Materiais Dieléctricos

Materiais Dieléctricos

Materiais Dieléctricos são essencialmente isoladores, o que significa que nenhuma corrente fluirá através do material quando uma tensão for aplicada. No entanto, certas mudanças acontecem à escala atómica. Quando uma voltagem é aplicada sobre um objecto dieléctrico, este torna-se polarizado. Uma vez que os átomos são feitos de um núcleo com carga positiva e electrões com carga negativa, a polarização é um efeito que desloca ligeiramente os electrões para a voltagem positiva. Eles não viajam suficientemente longe para criar um fluxo de corrente através do material – o deslocamento é microscópico, mas tem um efeito muito importante, especialmente quando se trata de condensadores. Assim que a fonte de tensão é removida do material, ou volta ao seu estado original não polarizado, ou permanece polarizado se as ligações moleculares no material forem fracas. A diferença entre os termos dieléctrico e isolante não está muito bem definida. Todos os materiais dieléctricos são isoladores, mas um bom dieléctrico é aquele que é facilmente polarizado.

A quantidade de polarização que ocorre quando uma determinada voltagem é aplicada a um objecto influencia a quantidade de energia eléctrica que é armazenada no campo eléctrico. Isto é descrito pela constante dieléctrica do material. A constante dieléctrica não é a única propriedade dos materiais dieléctricos. Outras propriedades como a resistência dieléctrica e a perda dieléctrica são igualmente importantes na escolha de materiais para um condensador numa determinada aplicação.

Constante dieléctrica

A constante dieléctrica de um material, também chamada de permissividade de um material, representa a capacidade de um material para concentrar linhas de fluxo electrostáticas. Em termos mais práticos, representa a capacidade de um material de armazenar energia eléctrica na presença de um campo eléctrico. Todos os materiais, incluindo o vácuo, armazenam energia quando colocados num campo eléctrico. A permissividade do vácuo é definida como a constante física ε0, que é aproximadamente ε0 = 8,854 x 10-12 farads por metro. Esta constante aparece em muitas fórmulas de electromagnetismo.

Desde que a maioria dos condensadores não são feitos de vácuo, faz sentido definir a permissividade para cada material. A permissividade de um material é definida como ε=εrε0, onde ε é a permissividade absoluta e er é a permissividade relativa. εr é um número que é sempre superior a 1, o que significa que todos os materiais armazenam mais energia do que espaço livre quando sujeitos a um campo eléctrico. Esta propriedade é bastante útil em aplicações de condensadores, e explicaremos isto melhor neste artigo. Note-se que a permissividade relativa depende de muitos factores, tais como temperatura, pressão e até frequência, razão pela qual os materiais com constante dieléctrica mais estável são favorecidos em algumas aplicações.

Materiais diferentes têm valores diferentes de permissividade relativa. Aqui fornecemos uma lista de materiais normalmente utilizados em condensadores, juntamente com os seus valores er à frequência de 1kHz à temperatura ambiente, que pode ser utilizada como referência rápida e mostra a vasta gama de valores encontrados na prática:

Força dieléctrica

Felizmente, existe um limite na tensão que um isolador pode suportar antes de conduzir electricidade. Todos os materiais têm um limite de tensão superior, chamado tensão de ruptura. Um bom exemplo disto é o ar. É considerado um isolador, mas sob certas circunstâncias pode fluir corrente. Isto é exactamente o que acontece durante uma descarga atmosférica. Após a força do campo de avaria ser excedida, o ar é ionizado (os electrões são arrancados do núcleo do átomo) e começam a mover-se sob a influência do campo eléctrico, produzindo corrente eléctrica. É muito importante não exceder a tensão nominal máxima de um condensador, a fim de evitar danos ou mesmo a destruição completa. A resistência dieléctrica do ar é de aproximadamente 3 megavolts por metro. Em comparação, a resistência dieléctrica para mica é de aproximadamente 120 MV/m. A escolha do material dieléctrico é muito importante em algumas aplicações onde se esperam altas tensões, ou quando a espessura do dieléctrico é muito pequena.

Perda dieléctrica

O termo perda dieléctrica refere-se à energia que se perde com o aquecimento de um objecto que é feito de um material dieléctrico se lhe for aplicada uma tensão variável. Estas perdas ocorrem porque à medida que o material muda de polarização, os pequenos deslocamentos de electrões podem ser considerados como um pequeno fluxo de corrente alternada. Materiais diferentes têm perdas diferentes em frequências diferentes, e esta característica deve ser contabilizada em algumas aplicações de alta frequência.

Aplicação de materiais dieléctricos a condensadores

A fim de compreender o efeito do dieléctrico sobre um condensador, vamos primeiro rever rapidamente a fórmula conhecida para a capacitância de um condensador de placa paralela:

onde C é a capacitância, εr é a permissividade relativa do material, ε0 é a permissividade do vácuo, A é a área das placas e d é a distância entre as placas. Torna-se claro que quanto maior for εr, maior será a capacidade resultante. Por exemplo, o ar como material tem uma permissividade relativa de aproximadamente 1, o que significa que actua como se as placas condensadoras fossem colocadas no vácuo. Por outro lado, alguns polímeros podem ter a permissividade relativa de até 100.000! Utilizando tais materiais, é possível obter a mesma capacidade num volume muito menor, abrindo a possibilidade de miniaturização.

p>Agora vamos olhar para a resistência dieléctrica. Consideremos um condensador de ar, com a distância entre os eléctrodos a ser de 0,1mm. A resistência dieléctrica do ar é de 3 megavolts por metro. Isto significa que a tensão máxima que pode ser aplicada a este condensador de exemplo é de 300 volts em condições ideais. Quanto menor for o condensador, mais baixa é a tensão máxima permitida. Todos os condensadores têm tensões nominais máximas que dependem dos materiais utilizados, e exceder estes valores nominais poderia danificar ou destruir o condensador.