5. ISOLANTES OU DIELÉTRICOS

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2 5. ISOLANTES OU DIELÉTRICOS

3 5.1 Definição Material Isolante (Dielétricos): materiais isolantes são substâncias em que os elétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicas como os condutores devido a presença de poucos elétrons livres e que resistem ao fluxo dos mesmos (alta resistência elétrica). Um material isolante, quando submetido a um campo elétrico externo, tem seus elétrons deslocados de distancia microscópica e esse fenômeno é chamado de polarização. Portanto, quando acontece esse fenômeno em materiais isolantes, chamamos esses materiais de dielétricos. Dielétrico: é o meio no qual é possível produzir e manter (armazenar) um campo elétrico com pequeno ou nenhum suprimento de energia de fontes externas. A energia requerida para produzir o campo elétrico pode ser recuperada, armazenada e após cessada quando o campo elétrico é removido.

4 5.2 Polarização Dielétrica Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas partículas elementares, quando sujeitas à ação de um campo elétrico. Devido a essa polarização, os materiais dielétricos são capazes de armazenar energia elétrica. Define-se por polarização um deslocamento reversível dos centros das cargas positivas e negativas na direção do campo elétrico externo aplicado.

5 5.2 Polarização Dielétrica A polarização de um dielétrico pode ocorrer das duas maneiras: 1) Se o isolante é constituído de átomos, que não apresentam momento dipolar, quando aplicado um campo elétrico externo, ocorre à separação entre o núcleo atômico positivo (fixado na matriz do dielétrico) e a nuvem eletrônica, a qual é deslocada na direção oposta ao campo elétrico aplicado, produzindo dipolos sem dissipar energia. Uma vez eliminado o campo externo, os átomos voltam à sua posição inicial, a polarização desaparece, pois os centros de cada grupo de cargas voltam à situação inicial (equilíbrio).

6 5.2 Polarização Dielétrica 2) Se o dielétrico for constituído de partículas elementares (elétrons, prótons, etc.) que por si só já são dipolos (por exemplo, moléculas) que, devido à sua constituição química já são dotados de cargas positivas e negativas, a ação do campo elétrico externo tenderá a orientar as partículas de acordo com a própria orientação do campo externo. Quanto mais intenso é o campo, tanto mais elevado é o trabalho de orientação das partículas elementares, observando-se de modo mais acentuado a elevação de temperatura, devido à transformação do trabalho de orientação em calor

7 5.3 Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente a) gasosos: ar amplamente utilizado como isolante em redes elétricas de transmissão e distribuição; hexafluoreto de enxofre (SF 6 ) usado em isolamentos de cabos subterrâneos e disjuntores de alta potência (subestações); b) fibras naturais: papel impregnado em resinas ou óleos, algodão, seda usados em suportes isolantes e em revestimentos de cabos, capacitores e bobinas;

8 5.3 Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente c) cerâmicas: óxido de alumínio, titanato de bário, porcelana, etc. utilizadas basicamente em isoladores de baixa, média e alta tensão, e em capacitores de baixa e alta tensão (elevada constante dielétrica); d) resinas plásticas: Poliéster, polietileno, PVC (Poli Cloreto de Vinila), Teflon, etc. aplicados em revestimentos de fios e cabos, capacitores e peças isolantes;

9 5.3 Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente e) líquidos: Óleos (mineral, óleo de silicone atuam nas áreas de refrigeração e isolação em transformadores e disjuntores a óleo. Também empregados para impregnar papéis usados como dielétricos em capacitores. f) tintas e vernizes: compostos químicos de resinas sintéticas Têm importante emprego na tecnologia de isolação de componentes eletrônicos como: esmaltação de fios e cabos condutores, isolação de laminados ferromagnéticos, circuitos impressos e proteção geral de superfícies; g) borrachas sintéticas: neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE (Polietileno Reticulado) e borracha butílica usados como capa protetora de cabos;

10 5.3 Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente h) mica: material mineral usado em capacitores e em ligações entre transistores de alta potência; i) Vidro e madeira: principal emprego em isoladores de linhas de transmissão. As fibras de vidro são usadas no lugar dos papéis em algumas aplicações. madeira: grande utilização em cruzetas dos postes de distribuição.

11 5.4 Propriedades elétricas do isolantes Capacitância (C): é a razão entre os módulos de sua carga Q e a diferença de potencial V entre elas. A unidade e Faraday. Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo placa, por exemplo), constituído de duas placas condutoras paralelas de área A separadas por uma distância L onde existe o vácuo ou algum material isolante (Figura), uma das placas torna-se positivamente carregada, e a outra negativamente, com o correspondente campo elétrico aplicado dirigido do terminal positivo para o negativo. Capacitânc ia C Q V Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.

12 5.4 Propriedades elétricas do isolantes Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.

13 Também pode ser: C 0 A l Q =carga em uma placa A = área da placa l = separação entre placas 0 = 8,85x10-12 F/m 5.4 Propriedades elétricas do isolantes Também pode ser calculado como sendo a constante dielétrica e a permissividade eletrostática do vácuo ou espaço livre

14 5.4 Propriedades elétricas do isolantes Constante dielétrica (ou permissividade) (ε ou k): é uma propriedade do material isolante utilizado em capacitores que influi na capacitância total do dispositivo. Através da constante dielétrica, pode relacionar a densidade de fluxo elétrico e o campo elétrico do material, quanto r maior a constante dielétrica, maior a densidade de fluxo elétrico no material para um mesmo campo elétrico, maior a capacitância. Da definição da carga Q resulta a propriedade dielétrica conhecida por constante dielétrica relativa, r, dada por; ou seja,é a razão entre a carga Q, obtida com uma determinada tensão no capacitor que contém um dado dielétrico e a carga Q 0, que é a carga que existiria se os eletrodos estivessem separados pelo vácuo. A constante dielétrica relativa é adimensional. Q Q 0

15 5.4 Propriedades elétricas do isolantes Compondo estas duas equações, temos, ainda, que e Q Q =.Q 0 =.C 0.V Q 0 Temos ainda, para um dado valor de tensão constante, que a constante dielétrica é função de: r C C 0 Muitos autores adotam outra nomenclatura: chamam permissividade à constante, e constante dielétrica à constante K. É preciso atenção a essa nomenclatura quando se lê um livro de Eletricidade. A constante dielétrica do ar ou do vácuo é dada 0 = 8, x10-12 F/m.

16 5.4 Propriedades elétricas do isolantes

17 5.4 Propriedades elétricas do isolantes Rigidez Dielétrica: Corresponde ao valor limite de tensão aplicada sobre a espessura do material (kv/mm), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante. Em outras palavras é a intensidade máxima do campo elétrico que um dielétrico pode suportar sem tornar-se um condutor de eletricidade ( ruptura dielétrica ). No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 (kv/mm), assim, quando um campo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele deixa de ser isolante e torna-se condutor. O valor da rigidez dielétrica varia de um material para outro e depende de diversos fatores como: Temperatura. Espessura do dielétrico. Tempo de aplicação da diferença de potencial Taxa de crescimento da tensão. Para um gás, a pressão é fator importante.

18 5.4 Propriedades elétricas do isolantes

19 Lista 2 1) Responda: a) O que é um material isolante ou dielétrico? b) Explique o processo de polarização em materiais dielétricos e mostre quais são os dois tipos de polarização c) O que é capacitância? d) O que é Constante dielétrica? e) O que é Rigidez dielétrica? 2) Um capacitor cerâmico convencional consegue armazenar 2, C de carga elétrica, possui uma constante dielétrica relativa de 6,0 e está posicionado dentro da região entre placas a uma tensão de 30V. Calcule a capacitância e a permissibilidade (constante dielétrica) do meio dielétrico. : 0 = 8, F/m.

20 Lista 2 3) Considere um capacitor de placas paralelas que possui uma área de 6, m 2 e que apresenta uma separação entre placas de m, através da qual um potencial de 10V é aplicado. Se o material que possui uma constante dielétrica relativa de 6,0 for posicionado dentro da região entre placas, calcule a capacitância. : 0 = 8, F/m. 4) Pretende-se construir um capacitor simples de placas paralelas para armazenar 5, C a um potencial de 8kV. A distancia de separação entre as placas é de 0,30mm. Calcule a área em m 2 que as placas devem ter, se o dielétrico entre elas for a) vácuo ( = 1) b) alumina ( = 9)