“Ciência é a sistemática classificação da experiência”
A Ciência dos Materiais adotou a classificação dos materiais de acordo com propriedades escolhidas pelos “pesquisadores” da época, e este processo continua até hoje.
Classificar significa distribuir em grupos, arrumar, ou colocar em determinada ordem. Existem diversas maneiras de classificação porque pode-se definir os grupos de forma arbitrária e ordená-los de diversas maneiras.
Portanto, não existe uma única maneira de classificar os materiais, e escolheu-se para esse curso a que melhor se adapta à Engenharia Elétrica.
De uma forma geral, os materiais se dividem em:
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- Heterogêneos;
- Homogêneos;
- Minerais;
- Substâncias;
- Soluções.
Esta classificação se baseia em aspectos visuais e marcou os primórdios da Ciência dos Materiais. Além disso, qualquer um deles, pode estar no estado sólido, líquido ou gasoso.
Os Materiais Heterogêneos apresentam partes com propriedades diferentes, nem sempre visíveis a olho nu. Exemplos: Granito e Madeira.
Por outro lado, os Materiais Homogêneos apresentam as mesmas propriedades em todas as partes. Exemplos: Água e Sal.
A denominação de Minerais se aplica a quaisquer elementos químicos, compostos ou soluções que existam naturalmente no universo como resultado de processos inorgânicos, e esta classificação originou na Mineralogia.
Exemplos: Água, Mercúrio, Ar, Hélio e Rochas.
Substância representa todos os Materiais Homogêneos com composição química “razoavelmente” definida.
Toda Substância Pura possui composição química definida. Exemplos: Água pura, sal puro e cobre puro. Portanto, de acordo com a definição, a água do mar e a água com açúcar não são substâncias. Esta classificação começa a utilizar conceitos da Química.
Mistura engloba todos os Materiais Heterogêneos compostos por mais de uma Substância ou Materiais Homogêneos que não podem ser classificados como substâncias. Neste caso, arrumou-se um grupo para colocar tudo o que não cabia nos grupos anteriores.
Exemplos: Granito, Água e Óleo.
Soluções formam o conjunto das misturas homogêneas sólidas, líquidas ou gasosas. Exemplos: Ar, álcool com água e ligas de ouro com cobre. Este tipo de material deu origem à Metalurgia 1
Fase de um material denomina a parte homogênea do sistema separada das outras partes por uma fronteira física. A fase pode ser Sólida, Líquida ou Gasosa.
Exemplo: a água na terra – as três fases existem ao mesmo tempo.
Por sua vez, a fase sólida pode ser classificada em Cristalina ou Amorfa. Neste caso, o estudo detalhado dessa característica originou a Cristalografia.
Além das classes anteriores, os materiais se dividem em Metais, Semicondutores, Polímeros, Cerâmicas e Híbridos ou Compósitos.
Esta classificação depende da composição química e da estrutura do material.
A Química e a Mecânica Quântica separaram metais dos semicondutores e a tradição milenar da arte das Cerâmicas criou o espaço para um grupo próprio.
A Química Orgânica forneceu a teoria para os Polímeros e o empirismo, que nos levou a descoberta do cimento, forneceu a base para os materiais Híbridos.
Adicionalmente, os materiais podem ser classificados conforme suas propriedades.
Este curso foca nas características elétricas e magnéticas, mas, como todas as propriedades da matéria se encontram relacionadas, as propriedades mecânicas, térmicas, e químicas também serão abordadas.
Cursos de Materiais para outras engenharias possuem enfoques um pouco diferentes, mas a Ciência dos Materiais, que se baseia na Física e Química modernas, permite unificá-los.
Materiais Elétricos
A Figura 6 apresenta a classificação dos materiais elétricos, que podem ser Isolantes, Semicondutores e Condutores.
Esta classificação resulta das principais aplicações da Engenharia Elétrica.
Os Isolantes se caracterizam por suportar elevados campos elétricos sem conduzir corrente, e, por isso, possuem elevada resistividade ou baixa condutividade elétricas.
Os materiais condutores, ao contrário dos isolantes, permitem o fluxo de corrente com pequenos campos elétricos e, consequentemente, apresentam baixa resistividade ou elevada condutividade elétricas.
Os materiais semicondutores se encontram entre os condutores e os isolantes no que diz respeito à condutividade elétrica, mas, mais importante, permitem o controle da resistividade por diversos mecanismos externos. Esta propriedade de controlar a resistividade foi o que permitiu o desenvolvimento do transistor e, a partir dele, toda a eletrônica que conhecemos atualmente.
Isolantes Elétricos
Os Isolantes subdividem-se em Piezelétricos e Não Piezelétricos2. Materiais Piezelétricos relacionam o campo elétrico com a pressão mecânica aplicada, e essa relação inexiste nos Não Piezelétricos.
Isto significa que os Piezelétricos podem acumular cargas elétricas em função da pressão aplicada ou tensão mecânica. Pierre Currie e seu irmão Jacques descobriram a piezeletricidade em 1880, mas os Indianos já conheciam a propriedade da Turmalina atrair cinzas quentes há muito tempo3.
O cristal de quartzo talvez seja o exemplo mais conhecido de material piezelétrico por sua utilização em osciladores de rádio e computadores. Atualmente, equipamentos de ultrassonografia, osciladores, filtros, atuadores, sensores, e geradores de centelhas elétricas utilizam esse tipo de material.
Por seu turno, os Piezoelétricos se subdividem em Piroelétricos e Não Piroelétricos.
Materiais Piroelétricos ou Pirelétricos apresentam propriedades elétricas dependentes da temperatura e os Não Piroelétricos independem.
Materiais Piroelétricos apresentam polarização elétrica transitória quando submetidos a variações de temperatura. A Turmalina exemplifica esta classe de materiais.
Finalmente, os materiais Pirelétricos subdividem-se em Ferroelétricos e Não Ferroelétricos.
Materiais Ferroelétricos apresentam polarização elétrica natural reversível a partir de aplicação de campo elétrico externo. Pode-se entendê-los como materiais semelhantes a “imãs de campo elétrico”. O sal de Rochelle aparece como um dos mais antigos exemplos deste tipo de material.
Condutores Elétricos
Todos os metais se encontram na categoria de condutores. Cobre e alumínio dominam o mercado de materiais condutores, mas não apresentam a menor resistividade. A Figura 7 mostra que prata possui a maior condutividade elétrica seguida pelo Cobre pelo Ouro.
Dentre os Condutores não metálicos a Grafite (Carbono) se destaca, mas possui condutividade elétrica 1700 vezes menor do que a do Cobre.
Semicondutores
Os semimetais da Tabela Periódica – Boro, Silício, Germânio, Arsênio, Antimônio, Telúrio, e Astato – forneceram os primeiros materiais semicondutores. Porém, esses elementos químicos possuem condutividade elétrica muito inferior à dos metais.
Por exemplo, o Arsênio apresenta a maior condutividade elétrica desse grupo, mas é 18 vezes inferior à do Cobre.
Contudo, esta lista continua crescendo com materiais compostos que permitiram a construção dos computadores, células fotovoltaicas, e para-raios de alta tensão.
Os materiais semicondutores se dividem em cristalinos e amorfos. Materiais cristalinos se solidificam em estruturas cristalinas que se repetem ao longo de todo o material.
Materiais Magnéticos
O campo magnético afeta a matéria, e os materiais enquadram-se em três categorias: Diamagnéticos, Paramagnéticos e Ferromagnéticos.
A humanidade descobriu o magnetismo na Idade do Ferro ao encontrarem determinadas pedras que atraiam o Ferro.
Considera-se Tales de Mileto, que viveu entre 650 AEA e 550 AEA, o autor do primeiro trabalho sobre o magnetismo.
Contudo, foram os Chineses que o utilizaram na criação do primeiro instrumento de vasta utilização prática, a Bússola.
Somente a partir do século 19, após a unificação com eletricidade, o magnetismo adquiriu explicações científicas.
O Diamagnetismo se caracteriza pela repulsão dos materiais pelo campo magnético. Todos os materiais apresentam este comportamento, mas sua intensidade é fraca, com exceção dos supercondutores. Água e Cobre são exemplos de substâncias Diamagnéticas.
O Paramagnetismo funciona ao contrário, o campo magnético atrai os materiais, porém com fraca intensidade, mas forte o suficiente para superar o Diamagnetismo inerente em todas as substâncias. Platina e Alumínio são exemplos de materiais Paramagnéticos.
Finalmente, o Ferromagnetismo funciona como um Paramagnetismo muito forte. O Ferro, seus compostos e ligas constituem o conjunto mais representativo desses materiais.
