O Laboratório de Eletrônica

Polarização eletrônica: Acontece em todas as moléculas e ocorre devido ao deslocamento da nuvem eletrônica em relação aos núcleos atômicos. Como o deslocamento eletrônico ocorre com alta velocidade, a polarização eletrônica não se altera com a frequência de variação do campo elétrico até a região espectral da radiação ultravioleta. Este é o principal processo que determina o índice de refração e as propriedades ópticas de um material.

Explique como ocorre o mecanismo de polarização atômica e a dispersão por ressonância atômica. Quando aplicado um campo elétrico nas moléculas que possuem ligação polar temos variações no momento de dipolo total das mesmas, devido a deformações dos dipolos das ligações químicas presentes, caracterizando a polarização atômica. Como reação as deformações devido ao campo elétrico, surgem forças restauradoras, onde se considerarmos que os deslocamentos dos dipolos são relativamente pequenos, podemos aproximar a molécula por uma modelo massa mola no regime elástico (devido as deformações serem “pequenas”), assim a molécula atua como um oscilador, portanto apresenta uma frequencia de oscilação natural e, portanto, uma ressonância. Quando a frequencia do campo aplicado é muito baixa, os dipolos conseguem se ajustar rapidamente ao campo a constante dielétrica é basicamente real e independe da frequencia. Quando a frequencia do campo é muito alta as moléculas não conseguem acompanhar devido a inércia, assim a polarização atomica é desconsiderada e a constante dielétrica é real. Somente nas proximidades da frequência de ressonância, onde o momento de dipolo varia com grande intensidade, a parte imaginaria da constante dielétrica é significativa, portanto ocorre dissipação de potência. 

Explique como ocorre o mecanismo de polarização dipolar e a dispersão por relaxação. Na polarização dipolar os dipolos permanentes do material tendem a se alinhar com o campo elétrico aplicado por meio de movimentos de rotação promovidos por um torque de alinhamento resultante da interação da força elétrica que atua nos polos das moléculas. A temperatura atua no sentido contrário, pois tende a espalhar as direções dos dipolos aletoriamente no espaço. Assim, no equilíbrio termodinâmico, a polarização dipolar é alcançada com alinhamento médio parcial dos momentos de dipolo. Esta polarização ocorre apenas em substâncias polares cujas moléculas apresentem grau de liberdade para o movimento de rotação. A dispersão dielétrica resultante desse tipo de polarização ocorre devido à dissipação de potência nas colisões entre moléculas vizinhas durante os movimentos de alinhamento das moléculas. Desse modo, ocorre a relaxação que tende a produzir taxas de variação da polarização proporcionais à diferença entre a polarização instantânea e a polarização em regime permanente, onde a constante de proporcionalidade é igual ao inverso do tempo de relaxação. Nesse processo, a constante dielétrica real diminui com o aumento da frequência e a constante dielétrica complexa apresenta um máximo na frequência de corte que é dada pelo inverso do tempo de relaxação.

Polarização Molecular - Uma molécula é neutra, do ponto de vista elétrico devido ao equilíbrio dinâmico das interações quânticas e da força elétrica entre as diversas partículas que a compõe. Quando sujeito a um campo elétrico, os átomos/moléculas estão sujeitos a um fenômeno denominado Polarização.  Este fenômeno ocorre, pois, o campo elétrico modifica as forças de interações da molécula, rearranjando as cargas em seu interior, resultando na polarização da molécula e do meio. Em outras palavras, o campo elétrico “separa” espacialmente as cargas positivas e negativas presentes na molécula, de forma a deixa-lo polarizado eletricamente. Algumas moléculas já possuem uma polarização natural, mesmo na ausência de campo aplicado, são denominadas de moléculas polares. As moléculas que não apresentam polarização permanente são denominadas de apolares. A estrutura mais importante usada para descrever a polarização elétrica é o momento de dipolo elétrico. O caso mais simples é o momento de dipolo elétrico de um sistema contendo duas cargas puntiformes.

Explique o mecanismo de polarização interfacial e a dispersão dielétrica correspondente. A polarizacão interfacial ocorre devido ao acumulo de cargas nas interfaces de materiais com condutividades ou permissividades diferentes, tal acumulo de cargas modifica a distribuição do campo elétrico a taxa de acumulação torna-se dependente do tempo, semelhante a um processo de relaxação. A dispersão dielétrica resultante é similar à relaxação com constante dielétrica descrita pelo modelo de Debye.

 

Relaxação - A relaxação é um processo que limita a velocidade de alinhamento dipolar ao campo elétrico aplicado devido a ação da força dissipativa resultante da interação entre moléculas vizinhas no meio. Considera-se uma molécula polar com momento de dipolo de modulo p=ed, onde d é a distância entre seus polos, sujeita a um campo elétrico de intensidade E orientado na direção z do sistema de coordenadas. O movimento de alinhamento da molécula resulta em uma projeção  do momento de dipolo variável no tempo, onde é a projeção da distância d no eixo z. A molécula em questão interage com as moléculas vizinhas, de modo que existe também uma força dissipativa que se opõe ao movimento de alinhamento. [pic 1][pic 2]

Ressonância - A ressonância é o processo de dispersão que ocorre na polarização induzida eletrônica e atômica. As forças que agem na estrutura molecular são: a força elétrica, a força de Coulomb entre as cargas elétricas e uma força dissipativa que surge como resultado da troca de energia entre as moléculas vizinhas. A força de Coulomb, para pequenas variações da distância entre as cargas, atua como uma força restauradora. 

Dispersão por Saltos – A condução por saltos ocorre quando partículas eletricamente carregadas, situadas em “sítios” separados por barreiras de potencial, adquirem energia na forma de calor ou através de um campo elétrico aplicado. Nesta situação, há transporte de carga elétrica.  Quando o campo elétrico aplicado varia senoidalmente com uma determinada frequência, podemos afirmar que as partículas carregadas (elétrons ou íons) saltam entre os sítios também com uma frequência definida. O tempo de relaxação é definido como o tempo médio no qual uma partícula é “capturada” por um sítio, que atua como uma espécie de armadilha, até dar um novo salto para outro sítio.