Materiais Dielétricos: Definição Propriedades e Aplicações
Um material dielétrico é definido como um isolante elétrico que pode ser polarizado por um campo elétrico aplicado. Isso significa que, quando um material dielétrico é colocado em um campo elétrico, ele não permite que as cargas elétricas fluam através dele, mas, em vez disso, alinha seus dípoles elétricos internos (pares de cargas opostas) na direção do campo. Essa alinhamento reduz o campo elétrico geral dentro do material dielétrico e aumenta a capacitância de um capacitor que o utiliza.
Como funcionam os materiais dielétricos?
Para entender como os materiais dielétricos funcionam, precisamos conhecer alguns conceitos básicos de eletromagnetismo.
Um campo elétrico é uma região do espaço onde uma carga elétrica experimenta uma força. A direção do campo elétrico é a direção da força sobre uma carga positiva, e a magnitude do campo elétrico é proporcional à intensidade da força. Campos elétricos são criados por cargas elétricas ou campos magnéticos em mudança.
Polarização elétrica
A polarização elétrica é a separação de cargas positivas e negativas dentro de um material devido a um campo elétrico externo. Quando um material é polarizado, ele desenvolve um momento dipolar elétrico, que é uma medida de quanto as cargas estão separadas e como estão alinhadas. O momento dipolar elétrico de um material é proporcional à sua susceptibilidade elétrica, que é uma medida de quão facilmente ele pode ser polarizado.
Capacitância
A capacitância é a capacidade de um sistema armazenar carga elétrica. Um capacitor é um dispositivo que consiste em dois condutores (placas) separados por um isolante (dielétrico). Quando uma tensão é aplicada entre as placas, um campo elétrico é criado entre elas, e as cargas se acumulam em cada placa. A capacitância de um capacitor é proporcional à área das placas, inversamente proporcional à distância entre elas e diretamente proporcional à constante dielétrica do isolante.
Propriedades dos materiais dielétricos
Algumas propriedades importantes dos materiais dielétricos são:
Constante dielétrica: Esta é uma quantidade adimensional que indica quanto um material aumenta a capacitância de um capacitor em comparação com o vácuo. Também é chamada de permissividade relativa ou razão de permissividade. A constante dielétrica do vácuo é 1, e a constante dielétrica do ar é cerca de 1,0006. Materiais com constantes dielétricas elevadas incluem água (cerca de 80), titanato de bário (cerca de 1200) e titanato de estrôncio (cerca de 2000).
Resistência dielétrica: Esta é a máxima intensidade de campo elétrico que um material pode suportar sem entrar em ruptura ou tornar-se condutivo. É medida em volts por metro (V/m) ou quilovolts por milímetro (kV/mm). A resistência dielétrica do ar é cerca de 3 MV/m, e a resistência dielétrica do vidro é cerca de 10 MV/m.
Perda dielétrica: Esta é a quantidade de energia dissipada como calor quando um campo elétrico alternativo é aplicado a um material. É medida pelo tangente de perda ou fator de dissipação, que é a razão da parte imaginária para a parte real da permissividade complexa. A perda dielétrica depende da frequência e temperatura do campo elétrico, bem como da estrutura e pureza do material. Materiais com baixa perda dielétrica são desejáveis para aplicações que exigem alta eficiência e baixo aquecimento.
Tipos e exemplos de materiais dielétricos
Materiais dielétricos podem ser classificados em diferentes tipos com base em sua estrutura molecular e mecanismo de polarização. Alguns tipos comuns e exemplos são:
Vácuo: Este é a ausência de matéria e, portanto, não tem polarização. Tem uma constante dielétrica de 1 e nenhuma perda dielétrica.
Gases: Estes são compostos por átomos ou moléculas que estão ligados de forma solta e podem se mover livremente. Eles têm constantes dielétricas baixas (próximas a 1) e baixas perdas dielétricas. Exemplos incluem ar, nitrogênio, hélio e hexafluoreto de enxofre.
Líquidos: Estes são compostos por moléculas que estão mais fortemente ligadas do que os gases, mas ainda podem se mover. Eles têm constantes dielétricas mais altas do que os gases (variando de 2 a 80) e maiores perdas dielétricas. Exemplos incluem água, óleo de transformador, etanol e glicerol.
Sólidos: Estes são compostos por átomos ou moléculas que estão fortemente ligados em posições fixas. Eles têm constantes dielétricas mais altas do que os líquidos (variando de 3 a 2000) e maiores perdas dielétricas. Exemplos incluem vidro, cerâmicas, plásticos, borracha, papel, mica e quartzo.
Aplicações de materiais dielétricos
Materiais dielétricos têm muitas aplicações em diversos campos da ciência e engenharia. Alguns exemplos são:
Capacitores: Estes são dispositivos que armazenam carga e energia elétrica utilizando materiais dielétricos entre dois condutores. Capacitores são usados para filtragem, suavização, temporização, acoplamento, decoplamento, sintonia, detecção e conversão de energia em circuitos eletrônicos.
Isolantes: Estes são materiais que impedem a corrente elétrica de fluir através deles, utilizando sua alta resistência e alta resistência dielétrica. Isolantes são usados para proteger, isolar, suportar e separar componentes e fios elétricos.
Transdutores: Estes são dispositivos que convertem uma forma de energia em outra, utilizando materiais dielétricos que exibem piezoeletricidade ou eletroestrigção. Piezoeletricidade é a propriedade de alguns materiais gerarem tensão elétrica quando submetidos a estresse mecânico, ou vice-versa. Eletroestrigção é a propriedade de alguns materiais mudarem de forma ou tamanho quando submetidos a um campo elétrico, ou vice-versa. Transdutores são usados para gerar, detectar, medir e controlar ondas sonoras, ondas ultrassônicas, vibrações, pressão, força, deslocamento, temperatura, etc.
Dispositivos fotônicos: Estes são dispositivos que manipulam ondas luminosas utilizando materiais dielétricos que exibem propriedades ópticas, como refração, reflexão, absorção, dispersão, birrefringência, etc. Dispositivos fotônicos são usados para transmitir, receber, modular, comutar, filtrar, amplificar, dividir, combinar, armazenar, processar, exibir, imaginar, detectar, etc., sinais luminosos.
Dispositivos de memória: Estes são dispositivos que armazenam informações utilizando materiais dielétricos que exibem
