simpanSimpan MATERIAIS DIELÉTRICOS Untuk Nanti\nCAPTULO 18 MATERIAIS DIELTRICOS\nSumrio Objetivos deste captulo ..........................................................................................503 18.1 Introduo .......................................................................................................503 18.2 Conceitos gerais..............................................................................................505 18.3 Comportamento dos materiais isolantes .........................................................505 18.3.1 Capacitncia ................................................................................................505 18.4 Dieltricos - descrio atmica .......................................................................517 18.5 Polarizao......................................................................................................518 18.5.1 Polarizao eletrnica (dipolo induzido), Pe ................................................520 18.5.2 Polarizao por orientao de dipolos permanentes, Po .............................523 18.5.4 Polarizao de cargas espaciais, Ps............................................................526 18.5.5 Polarizao total...........................................................................................527 18.6 Dependncia da polarizao com a freqncia e temperatura .......................527 18.7 Materiais ferroeltricos ....................................................................................532 18.8 Materiais antiferroeltricos ..............................................................................538 18.9 Materiais piezoeltricos ...................................................................................538 18.10 Propriedades de materiais dieltricos (isolantes)..........................................539 18.10.1 A constante dieltrica de gases, lquidos e slidos ....................................539 18.11 Tipos de dieltricos .......................................................................................541 18.12 Materiais dieltricos de maior utilizao, e suas constantes dieltricas........541 18.13 Outros Materiais dieltricos e suas aplicaes .............................................542 18.13.1 Vernizes isolantes ......................................................................................542 18.13.2 Compostos isolantes ..................................................................................542 18.13.3 Tintas isolantes ..........................................................................................542 18.13.4 Diluentes e solventes .................................................................................542 18.13.5 Gases isolantes..........................................................................................543 18.13.5.1 O ar atmosfrico......................................................................................543 18.13.5.2 Nitrognio ................................................................................................543 18.13.5.3 O gs SF6 ................................................................................................543\n18.14 Aplicao dos dieltricos ...............................................................................544 18.15 Materiais isolantes slidos ............................................................................544 18.15.1 Propriedades dos materiais isolantes ........................................................545 18.15.2 Resistncia de isolamento .........................................................................545 18.15.3 Medida da resistncia de isolamento .........................................................546 18.15.4 Valores da resistncia de isolamento.........................................................546 18.16 Ensaio de absoro dieltrica .......................................................................547 18.17 Tipos de materiais isolantes e sua classificao pela temperatura ..............549 18.18 Materiais isolantes.........................................................................................550 18.18.1 Mica e produtos de mica ............................................................................550 18.18.2 Asbestos (material inorgnico) ...................................................................550 18.18.3 Vidro ...........................................................................................................551 18.18.4 Fibra e tira de vidro ....................................................................................551 18.18.5 Composio mica + vidro ...........................................................................552 18.18.6 Porcelana ...................................................................................................552 18.19 Comportamento eletromagntico dos materiais cermicos ..........................552 18.20 Isolantes slidos usados na fabricao de transformadores ........................553 18.20.1 Papel ..........................................................................................................553 18.20.2 Fenolite ......................................................................................................555 18.20.3 Presspan ....................................................................................................556 18.20.4 Permawood ................................................................................................556 18.21 Referncia bibliogrfica do captulo ..............................................................556 Exerccios ................................................................................................................556\n18 MATERIAIS DIELTRICOS\nObjetivos deste captulo Finalizado o captulo o aluno ser capaz de: Entender o comportamento dos materiais dieltricos na presena de um campo; Conhecer conceitos bsicos tais como polarizao, capacitncia, constante dieltrica, rigidez dieltrica e outros; Classificar os materiais dieltricos baseando-se nas aplicaes.\n18.1 Introduo Vimos em captulos anteriores que slidos cuja banda de valncia est totalmente preenchida e que possuem gap de energia proibida largo (>>1), se comportam como isolantes eltricos. A resistividade de tais materiais varia entre 108 .m e 1022 .m (ou seja, que a temperatura ambiente, pouqussimos eltrons podem ser ativados). Entre as vrias aplicaes desses materiais, as mais comuns so como elementos capacitivos em circuitos eletrnicos e como isolantes eltricos. Nessas aplicaes, as propriedades de maior interesse so a resistividade eltrica (a maior m v oposio possvel passagem de corrente = e 2med ), e a constante dieltrica ne (mede a capacidade de armazenamento de carga K = r = /0, e uma das primeiras caracterstica a ser considerada num projeto), o fator de perda (quanto a polarizao est atrasada com relao intensidade do E, se a polarizao vem acompanhada de dissipao de energia que provoca o aquecimento do dieltrico) e a rigidez dieltrica (perdas por efeito Joule, capacidade de suportar tenso sem ruptura). Essas propriedades dependem tanto das caractersticas do material (tipo de ligao, estrutura do cristal, constituio das fases, defeitos estruturais do cristal) como da temperatura, freqncia de tenso aplicada e tempo em que a tenso aplicada, fatores este que afetam a resposta dos dipolos induzidos ou intrnsecos. O papel dos dieltricos na eletrotcnica muito importante e tem dois aspectos: realizar o isolamento entre os condutores, entre estes e a massa ou a terra, ou, ainda, entre eles e qualquer outra massa metlica existente na sua vizinhana; modificar, em propores importantes, o valor do campo eltrico existente em determinado local. O processo principal, caracterstico para qualquer dieltrico, que se produz quando sobre ele atua uma tenso eltrica, a polarizao, ou seja, o deslocamento limitado de cargas ou a orientao das molculas dipolares. Assim, eles podem ser fabricados para apresentar a estrutura de dipolo por separao de cargas a nvel atmico ou molecular.\nMuitos materiais polimricos e cermicos so materiais isolantes temperatura ambiente e, alm disso, tem estrutura de banda de energia similar quela representada na Figura 18.1. Assim, temperatura ambiente, pouqussimos eltrons podem ser excitados atravs do gap pela energia trmica disponvel, ocasionando os quase nfimos valores de condutividade destes materiais nessa condio. O nmero de eltrons na banda de conduo de um dieltrico extremamente baixo se comparado a um condutor. Normalmente em dieltricos a barreira de energia ou gap entre as bandas de valncia e conduo da ordem de 4 eV a 8 eV, que suficientemente grande para manter a maior parte dos eltrons presos numa banda de energia mais baixa. Assim quando um campo eltrico aplicado num material dieltrico, poder surgir uma conduo muito pequena conhecida como perda dieltrica. Este fenmeno pode ser causado por um nmero finito de eltrons livres em adio a outros portadores de carga livres, quando h contaminao por impurezas, ou acmulo de cargas na interface de materiais diferentes ou fases. As perdas por orientao dipolar so comuns em molculas polares sujeitas a campos alternados.\nFigura 18.1 - Diagramas esquemticos de bandas de energia de um condutor metlicos (a) semicondutor (b) e isolante (c). Na Tabela 18.1, fornecida a condutividade eltrica de diversos destes materiais. Observe a queda em aproximadamente 20 vezes em relao aos condutores, como o cobre por exemplo, Cobre, 58,0x106 (.m)-1. Por isso, muitos destes materiais so utilizados como materiais de base em isolamento eltrico quando uma elevada resistividade desejvel. Os polmeros so muito usados como dieltricos devido ao seu baixo custo e facilidade de processamento. Materiais cermicos, por sua vez, so mais resistentes s condies ambientais (particularmente a alta temperatura) e so menos deformveis. Tabela 18.1 - Condutividade eltrica de alguns materiais no-metlicos. Condutividade Condutividade Material Material eltrica (-m)-1 eltrica (-m)-1 Cermicas 10-10-10-12 Al2O3 Porcelana 10-10-10-12 Vidro (soda-lime) < 10-10 Mica 10-11-10-15 Outro Grafite 105 Polmeros Fenol-formaldedo 10-9-10-10 Nylon 6,6 10-9-10-12 Polimetilmetacrilato < 10-12 Polietileno 10-13-10-17 Poliestireno < 10-14 Politetrafluoretileno < 10-16\n18.2 Conceitos gerais Capacitncia: a propriedade de um capacitor ou de um sistema de condutores e dieltricos que permite armazenar cargas separadas eletricamente, quando existem diferenas de potencial entre os condutores. Capacitor: um dispositivo constitudo por dois condutores, cada um tendo uma determinada superfcie exposta ao outro, separados por um meio isolante. Uma diferena de potencial entre os dois condutores acarreta em armazenamento de cargas iguais em intensidade e de polaridades opostas. Os dois condutores so chamados eletrodos. Dieltrico: o meio no qual possvel produzir e manter um campo eltrico com pequeno ou nenhum suprimento de energia de fontes externas. A energia requerida para produzir o campo eltrico pode ser recuperada, no total ou em parte, quando o campo eltrico removido. Dieltrico perfeito: um dieltrico no qual toda a energia requerida para estabelecer um campo eltrico no mesmo recuperada quando o campo ou a tenso aplicada removida. Desta forma, possui condutibilidade nula. Dieltrico imperfeito: aquele no qual uma parte da energia requerida para estabelecer um campo eltrico no dieltrico no retorna ao sistema eltrico quando o campo removido. A energia dissipada no dieltrico, em forma de calor. Absoro dieltrica: o fenmeno que ocorre em dieltricos imperfeitos pelo qual cargas positivas e negativas so separadas e esto acumuladas em certas regies dentro do volume do dieltrico. Este fenmeno se manifesta, por si prprio, como uma corrente que decresce gradualmente com o tempo, aps a aplicao de uma corrente contnua e constante. Corrente de conduo: a corrente de conduo atravs de uma superfcie em um dieltrico imperfeito aquela proporcional ao gradiente de potencial. Ela no depende do tempo durante o qual o campo eltrico aplicado ao dieltrico. Constante dieltrica: a constante dieltrica (relativa) de qualquer meio a razo entre a capacitncia de uma dada configurao de eletrodos, tendo tal meio como dieltrico, para a capacitncia da mesma configurao, considerando-se o vcuo como dieltrico.\n18.3 Comportamento dos materiais isolantes Como mencionado, um material dieltrico eletricamente isolante e apresenta, ou pode ser feito para apresentar, uma estrutura de dipolo eltrico, ou seja, h uma separao de entidades eletricamente carregadas positiva e negativamente, num nvel atmico ou molecular. Como resultado destas interaes entre o dipolo e campo eltrico, os materiais dieltricos so utilizados em capacitores. Um capacitor um dispositivo largamente utilizado em circuitos eletrnicos capazes de armazenar cargas eltricas. 18.3.1 Capacitncia Quando uma voltagem aplicada atravs de um capacitor (tipo placa), constitudo de duas placas condutoras paralelas de rea A separadas por uma distncia L onde existe o vcuo (Figura 18.2a), uma das placas torna-se positivamente carregada, e a outra negativamente, com o correspondente campo\neltrico aplicado dirigido do terminal positivo para o negativo. Uma carga Q0 acumulada em cada placa do capacitor e diretamente proporcional tenso aplicada e a rea das placas e inversamente proporcional distancia entre elas, Q0 = 0 A V = C 0 V (18.1)\naqui o parmetro 0 chamado de permissividade do vcuo (ou constante dieltrica do vcuo) uma constante universal tendo o valor 8,885 x 10 12 F/m1. C0 a capacitncia do sistema cujas unidades so Coulombs por Volt, ou Farads (F). Um material contendo cargas altamente polarizveis quando colocado entre as placas de um capacitor na presena de um campo eltrico, influenciar acentuadamente as cargas que esto entre as placas. Com este material dieltrico inserido na regio entre as placas (como leo mineral ou plstico) mantendo-se a mesma tenso aplicada V, o que acontece ento com a capacitncia? Alguma polarizao pode ocorrer no material permitindo um adicional de cargas armazenadas no mesmo. A variao na capacitncia C o reflexo direto da constante dieltrica do material. C=Q/V (18.2)\nonde Q a carga armazenada (em Coulombs) e V a voltagem atravs dos condutores (ou placas). Assim com o material dieltrico uma carga maior Q, acumulada entre as placas, neste caso, Q = d A V = CV (18.3)\nd a permissividade do meio dieltrico e ser maior em magnitude que 0. A relao entre as capacitncias do sistema com o vcuo e com o dieltrico ser C d (A / L )V d = = => C = r C o C 0 0 (A / L )V 0 (18.4)\nA relao d/0 a permissividade relativa r, que freqentemente chamada constante dieltrica (k)2, maior que a unidade, para qualquer dieltrico r >1e representa o incremento na capacidade de armazenamento de carga pela insero de um meio dieltrico entre as placas. A constante dieltrica, k, uma propriedade\n0 =885 x 10 12 C2/J.m; F=C/V; V=J/C\nEm 1837, Michael Faraday a quem se deve todo o conceito de capacitncia e, por isso, teve seu nome escolhido como unidade SI de capacitncia, usando aparatos simples verificou que a capacitncia de um capacitor completamente preenchido por um dieltrico aumentava por um numrico k, que ele chamou de constante dieltrica do material introduzido. A constante dieltrica do vcuo, por definio, igual a (01) um. A medida da constante dieltrica do ar apenas um pouco maior que 1 (um); geralmente a diferena insignificante. Isto se deve ao fato de ser o ar, essencialmente um vazio do ponto de vista de um dieltrico. Para o ar seco a 0 C e presso atmosfrica normal k 1,0006.\ndo material e, deve ser uma das primeiras caractersticas a serem consideradas no projeto de um capacitor. A Tabela 18.3 fornece os valores tpicos de r para alguns materiais a 20 C. Tabela 18.3 - Valores de r para alguns materiais a 20C. Cristais inorgnicos Cermicas r r Alumina 8,1-9,5 NaCl (seco) 5,5 Porcelana 6,0-8,0 CaCO3 9,15 Enstatita 5,5-7,5 Al2O3 , MgO 10,0; 8,2 Forsterita 6,2 Silicato de Alumnio 4,8 TiO2 100 Titanatos 50 BaTiO3 4100 Zirconia 8-10,5 Mica 5,4-8,7 Vidros r Resinas polimricas Slica fundida 3,8 r polares Pirex 5,1 Poli(cloreto de vinila) 3,2-3,6 Vidro soda-lime 6,9 Acetato de polivinil 3,2 Resinas polimricas Nylon 6,6 4,0-3,6 r no polares Polietileno 2,3 Polietileno tereftalato 3-2,5 Polipropileno 2,5-2,6 Epoxy 3,0-4,5 politetrafluoretileno 2,1 Policarbonato 2,9-3,0 A constante dieltrica, k (ou r) do material compara a capacidade de armazenamento de cargas do material com aquela do vcuo entre as placas de mesma geometria sob a ao de um campo eltrico aplicado de mesma intensidade e indica quantas vezes a capacidade do sistema foi aumentada com a introduo do dieltrico entre as placas do capacitor. O valor de k depende no s da pureza do material, mas das condies ambientais, da freqncia e da intensidade da tenso aplicada. Como sugerido pela Equao 18.2, a capacitncia de todos os tipos de capacitores pode ser escrita sob a forma C= (L) (18.5)\nonde L, que tem dimenso de comprimento, depende da geometria das placas do capacitor. De acordo com a descoberta de Faraday, para um capacitor completamente preenchido por um dieltrico, a Equao 18.5 torna-se ento: C = K 0 L = K Car (18.6)\nonde Car o valor da capacitncia, com o ar preenchendo o espao entre as placas. Na Tabela 18.4 so apresentadas as frmulas para o clculo de algumas capacitncias.\nTabela 18.4 - Capacitncia. Capacitor Placas paralelas Cilndrico Esfrico Esfera isolada Capacitncia A 0 d L 2 0 ln(b / a) ab 4 0 ln(b a) 4 0R\nO armazenamento de carga pode ser ilustrado conforme as Figuras 18.2 e 18.3. Na Figura 18.2a, na situao de vcuo, uma carga +Q0 est armazenada na placa superior, e uma carga -Q0 na placa inferior. Quando um dieltrico introduzido e um campo eltrico aplicado, o slido introduzido dentro das placas torna-se polarizado (Figura 18.2b). Como resultado desta polarizao, h um acmulo adicional de carga negativa de magnitude -Q na superfcie do dieltrico prxima da placa positivamente carregada, e de forma similar, uma carga adicional +Q na superfcie adjacente placa negativa. Para a regio do dieltrico mais distante destas superfcies, os efeitos de polarizao no so importantes. Assim se cada placa e suas superfcies adjacentes do dieltrico forem consideradas como uma simples entidade, a carga induzida pelo dieltrico (+Q ou -Q) pode ser considerada como anulando alguma das cargas que originalmente existiam na placa para a condio de vcuo (+Q0 ou -Q0). Da fonte, eltrons so obrigados a fluir para a placa negativa de forma a restabelecer a voltagem. E assim a carga em cada placa agora Q0+ Q, tendo sido incrementada de um montante Q. A densidade de carga superficial, D, ou quantidade de carga por unidade de rea da placa do capacitor (C/m2). A densidade de carga superficial, ou quantidade de carga por unidade de rea da placa do capacitor (C/m2) tambm pode ser obtida, proporcional ao campo eltrico e representada na Figura 18.2. Quando o vcuo est presente, D0 = 0 E (18.7)\nA constante de proporcionalidade sendo 0. Alm disso, uma expresso anloga existe para o caso dieltrico, que D=E = KE (18.8a) D (18.8b)\nAlgumas vezes D tambm chamado de deslocamento dieltrico. Na presena de um dieltrico, a densidade de carga superficial nas placas do capacitor pode ser representada por D = 0 E + P (18.9)\nonde P a polarizao, ou o incremento de densidade de carga acima do vcuo, devido presena do dieltrico. Para muitos materiais dieltricos a polarizao, P, que pode ser alcanada no material, proporcional a E atravs da relao\nP = 0 ( r 1 ) E (18.10a) P = 0 ( k 1 ) E\nNeste caso r ou k independente da magnitude do campo eltrico. A polarizao P pode ser considerada como o momento dipolar total por unidade de volume do material dieltrico, ou como uma polarizao do campo eltrico dentro do dieltrico, que resulta de um alinhamento mtuo de muitos dipolos atmicos ou moleculares com o campo externo aplicado.\nArea of plate, A\nv - .+ -\ncharge Net posit tve charge, +Q' PA at surface\nFigura 18.2- Modelo simplificado de polarizao dentro de um material dieltrico.\nFigura 18.3 - Capacitor de placas paralelas (a) separadas por um vcuo e (b) separadas por um material dieltrico. Outro efeito do dieltrico limitar a diferena de potencial que pode ser aplicada entre as placas de um capacitor a certo valor Vmx. Se este valor for ultrapassado substancialmente, o material dieltrico se romper originando um caminho condutor entre as placas. A relao entre a mxima diferena de potencial que um dieltrico pode suportar sem que ocorra sua ruptura (breakdown), e a sua espessura denomina-se rigidez dieltrica do material. Seu valor , geralmente, expresso por V/m e depende da rea especfica, porosidade, defeitos e pureza do material, assim como da freqncia da tenso aplicada, tempo de aplicao da tenso e condies ambientais (temperatura, umidade, etc...).Todo material dieltrico possui, ento, como caracterstica uma rigidez dieltrica que o valor mximo do campo eltrico que o material pode tolerar sem haver ruptura no poder isolante. A rigidez dieltrica de materiais slidos, medida em campos eltricos uniformes e evitando-se o efeito de descargas superficiais, varia de 0,5 a 105 KV/m para cristais halogenetos alcalinos, de 2 a 2x106 KV/m para filmes polimricos e alguns materiais inorgnicos tais como a mica, xido de alumnio, etc. Valores de propriedades de alguns dieltricos medidas temperatura ambiente so listados nas Tabelas 18.4 e 18.5.\nTabela 18.4 - Algumas propriedades dos dieltricos (medidas temperatura ambiente). Constante Rigidez Constante Rigidez Substncia dieltrica dieltrica Substncia dieltrica dieltrica K KV/mm K KV/mm Ar (1atm) 1,00059 3 Parafina 2,1-2,5 10 a gua (20C) 80,4 Plexiglass 3,4 40 gua (25C) 78,5 Silcio 12 Etanol 25 Germnio 16 Baquelite 4,9 24 Poliestireno 2,55 24 Mica 5,4 10-100 Porcelana 7 5,7 Neopreno 6,9 12 Vidro (pirex) 4,7 14 leo de 4,5 12 Cermica 130 transformador Titanato de Papel 3,7 16 310 8 estrncio\nTabela 18.5 - Algumas propriedades dos dieltricos (medidas temperatura ambiente). Rigidez Constante Substncia dieltrica dieltrica K KV/mm 10,1 9,1 Al2O3 99,9% 9,8 9,5 Al2O3 99,5% BeO 99,5% 6,7 10,2 Cordierita 4,1-5,3 2,4-7,9 Nylon 66 reforado com 33% de fibra de vidro 7,8 17,3 Nylon 66 reforado com 33% de fibra de vidro 3,7 19,7 (umidade relativa de 50%) Poliester 3,6 21,7 Como mencionado acima, a rigidez dieltrica o mximo gradiente de voltagem que pode suportar um isolador sem ruptura, o seu valor experimental afetado dentre outros detalhes do procedimento, pela geometria da amostra e dos eletrodos. Os valores encontrados variam grandemente. A ruptura de um dieltrico inicia-se com o aparecimento de um nmero de eltrons na banda de conduo, BC; esses eltrons podem ser acelerados rapidamente alcanando elevada energia cintica pela aplicao de um campo eltrico elevado. Parte dessa energia transferida por colises aos eltrons de valncia, que so promovidos para a BC. Se um nmero suficientemente grande desses eltrons inicia o processo, estes se automultiplicam e uma avalanche de eltrons aumenta rapidamente, e pode suceder que o dieltrico funda, queime ou vaporize em forma localizada. Entretanto, necessria uma conduo de eltrons para iniciar o processo e Isso pode originarse de diversas formas. Uma origem comum o arco entre um terminal de alta voltagem e a superfcie contaminada do isolador. Os tomos de impurezas podem tambm doar eltrons para a BC. Os poros interconectados em dieltricos proporcionam s vezes canais diretos de ruptura como resultado de descargas eltricas de gs. Quando o dieltrico submetido a um campo elevado por longo tempo, a ruptura precedida geralmente por fuso local. Nos capacitores velhos, a\nruptura pode ocorrer por intensidade de campo relativamente baixa se o dieltrico sofreu modificao qumica ou mecnica. A Figura 18.4 mostra a voltagem de ruptura de diversos materiais dieltricos em funo da espessura do dos mesmos.\nFigura 18.4 - Esforo para ruptura de diversos dieltricos com campos uniformes. Tenso de ruptura em funo da espessura do dieltrico. Exemplo 1: Em um capacitor plano e com ar entre suas placas se aplica uma DDP fixa. Se introduzirmos entre as placas um dieltrico a quantidade de carga por ele armazenada aumentar? Explique. A Sim, uma carga maior Q, acumulada entre as placas, neste caso, Q = d V = CV onde d a permissividade do meio dieltrico, a qual ser maior em magnitude que 0. A relao entre as capacitncias do sistema com o vcuo e com o dieltrico ser C d (A / L )V d = = => C = r C o . A C 0 0 (A / L )V 0 relao d/0 a permissividade relativa r,\nfreqentemente chamada constante dieltrica, a relao r = /0 maior que a unidade e representa o incremento na capacidade de armazenamento de carga pela insero de um meio dieltrico entre as placas. A constante dieltrica uma propriedade do material e, deve ser uma das primeiras caractersticas a serem consideradas no projeto de um capacitor. Assim para qualquer dieltrico r >1.\nExemplo 2: Um condensador simples de duas placas paralelas pode armazenar 7,0 10 5 C com uma diferena de potencial de 12000 V. Se for usado um material dieltrico de titanato de brio com = 2100 entre placas, as quais tm uma rea de 5,0 10 5 m 2 , qual deve ser a distncia de separao entre as placas? A Q= CV e Q = d V = CV onde C o valor da capacitncia do material entre as placas. Mas, C = K 0 L ou C = 0 A ; d\n0 = 8,854 10 12 F/m Q V = 0 A d => d =\nV 0 A Q\n12000 * 2100 * 8,854 10 12 * 5 10 5 7 10 5\nx = 0,159 10\nExemplo 3: Um condensador simples de duas placas paralelas armazena 6,5 10 5 C com um potencial de 12000 V. Se a rea das placas for 3,0 10 5 m2 e a distancia entre as placas for 0,18mm, qual deve ser a constante dieltrica do material colocado entre as placas? 12 A ; 0 = 8,854 10 Q = C V; C = 0 F/m d 6,5 10 5 * 0,18 10 3 Qd A Q = = 3674 = 0 => = VA 0 12000 * 3,0 10 5 * 8,854 10 12 V d Exemplo 4: A polarizao de um material ferroeltrico dada por P = (r1)0E, onde r sua permissividade eltrica relativa, 0 a permissividade eltrica do vcuo e E a intensidade do campo eltrico. a) Que tenso deve ser aplicada a um cristal de 0.1mm de espessura do material B, para eliminar totalmente sua polarizao, desorientando seus dipolos. b) Que intensidade de campo eltrico deve-se aplicar ao material A, inicialmente despolarizado, para causar uma polarizao de 6x10-8 C/m2? Calcule a permissividade eltrica desse material nesse ponto. a) Considerando que o material esteja saturado positivamente, o campo eltrico que deve se aplicado de -2.8 V/m. Sendo assim a tenso que deve ser aplicada de 2.8*0.0001=280V. b) O campo eltrico que deve ser aplicado de 4 V/m. Temos que P=(r 1)0E P=(-0)E. Resolvendo para temos: = 0 +P/E = 8,85*10^-12 + 6*10^-8/4 = 150*10^-9 F/m. Exemplo 5: Um disco de 2 cm de dimetro por 0,025 cm de espessura constitudo de esteatita apresentou uma capacitncia de 7,2 F e um fator de dissipao de 72. Determinar a a) permissividade eltrica, b) o fator de perda dieltrica, c) a susceptibilidade eltrica e d) a permissividade eltrica complexa. C = 7,2 F; r = 1 cm; l = 0,025 cm; tg = 72 a) C = d x A => 7,2 = d x 314,1596 => d = 5,7295 250\n" ' tg o fator de dissipao; ' a permissividade relativa; " o fator de perda dieltrica ' = d ' = 644,8408 x 10 3 e " = 46,4285 x 10 6 0 c) = d 1 0 b) tg = 0 = 8,885 x 10 12 F/m d = 5,295 x 10 6 F/m = 644,8586 x 10 3 d) Eefc = r + j Eefc a permissividade efetiva complexa; r permissividade eltrica relativa [F/m]. 3 r = d = 644,8408 x 10 0\nEefc = 644,8408 x 10\no fator de perda dieltrica;\n+ j 46,4285 x 10\nExemplo 6: Um capacitor de placas paralelas que utiliza um material dieltrico com uma Er de 2,5 tem entre placas um espaamento de 1mm (0,04 pol.). Se for usado um outro material, porm com uma constante dieltrica de 4,0 e a capacitncia no for alterada, qual deve ser o novo espaamento entre placas? E = Er E0 E = (2,5) 8,85 10 12 = 2,2125 10 12 E = (4,0) 8,85 10 12 = 3,54 10 12 C =E A L\nA A = E L L L= 3,54 10 12 => L = 1,6mm 2,2125 10 12\n2,21 10 12\nA A = 3,54 10 12 1mm L\nExemplo 7: Um capacitor de placas paralelas com dimenses de 100 mm por 25mm e uma separao entre placas de 3mm deve ter uma capacitncia mnima de 38pF quando um potencial CA de 500 V aplicado a uma freqncia de 1MHz. Quais dos materiais listados na Tabela 18.4 so possveis candidatos? Por qu? A C * 38x10 12 [F] * 3x10 3 [m] C= = = = 45,6 x10 12 3 A 2,5x10 [m] A constante dieltrica :\n45,6 x10 12 = = 5,15 0 8,85 x10 12\nAssim, observando Tabela 18.4 os possveis materiais so titanato, mica, Enstatita vidro soda-lime e porcelana. Devido proximidade das constantes dieltricas tabeladas para estes materiais e a constante dieltrica calculada no exerccio.\nExemplo 8: Considere um capacitor de placas paralelas que possui uma rea de 2500 mm e uma separao ente placas paralelas de 2 mm, e que contm um material com constante dieltrica de 4,0 posicionado entre as placas. a) Qual a capacitncia desse capacitor? b) Calcule o campo eltrico que deve ser aplicado para que uma carga de 8,0x10-9 C seja armazenada em cada placa. 3 A 11 2,5x10 a) C = = (3,54 x10 ) = 4.43x10 11 [F] 3 2x10 12 = r 0 = 4 * 8,85x10 = 3,54 x10 11\nQ Q 8,0 x10 9 V= = = 180[ V ] V C 44,25x10 12 180 V E= = = 90,3x10 V/m 2 x10 3 C=\n-11 Exemplo 9: Uma carga de 3x10 C deve ser armazenada em cada placa de um capacitor de placas paralelas que possui uma rea de 160 mm e uma separao entre as placas de 3,5 mm.Qual a voltagem necessria se um material com constante dieltrica de 5,0 for posicionado entre as placas? Qual a voltagem necessria se fosse no vcuo? Quais so as capacitncias para as partes a e b? Calcule o deslocamento dieltrico para a parte a. Calcule a polarizao para a parte a. Q A = r.o V L 11 3 3,5x10 C.3,5x10 m QL = 17,3V V= = r.oA 5.8,85x10 12 F / m.160mm 2 .1m 2 / 10 6 mm 2\n3,5 x10 11 C.3,5 x10 3 m QL = 86,5V = oA 8,85x10 12 F / m.160 x10 16 m 2 Q 3,5x10 11 C Para a parte a: C = = = 2 x10 12 F V 17,3V Q 3,5x10 11 C Para a parte b: C = = = 4 x10 13 F 86,5V V V=\nD = oE + o(r 1)E D = orR orV D= L 8,85 x10 12 F / m.5.17,3V D= 3,5x10 3 m D = 2,2 x10 3 m\nP = o(r 1) P=\nV L 12 8,85x10 F / m.(5 1).17,3V 3,5x10 3 m\nP = 1,75 x10 7 C / m 2\n18.4 Dieltricos - descrio atmica Se uma mesma quantidade de carga eltrica for mantida nas placas do capacitor, antes e aps a introduo do dieltrico, haver uma diminuio do potencial entre as placas do capacitor, com conseqente diminuio do campo eltrico, ao se introduzir o dieltrico. A introduo do dieltrico enfraquece o campo de um valor igual ao da constante dieltrica relativa do material utilizado: E= E0 (18.11)\nPara compreender esse resultado obtido experimentalmente, torna-se necessrio examinar alguns aspectos microscpicos da matria. O que acontece, em termos atmicos e moleculares, quando um dieltrico submetido ao de um campo eltrico? Existem duas possibilidades (que veremos mais detalhadamente aps esta introduo de conceitos). Dieltricos polares: Alguns dieltricos, como as molculas de gua, possuem um momento de dipolo eltrico permanente. Tais materiais (chamados de dieltricos polares) tendem a se alinhar com o campo eltrico externo como nos mostra a Figura 18.5. Pelo fato de as molculas estarem em constante agitao trmica, este alinhamento no completo, mas aumenta quando cresce a intensidade do campo aplicado ou quando a temperatura diminui.\nFigura 18.5 - Dieltrico polar, h alinhamento dos mesmos por um campo eltrico externo. Dieltricos no-polares: Quer as molculas tenham ou no momentos de dipolo permanentes, elas os adquirem por induo, ao serem colocadas num campo eltrico externo. Sabemos que o campo eltrico externo tende a esticar a molcula\nseparando ligeiramente os centros de carga positiva e negativa. A Figura 18.6a mostra uma lmina dieltrica sem aplicao de nenhum campo eltrico externo. Na Figura 18.6b, um campo eltrico externo E0 aplicado, sendo seu efeito separar ligeiramente os centros das distribuies positiva e negativa. O efeito resultante uma acumulao de carga positiva na face direita da placa dieltrica, e de carga negativa na face esquerda. A placa como um todo, permanece eletricamente neutra, no havendo excesso de carga em qualquer elemento de volume no interior do dieltrico. A Figura 18.6c mostra que as cargas superficiais induzidas aparecem de tal maneira que o campo E, por elas criado, se ope ao campo externo E0. O campo resultante E dentro do dieltrico, que o vetor soma de E0 e E, aponta na mesma direo de E0 mas tem mdulo menor. Deste modo, o efeito do dieltrico enfraquecer o campo eltrico aplicado dentro do dieltrico.\nFigura 18.6 - (a) Uma lmina dieltrica, indicando os tomos neutros no interior da lmina. (b) Um campo eltrico externo aplicado, esticando os tomos e separando os centros de carga positiva e negativa. (c) O efeito resultante o aparecimento de cargas superficiais. Estas cargas criam um campo E, que se ope ao campo externo E0 aplicado. 18.5 Polarizao A maioria dos materiais isolantes tem um nmero reduzido de eltrons ou ons mveis que permitem uma nfima passagem de corrente eltrica quando colocados em um campo eltrico. O campo eltrico interage nos isolantes eltricos provocando um ligeiro deslocamento no balano das cargas positivas e negativas dentro do material para formar um dipolo eltrico e so assim denominados materiais dieltricos. Duas cargas pontuais de modulo q e sinais opostos, separados entre si de uma distncia s (eixo do dipolo), constituem um dipolo eltrico. O\nmomento desse dipolo, p , uma grandeza vetorial de mdulo qs, com a direo da reta que une as duas cargas e sentido da carga negativa para a positiva. A Figura 18.7 ilustra o momento do dipolo eltrico discreto.\nFigura 18.7 - Representao do momento de um dipolo eltrico gerado por duas cargas (de magnitude q) separadas por uma distancia s, o vetor polarizao\nassociado p , tambm, mostrado. Supor que as cargas estejam ligadas entre si mecanicamente, de tal forma que a distancia s seja sempre constante. Colocando esse dipolo eltrico em um campo eltrico uniforme, de intensidade (que tambm um vetor quantidade), externo (o prprio dipolo ser um campo eltrico, porem isso no nos interessa no momento). A extremidade positiva do dipolo atrada para a direita, e a negativa\npara a esquerda, por uma fora F (ou torque) que atuar sobre o dipolo para orient-lo com o campo aplicado, de intensidade q , conforme ilustra a Figura 18.8. O campo eltrico fornece um trabalho ao dipolo para gir-lo at que sua direo e sentido seja os mesmos do campo (Figura 18.9). Este processo de alinhamento do dipolo denominado polarizao.\nFigura 18.8 - Momento de um dipolo eltrico em um campo eltrico.\nFigura 18.9 - (a) Foras impostas (torque) agindo sobre um dipolo eltrico devido a um campo eltrico. (b) Alinhamento final do dipolo como o campo.\nPolarizao ento, o alinhamento induzido ou permanente dos momentos de dipolo de molculas ou tomos por efeito de um campo externo. Os materiais isolantes (ou dieltricos) dependendo do tipo de material e das condies de aplicao do campo externo, basicamente podem apresentar 3 tipos de polarizao (um, dois ou mais simultaneamente), eletrnica, inica e molecular (Figura 18.10). A polarizao eletrnica resulta do deslocamento de nuvens de eltrons em relao a ncleos atmicos. A contribuio inica resulta do deslocamento de ons em relao a outros ons. A polarizao molecular resulta da mudana de orientao de molculas com momento dipolo eltrico permanente por efeito do campo externo aplicado. Em materiais heterogneos existe um quarto tipo de polarizao interfacial produzida pelo acumulo de cargas eltricas nas interfaces estruturais. Este tipo no levado em conta habitualmente e estudos tericos, mas importante do ponto de vista prtico, j que materiais isolantes comerciais so sempre heterogneos.\nFigura 18.10 - Mecanismos de polarizao esquema ilustrativo. 18.5.1 Polarizao eletrnica (dipolo induzido), Pe No caso de freqncias ticas a polarizao de longe a mais importante. Ocorre em todos os materiais dieltricos e ocasionada por um ligeiro deslocamento dos eltrons que circundam o ncleo atmico para a direo do eletrodo positivo e, por sua vez o ncleo atmico ligeiramente deslocado para a direo do eletrodo negativo. Como os centros de cargas no so coincidentes h a formao de um pequeno dipolo (Figura 18.10). Apesar de haver tantos momentos dipolares quanto o nmero de tomos presentes, o momento dipolar resultante, e,\nbaixo de forma que a polarizao eletrnica resultante, tambm baixa e dada por: Pe = e (18.12)\nA polarizao eletrnica diminui com o aumento da temperatura, devido a dilatao do dieltrico e conseqente diminuio do nmero de partculas por unidade de volume. A freqncias elevadas, da ordem de 1016 Hz, a polarizao eletrnica responde rapidamente s mudanas que ocorrem no campo eltrico. A remoo do campo eltrico aplicado provoca um retorno dos eltrons e do ncleo para a posio original.\n(a) (b) Figura 18.10 - (a) Sem campo eltrico aplicado e (b) com campo eltrico aplicado. Como isso acontece: suponhamos que um tomo de hidrognio seja colocado em uma regio onde exista um campo eltrico, conforme ilustra a Figura 18.11.\nFigura 18.11 - Um tomo num campo eltrico. O campo eltrico distorce a simetria do tomo, puxando a carga negativa para baixo e o ncleo positivo para cima, quando o equilbrio atingido, o tomo ligeiramente distorcido ter um momento de dipolo eltrico, por que os centros de carga positiva e negativa no mais coincidem. O modulo desse momento de dipolo induzido ser p = e.b , onde b o deslocamento sofrido pelas cargas, e cujo valor proporcional a intensidade do campo eltrico aplicado:\np = e .\nA constante de proporcionalidade e uma caracterstica de cada tomo, e denominada de polarizabilidade eletrnica. O hidrognio e os metais alcalinos tm valores elevados de e , sendo que esse valor cresce com o numero atmico do elemento. Os gases nobres tm valores de e muito menores, porm tambm crescentes com o nmero atmico do elemento (ver pg. 395 de Kittel, valores de e para vrios ons). Assim como os tomos, muitas molculas no apresentam momentos de dipolos permanentes. So molculas cujas distribuies atmicas so tais que os centros de carga positivas e negativas coincidem (apolares). No entanto, tambm nessas molculas pode-se induzir um momento de dipolo eltrico pela ao de um campo eltrico externo. Obviamente tanto nos tomos como nas molculas, o momento de dipolo induzido desaparece com a retirada do campo externo. Porm, como as molculas so menos simtricas que os tomos, para elas podem-se ter momentos de dipolo induzido no paralelo ao campo aplicado. Consideremos, como exemplo, uma molcula de dixido de carbono (CO2), uma molcula linear, conforme ilustra a Figura 18.12.\nFigura 18.12 - Molcula de CO2 (paralelo >> perpendicular). A estrutura eletrnica dessa molcula sofre deformaes diferentes para campos aplicados transversalmente ou longitudinalmente a ela. De fato, a polarizabilidade observada da molcula de CO2 para um campo aplicado paralelamente ao seu eixo quase o dobro daquela observada para um campo transversal. Como resultado, temos um vetor momento de dipolo induzido no paralelo ao campo eltrico que induzido. Este exemplo ilustra que a polarizabilidade de uma molcula no um simples escalar, mas composta por um conjunto de coeficientes que exprime a dependncia linear das componentes de um vetor, no caso p , relativamente as de um outro, . Tal conjunto de coeficientes denominado tensor (j observamos que a condutividade eltrica tambm um tensor). Um dieltrico que contm N molculas por unidade de volume, ter como momento de dipolo eltrico induzido total: p = N* p = N* e *E (18.14)\nA este vetor denominamos de polarizao eltrica, e seu modulo fornece o nmero de momento de dipolo induzido por unidade de volume do dieltrico. 18.5.2 Polarizao por orientao de dipolos permanentes, Po Envolve molculas no simtricas que contm dipolos eltricos permanentes. A maioria dos dipolos permanentes em materiais cermicos, por exemplo, no podem ser reorientados por aplicao de um campo eltrico sem que haja a destruio da estrutura dos cristais. Em virtude disto, este mecanismo de polarizao no to importante para os materiais cermicos, mas muito importante para os polmeros. Algumas molculas, devido a sua estrutura no simtrica, possuem momento de dipolo eltrico intrnseco, mesmo na ausncia de um campo eltrico externo. Nessas molculas os centrides das distribuies de carga negativas e positivas esto permanentemente separados por uma determinada distncia. Tais molculas so denominadas de polares. Como exemplo mais simples temos as molculas diatmicas formadas por tomos diferentes, como o HCl. Para essa molcula o eltron do hidrognio deslocase parcialmente em direo a estrutura do Cl, desta forma, resulta em um excesso de carga negativa na extremidade do cloro. Momento de dipolo permanente, regra geral, mais intensa que qualquer momento que se possa induzir por campos eltricos comuns, usados em laboratrio. Outro exemplo bastante conhecido de molcula polar a molcula de gua, H2O. Essa molcula tem um momento de dipolo permanente porque dobrada no centro, com os eixos O-H formando um ngulo de cerca de 105 entre si. A Figura 18.13 apresenta alguns exemplos de molculas polares bem conhecidas.\nFigura 18.13 - Algumas molculas polares bem conhecidas O valor observado no momento de dipolo permanente p dado em unidades de 10-18 esu-cm (esu:\nunidade eletrosttica de carga) para converter para unidades do SI multiplique p por 1/3x1011). O comportamento de uma substancia composta por molculas polares como dieltricos notavelmente diferente de uma substancia composta de molculas no polares. Neste ultimo caso, a aplicao de um campo eltrico externo induz um pequeno momento de dipolo em cada molcula. Na substancia polar, os dipolos j esto presentes em grande quantidade, porm, na ausncia do campo eltrico externo, so orientados aleatoriamente, de modo a no apresentar um momento de dipolo resultante mensurvel. Um campo eltrico externo alinha tais dipolos, fornecendo como efeito macroscpico uma intensa polarizao. Como resultado obtm-se uma constante dieltrica muito maior em dieltricos polares que em no polares. A constante dieltrica relativa da gua, por exemplo, 80, enquanto para um liquido tpico no polar esse valor se mantm em torno de 2. A polarizao causada em substancias polares denominada de polarizao por orientao. Neste caso tambm se pode definir uma grandeza o , denominada de polarizao por orientao, de forma que: p = N * o *E (18.15)\nonde N o numero de molculas polares por unidade de volume do material e E o campo eltrico aplicado ao material. Polarizao por orientao molecular no ocorre em cristais inicos ou em vidros. Porm, outro tipo de polarizao tambm denominada de polarizao por orientao, pode ocorrer em tais substancias. A mais simples imperfeio na rede cristalina a denominada vacncia: falta de um tomo ou on em uma posio da rede. Em equilbrio trmico todos os cristais apresentam certo numero de vacncias. A concentrao de equilbrio de vacncias diminuem com a diminuio da temperatura. Pares de vacncias de sinais opostos associados formam um dipolo eltrico. Impurezas inicas adjacentes a uma vacncia de sinal oposto ao seu tambm formam um dipolo permanente. Esse dipolo on-vacncia, poder se orientar sob a ao de um campo externo, desde que existam duas ou mais posies disponvel na rede para o on de impureza. Esse tipo de polarizao o esquematizado na Figura 18.14.\nFigura 18.14 - Reorientao de um par de vacncias na rede. Outros tipos de pares de defeitos fornecem resultados similares.\nA adio de cloreto de clcio, CaCl2 em cristais de KCl, por exemplo, leva a um aumento de concentrao de vacncias de ctions (vacncias ++). Existe uma tendncia para os ons de Ca2+ nesse cristal de se associar a essas vacncias fornecendo um dipolo (Figura 18.15). Esse tipo de polarizao tambm conhecido como polarizao por defeitos ou impurezas.\nFigura 18.15 - Produo de vacncias na rede pela dissoluo de CaCl2 em KCl, para garantir a neutralidade eltrica uma vacncia positiva introduzida na rede para cada on Ca++. Os dois ons Cl- do Ca Cl2 entram como ons negativos normais na rede. Este tipo de polarizao dipolar difere da eletrnica e da inica com relao ao movimento das partculas por efeito da temperatura. As molculas dipolares, que se encontram em movimento trmico catico, se orientam parcialmente pela ao do campo, o qual a causa da polarizao. O mesmo possvel se as foras moleculares no impedirem os dipolos de se orientarem de acordo com o campo. Ao aumentar a temperatura se enfraquecem as foras moleculares e diminui a viscosidade da substncia, de forma que se intensifica a polarizao dipolar. No entanto, ao mesmo tempo aumenta a energia dos movimentos trmicos das molculas, o que faz que diminua a influncia orientadora do campo. De acordo com isto, a polarizao dipolar aumenta a princpio com o aumento da temperatura, enquanto que o enfraquecimento das foras moleculares influencia mais que a intensificao do movimento trmico catico. Depois, quando este ltima se intensifica, a polarizao dipolar cai a medida que aumenta a temperatura; Alguns autores denominam a polarizao que aparece apenas em corpos amorfos e em slidos no cristalinos polares (caso do vidro) como polarizao estrutural, na qual um corpo amorfo parcialmente constitudo de partculas e ons. A polarizao estrutural vem a ser a orientao de estruturas complexas de material, perante a ao de um campo externo, aparecendo devido a um deslocamento de ons e dipolos, na presena de aquecimento devido a perdas Joule. Em relao temperatura esses matrias apresentam comportamento semelhante polarizao dipolar. 18.5.3 Polarizao inica (induzida), Pi Este tipo de polarizao envolve o deslocamento de ons positivos e negativos sob a ao de um campo eltrico aplicado e o tipo mais comum nos materiais cermicos. O campo eltrico aplicado ao material pode provocar um deslocamento comparativamente grande em algumas estruturas, porm muito menor do que 1,0 e, assim, desenvolver constantes dieltricas relativamente altas, devido polarizao inica. A polarizao inica assim como a eletrnica se\ncaracteriza por um deslocamento elstico de ons ligados ao ncleo de um tomo. Diferentemente da polarizao eletrnica este tipo de polarizao intensificada com o aumento da temperatura, uma vez que se debilitam as foras elsticas interinicas e aumenta as distncias entre os ons quando o corpo se dilata; Neste caso tambm se pode definir uma polarizabilidade inica, i. Obviamente, a polarizao desaparece ao se retirar o campo eltrico externo. A polarizao inica mais vagarosa do que a polarizao eletrnica sob a ao de um campo eltrico varivel aplicado. A resposta mxima da ordem de 1013 Hz.\n(a) (b) Figura 18.16 - Polarizao inica o campo distorce a rede: (a) sem campo eltrico aplicado e (b) com campo eltrico aplicado. 18.5.4 Polarizao de cargas espaciais, Ps. Envolve as cargas espaciais ou cargas estranhas que se situam nas interfaces. Em outras palavras estas cargas so cargas randomicamente causadas por radiao, deteriorao trmica, ou so aquelas absorvidas no material durante o processamento. Seu valor e a freqncia de resposta dependem mais da geometria dos contaminantes do que das outras propriedades do material. Este tipo de polarizao ocorre em dieltricos multifsicos (polmeros policristalinos e cermicas heterogneas). Quando uma das faces presentes possui resistividade muito diferente da outra, um campo eltrico externo aplicado pode causar um acumulo de cargas eltricas nas interfaces entre as faces. Esta regio de carga espacial se estende por um volume muito maior que o ocupado pela regio no homognea em si. Essa polarizao conhecida como polarizao interfacial ou por carga espacial esquematizada na Figura 18.17. Para este caso defini-se a polarizabilidade por carga espacial, c .\n(a) (b) Figura 18.17 - Polarizabilidade por carga espacial (a) sem campo eltrico aplicado e (b) com campo eltrico aplicado. 18.5.5 Polarizao total A polarizabilidade total, , que pode ocorrer em um dieltrico, representada pela soma de todas as polarizabilidades possveis de ocorrer, isto : = o + e + e + c (18.15)\nimportante salientar que o prprio dipolo eltrico induzido ou permanente, produz campo eltrico na regio que o circunda. A Figura 18.18 esquematiza algumas linhas de campo produzidas por um dipolo.\nFigura 18.18 - Algumas linhas de campo produzidas por um dipolo. = p cos& r2 Ex = 3 p sen & cos& r3 Ez = p(3 cos 2 & 1) r3 (18.16)\n18.6 Dependncia da polarizao com a freqncia e temperatura A polarizao total P, a polarizabilidade, e a permissividade relativa, r, de um dieltrico em um capo eltrico alternado, dependem todas da facilidade com que\nos dipolos podem invertir seu alinhamento com cada inverso de campo Em muitas situaes prticas a corrente alternada, e a voltagem, ou campo eltrico que aplicado, muda de direo com o tempo. Assim no material dieltrico, a cada reverso de sentido, os dipolos tentam se reorientar com o campo, ou seja, um processo que requer um tempo finito. Para cada tipo de polarizao, algum tempo mnimo de reorientao existe, o qual depende da facilidade com que cada particular dipolo capaz de realinhar-se. Uma freqncia de relaxao resultado de um tempo mnimo de reorientao. Todos os tipos de polarizao que podem ocorrer em dieltricos possuem uma certa inrcia de momento, isto , existe um certo tempo necessrio para que os dipolos sejam induzidos ou para que os que j existam ento que se alinhem com o campo eltrico externo aplicado. Esse tempo denominado de tempo de relaxao da polarizao. Um dipolo no pode manter as trocas de direo de orientao quando a freqncia do campo eltrico aplicado excede a freqncia de relaxao, e, alm disso, no proporcionar nenhuma contribuio para a constante dieltrica. Deste modo, esses mecanismos podem no ocorrer se houver uma inverso suficientemente rpida da tenso aplicada. A dependncia de r da freqncia do campo representada na Figura 18.19 para um meio dieltrico que exibe trs tipos de polarizao; note que o eixo da freqncia est plotado de forma logartmica. Como indicado na Figura 18.19, quando o mecanismo de polarizao cessa de operar, h uma queda abrupta na constante dieltrica; por outro lado r est virtualmente independente da freqncia. A absoro da energia eltrica por um material dieltrico que est sujeito um campo eltrico alternado chamada perda dieltrica. Esta perda pode ser importante nas freqncias de campo eltrico localizadas nas vizinhanas da freqncia de relaxao para cada tipo operativo de dipolo de um material especfico. Uma baixa perda dieltrica desejada na freqncia de utilizao.\nFigura 18.19 - Polarizao (r) versus freqncia do campo para um meio dieltrico que exibe trs tipos de polarizao. As polarizaes com resposta mais rpida prosseguem nas freqncias mais elevadas.\nObviamente a variao da polarizao refletida pelas constantes dieltricas. Quando a freqncia do campo aplicado excede a necessria para ocorrer a polarizao, os dipolos no conseguem mais reorientarem-se e o processo cessa. Como o tempo de relaxao dos quatro processos de polarizao que foram vistos diferente, possvel separar-se experimentalmente as contribuies de cada processo ao valor da constante dieltrica como mostrado na Figura 18.20. A polarizao eletrnica o nico processo suficientemente rpido para acompanhar variaes muito rpidas de um campo eltrico alternado. Isto facilmente compressvel, uma vez que nesse processo s se tem variao da estrutura eletrnica e pouca massa entra em jogo. Esse tipo de polarizao predomina em dieltricos no polares. A polarizao eletrnica responde rapidamente, encontra-se presente a elevadas freqncias, trazendo importantes caracterstica. A polarizao inica, no to rpida para acompanhar variaes intensas do campo, s contribuindo para a constante dieltrica na regio do infravermelho do espectro (f < 1014 Hz). Nas altas freqncias a polarizao inica no se pode manter na inverso de campo, enquanto que a polarizao eletrnica se mantm. A polarizao por orientao, envolve a movimentao de toda uma estrutura molecular, estando, assim sujeita a uma determinada fora de atrito, muito mais lenta. Neste caso o tipo de relaxao varia muito de uma substncia para a outra. Assim este tipo de polarizao afetada somente a baixas freqncia (em freqncias inferiores ao infravermelho UHF ou microondas)., pois em altas freqncias no h tempo suficiente para que as molculas possam realinhar com cada ciclo. Finalmente a polarizao por carga espacial mais lenta, s contribui para o valor de a baixas freqncias. A Figura 18.20 mostra a variao da constante dieltrica relativa em funo da freqncia de campo eltrico aplicado, destacandose a contribuio de cada processo.\nFigura 18.20 - Variao da polarizabilidade total e da absoro dieltrica em funo da freqncia. A contribuio da polarizabilidade decai medida que aumenta a freqncia caracterstica de ressonncia. A perdida de energia q se produz nos dieltricos de deve condutividade c-c e relaxamento dos dipolos. O fator de perda uma indicao da energia perdida como calor. Sua variao com a freqncia esta indicada na Figura 18.20. Nas freqncias pticas e IV, os mximos ilustram a absoro ptica e IV. A perdida dieltrica mxima para qualquer tipo particular de processo de polarizao se produz quando seu perodo de relaxao o mesmo daquele do campo aplicado, ou seja, quando se produz ressonncia, assim todos os mximos da Figura 18.20 se produzem perto do limite de freqncia de cada polarizao particular. Na Figura 18.21 mostrada a variao esquemtica com a freqncia da parte real da constante dieltrica de um dieltrico slido hipottico com quatro mecanismos de polarizao.\nFigura 18.21 - Variao esquemtica com a freqncia da parte real do coeficiente dieltrico de um dieltrico slido hipottico com quatro mecanismos de polarizao. Slidos fortemente covalentes como o diamante apresentam s polarizao eletrnica. Desta forma r pode ser medido opticamente atravs do ndice de refrao. Materiais inicos perdem a contribuio da polarizao inica em freqncias abaixo do infravermelho. Para esses materiais possvel medir-se separadamente a contribuio inica e a eletrnica efetuando-se medidas tanto pticas como eltricas de r . Para uma freqncia dada a constante dieltrica relativa dos materiais, depende ainda da temperatura. Em materiais onde predomina a polarizabilidade eletrnica, esse efeito em geral muito pequeno. Os principais efeitos so sentidos nos materiais que possuem polarizao por orientao (materiais moleculares polares) e polarizao inica. Nos primeiros, a constante dieltrica tende a diminuir, devido agitao trmica provocada e esse efeito pode ser grande, conforme ilustra a Figura 18.22a, para o nitro benzeno (C6H6NO), e a Figura 18.22b, para polietileno tereftalato ou poli(tereftalato de etileno) (PET) e outros polmeros.\n(a) (b) Figura 18.22 - (a) Permissividade relativa do nitro benzeno em funo da temperatura. (b) Variao da constante dieltrica em funo da temperatura para polietileno tereftalato (PET) e outros polmeros. Em materiais que possuem polarizao inica com a elevao de temperatura, observa-se uma tendncia da constante dieltrica em aumentar, pois h aumento da resposta inica ao campo com qualquer freqncia em conseqncia do aumento dos portadores de carga e a mobilidade inica. Este aumento na constante dieltrica sugere que o mecanismo dominante a polarizao inica. Cada uma das polarizaes citadas reversvel e essencialmente proporcional ao campo eltrico aplicado, para pequenos campos e baixas freqncias. E pode-se at escrever que P / E = mdulo constante 18.7 Materiais ferroeltricos Os ons que se deslocam em um cristal sobre a ao de um campo eltrico externo, causam o aparecimento de um dipolo, conforme vimos no inicio do captulo, e geralmente retornam as suas posies originais aps a retirada do campo eltrico. Porm, em certos materiais, como por exemplo o titanato de brio (BaTiO3), a temperatura inferior a 120 C, isso no ocorre. O BaTiO3, tem uma estrutura cbica estvel temperatura acima de 120 C, conforme mostra a Figura 18.23.\nFigura 18.23 - Cela unitria perovskita (Ca 2+). ons por clula unitria:5 (distribuio:1Ti 4+, 1Ba 2+ e 3 O 2-). Cada Ba 2+ em coordenao 12 com o O2-, Ti 4+ em coordenao 6 com o O 2-. Apenas Ba2+ O 2-,formam FCC. Ao ser resfriado abaixo de 120C o (BaTiO3) sofre uma transformao de fase a uma transformao tetragonal. A temperatura critica em que ocorre a transformao conhecida como temperatura de Curie. Neste caso o (BaTiO3) de estrutura tetragonal um material ferroeltrico. Nessa estrutura, o on central Ti4+ em relao aos ons O 2- pode situar-se em duas posies sendo portanto uma estrutura assimtrica. Como nenhuma dessas posies est no centro da clula unitria, o centride das cargas positivas no coincidem com o das cargas negativas, formando, portanto um dipolo eltrico. A Figura 18.24 ilustra o que foi descrito, embora esse deslocamento seja inferior a uma pequena frao de angstrons, muito maior que os deslocamentos qumicos que ocorre na maior parte dos slidos. Como resultado, teremos um momento de dipolo eltrico intenso para a clula unitria, o que leva o (BaTiO3), a ter uma constante dieltrica muito elevada. (8~4000). O valor de variam com a temperatura e com o campo aplicado conforme mostrado na Figura 18.25. Para valores muito altos de E(V/cm) os domnios so orientados de forma mais efetiva e assim altos valores de resultam. Ao mesmo tempo pode ser verificada forte influencia da temperatura. Os dois picos ondulados a 5C e -80C ocorrem devido a variao de fases do material: T >120C : cbica; 120 5C:tetragonal; 5C -80 C:Ortorrmbica; T <-80 C Rombodrica. Felizmente essa influencia da temperatura nos valores da pode ser modificada preparando solues slidas com ampla faixa de composies. Parte dos ons Ba 2+ podem ser substitudos por Pb 2+, Sr 2+, Ca 2+ e Cd 2+mantendo as caractersticas ferroeltricas do material. Assim como o dos ons Ti 4+ podem ser substitudos por Sn 4+, Hf 4+, Zr 4+, Ce 4+ e Th4+.\nlinha central da clula unitria\nnota a escala de escorregamento do tomo foi exagerada\n(e) Figura 18.24- O titanato de brio (BaTiOs}, cbico (a} e (o} passa a ter uma\nestrutura tetragonal (b, d, e}, abaixo de 120 2C (temperatura de Curie} na qual o on central Ti4+ pode situar-se em duas posies.\nFigura 18.25 - Variao do valor de com a temperatura e E para BaTiO3. necessrio um certo tempo uma vez que uma certa energia necessria para mover o on Ti4+ de sua posio de mais baixa energia. A Figura 18.26 ilustra os domnios ferroeltricos, sendo assim denominados por que a propriedade de alinhamento espontneo de dipolos eltricos recebe o nome de ferroeletricidade. Como mostrado na figura, em contraste com o material cbico, a estrutura de dipolo da clula tetragonal permite elevada polarizao em resposta ao campo eltrico aplicado. Isso mostrado como um efeito macroestrutural e cristalogrfico. O material ferroeltrico pode apresentar polarizao nula sem campo aplicado devido orientao aleatrio dos domnios a escala microscpica, regies essas nas quais o eixo c das clulas unitrias adjacentes tem uma direo em comum. Quando se aplica um campo, so favorecidas as orientaes dos dipolos das clulas unitrias que esto mais ou menos paralelos direo do campo aplicado. Neste caso os domnios com essas orientaes crescem as custas dos domnios orientados menos favoravelmente. O mecanismo especfico do movimento da parede do domnio simplesmente o pequeno deslocamento das posies dos ons dentro da clula unitria, dando como resultado a mudana de orientao do eixo c tetragonal. Tais movimentos da parede do domnio do como resultado a polarizao espontnea. Em contraste com o material paraeltrico a campo apenas provoca um pequeno dipolo induzido (ctions puxados ligeiramente em direo do eletrodo negativo e anions para o eletrodo positivo).\nFigura 18.26 - Polarizao, P, versus campo eltrico aplicado, E,. Para o material paraeltrico apenas observa-se modesta polarizao, j o material ferroeltrico apresenta polarizao espontnea na qual os domnios das clulas unitrias orientadas similarmente crescem ao aumentar os campos de igual orientao.\nFigura 18.27 - Domnios ferroeltricos.\nEm equilbrio, um material ferroeltrico tem seus domnios orientados aleatoriamente, de forma a no apresentar nenhuma polarizao resultante mensurvel. Ao se aplicar um campo eltrico externo, as fronteiras entre os domnios se movem de forma a expandir nos domnios orientados mais favoravelmente ao campo aplicado, e concentrar os menos favoravelmente. Como resultado, origina-se uma polarizao total no nula no material, que aumenta rapidamente com o campo aplicado, tal como ilustra a parte O-A da curva do diagrama polarizao x campo aplicado da Figura 18.28. Essa figura resume o ciclo de histerese que resulta se um campo aplicado ciclicamente (i.. AC). Como o alinhamento tende a um mximo (uma vez que a densidade de domnios finita), atinge-se uma situao na qual um aumento adicional do campo eltrico aplicado apenas melhora ligeiramente a polarizao preferencial (parte A-B da curva).\nFigura 18.28 - Histerese ferroeltrica. O comportamento acima chamado de ferroeltrico em virtude da sua semelhana com o comportamento ferromagntico. A remoo do campo externo no elimina totalmente a polarizao preferencial, de forma que uma polarizao remanescente, Pr, permanece, at que se aplique um campo coercitivo, Ec, de polaridade oposta. A aplicao cclica de campos eltricos produz um ciclo de histerese, tal como o percurso BCDFB mostrado na curva da Figura 18.28. (observe a analogia com a curva BxH de um material ferromagntico). Vrios parmetros importantes podem ser obtidos do ciclo de histerese: Polarizao por saturao Os (ponto B):devida ao crecimento mximo dos domnios, Polarizao remanescente, Pr, a quel permanece quando o campo eliminado. A reduo de E=0 no recupera a estrutura dos domnios a volumes iguais de polarizao oposta, para isso necessrio um campo coersitivo, Ec. Cada material ferroeltrico apresenta uma temperatura caracterstica, Tc, denominada de temperatura de Curie, acima da qual a energia trmica no permite a formao de domnios e o material perde sua ferroeletricidade, tornando-se um dieltrico comum, muitas vezes denominado de paraeltrico. No caso do (BaTiO3), temos Tc = 120 C, pois acima desta temperatura o material perde sua polarizao\nespontnea, em virtude de sua passagem para a forma cbica. A Tabela 18.6 mostra alguns cristais ferroeltricos e suas respectivas Tc. Tabela 18.6 - Temperatura de Curie e polarizao espontnea de cristais ferroeltricos. Tc [K] Ps [Ccm-2) T[K]* 123 16,000  KH2PO4 KD2PO4 213 13,500 -(Fosfato de potssio dideuterium.)\n147 16,800  RbH2PO4 111 --RbH2AsO4 96 15,000  KH2AsO4 GeTe 670 --Sulfato de 322 8,400  Triglicina TGS Selenato de 295 9,600  Triglicina 393 78,000  BaTiO3 ~0 (9,000)  SrTiO3 712 90,000  KNbO3 Perovskites 763 >150,000  PbTiO3 890 70,000  LiTaO3 1470 900,000 -LiNbO3 *para obter os valores em CGS seu-cm-2, multiplique o valor da tabela por 3x103 Alm da utilizao como dieltricos em capacitores especiais, devido ao alternador de , materiais ferroeltricos tm importantes aplicaes pela propriedade piezeltrica que apresentam. importante salientar que todos os cristais no estado ferroeltrico so piezos eltricos, porm podem-se ter cristais no ferroeltricos e que apresentam piezo eletricidade.\n18.8 Materiais antiferroeltricos Em alguns materiais, como por exemplo, o (WO3), os momentos de dipolos eltricos de clulas unitrias vizinhas se orientam antiparalelamente, resultando em uma polarizao total nula. Tais materiais so denominados de antiferroeltricos. Tambm nesse caso, tense uma temperatura de transio, com que o material perde essa propriedade. A diferena essencial entre um material ferroeltrico e um antiferroeltrico que, este ltimo, no apresenta o fenmeno de histerese abaixo de uma temperatura de transio. 18.9 Materiais piezoeltricos Deformao mecnica tambm pode causar a polarizao de determinados cristais. Isto ocorre devido ao deslocamento relativo entre os ons no cristal, e s ocorre quando este no possui centro de simetria, isto , os centrides de carga positivas no coincidem. Esse tipo de material denominado piezo eltrico, ou se alonga, ou se contrai quando sujeito a um campo eltrico, pois os comprimentos dos\ndipolos so alterados por gradientes de tenso. Essa uma forma de se transferir energia eltrica em mecnica, pois o cristal vibra com a freqncia do campo alternado nele aplicado, e em proporo de diferencial de voltagem. Dispositivos eletromagnticos que utilizam essa propriedade so os transdutores, normalmente so utilizados para produzir ondas sonoras de alta freqncia para sincronizao de circuitos eletromagnticos. O processo inverso tambm possvel, ou seja, a inverso de energia mecnica em eltrica tornando-se um cristal piezo eltrico. Desta forma, pode-se transformar vibraes, ondas sonoras e outros movimentos mecnicos em potenciais eltricos. As principais utilizaes de tais dispositivos so os microfones, cristais fonogrficos, telefones, dispositivos para sonar, medidor de presso, etc. entre os materiais mais comumente utilizados por seu efeito piezo eltrico, temos o quartzo, o (BaTiO3), o SiO2 e o PbZrO3. 18.10 Propriedades de materiais dieltricos (isolantes) Os isolantes so caracterizados por uma srie de propriedades, cujos valores numricos os identificam em termos quantitativos e cuja variao informa aspectos qualitativos. Essas propriedades variam o seu valor numrico de acordo com as condies fsicas de seu uso (como por exemplo, variaes de temperatura e umidade, tenso eltrica aplicada, etc). Assim, para sabermos se uma dada condio de servio influi, e at que grau, sobre as caractersticas do material, imprescindvel comentar de que modo, e em funo de que grandezas, as caractersticas dos isolantes podem variar. 18.10.1 A constante dieltrica de gases, lquidos e slidos A constante dieltrica varia em funo da polarizao e como os gases tem um afastamento intermolecular bastante grande, e apresentam baixa densidade, a sua polarizao pequena e a constante dieltrica praticamente igual a um. Os gases apresentam puramente polarizao eletrnica, ou uma combinao de polarizao eletrnica e dipolar. A constante dieltrica tanto maior quanto maior o raio molecular. A variao da constante dieltrica de gases com a temperatura e a presso justificada pela mudana do nmero de molculas por unidade volume, quando a presso e a temperatura variam. Isolantes lquidos podem ser constitudos de molculas polares ou no polares. O valor numrico das constantes dieltricas no elevado (geralmente < 2,5). A variao de a constante dieltrica , em funo da temperatura, pode ser explicada pela reduo do nmero de molculas por unidade de volume (densidade) quando a temperatura se eleva. Nos lquidos polares, a polarizao determinada por um deslocamento nas camadas eletrnicas das partculas elementares (polarizao eletrnica) e orientao dos dipolos na direo do campo aplicado (polarizao dipolar). Como conseqncia, a constante dieltrica de lquidos polares tanto maior, quanto maior o nmero de molculas por unidade de volume.\nEm relao ao valor da constante dieltrica de isolantes slidos a diversidade estrutural e as variaes de matrias-primas neste grupo levam a valores bastante diferenciados de r. Assim os slidos podem se caracterizar por polarizaes eletrnicas, inicas estruturais ou espontneas bem definidas. A menor constante dieltrica encontrada em dieltricos slidos, constitudos de molculas no polares, e que assim apresentam uma polarizao eletrnica pura. A temperatura influi sobre o valor de r, devido variao com a temperatura do nmero de partculas por unidade de volume. Isolantes polares slidos com estrutura cristalina ou amorfa, bem como isolantes inicos amorfos, tais como resinas polares, baquelite, ebonite, cloreto de polivinila (PVC), goma-laca e outros, e ainda celulose e seus produtos derivados (papel, tecido) e vidros inorgnicos, constituem um grupo de isoladores em que encontramos simultaneamente as polarizaes eletrnicas, inicas e de estrutura. Classifica-se esse grupo em geral nos 2 sub-grupos a seguir: 1 Subgrupo: Constitui-se de dieltricos amorfos, como o caso dos vidros inorgnicos. Sua polarizao de estrutura resultante de uma mudana de orientao de reas inicas inteiras, devido ao da temperatura. A constante dieltrica relativamente grande, entre 4 e 20, seu coeficiente de temperatura positivo. 2 Subgrupo: Constitui-se de slidos polares cristalinos e amorfos, nos quais encontramos uma polarizao dipolar, semelhante dos lquidos polares, porm com tempos prprios de polarizao bem diferentes. Essa polarizao dipolar deriva da existncia de grupos polares acentuada influncia da ao de campos externos, que introduzem no slido uma agitao trmica. Exemplo de tais grupos a celulose devido presena do radical (OH). As constantes dieltricas desses materiais variam acentuadamente com a temperatura e com a freqncia do campo externo aplicado, obedecendo as mesmas leis dos isolantes lquidos polares. Na Tabela 18.7 so apresentados valores da constante dieltrica em funo da freqncia para esses dieltricos. Tabela 18.7 - Constante e rigidez dieltricas de alguns materiais dieltricos. Constante dieltrica Rigidez dieltrica Material 60 Hz 1 MHz (V/mil)a Cermicas Cermica titanato 15-10000 50-300 Mica 5,4-8,7 1000-2000 5,5-7,5 200-350 Enstatita (MgO-SiO2) Vidro soda-lime 6,9 6,9 250 Porcelana 6,0 6,0 40-400 Slica fundida 4,0 3,8 250 Polmeros Fenol-formaldedo 5,3 4,8 30-400 Nylon 6,6 4,0 3,6 400 Poliestireno 2,6 2,6 500-700 Polietileno 2,3 2,3 450-500 Politetraflouretileno 2,1 2,1 400-500\n1 mil = 0,001 pol.\n18.11 Tipos de dieltricos As particularidades da polarizao permitem dividir todos os dieltricos em vrios grupos. Ao primeiro grupo pertencem os dieltricos que possuem somente a polarizao eletrnica, por exemplo as substncias slidas no polares ou debilmente polares em estado cristalino ou amorfo cujas molculas apresentam ausncia ou fraco momento dipolar (parafina, enxofre, poliestireno), assim como os lquidos e gases no polares ou debilmente polares (benzeno, hidrognio e outros). Ao segundo grupo pertencem os dieltricos que possuem ao mesmo tempo polarizao eletrnica e dipolar. So estas as substncias polares (dipolares) orgnicas, semilquidas e slidas (algumas resinas, celulose, resinas sintticas termofixas, alguns hidrocarbonetos cloretados, etc). Ao terceiro grupo pertencem os dieltricos inorgnicos slidos com polarizao eletrnica, inica e on-eletrnica dipolar (de estrutura). Este grupo pode ser dividido no subgrupo 1) com polarizao eletrnica e inica ao qual pertencem principalmente as substncias cristalinas com empacotamento denso de ons (quartzo, mica, sal e xido de alumnio) e o subgrupo 2) com polarizao eletrnica, inica de dipolos ao qual pertencem os materiais que contem fase vtrea (porcelana) e os dieltricos cristalinos com empacotamento no denso. A um quarto grupo pertencem os componentes ferroeltricos, que tem polarizao espontnea (nos campos eltricos alternados, os materiais com polarizao espontnea se caracterizam por uma considervel dissipao de energia), eletrnica e inica combinadas. Seriam estes materiais o sal de Seignette3 e o de Rochelle, titanato de brio e outros. Esta classificao dos dieltricos permite que suas propriedades eltricas sejam at certo ponto pr-determinadas. 18.12 Materiais dieltricos de maior utilizao, e suas constantes dieltricas Um considervel nmero de cermicos e polmeros so usados como materiais isolantes. Muitas das cermicas, inclusive vidro, porcelana, esteatita, e mica, tm constantes dieltricas na faixa 6 a 10. Estes materiais tambm exibem um grau alto de estabilidade dimensional e resistncia mecnica. Aplicaes tpicas incluem isolamento eltrico de Linhas de Transmisso, bases de chaves seccionadoras (e/ou interruptores), e receptculos de lmpadas. O xido de titnio (TiO2) e as cermicas de titanato, tais como titanato de brio (BaTiO3), podem ser fabricadas para ter constantes dieltricas extremamente altas que as fazem especialmente teis para algumas aplicaes capacitivas. A magnitude da constante dieltrica para a maioria dos polmeros menor que para as cermicas, uma vez que estas ltimas podem apresentar os maiores momentos de dipolo; os valores da constante dieltrica para polmeros geralmente situam-se entre 2 e 5. Estes materiais geralmente so utilizados para isolamento de fios, cabos, motores, geradores, e assim por diante, e, alm disso, para alguns tipos de capacitor.\nO Tartrato misto de potssio e sdio (KNaC4H4Ou64H2Ou) chamado comummente Sal de Seignette ou Sal da Rochelle foi descoberto em 1672 por Pierre Seignette, farmacutico da Rochelle.\n18.13 Outros Materiais dieltricos e suas aplicaes Outros exemplos de materiais isolantes so: vernizes isolantes, compostos isolantes, tintas isolantes, diluentes e solventes e gases isolantes. 18.13.1 Vernizes isolantes Podem ser classificados conforme sua finalidade: para impregnao; para esmaltao; adesivos. Consistem de resinas sintticas, fenlicas, polisteres puros ou modificados, epxis e asflticas, diludas com solventes volteis que so eliminados pela secagem ao ar ou estufa. Devem ser escolhidos com cuidado a fim de melhorarem as caractersticas de resistncia temperatura, bem como os sistemas de isolamentos. So usados especialmente como materiais aglutinantes, como material de enchimento e para revestimento. Normalmente os vernizes esto definidos em 4 categorias: Classe A - Secagem ao ar ou estufa at 105 C; Classe B - Secagem em estufa a 135C; Classe C - Secagem em estufa a 155 C; Classe D - Secagem em estufa a 180 C. 18.13.2 Compostos isolantes Os compostos tm por finalidade a impregnao de materiais porosos, tais como: madeiras, fibras, telas de papel, etc. Esta impregnao preenche os poros do material, eliminando o ar, a umidade e outras substncias, melhorando assim a rigidez dieltrica e auxiliando na melhoria de outras caractersticas do material. Geralmente so de base asfltica, do tipo termoplstico ou de base epxi do tipo termofixo. 18.13.3 Tintas isolantes As tintas isolantes so utilizadas para cobrir superfcies isoladas ou proteglas contra possveis danos, contra os efeitos de atmosfera corrosiva e umidade. Estas tintas devem ser aplicadas, atendendo as especificaes, dos fabricantes; nem todas as tintas so isolantes, pois algumas so formuladas com componentes condutores, como o caso das tintas metlicas. 18.13.4 Diluentes e solventes Os diluentes ou agentes dissolventes so usados para a fabricao e aplicao de vernizes e tintas. Devido s diversas bases ou resinas bsicas empregadas na fabricao, dos diversos tipos de tintas ou vernizes, deve-se ter o cuidado de utilizar o tipo de solvente recomendado pelo fabricante, para cada tipo de tinta, ou corre-se o risco de destruir as qualidades do produto ou comprometer os resultados.\n18.13.5 Gases isolantes 18.13.5.1 O ar atmosfrico As caractersticas isolantes do ar atmosfrico variam com a umidade relativa. Quando seco suas, propriedades se aproximam muito com as do vcuo. Nas proximidades de um condutor sujeito a uma diferena de potencial o ar se ioniza, resultando em gs condutor. Se a renovao do ar no se efetuar ou se a diferena de potencial crescer, rapidamente o poder dieltrico do ar poder ser rompido, causando assim uma perfurao do isolamento. o ar o isolante natural, entre os condutores de uma linha area, fora dos apoios. 18.13.5.2 Nitrognio um gs de elevada estabilidade qumica, bom poder dieltrico. utilizado para manter a presso interna dos tanques de transformadores, reatores e outros equipamentos, acima da presso atmosfrica e dessa forma evitar a penetrao de umidade. Dada sua elevada estabilidade qumica pouco reagente, no afetando, pois, os demais meios isolantes. 18.13.5.3 O gs SF6 Sintetizado pela primeira vez no ano de 1900, em Paris, teve suas pesquisas para aplicao industrial iniciadas em 1937. Em 1939, o uso em cabos e capacitores foi patenteado. Pesquisas para sua utilizao como meio interruptor so de 1950 e equipamentos blindados e isolados SF6 surgiram a partir de 1970. O SF6 gs um dos gases de maior densidade (6,16 kg/m), quase 5 vezes maior que a do ar. um gs incolor, inodoro, no txico, quimicamente inerte e estvel e no inflamvel. Sua estrutura molecular est representada na Figura 18.29.\nFigura 18.29 - Estrutura molecular do SF6. O gs apresenta propriedades trmicas e eltricas notveis: elevada rigidez dieltrica: a 1 atm, mais que 2 vezes a do ar ou do nitrognio, e a 3 atm igual ao do leo isolante. alta eficcia como supressor de arco: comparativamente ao ar 10 vezes mais eficiente, num tempo 100 vezes menor.\nproduz enorme reduo do nmero de eltrons livres (grande afinidade eletrnica do flor), restabelecendo a rigidez dieltrica. Quanto decomposio do SF6, tem-se que: aps arco o gs SF6 tem grande capacidade de recombinao: SF6 S + 6F no entanto ocorre decomposio acima de 500 C e principalmente sob arco eltrico. os principais sub-produtos so gasosos e slidos. a presena de umidade e os compostos cidos (HF). a umidade no gs SF6 pode ser proveniente de: permeabilidade da gua atravs de orings; difuso atravs de vazamentos; difuso atravs da micro-porosidade do alumnio; absoro de gua pelos materiais orgnicos (graxas, haste de acionamento, isoladores polimricos). O controle consiste em manter o teor dentro dos limites especificados.\n18.14 Aplicao dos dieltricos Os dieltricos se dividem em trs principais categorias: a) Aqueles com < 12 ; b) Aqueles com > 12 ; c) Os ferroeltricos. A primeira categoria pode ainda se subdividir em subcategorias com base na temperatura de operao. O algodo a seda, o papel e vrios polmeros e lquidos so usados quando a temperatura no excede 90C. Materiais inorgnicos como a mica e o absteto e materiais orgnicos so utilizados a temperaturas de at 130C. Aglutinantes de silicone podem ser usados at a temperatura de 180C. Aplicaes em temperaturas superiores requerem isolantes de mica, porcelana, vidro e outros materiais inorgnicos similares. Estes ltimos so utilizados em aplicaes que envolvem alta tenso, pois so menos sensveis a rupturas. Neste caso necessrio que o dieltrico no absorva a umidade de modo a manter elevada rigidez dieltrica. Para diminuir a absoro de umidade, e ainda eliminar poros e fissuras da superfcie, que podem facilitar a conduo eltrica, esses dispositivos geralmente tem a sua superfcie vitrificada. 18.15 Materiais isolantes slidos Isolante eltrico todo material de to baixa condutividade que a pequena corrente que passa por ele, quando submetido a uma diferena de potencial, pode ser desprezada. Isolador um corpo constitudo por material isolante. Corrente de fuga so as correntes que fluem pelos materiais isolantes.\n18.15.1 Propriedades dos materiais isolantes Ao escolhermos um material isolante, temos que levar em conta as seguintes propriedades: propriedades mecnicas: resistncia trao, compresso, esforos cortantes, frico, absoro de umidade e gases, e ainda, dureza, fragilidade, ductibilidade, dilatao e contrao. propriedades eltricas: resistncia de isolamento superficial, resistncia de isolamento volumtrica, rigidez dieltrica, resistncia impulso, absoro dieltrica, perda de potncia, fator de potncia, resistncia ao arco. propriedades qumicas: estabilidade de composio, resistncia aos cidos, lcalis, leo, luz solar, corroso e umidade, ponto de inflamao, combustibilidade. propriedades trmicas: resistncia trmica, calor especfico, coeficiente de dilatao trmica e ponto de fuso, ebulio, de solidificao e viscosidade. 18.15.2 Resistncia de isolamento Quando dois condutores so separados por um material isolante, a aplicao de uma diferena de potencial eltrico entre os dois condutores corresponde circulao de uma corrente de fuga. A resistncia eltrica oferecida circulao desta corrente a Resistncia de Isolamento. Em geral, temos dois caminhos possveis para a corrente de fuga nos isolantes: atravs do corpo do isolante; sobre a superfcie do isolante. Estes caminhos apresentam, cada um, sua prpria resistncia. Logo temos: resistncia de isolamento volumtrica; resistncia de isolamento superficial. Conforme o tipo de aplicao, uma ou outra destas resistncias de isolamento de maior importncia. Na prtica, a fuga superficial aumenta em funo da deposio de matrias estranhas que, originando uma pelcula, prejudicam o isolamento. Outros fatores podem ser considerados, tais como a umidade relativa e a temperatura. O circuito equivalente de um dieltrico real, a grosso modo, pode ser apresentado como na Figura 18.30.\nFigura 18.30 - Circuito equivalente de um dieltrico real No circuito da Figura 18.30, C e ri, representam, o ramos percorridos pela corrente dentro do dieltrico. Ai est o elemento responsvel pelo aquecimento da\nmassa do material. O ramo de rf percorrido pela componente superficial da totalidade da fuga existente. No dieltrico ideal, ri seria zero e rf seria infinito. Os valores de C, ri e rf no so constantes em todas as condies de trabalho, sendo influenciados por, temperatura, freqncia, fadiga do material e umidade relativa. 18.15.3 Medida da resistncia de isolamento Resistncia de Isolamento Superficial: medida entre dois lados opostos de um quadrado de uma unidade de lado, situado na superfcie do isolante (Figura 18.31). A resistividade volumtrica mede-se entre duas faces opostas de um cubo de aresta unitria. As perdas prprias do material podem variar de acordo com a umidade relativa do ar. Sabemos que a umidade tem a propriedade de reter as partculas (p) existentes na atmosfera e, como estas, geralmente, so condutoras, provocam o aumento da corrente de fuga nos materiais isolantes. No s a gua provoca a formao de uma pelcula de sujeira nos materiais isolantes, mas tambm o leo, graxas, etc.\nFigura 18.31 - Medio da resistncia de Isolamento Superficial Portanto, as perdas prprias do material (volumtricas) somadas s perdas superficiais formam as perdas totais. Logo, as perdas totais dependem em grande parte das condies de limpeza da superfcie do material isolante. 18.15.4 Valores da resistncia de isolamento Geralmente os materiais isolantes so classificados no pela corrente de fuga, mas pela resistncia de isolamento, medida em Megaohm (ou megohm). Como ilustrao, na tabela 18.8 so apresentadas as resistncias superficiais e volumtricas para alguns materiais. A preciso das medidas baixa (meramente comparativa). A mesma experincia pode apresentar vrias discrepncias, quando repetidas. A umidade foi variada para cada grupo de materiais.\nTabela 18.8 - Valores da resistncia de isolamento Rsuperficial, Megohms Material 50% 70% 90% umidade umidade umidade mbar (resina fssil) 6x108 2x108 1x105 Cera de abelha 6x108 6x108 5x108 Celulide 5x104 2x104 2x103 4 3 Fibra de vidro 2x10 3x10 2x102 Placa de vidro 5x104 6x10 2x10 3 Vidro Kavalier 4x10 1x103 Borracha (nova) 3x109 1x108 2x103 Marfim 5x103 1x103 3x10 8 8 Cimento Khotinsky 7x10 3x10 5x105 Mrmore italiano 3x103 2x102 2x10 7 5 Mica incolor 2x10 4x10 8x103 Parafina 9x109 7x109 5x10 5 3 6x10 7x10 5x10 Porcelana (no esmaltada) Quartzo 3x106 2x103 2x102 Breu 6x108 3x108 2x108 Cera sinttica 2x109 6x108 9x107 7 6 Verniz 6x10 3x10 7x103 Ardsia 9x10 3x10 1x10 9 9 Enxofre 7x10 4x10 1x108 8 5 3 Madeira 4x10 5x10 7x10\nRvolumtrica MxC 5x1010 2x109 2x104 5x103 2x107 8x109 1x1012 2x102 2x108 1x105 2x1011 1x1010 3x108 5x1012 5x1010 8x109 1x1010 1x102 1x1011 7 4x10\nA medio da resistncia de isolamento de materiais isolantes, ou seja, do isolamento de mquinas eltricas e equipamentos realizada em corrente contnua atravs normalmente de instrumento denominado Meghmetro (ou Megger). Existem vrios tipos de Megger, com tenses de ensaio de 500, 1000, 5000 ou 10.000 Vdc e modos de operao manual ou motorizado, com retificador e bateria, mas os princpios de operao so os mesmos para todos os tipos de instrumentos. O ensaio de resistncia de Isolamento um timo meio de deteco e preveno de defeitos na isolao de equipamentos eltricos. Atravs dele pode-se determinar preventivamente se a isolao est deteriorada, antes que ocorra um defeito.\n18.16 Ensaio de absoro dieltrica O ensaio de absoro dieltrica proporciona consideravelmente mais informaes sobre a condio da isolao do que o teste anterior. Ele particularmente til para um diagnstico quando nenhum registro anterior da resistncia de isolao est disponvel. O meghmetro aplicado aos terminais do equipamento sob ensaio e lida a resistncia de isolamento a cada minuto at completar os 10 minutos. Uma curva elevando-se ininterruptamente, indicar um enrolamento limpo e seco, mas uma curva que se achata rapidamente indica isolamento sujo e mido. O ensaio usualmente feito com meghmetro de 500 a 5000 Volts, geralmente\nindependente da temperatura. Mas devido que a temperatura deva estar a poucos graus do ponto de orvalho, para prevenir condensao da umidade na isolao, geralmente melhor conduzir o ensaio aps a parada da mquina, ou do equipamento. A Figura 18.32, a seguir, mostra curvas tpicas de variao da resistncia de isolao com o tempo para enrolamento da armadura de mquinas de classe B. A razo de duas leituras tempo x resistncia, tal como uma leitura de 60 segundos dividida por uma leitura de 30 segundos chamada Razo de Absoro Dieltrica. Se a razo uma leitura de 10 minutos por uma leitura de 1 minuto, o valor chamado de ndice de Polarizao. Essas razes proporcionam um quantidade avalivel da condio da isolao com respeito a umidade e outros contaminantes. Os valores recomendados do IP, que determinam se enrolamentos de mquina esto limpos e secos so: isolao classe A 1,5 ou mais; isolao classe B 2, O ou mais e para isolao classe F 2,5 ou mais. Se o ndice de polarizao for menor do que 1, indica a necessidade de um imediato recondicionamento.\nFigura 18.32 - Curvas tpicas mostrando a variao da resistncia de isolamento com o tempo para isolamento de classe B. A Tabela 18.9 d valores das razes e dos ndices e as correspondentes condies da isolao que as mesmas indicam.\nTabela 18.9 - Condio da isolao indicada pelas razes de absoro dieltrica e ndice de polarizao pela aplicao de uma tenso de 500 V c.c. Razo de absoro Condio da isolao ndice de polarizao dieltrica Perigoso menor que 1 Ruim menor que 1,1 menor que 1,5 Questionvel 1,1 a 1,25 1,5 a 2 Regular 1,25 a 1,4 2a3 Boa 1,4 a 1,6 3a4 Excelente acima 1,6 acima de 4 ** ** Em muitos casos valores aproximadamente 20% maior do que os mostrados indicam um\nenrolamento seco e quebradio que falham sob condio de choques ou durante o incio de funcionamento (na partida).\n18.17 Tipos de materiais isolantes e sua classificao pela temperatura Cada material pode suportar determinada temperatura sem se deteriorar e os organismos de normalizao (ABNT, por exemplo) classificaram os materiais isolantes segundo a temperatura que suas substncias bsicas suportam, conforme a Tabela 18.10: Tabela 18.10 - Classificao materiais isolantes pela temperatura que suportam Designao da Classe Alguns materiais representativos da classe classe algodo, seda e papelo no impregnado, (fibras de 90 C Y (O) celulose e derivados) algodo, seda e papel impregnados ou revestidos ou 105 C A quando imersos em lquido isolante. E Laminados de celulose e resinas 120 C mica, fibra de vidro e asbestos, com substncias 130 C B aglutinantes adequadas s elevaes de temperaturas correspondentes, mica, fibra de vidro e asbestos, com substancias 155 C F aglutinantes adequadas s elevaes de temperaturas correspondentes. elastmeros de silicatos, mica, fibra de vidro e 180 C H asbestos, com substancias aglutinantes adequadas s elevaes de temperaturas Acima de materiais formados inteiramente por mica, porcelana, C vidro, quartzo e materiais orgnicos semelhantes. 180 C A seguir mostraremos algumas caractersticas de alguns materiais isolantes e tipos de materiais isolantes empregados em grandes mquinas.\n18.18 Materiais isolantes 18.18.1 Mica e produtos de mica A mica isolante derivada de uma classe de mineral que possui uma estrutura laminada muito fina e facilmente susceptvel a rachaduras, os flocos so flexveis e consistentes e extremamente resistentes ao calor. As duas classes mais comumente usadas para finalidade eltricas so: mica ferro magnsia flogopita (1), tambm chamada mbar ou mica prata e (2) a mica de potssio moscovita, chamada de ndia, Branca, Rubi ou Mica Potassa (potash mica). A mica flogopita produzida principalmente em Madagascar e Canad. A moscovita produzida principalmente na ndia, Estados Unidos, frica e Amrica do Sul. A mica para fins eltricos deve ser rigorosamente selecionada. A resistividade da mica a 25 C varia eu torno de 1012 a 1016 ohms.cm . O valor da resistividade depender evidentemente de impurezas e ser tanto menor, quanto maior a temperatura. As micas so variveis e complexas na composio. A mica moscovita cuja composio ideal K2Al4Al2Si6O20 (OH)4, possui um aspecto luminoso. Suas cores mais comuns so : branca, rubi (cor de vidro), verde ou marron. A mica flogopita cuja composio ideal K2Mg6Al2Si6O20 (OH)4, possui um aspecto opaco. Suas cores mais comuns so : amarelo plido (mbar), prata a marron. A mica moscovita mais rgida e menos flexvel comparada com a flogopita. Caracterstica da mica: mudana da constante dieltrica com a temperatura e mudana do fator de potncia com a temperatura. A rigidez dieltrica da mica em torno de 160 kV/mm, que corresponde ao valor mximo do gradiente de potencial que pode existir dentro do dieltrico sem que haja ruptura do poder isolante. A resistncia ao corona com flocos de mica muito alta comparada com materiais orgnicos. 18.18.2 Asbestos (material inorgnico) Asbestos um material cristalino fibroso, e a crislita a principal fonte para o uso comercial. uma slica hidratada de magnsia cuja frmula tem a composio 3MgO, 2SiO2, 2H2O. Todavia, a composio pode variar de 37 a 44% de xido de silcio, 39 a 44% de xido de magnsio, 12 a15% de H2O, e acima de 6% de xido de ferro. Tem uma densidade especfica de 2,2 a 2,6. Individualmente as fibras so muito resistentes, apresentando uma tenso de ruptura acima de 400.000 lb/in2 ; o mineral perde a gua aproximadamente a 400C e torna-se quebradio. A temperatura de 700 C toda a gua removida e a 775C a estrutura cristalina modificada, temperatura de fuso do asbestos em torno de 1525C. Principais lugares onde so encontrados : Canad, Estados Unidos, Turquia, Rodsia e China. Muitos asbestos tem magnetita, e outros xido de ferro como impurezas. Existem processos desenvolvidos para remover impurezas e obter boas propriedades de isolao eltrica. Os asbestos no bom isolante a no ser se for totalmente seco. Ele absorve prontamente toda a umidade para muitas aplicaes eltricas. Para que possa ser aplicado para fins eltricos ele secado e impregnado com vernizes ou aglutinantes inorgnicos, como solues de fosfato. Processos refinados tm-se desenvolvido para remover eletrlitos solveis na gua e xido de ferro. s fibras, so ento dispersas e transformadas em folhas\nfinas como na fabricao de papel. Esses produtos so chamados de Quinterra e Novabestos. Os materiais so geralmente usados para impregnao ou laminados. Asbestos so tambm usados para prover barreiras de separao onde resistncia ao calor, propriedades de resistncia a arco so requeridos. Revestimentos com Asbestos so usados para melhorar a segurana eltrica. Asbestos so usados tambm em isolamento prova de fogo. 18.18.3 Vidro O vidro uma substncia amorfa (sem forma determinada, diz-se de uma substncia que no apresenta estrutura cristalina) s vezes constituda de silicatos, embora em muitos casos de borato (sal ou ster do cido brico), fosfatos etc. Muitos vidros so feitos pela fuso juntamente com alguma forma de slica tal como a areia, xido de lcali tal como os originados do potssio ou soda, e alguma outra base como o cal ou xido de chumbo. um material firme e quebradio quando frio, mas com o calor ele amolece, tornando plstico e finalmente fludo. Pode ser prensado e fundido em uma grande variedade de moldes. As cores so obtidas pela introduo de xidos metlicos que absorvem luz com apropriado comprimento de onda. O nmero de frmulas bastante variado, mas a constituio mais importante SiO2 (slica), que geralmente pode ser de 50 a 90% do valor constitudo. O vidro geralmente possui alta resistividade e alta rigidez dieltrica temperaturas baixas. Porm, existem vidros que podem se tornar semi-condutores pela adio de material como xido de vandio (V205). A resistividade tpica do vidro temperatura ambiente de 1011 a 1018 ohms.cm . A resistividade pode chegar a 1019 ohms.cm, fundindo-se a slica pura de alta qualidade. O coeficiente de temperatura negativo. A altas temperaturas os vidros tornam-se bastante condutivos e eventualmente quando fundidos possuem uma alta condutividade. As propriedades mecnicas do vidro em geral so certamente escassas, com tenso de ruptura muito baixa, da ordem de 2000 a 12000 Lb/in2. Entretanto a ruptura a compresso muito alta, variando de 20.000 a 50.000 Lb/in2. A densidade dos vidros comuns varia de 2,2 a 2,8; entretanto o cristal, que contm silicato de chumbo, tem uma densidade de 5,9. O coeficiente de dilatao trmica, varia consideravelmente com a composio e tem um valor de 0,8 x 10-6 a 13 x 10-6 / C. A rigidez dieltrica do vidro, como todos os slidos, varia com as condies de teste, e variam de 5 a >100 (kV/mm); uma vantagem do vidro, que ele resiste ao efeito corona e tem uma grande durabilidade esse efeito, comparado com materiais orgnicos. 18.18.4 Fibra e tira de vidro Vidro em folhas finas ou tiras torcidas com espessuras abaixo de 0,0025 cm pode ser utilizado em capacitores. Tambm, processos tm-se desenvolvidos para produzir fibras de vidro de 0,0005 cm de dimetro, as quais so 2x103torcidos em fios e tranados. As fibras so feitas por vidro derretido atravs de orifcios pequenos. Essas fibras so feitas com pano de vidro, fita, e usadas com resinas orgnicas como um agente de ligao.\nMuitas vezes as fitas de vidro so combinadas com a mica para laminao de bobinas e isolao de ranhuras. 18.18.5 Composio mica + vidro Esta uma composio incluindo mica moda, um ligador vtreo fundvel de vidro macio, ou borato de chumbo (borato = designao genrica dos sais e steres dos cidos bricos), com uma proporo de 2 partes de mica para1 parte de vidro macio. A mistura aquecida a uma temperatura suficiente para amolecer o vidro, ento o produto moldado, com prensa hidrulica, atravs do calor. Este um material vtreo que pode ser mecanizado, serrado, perfurado e encardaado. O material tem sido usado para faciamento de tubos de vcuo, isolao de juntas de cano etc. Sua temperatura de utilizao de 250 C. Seu tradicional note Micalex. utilizado no isolamento de condutores. 18.18.6 Porcelana usada para isolao eltrica consistindo aproximadamente de 28% de argila de loua, 10% de argila de terra, 35% de feldspato, 25% pedra, e 2% de talco. O feldspato que tem a composio K20 Al2O3 6SiO2, serve para ajudar a dissolver os materiais mais insolveis, argila e quartzo. A porcelana geralmente fundida a 1200C. Durante o processo existe uma contrao de 12%. A rigidez dieltrica da porcelana elevada e comparvel a alguns tipos de vidro, estes valores correspondem ao valor mximo de gradiente de potencial que pode existir dentro do dieltrico sem que haja ruptura do poder isolante. 18.19 Comportamento eletromagntico dos materiais cermicos Os materiais cermicos so conhecidos pelo seu uso como isolantes eltricos. Como resultado de (1) suas altas constantes dieltricas, (2) suas reaes piezeltricas e (3) seu comportamento dieltrico, os materiais cermicos atendem os fundamentos dos circuitos eletromagnticos. Finalmente, os xidos de muitos dos elementos de transio so semicondutores. Cermicos dieltricos - Muitos xidos servem bem como isolantes porque a valncia eletrnica dos tomos metlicos transferida permanentemente para os tomos de oxignio formando ons O2-. Vamos nos referir aos isolantes de velas de ignio, os ons Al3+ cercam os eltrons de valncia que carregariam o alumnio metlico. Estes eltrons esto agora presos firmemente pelos ons oxignio. Em outros materiais isolantes, os ons Mg2+ perdem seus eltrons para os ons O2- no MgO; e o silicato e o oxignio compartilham eltrons com o tetraedro do SiO4. Como resultado, composies de MgO - AI2O3 formam alguns dos melhores isolantes. Entretanto, materiais normalmente considerados isolantes podem falhar no isolamento, quando submetidos a altas voltagens. Geralmente, esta falha um fenmeno de superfcie. Por exemplo, as velas de um automvel podem ser curto circuitadas em uma manh mida, em virtude da condensao de umidade na superfcie, o que passa a permitir a passagem de corrente. Os isoladores so projetados de forma a terem caminhos na superfcie os mais longos possveis (ver Figura abaixo), a fim de diminuir a possibilidade de um curto-circuito atravs da superfcie; como a presena de poros e fissuras facilita a conduo, as superfcies\nso geralmente vitrificadas, o que as toma no-absorventes. A falha de isolamento atravs do volume do material ocorre apenas em gradientes de voltagem extremamente elevados. Um campo eltrico muito forte pode ser suficiente para romper os dipolos induzidos no isolador, e, quando se atinge o valor crtico dessa ruptura, o material deixa de ser isolante. 18.20 Isolantes slidos usados na fabricao de transformadores 18.20.1 Papel Desde h muito tempo (1920-1925) o papel representa um material indicado para o isolamento eltrico, tendo substitudo a proteo de algodo nos enrolamentos dos transformadores. Alm de ser um material relativamente barato, sua estrutura permite-lhe ser facilmente impregnado e sua associao com um impregnante bem escolhido confere-lhe timas propriedades. O impregnante atualmente associado ao papel , mais freqentemente, um leo mineral. O papel formado de longas fibras tubulares, cujo principal constituinte a celulose, a qual entra igualmente na composio dos papeles, amplamente utilizados em numerosos isolamentos e destinados, sobretudo, a assegurar uma certa resistncia mecnica. Os papis de algodo e os papis derivados do cnhamo de manilha foram, durante muito tempo, os nicos a oferecer propriedades satisfatrias para o uso na indstria eltrica. Atualmente, sabe-se fazer papis partir das madeiras, por processos qumicos, e o papel "kraft" obtido a partir de conferas , hoje em dia, o papel mais utilizado na indstria eltrica. A celulose, que o principal constituinte do papel, apresenta-se sob a forma de longas cadeias que so a repetio de um nmero mais ou menos grande de anis de glicose (da ordem de 1200/1300), cuja frmula estrutural aprensentada na Figura 18.33.\nFigura 18.33 - Frmula estrutural da celulose. Na madeira, estas cadeias constituem feixes de 200 a 250 macromolculas em paralelo - os filamentos micelares - os quais, reunidos, formam as fibrilas. As fibras de madeira so constitudas de vrios conjuntos destas fibrilas. O grau de polimerizao molecular o nmero mdio de anis de glicose C6H8O5 - da molcula de celulose. A Figura 18.34 mostra uma distribuio estatstica dos valores do grau de polimerizao de papis novos destinados ao isolamento de transformadores, a partir de cerca de 400 amostras numa experincia do laboratrio central da indstria eltrica francesa.\nFigura 18.34 - Exemplo tpico de distribuio dos valores do grau de polimerizao de papis novos destinados ao isolamento de transformadores. No curso de degradao da celulose, o seu grau de polimerizao decresce continuamente - desde 1200/1300 at aproximadamente 100. Existe uma estreita correlao entre o grau de polimerizao e as qualidades mecnicas do papel. A Figura 18.35 mostra a perda de resistncia a ruptura medida que decresce o grau de polimerizao. V-se que para valores de grau de polimerizao inferiores a 150, o papel praticamente perdeu sua resistncia mecnica.\nFigura 18.35 - Correlao entre a resistncia mecnica trao e o grau de polimerizao. A temperatura mxima do papel kraft neutro usado para isolar os condutores do enrolamento do transformador, imerso em leo isolante, 55C acima da temperatura ambiente, sem que haja degradao da celulose. Com o objetivo de poder aumentar os aquecimentos no material eltrico de grande porte, notadamente nos transformadores, procurou-se melhorar a estabilidade trmica do papel atravs de modificaes qumicas, surgindo, assim, os papis termicamente estabilizados. Estas modificaes esto baseadas, na maior parte, na substituio parcial dos grupos hidroxila - OH - da celulose por grupos quimicamente mais estveis, que podem conferir, inclusive, uma higroscopicidade menor ao papel. A temperatura mxima de trabalho do papel termicamente estabilizado imerso no leo isolante 65 C acima da temperatura ambiente. 18.20.2 Fenolite formado de conjuntos de lminas de papel kraft aglutinado com resina fenlica, prensado sob condies especficas de presso e temperatura e, posteriormente, curado. Possui timas qualidades mecnicas e eltricas, alm de ser de fcil transformao. usado em corpos de anis estticos, na estrutura de comutadores lineares, em cunhas do ncleo e em alguns calos.\n18.20.3 Presspan Sua constituio provm de fibras de celulose de alta qualidade e de natureza lamelar. Como o nome j diz, obtido por prensagem. Este material estratificado usado na fabricao da grande maioria dos calos e estecas que se encontram no transformador bem como capas, barreiras, canaletas, anis, etc. Tendo em vista que este material submetido a intensos campos eltricos em certas regies do transformador, o mesmo deve ser livre de impurezas, principalmente em equipamentos de extra alta tenso. 18.20.4 Permawood Sua fabricao constitui-se da prensagem de lminas de madeira com resina e empilhadas de maneira que as fibras fiquem sobrepostas transversalmente. Possui propriedades mecnicas muito boas e propriedades eltricas boas. usado em suportes de cabos e conexes, anis de presso e escora, bem como em alguns tipos de calos.\n18.21 Referncia bibliogrfica do captulo CALLISTER, W. D. Jr. Materials Science and engineering: an introduction. J. Wiley & Sons, 1997. SHACKELFORD, James F. Ciencia de materiales para ingenieros. 3. ed. Mxico: Prentice Hall, 1995. VAN VLACK, Laurence Hall. Princpio de cincia dos materiais. E. Blucher. WULFF, J.: SHEPARD, L. A.; ROSE, R. M. Electronic properties. Vol. IV, J. Wiley & Sons, Inc. 1965. REZENDE, E. M Materiais usados INTERCIENCIA LTDA. Rio de Janeiro, 1977. em electrotcnica. LIVRARIA\nSMITH, W. E. Materiais Eltricos , VI, VII. Blucher. 1977. SMITH, W. F. Princpio de cincia e engenharia dos materiais. 3 ed. Portugal: McGraw-Hill, 1998.\nExerccios Questes de 1-20 so obrigatria para todos, entregar em duplas. 1.) Quais so as principais propriedades dos Materiais Isolantes slidos? 2.) As propriedades eltricas dos materiais isolantes slidos so: Resistncia de isolamento superficial, resistncia de isolamento volumtrica, rigidez dieltrica, resistncia impulso, absoro dieltrica, perda de potncia, fator de potncia, resistncia ao arco. Defina cada uma de essas propriedades.\n3.) Como realizado o ensaio de Resistncia de Isolamento Superficial? 4.) Como realizado o ensaio de Resistncia de Isolamento Volumtrica. 5.) Elabore uma tabela comparativa dos valores de Resistncia de Isolamento Superficial e Volumtrica. 6.) O Ensaio de Absoro Dieltrica proporciona importantes informaes sobre as condies da isolao do material, como realizado o ensaio? . 7.) Como se classificaram os materiais isolantes segundo a temperatura que as substncias suportam? Faa uma tabela. 8.) Como podem ser classificados os materiais isolantes segundo: sua natureza (ou estado fsico): sua origem: sua composio: sua temperatura mxima de trabalho. De exemplos. 9.) A maior parte da isolao slida dos transformadores constituda de papel e, portanto, de natureza celulsica. Descreva as caractersticas do tipo de papel utilizado neste caso, qual a estrutura molecular do mesmo. 10.) Quais os mecanismos de degradao que sofre o papel isolante utilizado em transformadores. 11.) Quais os tipos de degradao que o papel pode sofrer? 12.) Existem vrios ensaios para avaliar o envelhecimento do papel isolante, quais so? 13.) Quais as principais funes de um lquido isolante dentro de um equipamento eltrico-. 14.) Quais os tipos de leos utilizados como isolantes em equipamentos eltricos, qual sua origem. 15.) Os ensaios determinam as caractersticas bsica que permitem verificar o comportamento do leo quanto sua funo de resfriamento e isolao, quais so esses caracteristicas?. 16.) Os ensaios determinam as caractersticas bsica que permitem verificar o comportamento do leo, quais so esses ensaios? 17.) As propriedades fsicas de um leo isolante so obtidas pelos ensaios de: densidade, tenso interfacial, cor, ponto de fulgor, viscosidade, ndice de refrao e ponto de anilina. Em que consistem esses ensaios? 18.) Quais as propriedades qumicas que so medidas e quais os ensaios indicados? 19.) Descreva cada um de esses ensaios qumicos. 20.) Quais os ensaios realizados para um controle das caractersticas eltricas de leo isolante? Como so realizados esses ensaios? 21.) De que maneira a adio de impurezas pode alterar a condutividade eltrica de um material (a) condutor e (b) semicondutor? Se o material for um isolante eltrico, como impurezas, podem alterar o valor de sua permissividade eltrica? Essa alterao depende da freqncia da tenso alternada aplicada? Explique. 22.) Cite pelo menos duas propriedades importantes para a caracterizao de um material isolante eltrico (dieltrico). 23.) Explique porque o fator de perda dieltrica ( = tg) do cloreto de polivinila alto para tenses alternadas com freqncia prxima de 10 Hz. Como a temperatura pode influir no valor de ? 24.) So desejveis capacitores que tenham alta capacidade de estocagem de carga e baixo fator de dissipao. Durante a fabricao de um dieltrico constitudo de material cermico, que propriedades so importantes e que fatores devem ser controlados?\n25.) Um disco de 2cm de dimetro por 0,025 cm de espessura constitudo de enstatita apresentou uma capacitncia de 7,2 IJF e um fator de dissipao de 72. Determinar: a) A permissividade eltrica b) O fator de perda dieltrica c) A susceptibilidade eltrica d) A permissividade eltrica complexa 27.) Um capacitor plano com ar entre as placas carregado a um potencial V por meio de uma bareria que , ento, desligada. Em seguida, um dieltrico introduzido entre as placas. Descreva qualitativamente o que acontece carga, capacitncia, ddp entre as placa e a intensidade do campo eltrico. 28.) Por que a permissividade eltrica de um dieltrico pode depender da freqncia da tenso alternada a ele aplicada? Essa dependncia sempre influenciada pela temperatura? Por que?. 29.) A polarizao de um material ferroeltrico dada por P= (r - 1 ) 0 E, onde r sua permissividade eltrica relativa, 0 permissividade eltrica do vcuo (= 8,85x10- F/m) e E a intensidade do campo eltrico aplicado. (a) Que tenso deve ser aplicada a um cristal do 0,1mm de espessura do material B (Figura 1), para eliminar totalmente sua polarizao, desorientando seus dipolos. (b) Que intensidade de campo eltrico deve-se aplicar ao material A, inicialmente despolarizado, para causar uma polarizao de 6x10 c/m ? Calcule a permissividade eltrica desse material nesse ponto.\nFigura 1 - Curvas de histerese para dois materiais ferroeltricos.\n30.) O ao ao silcio com gros orientados superior ao ao ao silcio ordinrio como material magntico mole, por ter uma perda de energia por ciclo de histerese nitidamente menor. Usando os dados da tabela I, explique, com auxlio do ciclo de histerese, por que o material com gros orientados tem somente cerca de da perda de energia do ao ao silcio ordinrio. 31.) Defina, brevemente, o que voc entende por: a) Permissividade eltrica relativa b) Fator de dissipao eltrica c) Rigidez dieltrica d) Temperatura de Curie de um material ferroeltrico e) Piezoeletricidade f) Polarizao e polarizabilidade 31.) Em um capacitor plano e com ar entre suas placas se aplica uma ddp fixa. Se introduzirmos entre as placas um dieltrico a quantidade de carga por ele armazenada aumentar? Explique. 32.) Explique, sucintamente, o que voc entende por: a) Rigidez dieltrica b) Temperatura de Curie de um material ferroeltrico c) Piezoeletricidade 33.) Cite os principais tipos de polarizaes que podem ocorrer em um dieltrico, explicando sucintamente cada um deles. Que relao existe entre permissividade eltrica de um material e as polarizaes que nele podem ocorrer? Como e por que a freqncia da tenso aplicada a um dieltrico pode influir no seu fator de dissipao (tg)?\nDokumen Serupa dengan MATERIAIS DIELÉTRICOS\nLainnya Dari plisd