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Prof. Cesar R. Rodrigues
Materiais Isolantes
Unidade 4^ Unidade 4
Materiais Isolantes eMateriais Isolantes e
suas Propriedades^ suas Propriedades
Ao contrário dos materiais condutores e semicondutores, nos materiaisisolantes a presença de campo elétrico (aplicação de tensão), provoca odeslocamento das cargas sem liberá-las dos átomos ou moléculas. Os isolantes, também conhecidos como dielétricos , são materiais utilizadosno confinamento da energia elétrica, seja para fins de segurança (isolação)como no armazenamento de energia.
A conseqüência é a formação de dipolos elétricos.Portanto, quando um isolante é submetido a um campo elétrico ele sofrepolarização.
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Polariza^ Polariza
çç
ão de dielão de diel
éé
tricostricos
O comportamento de um material isolante quanto à polarização tem uma lógicabastante semelhante à utilizada na compreensão do magnetismo.
Seja um capacitor de placas paralelas submetido a uma tensão V:
- Quando as placas forem separadas por vácuo , a capacitância é dada por:
V
C
Q
Onde C-
representa a capacidade do dispositivo em adquirir carga
para 1V de tensão aplicada, e pode ser calculada por:
(Coulombs)
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A capacitância é aumentada por um fator k (
ε
r
) conhecida como constante
Polariza^ Polarizadielétrica relativa do material.
çç
ão de dielão de diel
éé
tricostricos
O aumento da capacitância tem origem na formação de dipolos (polarização)no dielétrico.
Com a formação de dipolos, uma campo elétrico contrário ao campo resultanteentre as placas é formado.
Como a distância d não é modificada, para a mesma carga nas placas, umcapacitor com dielétrico possui uma tensão menor:
d
E
V
'.
=
Onde E’ = E – E
p ,
sendo E
p
o campo provocado pelos dipolos do dielétrico.
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Polariza^ Polariza Portanto, como:
çç
ão de dielão de diel
éé
tricostricos
O aumento da capacitância tem origem na formação de dipolos (polarização)no dielétrico.
E para a mesma carga, temos uma tensão menor com o dielétrico entre asplacas, podemos concluir que a capacitância aumenta.
Q V
C
=
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Pág.
A polarização elétrica pode ser interpretada da seguinte forma:
P
E
D
o
ε
E
E
E
P
r
o
o
r
o
A aplicação de tensão provoca o surgimento de um campo elétrico E no vácuoe a polarização P em um dielétrico.A soma destes dois efeitos é chamada de deslocamento dielétrico.Como a polarização também está relacionada à intensidade do campo E,
Podemos condensar ambos efeitos em uma única constante deproporcionalidade:
E
E
D
r
o
Ou ainda, a relação entre a polarização e o campo pode ser expressa em termosde susceptibilidade elétrica:
r
o
onde
E
P
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A polarização elétrica dos materiais não tem origem em uma única fonte.A polarização total de um material será a soma de todos os tipos presentes: Polarização Eletrônica:
associada ao deslocamento espacial da nuvem
eletrônica em torno do núcleo.
Campo aplicado
p
Sem campo externo
Polarização mais fraca e de reversão rápida.
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Polarização de Orientação:
Ocorre em materiais que possuem dipolos
permanentes, resultantes da própria estrutura do material.
A polarização total induzida em um dielétrico pelo campo é a soma daspolarizações eletrônica, iônica e de orientação.
P = P
e
+ P
i
+ P
o
Um parâmetro importante para diversos tipos de aplicações (especialmentenas telecomunicações) é a dependência da polarização em relação àfreqüência do campo elétrico. Este tipo de polarização possui magnitudes maiores e tende a diminuir com oaumento da temperatura.Os materiais que possuem polarização mesmo na ausência de camposelétricos externos são chamados de
Ferroelétricos.
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Cada tipo de polarização possui tempos típicos para orientação e re-orientaçãodos dipolos.Esse comportamento é normalmente caracterizado pela
freqüência de
relaxação.
(inverso do tempo de reorientação)
A importância defreqüência de relaxaçãoestá no fato de queacima desta, o tipo depolarização em questãonão contribui para
r
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Pág.
Quando uma tensão alternada:é aplicada entre dois terminais separados por um isolante (capacitor, porexemplo).A carga resultante é dada por:
Resistividade diel^ Resistividade diel
éé
trica (ângulo de perdas)trica (ângulo de perdas)
Correspondendo a uma corrente:
t
sen
V
v
m
ω
). (...
t
sen
V
C
v
C
Q
m
ω
=
=
)
.
cos( .
.
.
.
t
V
C
j
dt dQ
I
o
c
ω
ω
=
=
Onde:
d
A
C
r
o
.
ε
ε
=
v
I
ω.
t
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No entanto se a resistência do isolante não for infinita, se o alinhamento dosdipolos atrasar em relação à variação do campo e se os terminais não foremcondutores perfeitos (o que ocorre na prática),
Resistividade diel^ Resistividade diel
éé
trica (ângulo de perdas)trica (ângulo de perdas)
O resultado é a alteração do ângulo entre a corrente e a tensão no capacitor.
v
I
co
ω.
t
I
p
I
c
tg
δ
Uma corrente resistiva deverá ser acrescentada para representar esses efeitosde perda (I
p
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É uma descarga luminosa que resulta da ionização do ar em torno de umcondutor quando existir um gradiente de potencial que exceda um certo valorcrítico.A condução momentânea pode ser contínua (arco) ou pulsada (faíscamento).
Efeito Corona^ Efeito Corona
O que é?
O efeito corona geralmente estárelacionado a dois eletrodos assimétricos:
- Eletrodo pontiagudo: Gradientede campo elevado• Eletrodo plano ou de baixacurvatura: espelhamento dacarga,
Ou a dois eletrodos pontiagudos.
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A aceleração dos íons pelo campo provoca um efeito de avalanche, ampliandoa formação da corrente entre os eletrodos.
Efeito Corona^ Efeito Corona
O que é?
O efeito corona pode ser:
Positivo:Ocorre quando,no limiar do gradiente depotencial os eletrons sãoacelerados na direção doanodo produzindo umaavalanche de elétrons.Uma nuvem de íonspositivos é formada emtorno do eletrodo atuandocomo uma extensão domesmo.
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Efeito Corona^ Efeito Corona
O que é?
Em linhas de transmissãoa.c. podem ocorrer efeitoscorona positivos, negativosou ambos, alternadamente,dependendo das condiçõesgeométricas existentes.(formato, distância) Hubbell Power Systems, Bulletin EU1234-Hwww.hubbellpowersystems.com
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Efeito Corona^ Efeito Corona
Considerações
Pode ocorrer em linhas, isoladores ou ambientes controlados (usadoem processos de fabricação).
Isoladores são fabricados em formatos que minimizem o gradientede potencial no ar em sua volta para evitar o efeito corona.
Geralmente estão associados a esse efeito:Ruído audível, luminosidade, ruído eletromagnético. (podem serutilizados na detecção do efeito)Formação de gases
