante na crosta terrestre – 1 000 superior \u00e0 do Cobre, mas possui uma condutividade el\u00e9trica 36% menor. Todavia, como possui densidade 70% menor do que a do cobre, o Alum\u00ednio se tornou o material preferido para cabos linhas de transmiss\u00e3o de energia el\u00e9trica porque reduz o custo total do projeto.\u00a0<\/span><\/p>\n

    A Economicidade dos Materiais depende do pre\u00e7o, que varia de acordo com as leis da oferta e procura, da disponibilidade e das propriedades.<\/span><\/p>\n

    Resumindo, a Engenharia identifica materiais, encontra aplica\u00e7\u00f5es para novas propriedades, e desenvolve processos para utiliz\u00e1-los de forma econ\u00f4mica.<\/span><\/p>\n

    Sustentabilidade dos Materiais<\/span><\/h3>\n

    Finalmente, surgiu recentemente a quest\u00e3o da Sustentabilidade. <\/span>Al\u00e9m de todas as propriedades anteriores, a quest\u00e3o ambiental tamb\u00e9m se encontra presente nos materiais.<\/span><\/p>\n

    De nada adiantam materiais com excelentes propriedades se forem nocivos ao meio ambiente e\/ou \u00e0 vida na terra.<\/span><\/p>\n

    Por exemplo, os pl\u00e1sticos, que revolucionaram os tempos modernos, se encontram na mira dos ambientalistas em decorr\u00eancia da sua durabilidade. <\/span>A quantidade de lixo pl\u00e1stico representa um problema ambiental que afeta a todos. Isto resultou no renascimento d<\/span>o papel em embalagens, apesar de contribuir para o desmatamento.<\/span><\/p>\n

    Contudo, a quest\u00e3o ambiental criou oportunidades para o desenvolvimento de novos materiais sustent\u00e1veis e processos de reciclagem.<\/span><\/p>\n

    Resumindo, Deus criou a Mat\u00e9ria, mas o Engenheiro a transforma em Material.<\/span><\/p>\n

    Refer\u00eancias<\/h2>\n
      \n
    1. ADAMS, J, PENDLEBURY, D., Global Research Report – Materials Science and Technology<\/strong>, Evidence, 2011.<\/span><\/li>\n
    2. \n

      Ariza-Guerrero, A.M., Bl\u00e1zquez, J.S. Evolution of number of citations per article in Materials Science: possible causes and effect on the impact factor of journals<\/strong>.Scientometrics<\/i> 128<\/b>, 6589\u20136609 (2023). https:\/\/doi.org\/10.1007\/s11192-023-04863-7<\/span><\/p>\n<\/li>\n<\/ol>\n

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