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WALFREDO SCHMIDT 2º-edição revista WALFREDO SCHMIDT Professor Titular da Escola de Engenharia Mackenzie e da Faculdade de Engenharia A. Alvares Penteado MATERIAIS ELÉTRICOS isolantes e Magnéticos Volume 2 na 2º edição revista dy EDITORA EDGARD BLÚCHER LIDA. CONTEÚDO DIELÉTRICOS Polarização do dielétrico A polarização do dielétrico e a constante dielétrica Formas fundamentais de polarização ........... Classificação dos dielétricos segundo o tipo de polarização ... As propriedades de materiais isolantes . A constante dielétrica dos gases .... A constante dielétrica de líquidos A constante dielétrica de isolantes sólidos". Condutividade elétrica de isolantes ........... A condutividade superficial de isolantes sólidos . O fator de perdas Descarga interna — Análise da rigidez dielétrica Ruptura dielétrica dos gases ...... O comportamento higroscópico Absorção de água ............ Capacidade de dispersão da umidade . PROPRIEDADES MECÂNICAS Esforço de tração .. Esforço de compressão Esforço à flexão . Viscosidade PROPRIEDADES TÉRMICAS Coeficiente de temperatura ....... Estabilidade térmica .... Condutividade térmica .. PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS . Densidade e porosidade .. Solventes e solubilidade .. Estabilidade química A distribuição do campo elétrico em função da constant MATERIAIS ISOLANTES DE USO INDUSTRIAL MAIS FREQUENTE. .. Isolantes gasosos Isolantes liquidos O óleo mineral . O askarel Óleos de silicone Métodos de aplicação de dielétricos liquidos .. ISOLANTES PASTOSOSECERAS Parafina ......... Pasta de silicone Resinas Resinas naturais Resinas sintéticas polimerizadas Resinas sintéticas condensadas Resina epoxe .........i. si Ésteres & éteres de celulose Vernizes - Fibras orgânicas Fibras sintéti Cerâmicas ..... Vidro :...cccc is A fibra de vidro e seus tecidos Mica, Amianto . . io Borrachas ......lii cisco io Reniatis do Dead led MATERIAIS MAGNÉTICOS : Introdução ... Constatação prática dos limites decada domínio .. Particularidades da magnetização e classificação dos materiais . Anisotropia cristalina” A magnetostrigão ... Deformações cristalinas Corrente parasita e os processos de sua redução -. NÚCLEOS LAMINADOS .... NÚCLEOS COMPACTADOS Matéria-prima Para imãs permanentes Materiais de elevado nível de saturação . Ferro é aço fundido para máquinas girantes . Chapas de ferro silicioso ................. Ligas de ferro-níquel .......i.. “Ligas de alumínio-ferro-silício Ligas de ferro-cobalto Ligas com características especiais « Materiais ferromagnéticos para freqiiências elevadas .......so..ss 95 96 97 .97 :99 +00 101 103 +03 103 108 12 114 no 127 128 Bl 133 2 MATERIAIS ELÉTRICOS determinada tensão. O mesmo fenômeno pode ser notado sobre a su- perfície externa do isolante, o que define duas grandezas isolantes das mais importantes que são, respectivamente, a rigidez dielétrica e a resistência superficial de descarga. Todos os dielétricos possuem um valor limite de solicitação elé- trica, valor esse que é característico de cada material sob condições normalizadas pré-especificadas. Sendo ultrapassados esses valores, ocorre uma modificação geralmente irreversível no material como, por exemplo, sua ruptura dielétrica, deformação permanente, modi- ficação estrutural, etc. Fregiientemente, essa modificação afeta fun- damentalmente as propriedades isolantes do dielétrico. A polarização do dielétrico e a constante dielétrica A polarização de um dielétrico pode ocorrer das duas maneiras mostradas a seguir. a) Se o isolante é constituído de átomos, que não apresentam momento dipolar, então o deslocamento dos núcleos das cargas po- sitivas e negativas sob a ação de campos externos é tanto maior, quanto mais elevada a intensidade do campo que é aplicada e com ele, a ação da força desse campo. 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. b) Se, numa segunda hipótese, 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 qui- mica já são dotados de cargas positivas e negativas, a ação do campo elétrico externo tenderá a orientar as partículas de acordo com a pró- pria orientação do campo elétrico 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. Dependendo da estrutura do dielétrico, uma polarização pode acontecer perante total ausência de energia externa, Nesse último caso, não se manifesta a elevação de temperatura mencionada na primeira análise: Devido ao aparecimento da pola- rização, aparecem “as assim chamadas cargas visíveis sobre a super- fície do dielétrico ou, de niodo- mais geral, na superfície. limitadora entre dois dielétricos (Fig. 1) Dislótricos 3 Figura 1 À Distribuição de cargas em dielétricos polarizados. A maioria dos dielétricos apresentam uma variação linear entre polarização e a ação do campo externo. Em alguns casos, essa varia- ção não é linear, porque aparece o fenômeno da saturação. Qualquer pedaço de um isolador ou isolante, que se localiza “entre duas partes condutoras, entre-as quais existe uma diferença de potencial, pode ser encarado como um capacitor, com uma capa- citância específica: A carga Q do capacitor é-dada pela equação Q=CU, onde C é a capacitância e U a tensão aplicada. Da definição da carga QQ resulta a. propriedade dielétrica conhe- cida por constante dielétrica, e, dada por “a, Q “O onde Q, é-a carga do. capacitor quando o dielétrico é o vácuo. Compondo estas duas. equações, temos, ainda, que 0=:0,="6GU Temos ainda, para um dado. valor de tensão constante, que à constante dielétrica é função de no . Co Outra grandeza é a suscetibilidade dielétrica, x, assim definida: J=krE, & E= Dielétricos 5 M, o peso molecular, p, a densidade da matéria, N, o- número de Lorschmidt, &s, à capacidade de polarização, & Ry, O índice de refração molecular. Esse indice Ry estabelece estreita correlação entre a eletrotécni- ca ea óptica. Passemos à análise da polarização dos ions, ou polarização iônica. Esta é característica de sólidos, cujas partículas são íons, baseando-se num deslocamento dos íons, elasticamente posicionados em seus lu- gares. A capacidade de polarização iônica de uma certa quantidade de material vem designada por «;, cuja grandeza se eleva com tem- peratura crescente, tendo, nesse caso, a constante dielétrica uma va- riação positiva (no mesmo sentido) com a temperatura. Esse é o resultado da dilatação do corpo, ou seja, do aumento entre as partículas do corpo, e, com isso, o enfraquecimento das forças atuantes entre os íons. O tempó de atuação no caso da polarização iônica, em geral, não é superior a .107*3s, vindo acompanhada, fre- gientemente, de uma pequena elevação de temperatura devido às perdas Joule. Como terceira forma de polarização temos a assim chamada po- larização dipolar, que 'se distingue da polarização eletrônica e iônica, sobretudo pelo fato de que a primeira tem estreita correlação com a movimentação das partículas, devido ao efeito da temperatura, e se aplica somente a partículas que, devido à sua estrutura química, apre- sentam característica dipolar. A orientação de cada dipolo individual obedece a uma distribuição estatisticamente determinável no estado livre (sem estar sob a ação de efeitos externos), ordenando-se porém, quando sob a ação de um campo externo de acordo com a orientação deste, em porcentagem maior ou menor. A polarização dipolar é, portanto, possível apenas nos casos em que uma orientação prévia natural dos dipolos não se oponha € impeça a ação orientadora de um campo externo. As forças moleculares de orientação e posicionamento natural perdem sua intensidade com a elevação da temperatura, de- vido à dilatação do corpo que assim resulta, o que, corisegiientemente, eleva a polarização dipolar do dielétrico. Entretanto, simultaneamente, a elevação de temperatura se opõe à polarização, pois maior tem- peratura leva a uma maior movimentação desordenada das particulas. Como consegiiência, a polarização dipolar perante uma elevação de temperatura apenas se modifica ém dependência da resultante entre os dois efeitos analisados, 6 MATERIAIS ELÉTRICOS A polarização dipolar, ou seja, a rotação do dipolo de: acordo com o sentido do campo externo aplicado, exige um tempo compa- rativamente bem mais longo do que o das demais formas de polari- zação. Nos dielétricos liquidos e sólidos, a resistência à polarização dipolar é tão grande, que esta não se completa quando a orientação do campo se modifica em pequenos intervalos de tempo, como é o caso normal da corrente alternada. Assim, a polarização dipolar de- cresce com aumento da freqiiência elétrica. Ao lado dessas três formas de polarização, aplicável a dielétricos de estrutura relativamente simples, aparece ainda uma quarta po- larização em estruturas moleculares mais complexas, chamada de polarização de estrutura ou polarização estrutural. Esta apenas apa- rece êm corpos amorfos e em sólidos cristalinos polares. É o caso do vidro, “onde -um corpo amorfo é parcialmente constituido de parti- culas de íons. A polarização estrutural vem a ser a orientação de es- truturas complexas de material, perante a ação de vm campo externo, aparecendo devido-a um deslocamento de íons e dé dipolos, na pre- sença de aquecimentos devido a perdas Joule. Quanto à sua depen- dência com a temperatura, a pelarização estrutural se comporta como a dipolar, : Uma quinta forma de polarização foi definida, como sendo:a po- tarização espontânea. Esta é acentuadamente dependente da tempera- tura e da intensidade do campo, € se caracteriza por valores máxi- mos perante certos valores de temperatura. Também nessa apare- cem perdas Joule e elevação de temperatura. O mecanismo dessa po- larização ainda não está totalmente esclarecido, supondo-se entre- tanto, que sua origem esteja em certas áreas 'polarizadas de uma: es- trutura, cujos. mómentos estão estatisticamente distribuídos quando o corpo está fora da ação de campos externos, órieritando-se, porém, ségundo estes na presença desses campos. Classificação dos dielétricos segundo o tipo de polarização Num dielétrico real, as misturas de, estruturas de matérias-pri- mas levam à presença simultânea de díversas das formas de polari- zação analisadas. Por isso, resulta um circuito, equivalente: de: um. isolante como o dado. peta .Fig. (2), onde cada capacitor correspon- de a um certo tipo de polarização. A carga Qo, que um capacitor pos- sui.no vácuo, e a carga eletrônica Q,, resultante da polarização ele- trônica, sempre estão presentes. Ao contrário, as demais polarizações A constante dielétrica, «, de um tal dielétrico é, assim, E + dar, + 4, + dano + Amas, onde xr, k,, Kp € Ks são as suscetibilidades elétricas que se originam nas polarizações respectivas, As características polarizantes permitem cl cos nos“diversos grupos expostos a seguir. 1º Grupo. Reúne os dielétricos onde predomina a polarização eletrônica. Incluem-se neste grupo todos os materiais amorfos e cris- talinos sólidos, cujas moléculas apresentam ausência ou fraco mo- mento dipolar (parafina, enxofre, polistirol), bem como os líguidos e gases de igual comportamento (benzol e hidrogênio). 2º Grupo. A este pertencem dielétricos onde se encontram pola- rização eletrônica e iônica. Incluem-se nesse grupo os isolantes crista- linos com compacta carga iônica, como o quartzo, o sal, a mica e o óxido de alumínio. . 3.º Grupo. Caracteriza-se por uma polarização eletrônica e de estrutura. Parté dos materiais pertencentes a este grupo ainda apre- senta polarização iônica. Como exemplos podemos citar os dielétri- cos orgânicos (celulose, resinas sintéticas termofixas), bem como vi- dros e isolantes cristalinos (porcelana, mica). 4.º Grupo. Apresenta uma composição de polarização eletrônica e dipolar. Como exemplos, o askarel, o oleo de rícino. e outros pro- dutos geralmente líquidos ou pastosos. 5.º Grupo. E caracterizado. por uma polarização eletrônica com- binada à espontânea, forma o.grupo dos chamados dielétricos de Seigneite. Exemplos são o sal de seignctte e o metatitanato de bário. sificar os dielétri- As propriedades de materiais isolantes Os “isolantes são caracterizados por uma série dé propriedades, cujos valores numéricos os identificam em termos quantitativos e cuja variação informa aspectos qualitativos. Essas propriedades variam o seu valor numérico de acordo com as condições físicas de seu uso (como, por exemplo, variações dé temperatura e umidade, tensão elé- trica aplicada, etc.) Assim, para sabermos se uma dada condição de serviço influi, c até que grau, sobre 'as características do material, é imprescindível comentar de que modo, e em função de que gran- dezas, as características dos isolantes podem variar. Iniciemos o estudo proposto com a constafite dielétrica. Dielétricos ] À constante dielétrica dos gases (1) Como vimos em análise anterior, a constante dielétrica varia em função da polarização. Como os gases têm um afastamento intermo- lecular bastante grande, e assim apresentam pequena densidade, a sua polarização é pequena e. a constante dielétrica é, praticamente, igual a 1 (um). A fórmula de Clausius-Massotti adquire forma sim- plificada, a saber: e=1 + dna. Os gases apresentam pura polarização eletrônica ou uma combi- nação de polarização eletrônica e dipolar. No primeiro caso, tem-se a=a = e, no segundo, a = «pr + 3kTº A Tab. I relaciona uma série de gases polares e não-polares, com indicação da constante dielétrica, do raio molecular e do coeficiente np- Como se pode concluir, a constante dielétrica é tanto maior quanto maior o raio molecular, o que é devido à simultânea elevação de ap. Observa-se, além disso, que também em gases polares a polarização eletrônica domina. A variação do valor da constante dielétrica de gases com a tem- peratura e a pressão é justificada pela mudança do número de mo- Tabela 1 Valores de constantes dielétricas de gases (e) Valor de Raio da cus & para E à Fator Polarização vás ºC e | Mmoiécuia no nê dos gases 760 Tor | (cm) Hélio 1000072 | 1,12- 107% | 1,0000358 | 1,000070 |não-potar Oxigênio 1000027 [1,35:10-% | 1,00014 |1,00028 inão-polar Hidrogênio 1,00055 1,82- 1075 | 1,00027 |1,00054 |fracamente-polar Argônio 1,00056 183-1008 | — - — Inão-polar Nitrogênio 1.00060 1,91 - 1078 | 1,00030 [1,00060 |não-polar Gás carbônico | 100096 |23 10708) — — |polar Etileno 10038 |27-1978| — — —|polar Metana 100095 - 1,00044 |1,00088 (polar Dislótricos n dência da constante dielétrica em função da temperatura é dada pela seguinte igualdade: 1 de 2 XHo Th, a qual estabelece a variação de e por grau centígrado de elevação de temperatura. O coeficiente de temperatura da constante dielétrica, Tk possui uma grandeza em líquidos não-polares, semelhante ao coeficiente de dilatação volumétrica, com sinal contrário. A Tab. (IV) traz alguns valores dos isolantes líquidos não-polares mais usados. Nos líquidos polares, a polarização é determinada por um deslo- camento nas camadas eletrônicas das partículas elementares (pola- rização eletrônica) e orientação dos dipolos na direção do campo aplicado (polarização dipolar). Como consegiência, a constante dielé- trica de liquidos polares é tanto maior, quanto maior é o número de moléculas por unidade de volume. Líquidos acentuadamente po- lares, com constante dielétrica bastante elevada, como, por exem- plo, água e álcool etílico, geralmente não podem ser considerados dielétricos, por apresentarem elevada condutibilidade; o qué é uma prova de que a simples utilização da fórmula de Clausius-Massotti. pode levar a conclusões erradas. A razão é que a referida fórmula não leva em consideração a' forma estrutural da matéria-prima em questão. . Avariação da constante dielétrica em função da temperatura, no caso de líquidos polares, apresenta uma configuração bem mais com- plexa do que em líquidos não-polares, por ser impossivel indicar essa variação através de uma igualdade linear. Na Fig. 3, tal fato é tTepresentado, para o caso específico do óleo sintético askarel. Con- forme é perfeitamente visível na Fig. 3, elevando-se a temperatura Tabela IV Valores de e € q de líquidos não-polares e fracamente polares: ii LM Liquido " e LT VÊ By rey Per Benzol 2,25 2218 — 0,93. 1053 124 «1072 Toluol 225 2,294 — 16-10-3 1,10 - 103 ca, 2.135 2,163 — 0,91-1073 1227-1073 Óleo minerat = 2,200 - o - 12 MATERIAIS ELÉTRICOS o ' -3 -20 “0. 0 io 20 30 40 50 *6 Figura 3 — Variação da constante dielétrica de um líquido polar (askarel) em função da temperatura, ocorre inicialmente uma elevação da constante dielétrica, seguindo-se uma redução lenta. O ponto de rápida elevação de &, corresponde à situação em que aparece sensível mudança de viscosidade. A redu- ção da viscosidade faz com que o campo externo tenha mais facilidade para influir sobre os dipoios, elevando, assim, a polarização. Porém, quando a temperatura atinge níveis maiores, a movimentação tér- mica das moléculas age contrariamente à orientação polar, e e se reduz. A fregiiência também tem uma sensível influência sobre o valor da constante dielétrica de líquidos polares. Se a frequência do cam- po externo é baixa, de modo que os dipolos podem acompanhar a variação do campo, então s tem aproximadamente o valor obtido em corrente continua. Entretanto, perante a ação de campos alter- nados, a constante dielétrica se reduz tanto mais quanto mais ele- vada é a fregiiência, sendo nessa fase consequência única da polari- zação eletrônica. A frequência, em cujo valor e começa a reduzir o seu valor, é função da temperatura. presente e da viscosidade do Ii- quido, dado pela equação . 2 SkT to= rd sendo » a viscosidade e r o raio molecular. - A fregiiência fo está relacionada com o tempo de relaxamento to da molécula. Esse tempo é o que é necessário, para que a-pola- rização se tenha reduzido à n-ésima parte inicial. 14 MATERIAIS ELÉTRICOS 24 22 ” 20 28 o 2 “0 so so *c 100 1——— Figura 4 — Variação da constante dielétrica da parafina, em função da temperatura, Nesse caso, à instantânea redução de £, para temperaturas acima de 55"C, se deve à fusão do material, a essa temperatura, e à conse- quente redução sensível de moléculas por unidade de volume. Se as particulas elementares do-sólido forem ions em forma com- pacta (cristal iônico), então teremos o caso de uma polarização ele- trônica e iônica. A constante dielétrica de sólidos com polarização iônica apresenta valores numéricos pertencentes a uma ampla faixa de valores. O coeficiente de temperatura da constante dielétrica de isolantes cristalinos com polarização iônica, é geralmente positivo, pois, perante uma elevação de temperatura, aparecem tanto uma rê- dução da densidade, quanto uma elevação da capacidade de ioniza- zação. Como esta última é mais acentuada que a outra, resulta uma elevação de « com elevação de temperatura. Excessão a essa regra são cristais pertencentes à família dos titanatos e dos dióxidos de titânio; onde, portanto, o coeficiente de temperatura de s é negativo. Na Tab. (VIN, vêm indicados os valores de & e do coeficiente de temperatura de alguns cristais com polarização iônica. Tabela VHL Valores de » e do coeficiente de temperatura da constante dielétrica (ar,) de cristais iônicos à £ = 200€ Cristais iônicos e tre (grau!) “iv, | Corindo (ALO,) 10 + t00-1076 ms Positivo | sal (NaCl) 43 | + 10-15 . f Rutílio (TIO) no — 750. 1076 Sire Negativo) Tiranato de cálcio (TIO, - CaO) | 160 — 1500-1078 Diefétricos 15 Isolantes polares sólidos com estrutura cristalina ou amorfa, bem como isolantes iônicos amorfos, tais como resinas polares, baquelite, ebonite, cloreto de polivinila (PVC), goma-laca e outros, e ainda ce- iulose e seus produtos derivados (papel, tecido) e vidros inorgânicos, constituem um grupo de isoladores em que encontramos simultanea- mente as polarizações eletrônicas, iônicas e de estrutura. Classifica-se esse grupo, em geral, nos dois subgrupos vistos a seguir. 1º subgrupo. Constitui-se de dielétricos iônicos amorfos, como o caso dos vidros inorgânicos. Sua polarização de estrutura é resultante de uma mudança de orientação de áreas iônicas inteiras, devido à ação da temperatura, A constante dielétrica é relativamente grande, sendo da ordem de 4 a 20, e seu coeficiente de temperatura é positivo. Elevando-se a presença de íons facilmente deslocáveis, como é o caso dos metais alcalinos (lítio e sódio), eleva-se também o valor de « dos vidros. 2.º subgrupo. Constitui-se de sólidos polares cristalinos e amorfos, nos quais encontramos uma polarização dipolar, semelhante à dos li- quidos polares, porém, com tempos próprios de polarização bem di- ferentes. Essa polarização dipolar deriva da existência de grupos po- lares na molécula, que sofrem acentuada influência da ação de-campos externos, que introduzem no sólido uma agitação térmica. Exemplo de tais grupos é a celulose, devido à presença do radical (OH), As constantes dielétricas desses materiais variam acentuadamente com a temperatura e com a freguência do campo externo aplicado, obede- cendo as mesmas leis dos isolantes liquidos polares já analisados. Na Fig. (5) vem indicada a dependência do valor de : em função da tem- peratura e da fregiiência. A Tab. (VII) traz valores de « para alguns dos materiais desse subgrupo. Alguns isolantes cristalinos com estrutura iônica — os do grupo Seignette — mostram ainda, ao lado da polarização iônica e eletrônica, polarização esponiânea. Sua constante dielétrica é bem elevada e de- pende de modo acentuado da temperatura e da freqiiência do campo Tabela VHI Valores de £« para isolantes polares sólidos e vidros inorgânicos, a uma temperatura de 1 = 20ºC€ Material £ Material : Vidro de quartzo 45 Baquetite 45 Vidro alcalino 65 Celulose 65 Cristal 100 Cera 50 
