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Os elétrons nas moléculas migram para a placa carregada negativamente. A moléculas então criam um campo no lado esquerdo que anula parcialmente o campo criado pelas placas.

Dielétrico (material dielétrico) ou isolante, é referido à um material que não possui, ou possui mínima, condutividade elétrica. Isso ocorre, pois, os elétrons estão concentrados em seu núcleo, proporcionando uma baixa quantidade de elétrons livres, o que faz com que o campo elétrico imposto sobre o material não seja conduzido.[1]

Em teoria, os dielétricos são tratados como ideais, no entanto isto não é verdade. Ao tratarmos de um campo elétrico elevado, este pode exercer força sobre os elétrons suficiente para os desprende-los de suas moléculas, permitindo assim, a passagem do campo elétrico. Este fenômeno é chamado de ruptura dielétrica. Em busca de evitar isto, há outra variável chamada rigidez dielétrica, que diz o campo elétrico máximo a que um material pode ser submetido.

A classificação de condutividade dos materiais é dado por mhos por metro (℧/m) ou siemens por metro (S/m), no caso dos dielétricos, estes valores são mínimos.

Os materiais dielétricos são encontrados na forma sólida, liquida e gasosa, dispostos para diversos fins. Estes também podem ser classificados entre dielétricos lineares, isotrópicos e homogêneos.[1]

Terminologia[editar | editar código-fonte]

Embora o termo isolador implique em baixa condução elétrica, dielétrico tipicamente significa materiais com alta polarizabilidade. Este último é expresso por um número chamado permissividade relativa. O termo isolante é geralmente usado para indicar obstrução elétrica enquanto o termo dielétrico é usado para indicar a capacidade de armazenamento de energia do material (por meio de polarização). Um exemplo comum de um dielétrico é o material eletricamente isolante entre as placas metálicas de um capacitor. A polarização do dielétrico pelo campo elétrico aplicado aumenta a carga da superfície do capacitor para a intensidade do campo elétrico.[2]

O termo dielétrico foi cunhado por William Whewell em resposta a um pedido de Michael Faraday. Um dielétrico perfeito é um material com condutividade elétrica zero, exibindo apenas uma corrente de deslocamento; portanto, armazena e retorna energia elétrica como se fosse um capacitor ideal.

Susceptibilidade[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Susceptibilidade elétrica

Susceptibilidade elétrica é uma constante de proporcionalidade adimensional que medi quantitativamente a extensão em que um campo elétrico aplicado a um material dielétrico causa polarização. Desse modo, quanto maior for a suscetibilidade elétrica de um material, maior a capacidade de um material se polarizar em resposta ao campo e, assim, reduzir o campo elétrico total dentro do material. Portanto, é desta forma que a susceptibilidade elétrica influencia a permissividade elétrica do material e, portanto, influencia muitos outros fenômenos naquele meio, desde a capacitância dos capacitores até a velocidade da luz.

A susceptibilidade elétrica é definida como a constante de proporcionalidade relacionando um campo elétrico E e com a densidade de polarização dielétrica induzida P tal que:

onde,

  • P é a densidade de polarização
  • Eo é a permeabilidade elétrica
  • Xe é a susceptibilidade elétrica
  • E é o campo elétrico

Polarização do dielétrico[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Polarização dielétrica
Interação do campo elétrico com o átomo.

Uma propriedade dos dielétricos é a polarização das partículas elementares do material, quando este estiver sujeito à ação de um campo elétrico.[3]

Polarização é um deslocamento reversível dos centros de cargas na direção da orientação do campo externo aplicado. Cessando o campo externo as partículas retornam a sua orientação natural.

Após o campo elétrico ultrapassar uma determinada intensidade, o dielétrico permite a passagem de corrente elétrica, essa intensidade depende da natureza do dielétrico e das suas condições físicas.[4]

A polarização de um dielétrico pode ocorrer de duas formas:

  • Em materiais apolares: com a ação de um campo elétrico externo, ocorre o deslocamento dos centros de cargas positivas e negativas, que será tanto maior quanto maior for a intensidade do campo;
  • Em dipolos elétricos: a ação do campo elétrico externo tende a orientar as partículas do dielétrico de acordo sua orientação.[3]

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Dielétricos nos capacitores de placas paralelas[editar | editar código-fonte]

A estrutura atômica dos elementos componentes de um dielétrico torna a sua energia de ionização relativamente elevada. Portanto um capacitor contendo um dielétrico pode ser submetido a uma tensão mais elevada.

Por essa razão, camadas de dielétricos são comumente incorporadas aos capacitores, visando melhorar sua performance em relação aos capacitores que contêm apenas ar ou vácuo entre suas placas. Além disso, o uso de um dielétrico em um capacitor possibilita que as placas de condutores sejam colocadas muito próximas sem o risco de entrarem em contato. O termo dielétrico pode se referir tanto a esta aplicação quanto ao isolamento utilizado em cabos de potência e RF.

O capacitor mais simples é constituído por duas placas condutoras paralelas, estas com área A e separadas por uma distancia d pequena em comparação as suas dimensões. Quando essas as placas são carregadas, o campo elétrico é quase totalmente localizado na região existente entre as placas, essa disposição é chamada de capacitor de placas paralelas.[5]

Ao se colocar um material dielétrico entre as placas (paralelas) de um capacitor , a capacitância C do condensador é aumentada de um fator εr, denominado constante dielétrica relativa, típica do dielétrico considerado. Assim a capacitância será calculada de acordo com a seguinte fórmula:

, onde

Isto ocorre porque um campo elétrico polariza as moléculas do dielétrico, produzindo frações de carga em sua superfície que criam um campo elétrico oposto (antiparalelo) ao do capacitor. Desse modo, uma certa quantidade de carga produz um campo mais fraco entre as placas do que ela iria produzir sem o dielétrico, que reduz o potencial elétrico. Reciprocamente, com um dielétrico no interior do capacitor, ao se aumentar o campo elétrico dentro dele, aumentará a quantidade de carga acumulada. De fato: . Aumentando C e mantendo V constante, q deve aumentar, observando-se que esse aumento dependerá do material dielétrico utilizado.

Dielétricos em cabos, componentes de alta frequência e alta tensão[editar | editar código-fonte]

As antenas dielétricas, ressonadores e guias de ondas dielétricas são usados ​​em tecnologia de alta freqüência e obedecem às mesmas leis de refração que em cabos óticos ou de fibra ótica. Materiais típicos para dielétricos em aplicações de alta freqüência são polietileno, PTFE, cerâmica (por exemplo, esteatita, alumina), mica ou ar. Os dielétricos para aplicações de alta frequência geralmente devem ter fatores de perda dielétrica particularmente baixos.

O mesmo se aplica aos componentes de alta tensão, como cabos ou transformadores. Neste caso, o dielétrico consiste principalmente do isolamento de papel encharcado de óleo entre o condutor do cabo e a tela ou entre os enrolamentos do transformador. As propriedades dielétricas desses componentes fornecem informações sobre a qualidade do isolamento.

Ressonador dielétrico[editar | editar código-fonte]

Um oscilador ressonante dielétrico (DRO) é um componente eletrônico, geralmente de cerâmico, que exibe ressonância da resposta de polarização para uma faixa estreita de frequências, geralmente nas faixas de microondas. Ressonadores dielétricos geralmente consistem de um "puck" de cerâmica que tem uma grande constante dielétrica e um baixo fator de dissipação. A frequência de ressonância é determinada pelas dimensões físicas totais do ressonador e pela constante dielétrica do material

Alguns dielétricos mais usados[editar | editar código-fonte]

Os materiais dielétricos podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. Os dielétricos sólidos são provavelmente o tipo mais utilizado na engenharia elétrica, pois muitos sólidos são bons isolantes.

Vários tipos de cerâmicos e polímeros são muito usados atualmente como materiais isolantes, sendo suas principais aplicações o isolamento elétrico de linhas de transmissão, bases de chaves seccionadoras e interruptores, e receptáculos de lâmpadas.[6]

Outros tipos de materiais isolantes muito usados são os vernizes isolantes, óleo mineral, óleo de origem vegetal ou éster sintético, tintas isolantes, diluentes e solventes, e gases isolantes. As aplicações desses dielétricos são as seguintes:

  • Vernizes isolantes: São usados especialmente como materiais aglutinantes, de enchimento e para revestimento.
  • Óleo Mineral: é extensivamente utilizado no interior de transformadores elétricos como um fluido dielétrico e para auxiliar no resfriamento.
  • Óleo Vegetal: Originado da Soja ou Girassol, por exemplo. Possui características superiores ao Óleo mineral como o aumento da capacidade de potência e/ou sobrecarga; extensão da vida útil do ativo; uso de opções renováveis, não tóxicas e biodegradáveis; redução da emissão de carbono.
  • Tintas isolantes: Usadas para revestir superfícies isoladas ou protege-las contra possíveis danos como a corrosão e umidade
  • Diluentes e solventes: São materiais usados para a fabricação e aplicação de vernizes e tintas.
  • Gases Isolantes: Alguns dos principais gases isolantes são o ar atmosférico e o nitrogênio. O ar atmosférico conhecido também como isolante natural, é o isolante, por exemplo, de uma linha aérea. O nitrogênio é utilizado para manter a pressão interna dos transformadores e outros equipamentos, acima da pressão atmosférica para que possa evitar a penetração de umidade.[6]

Alguns dielétricos podem gerar uma diferença de potencial quando submetidos a, por exemplo, um estresse mecânico ou alterar a forma física se uma tensão externa for aplicada ao material. Essa propriedade é chamada de piezoeletricidade. Os Materiais piezelétricos são outra classe de dielétricos muito úteis.[7]

Referências

  1. a b SADIKU, Matthew N. (2004). Elementos de Eletromagnetismo 3 ed. Porto Alegre: Bookman. ISBN 9788536302751 
  2. «Dielectric». Encyclopaedia Britannica. Consultado em 2 de dezembro de 2018 
  3. a b SCHMIDT, Walfredo (2010). Materiais Elétricos - Vol. 2 Isolantes e Magnéticos 3 ed. São Paulo: Blucher. ISBN 9788521205210 
  4. GISÈLE, Jacqueline. «EEL7052 - Materiais Elétricos» (PDF). Consultado em 2 de dezembro de 2018 
  5. FREEDMAN, Roger A.; YOUNG, Hugh D. (2009). Física III Eletromagnetismo 12 ed. São Paulo: Pearson. ISBN 9788588639348 
  6. a b «MATERIAIS DIELÉTRICOS» (PDF). Consultado em 2 de dezembro de 2018 
  7. CALLISTER, William D. (2007). Materials Science and Engineering 7 ed. New York: John Wiley & Sons. ISBN 9780471736967 

Ver também[editar | editar código-fonte]