Qual é a constante dielétrica?

O Constante dielétrica É um valor associado ao material que é colocado entre as placas de um capacitor (ou condensador - Figura 1) e que permite otimizar e aumentar sua função. (Giancoli, 2006). Dielétrico é sinônimo de isolador elétrico, ou seja, são materiais que não permitem a passagem da corrente elétrica.

Este valor é importante de muitos aspectos, pois é comum para todos.

Figura 1: Diferentes tipos de capacitores.

Por exemplo, nossos minicomponentes, televisores e dispositivos multimídia usam corrente direta para suas funções, mas as correntes domésticas e industriais que alcançam nossas casas e empregos são correntes alternativas. Como isso é possível?.

Figura 2: Circuito elétrico de um equipamento doméstico

A resposta a esta pergunta está dentro do mesmo equipamento elétrico e eletrônico: capacitores (ou capacitores). Esses componentes permitem, entre outras coisas, possibilitar a retificação da corrente alternada para a corrente contínua e sua funcionalidade depende da geometria ou forma do capacitor e do material dielétrico presente em seu projeto.

Os materiais dielétricos desempenham um papel importante, pois permitem que muito traga as placas que compõem o capacitor, sem serem tocadas, e cobrem totalmente o espaço entre essas placas com material dielétrico para aumentar a funcionalidade dos capacitores.

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Origem da constante dielétrica: capacitores e materiais dielétricos

O valor dessa constante é um resultado experimental, ou seja, vem dos experimentos feitos com diferentes tipos de materiais isolantes e resultando no mesmo fenômeno: aumento da funcionalidade ou eficiência de um capacitor.

Os capacitores associaram uma magnitude física chamada capacitância "C" e isso define a quantidade de carga elétrica "q" que pode armazenar um condensador, fornecendo uma certa diferença de potencial "∆V" (Equação 1).

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Os experimentos concluíram que, cobrindo completamente o espaço entre as placas de um capacitor com um material dielétrico, os capacitores aumentam sua capacitância por um fator κ, chamado "constante dielétrica". (Equação 2).

(Equação 2)

A Figura 3 apresenta uma ilustração de um capacitor de capacitância C de placas paralelas carregadas e, consequentemente, com um campo elétrico uniforme direcionado entre suas placas.

Na parte superior da figura está o capacitor com vácuo entre suas placas (a vácuo - permitindo ∊0). Então, na parte inferior, é apresentado o mesmo capacitor com o capacitor C '> C, com um dielétrico entre suas placas (de permitir ∊).

Figura 3: Capacitor de placas planas sem dielétrico e dielétrico.

Figueroa (2005), lista três funções para materiais dielétricos em capacitores:

1. Eles permitem uma construção rígida e compacta com uma pequena separação entre as placas condutoras.
2. Eles permitem que uma tensão maior seja aplicada sem causar uma descarga (o campo elétrico de quebra é maior que o do ar)
3. Aumenta a capacitância do capacitor em um fator κ conhecido como o material constante do material.

Assim, o autor indica que κ "é chamado de material constante do material e mede a resposta de seus dipolos moleculares a um campo magnético externo". Isto é, a constante dielétrica é a maior a polaridade das moléculas do material.

Modelos atômicos de dielétrico

Os materiais presentes, em geral, arranjos moleculares específicos que dependem das próprias moléculas e dos elementos que os constituem em cada material. Entre os arranjos moleculares envolvidos em processos dielétricos, está as "moléculas polares" de captura tão chamada ou polarizadas.

Nas moléculas polares, há uma separação entre a posição média de cargas negativas e a posição média de cargas positivas, fazendo com que tenham pólos elétricos.

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Por exemplo, a molécula de água (Figura 4) tem uma polarização permanente porque o centro de distribuição de carga positivo está no ponto médio entre os átomos de hidrogênio. (Serway e Jewett, 2005).

Figura 4: Distribuição da molécula de água.

Enquanto na molécula Beh2 (hidreto de berílio - Figura 5), ​​molécula linear, não ocorre polarização, uma vez que o centro de distribuição de carga positivo (hidrogênios) está localizado no centro de distribuição de carga negativo (berílio), cancelando qualquer polarização que possa existir. Esta é uma molécula não polar.

Figura 5: Distribuição de uma molécula de hidreto beril.

Na mesma ordem das idéias, quando um material dielétrico está na presença de um campo elétrico E, as moléculas serão alinhadas de acordo com o campo elétrico, causando uma densidade de carga superficial nas faces dielétricas que enfrentam as placas do capacitor.

Devido a esse fenômeno, o campo elétrico dentro do dielétrico é menor que o campo elétrico externo gerado pelo capacitor. Na ilustração a seguir (Figura 6), um dielétrico polarizado eletricamente é mostrado dentro de um capacitor de placas planas.

É importante observar que esse fenômeno é mais facilmente em materiais polares do que em não polar, devido à existência de moléculas polarizadas que interagem com mais eficiência na presença do campo elétrico. Embora a presença única do campo elétrico causa a polarização de moléculas não polares, derivando no mesmo fenômeno que nos materiais polares.

Figura 6: Modelos das moléculas polarizadas de um dielétrico devido ao campo elétrico se originou no capacitor carregado.

Valores constantes dielétricos em alguns materiais

Dependendo da funcionalidade, economia e utilidade final dos capacitores, diferentes materiais isolantes são usados ​​para otimizar sua operação.

Materiais como papel são muito econômicos, embora possam falhar com altas temperaturas ou contato com a água. Enquanto a borracha ainda é maleável, mas mais resistente. Também temos a porcelana, que resiste a altas temperaturas, embora não possa ser adaptada a maneiras diferentes, conforme necessário.

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Abaixo está uma tabela especificada pela constante dielétrica de alguns materiais, onde as constantes dielétricas não têm unidades (são adimensionais):

Tabela 1: Constantes dielétricas de alguns materiais à temperatura ambiente.

Algumas aplicações de materiais dielétricos

Os materiais dielétricos são importantes na sociedade global com uma ampla gama de aplicações, desde comunicações terrestres e satélites que incluem software de rádio, GPS, monitoramento ambiental através de satélites, entre outros. (Sebastian, 2010)

Além disso, Fiedziuszko e outros (2002) descrevem a importância de materiais dielétricos para o desenvolvimento da tecnologia sem fio, mesmo para telefonia celular. Em sua publicação, eles descrevem o relevante desse tipo de materiais na miniaturização do equipamento.

Nesta ordem de idéias, a modernidade gerou uma grande demanda por materiais com constantes dielétricas altas e baixas para o desenvolvimento de uma vida tecnológica. Esses materiais são componentes essenciais para dispositivos da Internet em termos de armazenamento de dados, comunicações e transmissões de dados funções de desempenho. (Nalwa, 1999).

Referências

1. Fedziuszko, s. J., Caçador, i. C., Itah, t., Kobayashi, e., Nishikawa, t., Stitzer, s. N., & Wakino, K. (2002). Materiais Dielétricos, Dispositivos e Circu. O IEEE é transações na teoria e técnicas de microondas, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, d. (2001). Interação elétrica. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García e filho, SRL.
3. Giancoli, d. (2006). FÍSICO. Princípio com aplicações. México: Pearson Education.
4. Nalwa, h. S. (Ed.). (1999). Manual de materiais constantes dielétricos baixos e altos e suas aplicações, conjunto de dois volumes. Elsevier.
5. Sebastian, m. T. (2010). Materiais dielétricos para comunicação sem fio. Elsevier.
6. Serway, r. & Jewett, J. (2005). Física para Ciência e Engenharia. México: Editores Internacionais de Thomson.