Qual é a constante dielétrica?

A constante dielétrica é um valor associado ao material que é colocado entre as placas de um capacitor (ou capacitor – Figura 1) e que permite otimizar e aumentar sua função. (Giancoli, 2006). Dielétrico é sinônimo de isolador elétrico, ou seja, são materiais que não permitem a passagem de corrente elétrica.

Esse valor é importante sob muitos aspectos, pois é comum que todos usem equipamentos elétricos e eletrônicos em nossas casas, espaços de lazer, locais educacionais ou de trabalho, mas certamente não conhecemos os processos complicados que ocorrem nesses equipamentos para funcionar.

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Figura 1: Diferentes tipos de capacitores.

Por exemplo, nossos minicomponentes, televisores e dispositivos multimídia usam corrente contínua para suas funções, mas as correntes domésticas e industriais que atingem nossas casas e empregos são correntes alternadas. Como isso é possível?

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Figura 2: Circuito elétrico de um equipamento doméstico

A resposta a esta pergunta está no mesmo equipamento elétrico e eletrônico: os capacitores (ou capacitores). Esses componentes permitem, entre outras coisas, possibilitar a retificação da corrente alternada para a corrente direta e sua funcionalidade depende da geometria ou forma do capacitor e do material dielétrico presente em seu projeto.

Os materiais dielétricos desempenham um papel importante, pois permitem que as placas que compõem o capacitor estejam muito próximas, sem tocá-las, e cobrem completamente o espaço entre as referidas placas com material dielétrico, para aumentar a funcionalidade dos capacitores.

Origem da constante dielétrica: capacitores e materiais dielétricos

O valor dessa constante é um resultado experimental, ou seja, provém de experimentos realizados com diferentes tipos de materiais isolantes e resultando no mesmo fenômeno: maior funcionalidade ou eficiência de um capacitor.

Os capacitores estão associados a uma quantidade física chamada capacitância “C” e que define a quantidade de carga elétrica “Q” que um capacitor pode armazenar, fornecendo uma certa diferença de potencial “∆V” (Equação 1).

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(Equação 1)

Experimentos concluíram que, cobrindo completamente o espaço entre as placas de um capacitor com um material dielétrico, os capacitores aumentam sua capacitância por um fator κ, chamado “constante dielétrica”. (Equação 2).

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(Equação 2)

A Figura 3 mostra uma ilustração de um capacitor capacitor C de placas planas paralelas carregadas e, consequentemente, com um campo elétrico uniforme direcionado para baixo entre suas placas.

No topo da figura está o capacitor com vácuo entre suas placas (vácuo – de permissividade ∊0). Então, na parte inferior, é apresentado o mesmo capacitor com capacitância C ‘> C, com um dielétrico entre suas placas (de permissividade ∊).

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Figura 3: Capacitor de placa chata paralela sem dielétrico e dielétrico.

Figueroa (2005), lista três funções para materiais dielétricos em capacitores:

  1. Eles permitem uma construção rígida e compacta com uma pequena separação entre as placas condutoras.
  2. Eles permitem que uma tensão mais alta seja aplicada sem causar uma descarga (o campo elétrico de ruptura é maior que o do ar)
  3. Aumenta a capacitância do capacitor por um fator κ conhecido como constante dielétrica do material.

Assim, o autor indica que, κ “é chamada constante dielétrica do material e mede a resposta de seus dipolos moleculares a um campo magnético externo”. Ou seja, a constante dielétrica é maior quanto maior a polaridade das moléculas do material.

Modelos atômicos de dielétricos

Os materiais apresentam, em geral, arranjos moleculares específicos que dependem das próprias moléculas e dos elementos que as constituem em cada material. Entre os arranjos moleculares envolvidos nos processos dielétricos está o das chamadas “moléculas polares” ou polarizadas.

Nas moléculas polares, existe uma separação entre a posição média das cargas negativas e a posição média das cargas positivas, fazendo com que tenham pólos elétricos.

Por exemplo, a molécula de água (Figura 4) possui uma polarização permanente porque o centro da distribuição de carga positiva está no meio do caminho entre os átomos de hidrogênio. (Serway e Jewett, 2005).

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Figura 4: Distribuição da molécula de água.

Enquanto na molécula BeH2 (hidreto de berílio – Figura 5), ​​uma molécula linear, não há polarização, já que o centro de distribuição de cargas positivas (hidrogênio) está no centro de distribuição de cargas negativas (berílio) , cancelando qualquer polarização que possa existir. Esta é uma molécula não polar.

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Figura 5: Distribuição de uma molécula de hidreto de berílio.

Na mesma ordem de idéias, quando um material dielétrico está na presença de um campo elétrico E, as moléculas serão alinhadas de acordo com o campo elétrico, causando uma densidade de carga superficial nas faces do dielétrico que ficam de frente para as placas do capacitor.

Devido a esse fenômeno, o campo elétrico dentro do dielétrico é menor que o campo elétrico externo gerado pelo capacitor. Na ilustração a seguir (figura 6), um dielétrico eletricamente polarizado é mostrado dentro de um capacitor de placa paralela.

É importante notar que esse fenômeno resulta mais facilmente em materiais polares do que em materiais não polares, devido à existência de moléculas polarizadas que interagem com mais eficiência na presença do campo elétrico. Embora apenas a presença do campo elétrico cause a polarização das moléculas nopolares, resultando no mesmo fenômeno dos materiais polares.

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Figura 6: Modelos de moléculas polarizadas de um dielétrico devido ao campo elétrico originado no capacitor carregado.

Valores da constante dielétrica em alguns materiais

Dependendo da funcionalidade, economia e utilidade final dos capacitores, diferentes materiais isolantes são usados ​​para otimizar sua operação.

Materiais como papel são muito econômicos, embora possam falhar com altas temperaturas ou em contato com a água. Enquanto a borracha, ainda é maleável, mas mais resistente. Também temos porcelana, que resiste a altas temperaturas, embora não possa se adaptar a diferentes formas, conforme necessário.

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Abaixo está uma tabela onde a constante dielétrica de alguns materiais é especificada, onde as constantes dielétricas não têm unidades (elas são adimensionais):

Tabela 1: Constantes dielétricas de alguns materiais à temperatura ambiente.

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Algumas aplicações de materiais dielétricos

Os materiais dielétricos são importantes na sociedade global, com uma ampla gama de aplicações, desde comunicações terrestres e via satélite que incluem software de rádio, GPS, monitoramento ambiental via satélites, entre outras. (Sebastian, 2010)

Além disso, Fiedziuszko et al. (2002) descrevem a importância dos materiais dielétricos para o desenvolvimento da tecnologia sem fio, mesmo para a telefonia celular. Em sua publicação, eles descrevem a relevância desse tipo de material na miniaturização de equipamentos.

Nessa ordem de idéias, a modernidade gerou uma alta demanda por materiais com constantes dielétricas altas e baixas para o desenvolvimento de uma vida tecnológica. Esses materiais são componentes essenciais para os dispositivos da Internet em termos das funções de armazenamento de dados, comunicações e desempenho das transmissões de dados. (Nalwa, 1999).

Referências

  1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Materiais dielétricos, dispositivos e circuitos. Transações IEEE sobre teoria e técnicas de microondas, 50 (3), 706-720.
  2. Figueroa, D. (2001). Interação Elétrica Caracas, Venezuela: Miguel Angel García e Hijo, SRL.
  3. Giancoli, D. (2006). FÍSICA Princípio com aplicações. México: EDUCAÇÃO PEARSON.
  4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Manual de materiais constantes dielétricos baixos e altos e suas aplicações, conjunto de dois volumes. Elsevier
  5. Sebastian, MT (2010). Materiais dielétricos para comunicação sem fio. Elsevier
  6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Física para Ciências e Engenharia. México: International Thomson Editores.

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