isolantes, Notas de aula de Engenharia Elétrica
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Microsoft PowerPoint - isolante.ppt

Materiais Elétricos e Eletrônicos - Prof. Cesar R. Rodrigues Materiais Isolantes Pág.1

Unidade 4 - Materiais Isolantes e suas Propriedades

Ao contrário dos materiais condutores e semicondutores, nos materiais isolantes a presença de campo elétrico (aplicação de tensão), provoca o deslocamento das cargas sem liberá-las dos átomos ou moléculas.

Os isolantes, também conhecidos como dielétricos , são materiais utilizados no 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 sofre polarização.

Materiais Elétricos e Eletrônicos - Prof. Cesar R. Rodrigues Materiais Isolantes Pág.2

Polarização de dielétricos

O comportamento de um material isolante quanto à polarização tem uma lógica bastante 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:

VCQ .=

Onde C- representa a capacidade do dispositivo em adquirir carga para 1V de tensão aplicada, e pode ser calculada por:

(Coulombs)

Materiais Elétricos e Eletrônicos - Prof. Cesar R. Rodrigues Materiais Isolantes Pág.3

A capacitância está relacionada às características geométricas do capacitor:

Polarização de dielétricos

.

,

1085,8:

,.

12

placasdasáreaaéAe

placasasentredistânciaaé

vácuododadepermissivicomoconhecidaé m

Fxonde

A C

o

o

l

l

−=

=

ε

ε

Se o espaço entre as placas for preenchido com um material isolante, o fenômeno da polarização vai influenciar na capacitância, aumentando-a.

A criação de dipolos no isolante absorve energia dos terminais do capacitor, devolvendo-a quando este é descarregado.

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A capacitância é aumentada por um fator k (εr) conhecida como constante dielétrica relativa do material.

Polarização de dielétricos

O aumento da capacitância tem origem na formação de dipolos (polarização) no dielétrico.

Com a formação de dipolos, uma campo elétrico contrário ao campo resultante entre as placas é formado.

Como a distância d não é modificada, para a mesma carga nas placas, um capacitor com dielétrico possui uma tensão menor:

dEV '.= Onde E’ = E – Ep , sendo Ep o campo provocado pelos dipolos do dielétrico.

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Portanto, como:

Polarização de dielétricos

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 as placas, podemos concluir que a capacitância aumenta.

V

Q C =

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Um dipolo nada mais é do que duas cargas opostas (q+ e q-) separadas por uma distância d.

Quantitativamente, o dipolo é representado por um MOMENTO DE DIPOLO.

dqp .=

Graficamente, o dipolo é representado por um vetor direcionado da carga negativa para a positiva.

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A polarização elétrica pode ser interpretada da seguinte forma:

PED o += ε

EEEP rooro )1(. −=−= εεεεε

A aplicação de tensão provoca o surgimento de um campo elétrico E no vácuo e 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 de proporcionalidade:

EED ro ... εεε ==

Ou ainda, a relação entre a polarização e o campo pode ser expressa em termos de susceptibilidade elétrica:

1:,.. −== ro ondeEP εχχε

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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 Iônica: Ocorre nos materiais iônicos. Os cátions são separados dos ânions.

Polarização de maior magnitude que a anterior e de reversão mais lenta. (envolve massas maiores)

+

Sem campo externo

- +

+ +

+

-

- -

- -+

Campo aplicado

+ - +

+ +

+

-

- -

- -+

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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 das polarizações eletrônica, iônica e de orientação.

P = Pe + Pi + Po

Um parâmetro importante para diversos tipos de aplicações (especialmente nas telecomunicações) é a dependência da polarização em relação à freqüência do campo elétrico.

Este tipo de polarização possui magnitudes maiores e tende a diminuir com o aumento da temperatura.

Os materiais que possuem polarização mesmo na ausência de campos elétricos externos são chamados de Ferroelétricos.

Materiais Elétricos e Eletrônicos - Prof. Cesar R. Rodrigues Materiais Isolantes Pág.11

Cada tipo de polarização possui tempos típicos para orientação e re-orientação dos dipolos.

Esse comportamento é normalmente caracterizado pela freqüência de relaxação. (inverso do tempo de reorientação)

A importância de freqüência de relaxação está no fato de que acima desta, o tipo de polarização em questão não contribui para εr .

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Os isolantes são empregados em aplicações tão diversas como:

Comportamento dos Isolantes na Prática

Sob condições tão diversas, diferentes fenômenos devem ser levados em conta na hora de prever o comportamento do isolante e sua influência (perdas, fugas de corrente) no funcionamento de um sistema.

• Isolamento de cabos em baixa tensão

• Isolamento de condutores em alta tensão (máquinas, transformadores, cabos de transmissão)

• Isolamento de equipamentos e estruturas em médias e altas tensões (buchas, isoladores).

• Espaçamento de componentes em altas freqüências.

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Quando uma tensão alternada:

é aplicada entre dois terminais separados por um isolante (capacitor, por exemplo).

A carga resultante é dada por:

Resistividade dielétrica (ângulo de perdas)

Correspondendo a uma corrente:

).( tsenVv m ω=

).(... tsenVCvCQ m ω==

).cos(.... tVCj dt

dQ I oc ωω==

Onde:

d

A C ro

.εε =

v

I

ω.t

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No entanto se a resistência do isolante não for infinita, se o alinhamento dos dipolos atrasar em relação à variação do campo e se os terminais não forem condutores perfeitos (o que ocorre na prática),

Resistividade dielétrica (ângulo de perdas)

O resultado é a alteração do ângulo entre a corrente e a tensão no capacitor.

v

Ico

ω.t

Ip

Ic

tgδ

Uma corrente resistiva deverá ser acrescentada para representar esses efeitos de perda (Ip).

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A relação entre a componente resistiva e a componente capacitiva de corrente é conhecido como fator D, fator de perda ou ângulo de perda.

Resistividade dielétrica (ângulo de perdas)

V R

CjIII

Onde

CRI

I tgD

pco

co

p

. 1

:

..

1

 

  

 +=+=

==≡

ω

ω δ

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É uma descarga luminosa que resulta da ionização do ar em torno de um condutor quando existir um gradiente de potencial que exceda um certo valor crítico.

A condução momentânea pode ser contínua (arco) ou pulsada (faíscamento).

Efeito Corona

O que é?

O efeito corona geralmente está relacionado a dois eletrodos assimétricos:

• Eletrodo pontiagudo: Gradiente de campo elevado

• Eletrodo plano ou de baixa curvatura: espelhamento da carga,

Ou a dois eletrodos pontiagudos.

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A aceleração dos íons pelo campo provoca um efeito de avalanche, ampliando a formação da corrente entre os eletrodos.

Efeito Corona O que é?

O efeito corona pode ser:

Positivo:Ocorre quando, no limiar do gradiente de potencial os eletrons são acelerados na direção do anodo produzindo uma avalanche de elétrons.

Uma nuvem de íons positivos é formada em torno do eletrodo atuando como uma extensão do mesmo.

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Efeito Corona O que é?

O efeito corona pode ser:

Negativo: Ocorre quando, no limiar do gradiente de potencial grupos elétrons saem do catodo produzindo pulsos de avalanches.

As descargas estendem- se do catodo até um ponto onde a ionização torna-se fraca.

Além desse ponto, os elétrons são capturados pelas moléculas, que seguem mais lentamente ao anodo.

Yu Akishev et al. Plasma Sources Sci. Technol. 14 (2005) S18–S25

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Efeito Corona O que é? Em linhas de transmissão a.c. podem ocorrer efeitos corona positivos, negativos ou ambos, alternadamente, dependendo das condições geométricas existentes. (formato, distância)

Hubbell Power Systems, Bulletin EU1234-H

www.hubbellpowersystems.com

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Efeito Corona

Considerações

Pode ocorrer em linhas, isoladores ou ambientes controlados (usado em processos de fabricação).

Isoladores são fabricados em formatos que minimizem o gradiente de potencial no ar em sua volta para evitar o efeito corona.

Geralmente estão associados a esse efeito:

Ruído audível, luminosidade, ruído eletromagnético. (podem ser utilizados na detecção do efeito)

Formação de gases

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Efeito Corona

Ref. [7]

Ref. [9]

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Ruptura

A ruptura de um isolante é de natureza similar ao efeito corona.

Ao invés de ocorrer na atmosfera que envolve o corpo isolante, ela ocorre através do material isolante.

Isolantes cerâmicos

Óleo Isolante transformador

Verniz ou da isolação dos cabos (plástico, borracha).

Cada material possui sua especificação de limite de ruptura e sua aplicação é escolhida com base nesta característica.

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6Dióxido de titânio20Pol. Silicone

60teflon12Óleo: transf.

8Titanato de estrôncio15óleo: silicone

12borracha, neoprene14nylon

8quartzo160Mica

12porcelana13-14 Vidro: pyrex 7740

40cloreto de polivinil (pvc)10diamante

400-600poliestireno12baquelite

500-700polietileno90ambar

14-16papel3ar

Rigidez (MV/m)

Material Rigidez (MV/m)

Material

Ruptura da Rigidez Dielétrica em Alguns Materiais

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Materiais Isolantes

• Cerâmicas (porcelana, vidro)

• Polímeros

• Resinas (Epoxi)

O efeito dos isolantes nos sistemas elétricos é desprezível do ponto de vista de perdas ou da participação na impedância do sistema.

A escolha e dimensionamento dos componentes de isolação é regida especialmente pela confiabilidade (baixa taxa de falhas), durabilidade e custo.

Os principais tipos de materiais utilizados como isolantes são:

Materiais Elétricos e Eletrônicos - Prof. Cesar R. Rodrigues Materiais Isolantes Pág.25

Materiais Isolantes

• Cerâmicas (Porcelana, vidros): Introdução

As cerâmicas são materiais compostos de materiais metálicos e não- metálicos, com ligações iônicas e covalentes.

Como a própria origem do nome sugere (κεραµικοσ, ou keramikos= matéria-prima queimada) as cerâmicas são obtidas por um tratamento térmico conhecido por ignição.

Há diversos tipos de cerâmicas com aplicações em diversas áreas, mas no caso das estruturas isolantes, a matéria prima são as cerâmicas à base de silicato, que inclui vidros e materiais argilosos.

Materiais Elétricos e Eletrônicos - Prof. Cesar R. Rodrigues Materiais Isolantes Pág.26

Materiais Isolantes

• Cerâmicas (Porcelana, vidros): Estrutura

Os silicatos são materiais compostos principalmente por óxido de silício.

Para melhor compreender a estrutura dos silicatos em termos de sua natureza iônica, é conveniente analisarmos do ponto de vista dos íons de silício oxigênio (SiO44-).

Cada átomo de Silício faz ligação e é “envolvido” por quatro átomos de oxigênio, resultando em um tetraedro com o Silício no centro [12].

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Materiais Isolantes

• Cerâmicas (vidros): Estrutura

Diferentes materiais e propriedades resultam de diferentes formas de organização destes tetraedros no espaço e da combinação destas estruturas em diferentes proporções com outros compostos.

Os isolantes de vidro são compostos basicamente por sílica outros óxidos como: Boro (B2O3), Cálcio (CaO), Sódio (Na2O), potássio (K2O), Magnésio (MgO).

Estes compostos podem ser adicionados em diferentes proporções para controle de propriedades como o ponto de fusão, resistência química, transparência, resistência à umidade.

As propriedades do vidro, especialmente a resistência mecânica também são modificadas pelo processo de têmpera.

O processo consiste na aplicação de ciclos de aquecimento e resfriamento do vidro, sem contudo atingir seu ponto de fusão.

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Materiais Isolantes

• Cerâmicas (Porcelanas e Vidros): Fabricação

A fabricação de isolantes cerâmicos compreende diversas etapas.

As etapas individuais, assim como a matéria prima, difere conforme o tipo de cerâmica desejada e sua aplicação:

Recozimento, TêmperaSinterização

MoldagemConsolidação

FusãoPreparação

Seleção da Matéria PrimaSeleção da Matéria Prima

Processamento do VidroProcessamento de Cerâmica Cristalina

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Materiais Isolantes

• Cerâmicas (Porcelanas): Fabricação

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Materiais Isolantes • Cerâmicas (Porcelanas e Vidros): Fabricação

Além da composição, outro importante aspecto é a microestrutura do material.

•A microestrutura depende da composição, da dimensão das partículas dos materiais utilizados e da precisão dos processos de fabricação

Sensores de O2ZrO2

Peças para fornos, aquecimento, abrasivosSiC (carbeto de Silício, Carborundum)

Microeletrônica, componentes mecânicos (rotores, válvulas de pistão)

Si3N4

Microeletrônica, fibras ópticasSiO2 (Óxido de Silício)

Isoladores, tijolos refratáriosMgO (Óxido de Magnésio)

Corpo isolante para velas de ignição Substrato para encapsulamento em eletrônica

Al2O3 (Alumina)

AplicaçõesMaterial

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Materiais Isolantes • Cerâmicas (Vidros): Fabricação [15]

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Materiais Isolantes

• Polímeros (definições básicas)

Os polímeros são moléculas estruturadas em longas cadeias de unidades (meros) repetidas.

Estas unidades podem ser compostas de carbono ou silício.

Dependendo das ligações entre átomos de carbono/silício, as moléculas podem ser classificadas em: H H H

• Saturadas: Os átomos têm ligações simples entre sí. H-C-C-C-H

H H H

• Insaturadas: Os átomos têm ligações duplas ou triplas entre sí: C=C

H H

H H

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Materiais Isolantes

• Polímeros (Síntese)

Existem diversos métodos de síntese de polímeros à partir da fase gasosa ou líquida.

Por exemplo:

Se o etileno (gás):

C-C.

H H

H H

É submetido às condições apropriadas (temperatura, pressão, catalizadores), ele se agrega na forma do Polietileno:

C=C

H H

H H

R.+ =

C=C

H H

H H

R- C=C

H H

H H

=C-C.+

H H

H H

R- C-C-C-C.

H H H H

H H H H

R-

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Materiais Isolantes

• Papéis e fitas poliméricas

O papel é uma fibra polimérica natural bastante utilizada como isolante em motores e transformadores.

Para estas aplicações, são utilizados papéis de baixa umidade, baixa concentração de ligninia e algumas composições especiais onde materiais poliméricos são misturados às fibras naturais.

O espaço entre as fibras pode ser preenchido com óleo isolante com o objetivo de aumentar a tensão de ruptura e diminuir o fator de perdas (tg δ)

Além do papel, folhas de polietileno e materiais fibrosos com nomes comerciais registrados como Nomex, Pressphan são utilizados na isolação interna de transformadores. (depende da classe de temperatura)

A- 105oC; B- 130oC;

F- 130oC ; H- 180oC;

C- 220oC

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Materiais Isolantes Papéis e fitas poliméricas

O processo mais utilizado na indústria para a fabricação do papel é o método de Kraft.

O método consiste basicamente do tratamento químico dos cavacos de madeira com NaOH (hidróxido de sódio, soda cáustica) ou NaS (sulfeto de Sódio) para a liberação da celulose da lignina através da dissolução do segundo composto.

Os resíduos desse processo são compostos sulforosos tóxicos e poluentes que devem ser tratados antes do descarte na natureza.

O branqueamento da celulose, originalmente feito com cloro, outro componente altamente danoso ao meio ambiente (gera organo-clorados altamente cancerígenos), vem sendo substituído por compostos à base de peróxidos (água oxigenada) ou ozônio.

A pasta resultante é secada resultando no papel.

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Materiais Isolantes Papéis e fitas poliméricas

O Nomex é a marca registrada da Dupont para fibra sintética aramida desenvolvida em 1961.

A aramida é uma cadeia de poliamida com pelo menos 85% dos radicais amidas são ligados aos anéis aromáticos.

[20]

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Materiais Isolantes Papéis e fitas poliméricas

[22]

Materiais Elétricos e Eletrônicos - Prof. Cesar R. Rodrigues Materiais Isolantes Pág.38

Materiais Isolantes Papéis e fitas poliméricas

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Referências

[1] http://web.mit.edu/6.013_book/www/chapter6/6.1.html

[2] http://civet.berkeley.edu/tangney/Thesis/node31.html

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(electrostatics)

[4] http://www.ce-mag.com/archive/2000/julyaugust/mrstatic.html

[5] http://aph.huji.ac.il/feldman/diel.htm#Lectures

[6] http://stacks.iop.org/PSST/14/S18

[7] Malka Lindner, DayCor - A Dual-Spectrum Camera for Daytime Corona Detection

[8] Hubbell Power Systems, Bulletin EU1234-H www.hubbellpowersystems.com

[9] V. Chaudhry et. Al. IEEE Trans. On Power Delivery. Vol6.no.2.p696, 1991.

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Referências

[10] http://www.lappinsulator.com/downloadcenter/technical.asp

[11] http://www.ngk.co.jp/english/products/power/porcelain/distribution/index.html

[12] http://volcano.und.edu/vwdocs/vwlessons/minerals.html

[13] http://www.labspot.ufsc.br/~jackie/cap4_new.pdf

[14] Ceramics- Windows to the future: matse1.mse.uiuc.edu/ceramics/ceramics.doc

[15] Glass, ceramics and related materials. Jonathan P.Hellerstein, Joel Bender, John G.Hadley, Charles M.Hohman, http://www.ilo.org/encyclopedia/?print&nd=857200751

[16] Callister Jr., William D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, 5aEd., LTC, 2002.

[17] http://www.hubbellpowersystems.com/POWERTEST/literature_library

/pdfs4lib/OB/EU1407.pdf

Materiais Elétricos e Eletrônicos - Prof. Cesar R. Rodrigues Materiais Isolantes Pág.41

Referências

[18] http://pt.wikipedia.org/wiki/Processo_Kraft

[19] http://www.chem.uwec.edu/Chem405_S01/malenirf/project.html

[20] www.dupont.com/nomex

[21] www.energyservice.com.br/DOC/Isolantes%20Solidos.pdf -

[22] pp.1926

[23]

[24]

[25]

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