11/03/2013. Ewaldo Luiz de Mattos Mehl. Departamento de Engenharia Elétrica

Transcrição

1 Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Departamento de Engenharia Elétrica 1 Agenda: Definição de Dielétrico Capacitor genérico Capacitor de placas planas Mecanismos de polarização Polímeros Aplicações 2 1

2 Resistentes Supercondutores Condutores Dielétricos Materiais usados em Engenharia Elétrica Semicondutores Magnéticos 3 Materiais isolantes Apresentam condução desprezível da corrente elétrica Bons isolantes elétricos são também bons isolantes térmicos Ausência de elétrons livres: ligação covalente 4 2

3 Supomos dois condutores de formato arbitrário suspensos no vácuo perfeito + - Carga q q q Potencial V V V q n V n 5 Supomos dois condutores de formato arbitrário suspensos no vácuo perfeito q1 q2 q3 qn... constante V V V V q 1 C capacitância coulomb unidade volt C V F 2 C.V 3 n farad

4 A capacitância expressa a capacidade do arranjo geométrico de dois condutores receber cargas elétricas. A capacitância é uma propriedade intrínseca do arranjo geométrico. Portanto, em um capacitor a vácuo: A capacitância não depende da tensão elétrica aplicada nos terminais do capacitor. A capacitância não depende da carga armazenada no capacitor. As equações para cálculo do capacitância de um arranjo qualquer no vácuo devem portanto incluir APENAS PARÂMETROS DESCRITIVOS DA GEOMETRIA DOS CORPOS CONDUTORES. 7 O cálculo da capacitância de corpos de formato arbitrário é muito complicado! Geralmente usamos geometrias mais fáceis para o cálculo da capacitância! q C capacitância coulomb unidade volt C V F C.V farad 8 4

5 O capacitor plano é constituído de duas placas planas, condutoras (armaduras), paralelas e entre as quais há vácuo ou um material isolante. O material isolante é chamado DIELÉTRICO área aumenta q aumenta C aumenta distância aumenta V diminui C aumenta C material A d = permissividade elétrica Se entre as placas houver o vácuo, o valor da permissividade elétrica é: 0 8,85 x F/m 9 0 8,85 x F/m Capacitância=C Capacitância=C > 0 A presença do material diminui a intensidade do campo elétrico. Portanto, ao se adicionar um material, a capacitância aumenta em relação à capacitância que se tinha com o vácuo > 0 k 1 Não existe materiais paraelétricos, somente dielétricos (e alguns ferroelétricos ). 10 5

6 Vácuo: k=1 Ar (1 atm): k=1,00059 Ar (100 atm): k=1,0548 Teflon (politetrafluoroetileno): k=2,1 Polipropileno: k=2,2 Polietileno: k=2,25 Poliestireno: k=2,6 Policarbonato: k=2,8 Poliéster: k=3,3 PVC (cloreto de polivinila): k=3,18 Mica: k=3 6 Vidro: k=5 10 Mylar (filme de poliimida): k=3,1 Acrílico (poliacrilato de metila): k=3,40 Borracha de neoprene: k=6,70 Água destilada: k=80,4 Titanato de estrôncio: k= A C o d C o k A d Todo capacitor se compõe de duas partes condutoras (chamadas armaduras) separadas por um material isolante (ou material dielétrico). Para se ter um capacitor com capacitância elevada: Diminuir a espessura (d) do dielétrico, pois quanto mais próximas estiverem as armaduras maior será a capacitância: Ao se usar folhas finas de material isolante como dielétrico, a tensão máxima à qual pode ser submetido o capacitor será baixa, em comparação com a que se teria para folhas de maior espessura. Usar um material dielétrico com constante dielétrica relativa (k) elevada: Na prática materiais com k > 10 tendem a ter estrutura cristalina, de difícil manipulação na forma de folhas finas. Usar folhas de armadura com área elevada: Isto fatalmente conduzirá a capacitores de grandes dimensões. 12 6

7 A C o d C o k A d Conector Conector dielétrico armaduras caneca de alumínio isolamento externo 13 1) Qual é a carga de um capacitor de 300 pf, quando ele é ligado a uma fonte de tensão de 1kV? Resposta: Q = 3 x 10 7 C = 0,3 C 2) Determine a capacitância de um capacitor, sabendo que a carga acumulada em cada placa é de 10C, quando a diferença de potencial entre elas for de 200 V. R.: C = 5 x 10 8 F = 50 nf 3) a) Calcule a capacitância de um capacitor que consiste em duas placas paralelas separadas por uma camada de cera de parafina de 0,5 cm de espessura, sendo que a área de cada placa é de 80 cm 2. A permissividade da cera é = 17, C 2 /Nm 2. b) Se este capacitor é ligado a uma fonte de 100V, calcule a carga elétrica armazenada nele. R.: a) C = 2,8 x F = 28 pf; b) Q = 2,8 nc 14 7

8 A polarização dielétrica é o fenômeno de deslocamento reversível das nuvens eletrônicas nos átomos ou moléculas de um material isolante (seja este material sólido, líquido ou gás) à exposição de um campo elétrico externo Sob ação do campo elétrico externo, os momentos dipolares (permanentes ou induzidos) do material tendem a se alinhar contra o sentido do campo elétricos, de forma a reduzir a intensidade do campo elétrico no interior do material. 15 Dependendo da natureza do dielétrico a polarização pode ser: Eletrônica: devido a um pequeno deslocamento da nuvem eletrônica em relação ao núcleo do átomo num intervalo de tempo inferior a s. Atômica: (também conhecida por Polarização Iônica ou Molecular) resultado de um deslocamento mútuo entre íons constituintes da molécula (átomos ou grupos de átomos carregados). Ocorre para intervalos de tempo da ordem de s. 16 8

9 Interfacial: (também chamada de Efeito Maxwell-Wagner) ocorre nas descontinuidades de fases de materiais heterogêneos, materiais diferentes, vazios e impurezas. Em materiais heterogêneos podem ocorrer pequenas regiões condutoras dispersas no meio isolante. Nestas regiões os portadores, íons ou elétrons, estão livres para se moverem com a ação de um campo elétrico, acumulando-se nas superfícies de separação estrutural, originando momentos de dipolos, devidos às diferentes condutividades e permissividades das regiões. Esta forma de polarização só está presente em campos contínuos ou de frequência muito baixa. 17 Orientacional: (também conhecida como polarização dipolar) formada pela orientação dos dipolos permanentes na direção do campo aplicado, devido a moléculas polares, presentes no dielétrico. Este fenômeno provoca uma dissipação de energia a qual dependerá da resposta dos dipolos em relação ao campo elétrico, a relaxação dielétrica. A polarização orientacional trata-se de um processo lento, com um intervalo de tempo da ordem de 10-6 s e que depende fortemente da temperatura. 18 9

10 Variação da constante dielétrica com a frequência do Campo Elétrico aplicado: Se o campo elétrico variar muito rapidamente, os mecanismos que respondem de forma lenta deixarão de se movimentar, respondendo somente aqueles ligados à polarização instantânea. Nestes casos, torna-se mais conveniente a análise do comportamento dielétrico no domínio de frequência. 19 Quando altas tensões são aplicadas sobre um dielétrico, elétrons da banda de valência podem subitamente ser promovidos a banda de condução resultando em elevada corrente elétrica. Em fluidos, como o ar ou óleo, o mecanismo de ruptura dielétrica envolve a ionização das moléculas. A tensão de ruptura varia diretamente com a espessura do dielétrico. Fonte: Adaptado de

11 21 Descarga luminosa que resulta da ionização do ar em torno de um condutor quando existir um radiente de potencial que exceda um certo valor crítico. A condução momentânea pode ser contínua (arco) ou pulsada (faíscamento). O efeito corona geralmente está relacionado a dois eletrodos assimétricos: Eletrodo pontiagudo: Gradiente de campo elevado Eletrodo plano ou de baixa curvatura: espelhamento da carga, Ou a dois eletrodos pontiagudos 22 11

12 O efeito corona pode ocorrer em linhas, isoladores ou ambientes controlados (usado em processos de fabricação que envolvem a presença de ozônio). Isoladores de alta tensão são fabricados em formatos que minimizem o gradiente de potencial no ar em sua volta para evitar o efeito corona. Geralmente estão associados à presença de efeito corona: Ruído audível Luminosidade Ruído eletromagnético Formação de ozônio (odor característico) (podem ser utilizados na detecção do efeito corona)

13 Os principais materiais dielétricos usados como isolantes em aplicações elétricas pode ser classificados em: Materiais ígneos: Cerâmica Vidro Polímeros: Termoplásticos Termorrígidos Elastômeros 25 kraμikos (keramikos) =material queimado Óxidos metálicos e não metálicos finamente pulverizados, comprimidos a alta pressão em formas e depois queimados lentamente a alta temperatura (=sinterização) Duros e quebradiços Quimicamente inertes Alta rigidez dielétrica Dimensões finais pouco rígidas = tolerância no valor dos capacitores 26 13

14 Matéria prima pulverizada ao nível de nano partículas Prensagem nas formas a altíssima pressão Sinterização muito lenta Dimensões finais rígidas = peças de dimensões precisas

15 Os vidros usados em eletricidade são compostos basicamente por sílica (SiO 2 ) e quantidades variáveis de outros óxidos como: Boro (B 2 O 3 ), Cálcio (CaO), Sódio (Na 2 O), potássio (K 2 O), Magnésio (MgO). Tempera térmica: ciclos de aquecimento (sem atingir seu ponto de fusão) e jatos de ar frio para resfriamento do vidro = vidro temperado Tempera iônica: o vidro é submerso em uma solução de sais de potássio a temperaturas da ordem de 400 C. Isso faz com que os íons de sódio do vidro sejam substituídos por íons de potássio; estes, por serem maiores, deixam menos espaço entre cada átomo, criando uma camada superficial muito mais densa e resistente quando o material esfria. Exemplo: Gorilla glass Corning: Moléculas estruturadas em longas cadeias de unidades (meros) repetidas: macromoléculas. A cadeia principal pode ser composta de átomos de carbono ou átomos de silício. Polímeros saturados: Os átomos da cadeia principal têm ligações simples entre si. Polímeros insaturados: Os átomos da cadeia principal têm ligações duplas ou triplas entre si

16 Termoplásticos São os plásticos mais encontrados no mercado. O material pode ser fundido diversas vezes. Alguns termoplásticos podem até dissolver-se em vários solventes. Reciclagem é possível. Termorrígidos São rígidos e frágeis, sendo muito estáveis a variações de temperatura. Uma vez moldados e prontos, não mais se fundem. O aquecimento do polímero acabado promove decomposição do material antes de sua fusão, tornando sua reciclagem complicada. Elastômeros (Borrachas) Classe intermediária entre os termoplásticos e os termorrígidos. Não são fusíveis, mas apresentam alta elasticidade, não sendo rígidos como os termofixos. Reciclagem complicada pela incapacidade de fusão. 31 PC - Policarbonato Discos ópticos (CD, DVD e Blue Ray), garrafas, recipientes diversos, componentes de interiores de aviões, coberturas translúcidas, divisórias, vitrines, janelas de segurança (praticamente inquebrável). PU Poliuretano Esquadrias, chapas, revestimentos, molduras, filmes, estofamento de automóveis, estofamento de móveis, isolamento térmico em roupas de mergulho e surf, isolamento térmico em impermeáveis, isolamento em refrigeradores industriais e domésticos, polias e correias. PVC - Policloreto de vinila ou cloreto de polivinila Telhas translúcidas, portas sanfonadas, divisórias, persianas, perfis, tubos e conexões para água, esgoto e ventilação, esquadrias, molduras para teto e parede. PS - Poliestireno Grades de ar condicionado, janelas em barcos e ônibus (imitação de vidro), peças de máquinas e de automóveis, gavetas de geladeiras, brinquedos, isolante térmico (matéria prima do isopor ). PP - Polipropileno Brinquedos, recipientes para alimentos, remédios, produtos químicos, carcaças para eletrodomésticos, fibras, sacarias (ráfia), filmes orientados, tubos para cargas de canetas esferográficas, carpetes, seringas de injeção, material hospitalar esterilizável, autopeças (pára-choques, pedais, carcaças de baterias, lanternas, ventoinhas, ventiladores, peças diversas no habitáculo), peças para máquinas de lavar

17 Polietileno Tereftalato (PET) Embalagens para bebidas, refrigerantes, água mineral, alimentos, produtos de limpeza, condimentos. Pode ser facilmente reciclado, prestando-se a inúmeras finalidades: tecidos, fios, sacarias, vassouras. Acrílico ou polimetil-metacrilato (PMMA) Substituto do vidro em diversas aplicações. Aramida Poli-parafenileno tereftalamida - polímero resistente ao calor e sete vezes mais resistente que o aço por unidade de peso - Kevlar DuPont: fibras de aramida - Nomex DuPont: filmes de aramida Politetrafluoretileno (PTFE) - Teflon DuPont - substância praticamente inerte, não reage com outras substâncias químicas exceto em situações muito especiais. Toxicidade seja praticamente nula - Terceiro menor coeficiente de atrito de todos os materiais sólidos conhecidos. - Mantém sua impermeabilidade em ambientes úmidos. - Devido à aceitabilidade ótima pelo corpo humano, é usado em diversos tipos de prótese 33 Resina fenólica (Baquelite & Fenolite): - Resina de cor marrom escura ou preta, geralmente usada com carga de serragem ou papel. - Foi muito utilizada em eletricidade (tomadas, caixas de instrumentos, caixa de disjuntores termomagnéticos, telefones antigos) mas praticamente abandonada devido à sua incapacidade de receber pigmentos. - Nas placas de circuito impresso (Fenolite), geralmente é usada com carga de papel picado, o que lhe confere características higroscópicas devido à presença da molécula da celulose: problemas decorrente do empenamento das placas. Resina epóxi ou poliepóxido: - Resina baseada no bisfenol-a ou bisfenol-f - Endurece quando se mistura com um agente catalisador ou "endurecedor". - Dureza próxima do granito. - São utilizadas por uma infinidade de aplicações: Revestimento interno de embalagens metálicas, placas de circuito impresso (com reforço em fibra de vidro), encapsulamentos de componentes eletrônicos, bijuterias, pisos industriais e decorativos, construção civil, tintas anticorrosivas, pintura em pó, adesivos estruturais, pás de geradores eólicos, transformadores a seco, isoladores, artigos esportivos (pranchas de surfe, capacetes, raquetes de tênis com reforço em fibra de vidro ou fibra de aramida Kevlar ) Poliéster: - Resina usada principalmente reforçada com fibra de vidro - Aplicações: carrocerias de veículos, caixas d'água, piscinas 34 17

18 Borracha natural - origem no látex da árvore seringueira (Hevea brasiliensis), polimerizado por calor e na presença de fumaça (carbono) formando o poli-cis-isopreno - conhecida na Europa a partir de 1736, mudas de seringueiras brasileiras foram levadas a Londres em 1876 e plantadas com sucesso em varias partes do mundo (India, Sri Lanka, Singapura, Tailândia, Malásia, Congo, Libéria e Nigéria) - atualmente os maiores produtores mundiais de borracha natural são a Tailândia, a Indonésia e a Malásia e sua principal utilidade é a fabricação de luvas cirúrgicas e preservativos Poliisopreno - borracha semelhante à natural, desenvolvida a partir de 1909 na Alemanha (Bayer) Bunas S & Buna N - copolímeros (formado pela repetição alternada de dois meros) desenvolvidos na Alemanha durante a II Guerra Mundial principalmente para a fabricação de pneus e câmaras de ar para veículos Neoprene - policloropreno - desenvolvido pela DuPont nos EUA em 1931 como substituto da borracha natural EPDM (ethylene propylene diene monomer ) - é atualmente a borracha sintética mais usada em aplicações elétricas (isolamento de cabos de alta tensão) SBR (styrene-butadiene rubber) - borracha sintética utilizada atualmente principalmente na fabricação de pneus e peças automotivas