I. INTRODUÇÃO

O Universo é composto de matéria e energia.

Matéria é a Massa-Energia que se move abaixo da velocidade da luz.

Energia é a Massa-Energia que se move à velocidade da luz.

Os materiais são os elementos básicos da “Arte da Engenharia”.

Todo Material é matéria mas nem toda matéria é Material.

Para ser Material, a matéria precisa ter:

    -Disponibilidade;

    -Propriedade;

    -Trabalhabilidade;

    -Economicidade.

DISPONIBILIDADE

Matéria não disponível na quantidade e na localidade necessária não é Material.

Por exemplo, o hidrogênio existente no sol não pode ser considerado Material porque não está disponível para ser usado na terra.

Por sua vez, o petróleo do pré-sal não podia ser considerado Material, há 10 anos atrás, porque não estava disponível.

PROPRIEDADE

Se a matéria não possuir as características necessárias para sua aplicação específica, ela não pode ser considerada Material.

TRABALHABILIDADE

A Matéria difícil de ser trabalhada não pode ser considerada Material porque não será possível fazer objetos com ela.

ECONOMICIDADE

Finalmente, a Matéria pode ter todas as características anteriores mas se utilizá-la não for econômico, ela nunca será Material.

Finalmente, é parte da Arte da Engenharia, disponibilizar Materiais indisponíveis, encontrar aplicações para propriedades diferentes e desenvolver processos para trabalhar matérias de forma econômica.

Resumindo, Deus fez a Matéria mas é o Engenheiro que  a transforma em Material.

Classificação dos Materiais

Os materiais podem ser:

1. •Heterogêneos;
   

2. •Homogêneos;
   

3. •Minerais
   

4. •Substâncias;
   

5. •Misturas;
   

6. •Soluções.
   

Além disso, qualquer um deles, pode estar no estado sólido, líquido ou gasoso.

Os Materiais Heterogêneos são os que apresentam partes com propriedades diferentes. Exemplos: Granito e Madeira.

Os Materiais Homogêneos são os que apresentam as mesmas propriedades em todas as partes. Exemplos: Água e Sal.

Minerais são quaisquer elementos químicos, compostos ou soluções que existem naturalmente no universo como resultado de processos inorgânicos.

Exemplos: Água, Mercúrio, Ar, Hélio e Rochas.

Substância é um Material Homogêneo com composição química “razoavelmente”definida.

Toda Substância Pura tem composição química definida.

Os Materiais são constituídos de Substâncias.

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.

Mistura é um material heterogêneo composto por mais de uma Substância ou materiais homogêneos que não podem ser classificados como substâncias.

Exemplos: Granito, Ar, Água e Óleo.

Soluções são misturas homogêneas. Elas podem ser sólidas, líquidas ou gasosas.

Exemplos: Ar, álcool com água e ligas de ouro com cobre.

Fase de um material é uma parte homogênea do sistema separada das outras partes por uma fronteira física.

A fase pode ser Sólida, Líquida ou Gasosa.

Por sua vez, a fase sólida pode ser classificada em Cristalina ou Amorfa.

Exemplo: a água na terra. Ela está presente nas três fases ao mesmo tempo.

Matéria e Energia

A Arte dos Materiais

Evolução dos Materiais

A evolução dos materiais está intimamente relacionada à evolução da civilização humana.

Pode-se considerar a Idade da Pedra como sendo o início da História da Ciência, da Ciência dos Materiais e do Homo Sapiens.

A capacidade do homem em utilizar os materiais disponíveis na natureza e transformá-los em ferramentas e utensílios é um dos diferenciais entre o ser humano e os animais.

Evidentemente, a ciência dos materiais começou mais como artesanato e prática do que como ciência.

A Idade da Pedra caracteriza-se pelo desenvolvimento de processos para trabalhar a pedra. Os primeiros processos de trabalhabilidade de materiais surgiram nesta época.

O uso de cordas, couro e cerâmica marcou uma nova fase na ciência dos materiais, a matéria prima bruta começou a ser processada para depois ser trabalhada.

A Idade dos Metais foi outro importante marco na história da civilização que só foi possível a partir do domínio do fogo.

A capacidade de controlar o fogo representa outro passo importante na historia da ciência e da civilização.

Outros animais são capazes de trabalhar materiais. Por exemplo, os castores utilizam madeira, galhos e folhas para criar barragens e túneis.

Contudo, nenhum outro animal possui a habilidade de controlar o fogo.

Na verdade, o domínio do fogo representa o início do domínio da transformação de energia pelo homem, um novo degrau na escala evolutiva.

A Idade do Plástico representa outro degrau evolutivo da civilização e da ciência dos materiais.

Pela primeira vez na história, o homem criou substâncias não existentes na natureza.

Finalmente, a Idade do Semicondutor marca mais um estágio evolutivo na história.

Desenvolvimento dos Materiais

O uso dos materiais começou empiricamente mas com a evolução da ciência, a teoria passou a ser importante na ciência dos materiais. Por isso, teoria e prática andam de mãos dadas na ciência dos materiais que é um dos pilares da engenharia.

Materiais do Futuro

Novas conquistas científicas estão originando uma revolução na ciência dos materiais. Os semicondutores, exemplo da aplicação prática da Física Quântica, revolucionaram o final do século XX e ainda dominaram o início do século XXI.

Contudo, a ciência dos materiais começou a disponibilizar os Biomateriais, os Materiais Inteligentes e os Nanomateriais, cujas aplicações ainda não estão disponíveis em larga escala, deverão impactar  nossa vida no futuro próximo.

Classificação dos Materiais

Os materiais podem ser classificados em Metais, Polímeros, Cerâmicas e Híbridos ou Compósitos.

Esta classificação depende da composição química e da estrutura da matéria.

Cerâmicas

Cerâmicas são mais antigas do que os metais e foram “descobertas” na  Idade da Pedra. Sem as Cerâmicas a humanidade não teria iniciado a Idade dos Metais.

As Cerâmicas não existem na natureza, elas foram os primeiros materiais criados pelo homem. As Cerâmicas foram originalmente desenvolvidas para aplicações domésticas em potes e vasilhas. O homem descobriu que misturas de barro e outras substâncias podiam ser facilmente moldadas e depois endurecidas pela ação do calor.

Contudo, as cerâmicas modernas estão muito mais sofisticadas.

Ao contrário dos Metais, as Cerâmicas não aparecem na Tabela Periódica. Isto significa que Cerâmicas não são elementos químicos.

Portanto, Cerâmicas são misturas ou soluções de materiais inorgânicos, normalmente não metálicos, preparados com a ação do calor e resfriamento.

Contudo, cerâmicas podem conter elementos metálicos em sua composição.

As propriedades das Cerâmicas são muito afetadas pelas impurezas contidas nas matérias-primas utilizadas, pelo tipo de impureza, pelo tamanho das partículas e pelo método de fabricação.

As principais características das Cerâmicas são:

1. •Pouca Elasticidade;
   

2. •Pouca Maleabilidade;
   

3. •Frágeis;
   

4. •Isolantes Elétricos;
   

5. •Isolantes Térmicos;
   

6. •Algumas são transparentes.
   

As Cerâmicas podem ser classificadas em:

1. •Cristalinas;
   

2. •Amorfas.
   

Vidro e cimento são exemplos de Cerâmicas Amorfas, apesar de alguns autores não os considerarem como tal.

Da mesma maneira, a grafite é algumas vezes classificada como Cerâmica em função de suas características serem parecidas.

Exemplos de materiais elétricos e magnéticos cerâmicos são alguns tipos de isoladores, semicondutores e ferrites.

Cerâmicas

Metais

Os Metais são os materiais mais utilizados na prática, dominam a civilização há mais de 8.000 anos e simbolizam a força e resistência.

Eles são conhecidos pela sua resistência mecânica mas foi sua trabalhabilidade que os tornou o material mais importante na civilização humana até hoje.

Os metais dominam a Tabela Periódica , são todos sólidos nas condições normais de temperatura e pressão, com exceção do mercúrio.

As principais características dos metais são:

1. •Elasticidade;
   

2. •Maleabilidade;
   

3. •Resistência mecânica;
   

4. •Condutividade elétrica;
   

5. •Condutividade de calor;
   

6. •Opacos.
   

Metais são materiais inorgânicos compostos por substâncias, misturas, ligas e soluções compostas de elementos metálicos da Tabela Periódica; Ferro, Alumínio, Cobre, Magnésio, Níquel, Titânio, etc...

Metais podem ser classificados em:

1. •Ferrosos;
   

2. •Não Ferrosos.
   

Os Metais Ferrosos são todos os materiais metálicos que contém parcela significativa de ferro em sua composição.

Os Metais Não Ferrosos são todos os materiais metálicos que não contém ferro ou que a parcela de ferro é “insignificante” para produzir “propriedades ferrosas”; como o Ferromagnetismo .

Os elementos metálicos da Tabela Periódica são classificados em:

1. •Metais Alcalinos (Lítio, Sódio, Potássio, Rubídio, Césio e Frâncio);
   

2. •Metais Alcalinos-Terrosos ( Berílio, Magnésio, Cálcio, Estrôncio, Bário e Rádio);
   

3. •Metais de Transição (Ferro, Cobre, Ouro, Platina, Mercúrio, etc...);
   

4. •Metais Representativos( Alumínio, Estanho, Chumbo,etc..;
   

5. •Semi-metais ( Boro, Silício, Germânio,Arsênio, Antimônio, Telúrio e Polônio)
   

6. Em decorrência de suas propriedades, eles são extremamente importantes como materiais elétricos e magnéticos.
   

7. Exemplos de materiais elétricos e magnéticos são os cabos e fios elétricos, os núcleos magnéticos dos transformadores, geradores e motores elétricos e os imãs permanentes.
   

Polímeros

Polímeros são materiais orgânicos muito importantes na vida cotidiana. Alguns ocorrem naturalmente na natureza, tais como: madeira, couro, seda, óleos, papel, borracha.

Outros não existem na natureza e foram criados pelo homem, tais como: borracha sintética, adesivos e plásticos.

Polímeros são estruturas gigantes de macromoléculas, basicamente hidrocarbonetos com átomos de oxigênio, cloro, flúor, nitrogênio, enxofre, etc...

Os Polímeros podem ser classificados em:

1. •Plásticos;
   

2. •Fibras;
   

3. •Resinas líquidas.
   

Plásticos são sólidos mas durante seu processo de fabricação o calor e pressão os colocam no estado ”plástico” para que possam ser moldados.

Portanto, suas características de trabalhabilidade mudam com a temperatura e pressão. PVC, polietileno, náilon, teflon, baquelita e poliuretano são exemplos de plásticos.

Polímeros, tais como a  borracha natural e sintética e a cola de silicone  são muito elásticos e, em função disso,  são chamados de Elastômetros.

Polímeros com moléculas muito longas, mais de 100 vezes seu diâmetro, como o náilon, poliester e a celulose, também são chamados de Fibras.

Finalmente, Polímeros utilizados na forma líquida como adesivos, selantes ou isolantes são chamados de Resinas Líquidas.

Polímeros

Classificação dos Materiais Elétricos

Híbridos

Classificação dos Materiais Magnéticos

Classificação dos Materiais Elétricos e Magnéticos

Em decorrência das infinitas possibilidades, os materiais utilizados na Engenharia Elétrica podem ser classificados conforme as figuras abaixo.

Os materiais são classificados conforme suas características elétricas e magnéticas e conforme as classificação dos materiais.

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