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materiais elétricos 6, Notas de aula de Engenharia Elétrica

resumo das aulas de materiais elétricos

Tipologia: Notas de aula

Antes de 2010

Compartilhado em 11/07/2010

renato-giovanini-7
renato-giovanini-7 🇧🇷

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Aula VI
VI.1 – Campo elétrico
- dois objetos com carga elétrica estática exercem força um sobre o outro (Coulomb);
- considerando tal força em função da unidade de carga, tem-se a intensidade de campo
elétrico;
- o vetor campo elétrico define a região de influência da força elétrica em torno de um corpo
carregado elétricamente;
- um objeto carregado positivamente apresenta deficiência de elétrons;
- um objeto carregado negativamente apresenta excesso de elétrons.
VI.2 – Dielétricos
- materiais isolantes;
- em tais materiais não existem cargas livres que levem à condução elétrica;
- um campo elétrico provoca pequenos deslocamentos das cargas que estão presas à
estrutura molecular do material;
- são formados dipolos elétricos;
- o comportamento dos materiais isolantes depende da estrutura molecular e da maneira
como as cargas elétricas estão presas nessa estrutura.
VI.3 – Circuito para testes com dielétricos
Utilizando o circuito esquematizado a seguir, é possível investigar as características de
diferentes dielétricos. Tais dielétricos são incorporados ao capacitor presente no circuito.
VI.4 – Testes de dielétricos
VI.4.a – Vácuo
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Aula VI

VI.1 – Campo elétrico

  • dois objetos com carga elétrica estática exercem força um sobre o outro (Coulomb);
  • considerando tal força em função da unidade de carga, tem-se a intensidade de campo elétrico;
  • o vetor campo elétrico define a região de influência da força elétrica em torno de um corpo carregado elétricamente;
  • um objeto carregado positivamente apresenta deficiência de elétrons;
  • um objeto carregado negativamente apresenta excesso de elétrons.

VI.2 – Dielétricos

  • materiais isolantes;
  • em tais materiais não existem cargas livres que levem à condução elétrica;
  • um campo elétrico provoca pequenos deslocamentos das cargas que estão presas à estrutura molecular do material;
  • são formados dipolos elétricos;
  • o comportamento dos materiais isolantes depende da estrutura molecular e da maneira como as cargas elétricas estão presas nessa estrutura.

VI.3 – Circuito para testes com dielétricos Utilizando o circuito esquematizado a seguir, é possível investigar as características de diferentes dielétricos. Tais dielétricos são incorporados ao capacitor presente no circuito.

VI.4 – Testes de dielétricos VI.4.a – Vácuo

  • K 1 é fechada e K 2 permanece aberta. Circula uma corrente (i 1 ) que cessa após certo tempo. Essa é a corrente de carga do capacitor;
  • K 1 é aberta e K 2 é fechada. Circula uma corrente (i 2 ) de curta duração em sentido contrário ao de i 1 , passando por R. Essa corrente i 2 é a corrente de descarga do capacitor;
  • o vácuo pode ser considerado como dielétrico perfeito.

VI.4.b – Enxofre

  • K 1 é fechada e K 2 permanece aberta. A corrente i 1 tem curta duração;
  • enquanto K 1 estiver fechada, há outra corrente (i 3 ) que não diminui com o passar do tempo, mesmo quando i 1 se anula;
  • i 3 é a corrente de fuga do dielétrico;
  • K 1 é aberta e K 2 permanece aberta. A corrente i 3 vai gradativamente descarregando o capacitor, pois permite a circulação de corrente entre as placas do mesmo. Tal corrente diminui conforme a diferença de potencial entre as placas diminui;
  • K 1 é aberta e K 2 é fechada. A circulação de i 2 descarrega o capacitor;
  • dielétricos reais sem absorção apresentam pequenas correntes de fuga.

VI.4.c – Mica

  • K 1 é fechada e K 2 permanece aberta. A corrente total cresce rapidamente até um valor máximo. Isso se deve a i 1 que tem curta duração;
  • atingindo o valor máximo, a corrente total decresce e se estabiliza em um valor constante;
  • o valor constante corresponde à corrente de fuga (i 3 );
  • a queda na corrente entre o valor máximo atingido e a corrente de fuga corresponde à corrente de absorção do dielétrico (i 4 );
  • K 1 é aberta e K 2 é fechada. No caso do descarregamento, há uma parcela (i 5 ) que provoca tempo maior de descarregamento. Tal parcela também está relacionada à absorção do dielétrico;
  • lentamente o capacitor é completamente descarregado;
  • a mica é classificada como dielétrico com absorção reversível.

VI.4.d – Alguns materiais com impurezas

  • K 1 é aberta e K 2 é fechada. No caso do descarregamento, há uma parcela (i 5 ) que provoca tempo maior de descarregamento. Tal parcela também está relacionada à absorção do dielétrico;
  • lentamente o capacitor é descarregado, não se conseguindo o total descarregamento do

Æ temperatura; Æ duração da aplicação da tensão; Æ velocidade do crescimento da tensão; Æ freqüência.

VI.8 – Resistência de isolamento A resistência de isolamento é diretamente proporcional a tensão aplicada sobre a isolação e iversamente proporcional à corrente de fuga do dielétrico.

Definindo:

  • R 1 – perdas internas no dielétrico;
  • R 2 – resistência de isolamento;
  • i – corrente de carga somada à corrente de absorção;
  • i 3 – corrente de fuga.

VI.9 – Composição da resistência de isolamento

Definindo:

  • RIV – resistência de isolamento volumétrico. Parcela da corrente de fuga que flui através da massa do isolante;
  • RIS – resistência de isolamento superficial. Parcela da corrente de fuga que flui pela superfície do material isolante.

Para cabos isolados, RIS é nula. Ou seja, RIV caracteriza o isolante.

Para isoladores de porcelana em redes elétricas aéreas, a resistência de isolamento superficial tem importância maior.

VI.10 – Polarização de dielétricos

  • na presença de campo elétrico, há um desequilíbrio na distribuição das cargas de materiais dielétricos;
  • criam-se dipolos elétricos em nível atômico;
  • o dielétrico fica em estado polarizado;
  • sem o campo elétrico, o material retorna ao seu estado normal de repouso.

VI.11 – Ruptura em dielétricos

  • um dielétrico pode perder suas propriedades isolantes na presença de um campo elétrico, se a intensidade do campo ultrapassar o valor crítico suportado pelo isolante;
  • ao perder a propriedade isolante, o dielétrico sofre uma ruptura dielétrica;
  • a tensão em que ocorre a ruptura do dielétrico é a tensão de ruptura ou tensão disruptiva;
  • a resistência dielétrica é a relação entre a tensão de ruptura e a espessura do dielétrico no ponto de penetração:

h

E BR = VBR

  • nesse caso: Æ EBR – resistência dielétrica ou rigidez dielétrica; Æ VBR – tensão de ruptura; Æ h – espessura do dielétrico;
  • unidade: Æ[MV/m] no SI; Æ [kV/mm] usualmente;
  • a ruptura do dielétrico de um gás produz centelhamento devido a colisões e ionização de fótons;
  • a ruptura em líquidos depende de processos de ionização e da presença de impurezas;
  • a ruptura em sólidos depende de processos térmicos e elétricos;
  • durante a ruptura de um dielétrico, o campo elétrico intenso provoca crescimento rápido e