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Dielétricos

Dielétricos são meios isolantes que sofrem polarização ao serem sujeitos a grandes intensidades de campo elétrico.

Os dielétricos são colocados em volta de fios de alta tensão para que se evite a ruptura dielétrica do ar ao seu redor.
Os dielétricos são colocados em volta de fios de alta tensão para que se evite a ruptura dielétrica do ar ao seu redor.

Dielétrico é o nome dado aos materiais que têm propriedades isolantes e que podem ser facilmente polarizados, geralmente são meios que dificultam a formação de correntes elétricas. Os dielétricos polarizam-se quando sujeitos a um grande campo elétrico externo, essa propriedade concede a esses materiais diversas aplicações tecnológicas nas áreas de eletrônica, óptica, biofísica etc.

Função

  • Barrar a passagem da corrente elétrica

  • Acumular cargas elétricas em razão de sua polarização

  • Evitar a ruptura dielétrica do ar em fios de alta tensão

  • Isolar componentes elétricos

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Como ocorre a polarização de materiais dielétricos

Quando os materiais dielétricos são colocados em uma região de campo elétrico intenso, pouca ou nenhuma corrente elétrica é capaz de fluir através deles. Isso ocorre porque esses materiais são pouco condutores. Ao propagar-se no interior dos dielétricos, o campo elétrico causa a polarização das suas moléculas, isto é, os portadores de cargas do material são levemente deslocados de sua posição de origem, fazendo com que um campo elétrico oposto ao campo elétrico externo surja, anulando-o.

A figura a seguir mostra como ocorre a polarização do dielétrico. Em branco, temos uma representação das moléculas do dielétrico, o campo elétrico externo “puxa” as cargas negativas em sua direção, produzindo, assim, uma separação de cargas que dá origem a um campo elétrico de polarização, oposto ao campo elétrico externo:

O campo elétrico externo polariza o meio dielétrico.
O campo elétrico externo polariza o meio dielétrico.

Ruptura da rigidez dielétrica

A ruptura da rigidez dielétrica ocorre quando o campo elétrico externo aplicado a um dielétrico é grande o suficiente para que esse material deixe de ser um isolante elétrico e passe a ser condutor de eletricidade. Quando isso ocorre, os elétrons desse material, que antes eram fortemente ligados aos núcleos atômicos, passam a ser conduzidos através da sua rede cristalina. Esse processo é geralmente violento, produz uma grande quantidade de calor e pode causar danos irreversíveis ao dielétrico.

Os raios formam-se quando o ar passa a conduzir a corrente elétrica.
Os raios formam-se quando o ar passa a conduzir a corrente elétrica.

A ruptura da rigidez dielétrica também pode ocorrer quando se aquece o material, o aumento de temperatura pode fornecer mais energia aos elétrons, que, quando excitados, são conduzidos mais facilmente.

De modo geral, todos os dielétricos necessitam de grandes quantidades de energia para sofrerem rupturas de rigidez dielétrica, da ordem de, pelo menos, 3 eV (3 elétron-Volts) — cerca de 4,8.10-19 J para cada elétron excitado.

Um exemplo simples que retrata a ruptura da rigidez dielétrica é a formação dos raios: quando o campo elétrico entre as nuvens é alto o suficiente, o ar atmosférico, que é um bom dielétrico, polariza-se no momento em que o campo elétrico excede um valor máximo de 3.106 V/m. Dessa forma, o ar torna-se condutor. A passagem dos elétrons pelo ar produz um enorme aumento de temperatura e emite um estrondo, em razão da alta expansão térmica do ar.

O efeito corona surge em fios de alta tensão, devido ao grande campo elétrico em sua volta.
O efeito corona surge em fios de alta tensão, devido ao grande campo elétrico em sua volta.

Veja também: Fatos curiosos sobre os raios

Exemplos de materiais dielétricos

  • Ar

  • Cerâmica

  • Mica

  • Vidro

  • Plástico

  • Porcelanas

  • Óxidos

  • Água destilada

  • Óleos

  • Borracha

Aplicações

  • Capacitores: Esses são dispositivos elétricos formados por duas placas condutoras “recheadas” por um meio dielétrico. O campo elétrico formado entre as placas polariza esse meio, e isso aumenta grandemente a capacidade desses dispositivos de armazenarem cargas elétricas.

  • Transformadores: Os vernizes utilizados nos fios das bobinas dos transformadores são capazes de isolá-los uns dos outros, bem como o óleo que é utilizado para refrigerá-los tem propriedades dielétricas

  • Sensores diversos: Existe uma grande gama de sensores de pressão, temperatura e luz que utiliza dielétricos para indicar variações mínimas nessas grandezas.

  • Telas touchscreen: As telas dos smartphones são feitas de materiais dielétricos. Quando o dedo toca a tela, fecha-se um circuito similar a um capacitor. Pequenas variações de cargas são detectadas indicando a ocorrência do toque.

Constante dielétrica

Constante dielétrica é a constante física que influencia o acúmulo de cargas de um capacitor. Quanto maior for a constante dielétrica de um meio, maior será a sua capacidade de acumular cargas para uma determinada diferença de potencial. A constante dielétrica é definida como um múltiplo da constante dielétrica do vácuo. A constante dielétrica do vácuo tem valor de ε0 = 8,85418782.10-12 C2N-1m-2.

Qualquer material, senão o vácuo, tem a sua constante dielétrica definida com base na seguinte relação:

ε — constante dielétrica do meio

ε0 — constante dielétrica do vácuo

K — constante dielétrica relativa

Confira os valores de constantes dielétricas de alguns meios conhecidos:

Material

Constante dielétrica relativa (k - C2N-1m-2)

Ar

1,00059

Alumínio

8,1 a 9,5

Papel

4 a 6

Porcelana

6

Óleo

4,6

Mica

5,4 a 8,7

Vácuo

1

Quando um material apresenta uma constante k = 5, por exemplo, isso significa que a sua capacitância será cinco vezes maior que a do vácuo. Se um capacitor receber esse dielétrico entre suas placas, ele será capaz de armazenar cinco vezes mais carga.

Fórmula do capacitor com dielétrico

A fórmula que usamos para capacitores de placas paralelas é mostrada a seguir, observe:

C — capacitância

A — área

d — distância entre as placas do capacitor

Para os casos em que o capacitor tem um dielétrico inserido entre suas placas, devemos levar em conta a constante k, confira:

O dielétrico inserido entre as placas de um capacitor aumenta grandemente sua capacidade de armazenar cargas.

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