5. ISOLANTES OU

DIELÉTRICOS

Material Isolante (Dielétricos): materiais isolantes são substâncias em que oselétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicas como oscondutores devido a presença de poucos elétrons livres e que resistem ao fluxodos mesmos (alta resistência elétrica).

Um material isolante, quando submetido a um campo elétrico externo, temseus elétrons deslocados de distancia microscópica e esse fenômeno é chamadode polarização.

Portanto, quando acontece esse fenômeno em materiais isolantes, chamamosesses materiais de dielétricos.

Dielétrico: é o meio no qual é possível produzir e manter (armazenar) um campoelétrico 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.

5.1 – Definição

5.2 – Polarização Dielétrica

Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização desuas partículas elementares, quando sujeitas à ação de um campo elétrico.

Devido a essa polarização, os materiais dielétricos são capazes de armazenarenergia elétrica.

Define-se por polarização um deslocamento reversível dos centros das cargaspositivas e negativas na direção do campo elétrico externo aplicado.

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 núcleoatômico positivo (fixado na matriz do dielétrico) e a nuvem eletrônica, a qual édeslocada na direção oposta ao campo elétrico aplicado, produzindo dipolos semdissipar energia.

Uma vez eliminado o campo externo, os átomos voltam à sua posição inicial, apolarização desaparece, pois os centros de cada grupo de cargas voltam àsituação inicial (equilíbrio).

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 suaconstituição química já são dotados de cargas positivas e negativas, a ação docampo elétrico externo tenderá a orientar as partículas de acordo com a própriaorientação do campo externo.

Quanto mais intenso é o campo, tanto mais elevado é o trabalho de orientaçãodas partículas elementares, observando-se de modo mais acentuado a elevaçãode temperatura, devido à transformação do trabalho de orientação em calor.

+ -+ -

5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente

a) gasosos:

ar – amplamente utilizado como isolante em redes elétricas de transmissão edistribuição;

hexafluoreto de enxofre (SF6) – usado em isolamentos de cabos subterrâneos edisjuntores de alta potência (subestações);

b) fibras naturais: papel impregnado em resinas ou óleos, algodão, seda – usadosem suportes isolantes e em revestimentos de cabos, capacitores ebobinas;

5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente

c) cerâmicas: óxido de alumínio, titanato de bário, porcelana, etc. – utilizadasbasicamente em isoladores de baixa, média e alta tensão, e em capacitoresde 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 peçasisolantes;

5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente

e) líquidos: Óleos (mineral, óleo de silicone – atuam nas áreas de refrigeração eisolação em transformadores e disjuntores a óleo. Também empregados paraimpregnar papéis usados como dielétricos em capacitores.

f) tintas e vernizes: compostos químicos de resinas sintéticas – Têm importanteemprego na tecnologia de isolação de componentes eletrônicos como:esmaltação de fios e cabos condutores, isolação de laminadosferromagnéticos, circuitos impressos e proteção geral de superfícies;

g) borrachas sintéticas: neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE (PolietilenoReticulado) e borracha butílica – usados como capa protetora de cabos;

5.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente

h) mica: material mineral usado em capacitores e em ligações entre transistoresde alta potência;

i) Vidro e madeira: principal emprego em isoladores de linhas de transmissão. Asfibras de vidro são usadas no lugar dos papéis em algumas aplicações.madeira: grande utilização em cruzetas dos postes de distribuição.

5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

5.4.1 Capacitância (C): é a razão entre os módulos de sua carga Q e a diferençade potencial V entre elas. A unidade e Faraday.

Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo placa, porexemplo), constituído de duas placas condutoras paralelas de área A separadaspor uma distância L onde existe o vácuo ou algum material isolante (Figura), umadas placas torna-se positivamente carregada, e a outra negativamente, com ocorrespondente campo elétrico aplicado dirigido do terminal positivo para onegativo.

Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbriointerno de carga elétrica.

V

QC iaCapacitânc

5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbriointerno de carga elétrica.

5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

Também pode ser:

Também pode ser calculado como sendo a constante dielétrica e apermissividade eletrostática do vácuo ou espaço livre

l

AC 0

Q =carga em uma placaA = área da placal = separação entre placas0 = 8,85x10-12 F/m

5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

5.4.2 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 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 porconstante dielétrica relativa, r, dada por;

ou seja,é a razão entre a carga Q, obtida com uma determinada tensão nocapacitor que contém um dado dielétrico e a carga Q0, que é a carga queexistiria se os eletrodos estivessem separados pelo vácuo.

A constante dielétrica relativa é adimensional.

0Q

Q

r

5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

Compondo estas duas equações, temos, ainda, que

Q = .Q0 = .C0 .V

Temos ainda, para um dado valor de tensão constante, que a constante dielétricaé função de:

Muitos autores adotam outra nomenclatura: chamam permissividade àconstante , e constante dielétrica à constante K. É preciso atenção a essanomenclatura quando se lê um livro de Eletricidade.

A constante dielétrica do ar ou do vácuo é dada 0 = 8,8541878176x10-12 F/m.

0C

C

0Q

Qe

r

5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

5.4.3 Rigidez Dielétrica: Corresponde ao valor limite de tensão aplicada sobre aespessura do material (kV/mm), sendo que, a partir deste valor, os átomos quecompõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar comoum isolante.

Em outras palavras é a intensidade máxima do campo elétrico que um dielétricopode 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 umcampo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele deixa de ser isolante e torna-secondutor.

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.

5.4 – Propriedades elétricas do isolantes

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

polarizaçãoc) O que é capacitância ?d) O que é Constante dielétrica?e) O que é Rigidez dielétrica ?

2) Um capacitor cerâmico convencional consegue armazenar 2,1.10-10C de carga elétrica, possui umaconstante dielétrica relativa de 6,0 e está posicionado dentro da região entre placas a uma tensãode 30V. Calcule a capacitância e a permissibilidade (constante dielétrica) do meio dielétrico.: 0 = 8,85.10-12 F/m.

Lista 2

3) Considere um capacitor de placas paralelas que possui uma área de 6,45.10-4m2 e que apresenta umaseparação entre placas de 2.10-3m, através da qual um potencial de 10V é aplicado. Se o materialque possui uma constante dielétrica relativa de 6,0 for posicionado dentro da região entre placas,calcule a capacitância.: 0 = 8,85.10-12 F/m.

4) Pretende-se construir um capacitor simples de placas paralelas para armazenar 5,0.10-6C a umpotencial de 8kV. A distancia de separação entre as placas é de 0,30mm. Calcule a área em m2 queas placas devem ter, se o dielétrico entre elas for a) vácuo ( = 1)

b) alumina ( = 9)

Lista 2