Isolantes Elétricos

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CENTRO DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS

[pic 1]

LUCCA DI GIACOMO LEMOS

MURILO REZENDE CESAR

OTÁVIO BOHN PESSATTI

ISOLANTES E DIELÉTRICOS

FLORIANÓPOLIS, NOVEMBRO DE 2017

Sumário

1. Introdução.....................................................................................................3
2. Condução em Isolantes.................................................................................4

1. Origens Microscópicas.......................................................................4
2. Permissividade...................................................................................6
3. Impacto da Frequência no Isolante....................................................7
4. Valores de Referência de Resistividade e Permissividade..................8

1. Experimento..................................................................................................9

1. Análise dos Resultados......................................................................11

 

1. Introdução

A tecnologia é inerente à Engenharia, garantir processos, produtos e materiais cada vez mais eficientes são sinônimos de evolução para a humanidade. A Engenharia Elétrica abrange diversas aplicações pautadas, de alguma forma, pela condução de corrente elétrica para transmissão de energia, sinais etc. Para obtermos as correntes desejadas para as diferentes aplicações, devemos diminuir ao máximo a dissipação de energia. É claro que às vezes é necessário garantir que não haverá transmissão nenhuma de energia, mas é importante ressaltar que a garantia de uma boa condução também está intimamente ligada a uma boa isolação. Isso aumenta a relevância do tema e justifica a importância de seu estudo.

1. Condução em Isolantes

São considerados materiais isolantes aqueles que possuem baixa condutividade (σ), da ordem de  até  (Ωm) -¹. Através da equação a seguir podemos concluir que a resistividade (ρ) é inversamente proporcional, e, portanto, alta:[pic 2][pic 3]

σ = 1 / ρ

Devido a esses parâmetros a passagem de corrente elétrica é bastante dificultada, o que torna esses materiais bons isoladores. Porém, o que determina um material ser condutor ou isolante? A resposta está nas estruturas das bandas de energia.

1. Origens microscópicas

    Cada átomo possui diferentes níveis discretos de energia, os quais estão divididos em camadas, números inteiros (1, 2, 3…), e subcamadas, s, p, d e f. Cada uma dessas camadas apresenta 1, 3, 5 e 7 estados, respectivamente. Os elétrons têm tendência a preencher estados que possuem níveis energéticos menores, dois a dois com spins opostos, seguindo o princípio da exclusão de Pauli. Seguindo essa teoria, a estenderemos para arranjos sólidos que possuem certo número N de átomos. Conforme aumentamos o número de átomos, temos mais elétrons, e esses vão interagindo uns com os outros. Essa interferência é tamanha que cada estado atômico pode ser dividido em estados eletrônicos espaçados mas próximos entre si, chamados de banda de energia eletrônica. Importante ressaltar que, dentro de cada banda, os estados de energia ainda são discretos, porém a diferença entre estados adjacentes seja muito pequena.

[pic 4]

    As propriedades elétricas de um material estão relacionadas à configuração dessas bandas de energia. No caso dos isolantes, a banda de valência (correspondente à última camada preenchida por elétrons) está separada de uma banda de condução vazia na qual existe um espaçamento entre bandas. Dessa forma, existem poucas cargas livres nos sólidos. Para mais elétrons tornarem-se livres eles devem ser excitados com uma energia equivalente à energia do espaçamento entre as bandas. E, como esse espaçamento é relativamente grande, é necessário uma grande quantidade de energia, de modo geral vários elétrons-volt. Assim, podemos caracterizar os isolantes como materiais que possuem um grande espaçamento entre as bandas, o que impossibilita uma grande quantidade de elétrons livres, o que dá origem a uma baixa condutividade.

[pic 5]

Na imagem acima temos a estrutura de banda eletrônica de um isolante; e a ocupação dos elétrons antes e depois da excitação de um elétron.

 

    Quando o isolante recebe uma grande quantidade de energia o material passa a se portar como um condutor. Essa corrente súbita pode acarretar danos irreversíveis, bem como criar um arco elétrico (centelha) devido à diferença de potencial. Esse fenômeno recebe o nome de disrupção dielétrica. Para evitarmos essa situação, a grandeza rigidez dielétrica mensura o valor limite de campo elétrico que o isolante pode suportar.

 

   

 

1. Permissividade         

Materiais isolantes por vezes são chamados de Dielétricos e o processo responsável por caracterizá-los, submetidos a uma tensão elétrica, é a polarização.  Esse fenômeno pode ser estudado através da constante dielétrica do material no caso de dissipação de energia e consequente aquecimento no dielétrico. Apenas as poucas partículas livres sofrem desse aquecimento, determinando uma corrente de fuga que passa através do dielétrico. Os dielétricos são caracterizados através do deslocamento de cargas que ocorre em seu interior linearmente em função do campo elétrico aplicado.  

[pic 6]

Dielétrico polarizado por ação de campo elétrico

No contexto da polarização do dielétrico após uma tensão aplicada, é fundamental enxergar o mesmo funcionando como um capacitor, que possui carga:

[pic 7]

Onde V é a tensão aplicada e C a capacitância do capacitor. No caso do dielétrico, consideraremos a carga Q como a soma das cargas referente dos eletrodos (Qe) somada à carga criada pela polarização do dielétrico (Qd).

[pic 8]

Só assim é possível compreender uma das características mais importantes dos dielétricos, sua permissividade relativa (ε).  Essa magnitude é a razão entre Q, obtida através da tensão aplicada no capacitor que contém um dielétrico e Qe, que pode-se obter aplicando a mesma tensão no mesmo capacitor, com vácuo na região do dielétrico.