Materiais dielétricos

Isolantes elétricos, ou dielétricos, são materiais que apresentam condutividades elétricas pequenas, da ordem de 10-10 a 10-20 S/m. Devido a essa característica, essa classe de materiais é utilizada no confinamento de energia elétrica, seja para fins de segurança (isolamento elétrico de equipamentos e estruturas) ou de armazenamento energético (aumento da capacitância em capacitores). Os materiais isolantes normalmente são polímeros, cerâmicas, vidros ou madeiras.

Isolantes para fins de segurança / proteção de equipamentos:

Estes materiais têm grande importância para a proteção de pessoas e equipamentos. Um exemplo é o revestimento de fios de eletricidade, o qual permite que as pessoas possam tocar nestes fios sem que sofram choques. Quanto à proteção de equipamentos, um exemplo é a utilização de vernizes e filmes poliméricos isolantes nas bobinas de motores elétricos, fazendo com que haja um bom isolamento entre os fios das bobinas e evitem-se curtos-circuitos, os quais podem ocasionar a queima do motor.

De acordo com as temperaturas máximas de trabalho de determinado equipamento, é necessária a utilização de diferentes tipos de material isolante. Isso ocorre porque os dielétricos são divididos em classes térmicas, de acordo com as temperaturas máximas que podem suportar sem perder sua confiabilidade.

Tabela_classes_termicas

Classes térmicas de materiais isolantesFonte: Apostila de Materiais Elétricos – LaMat

Isolantes para armazenamento energético:

Os isolantes elétricos podem ser utilizados no interior de capacitores, que são componentes capazes de armazenar energia elétrica na forma de campo elétrico. Grande parte dos capacitores é fabricado através do enrolamento de dois filmes poliméricos metalizados, os quais são justapostos e desfasados entre si, formando uma bobina semelhante à mostrada na figura abaixo. Comumente são utilizados polipropileno como dielétrico e liga AgZnAl como revestimento metálico.

armadura_e_dieletrico

Armaduras e dielétrico de um capacitor organizados na forma de bobina

A bobina será então colocada no interior da caneca do capacitor, região deste componente que ficará exposta ao ambiente, e em seguida será isolada do meio externo através do preenchimento da caneca com resina, conforme mostra a figura:

Capacitor

Interior de um capacitor

O aumento da capacitância de capacitores que contêm dielétricos ocorre devido à polarização destes isolantes quando submetidos a um campo elétrico, o que ocorre basicamente por três mecanismos:

Deslocamento espacial da nuvem de elétrons: Os elétrons são partículas carregadas negativamente, de forma que são atraídas para a região de maior potencial de um campo elétrico. Assim, os elétrons rearranjam-se em torno do átomo de modo a ficar mais próximos o possível da região positiva.

Movimentação iônica: Quando materiais iônicos são submetidos a um campo elétrico, seus íons rearranjam-se de maneira que os cátions fiquem mais próximos à região de menor potencial e os ânions à de maior potencial.

Orientação de dipolos: Há materiais que são constituídos por moléculas polarizadas, como a da água. Essas moléculas são denominadas dipolos permanentes e podem ser orientadas de modo similar ao que ocorre na polarização iônica.

Em todos os casos de polarização mencionados, ocorre uma orientação das cargas de modo a produzir um campo elétrico em sentido oposto e menor intensidade ao que deu origem à polarização, culminando em um campo elétrico resultante de menor módulo sobre o capacitor. Sabendo que o campo elétrico é diretamente proporcional à diferença de potencial, verifica-se que ao adicionar um dielétrico a um capacitor que possuía vácuo entre suas armaduras haverá uma diminuição da tensão sobre o componente. Como a capacitância é dada pela equação C= Q/V , onde Q é a carga armazenada, a qual não foi alterada com a adição do dielétrico, verifica-se que uma diminuição na tensão (V) sobre o capacitor culmina em um aumento de sua capacitância. Por consequência, é possível construir capacitores menores mantendo o mesmo valor de capacitância,o que permite a redução dimensional destes componentes.

Perda da capacidade de isolamento:

Os materiais dielétricos podem perder suas propriedades de isolamento de eletricidade. Para entender melhor como isto pode ocorrer, é necessário saber primeiro o porquê destes materiais apresentarem tais características. Os materiais isolantes possuem normalmente ligações iônicas ou covalentes fortes entre seus átomos. Sendo assim, os elétrons são fortemente atraídos pelos cátions, no caso das ligações iônicas, ou pelos átomos que o compartilham, no caso das ligações covalentes. A força das ligações torna necessária grande quantidade de energia para que o elétron possa se movimentar, fazendo com que em condições normais poucos elétrons estejam disponíveis para conduzir a eletricidade. Na medida em que é fornecida energia para os elétrons, que pode ser por meio do aumento da tensão aplicada, por exemplo, estas partículas vão adquirindo energia até que possam ser tornar elétrons livres. Quando o isolante recebe essa grande quantidade de energia, torna-se condutor e os elétrons libertados passam a se mover juntos, podendo queimar, fundir ou vaporizar uma região localizada do material e provocar nele danos irreversíveis.

Uma forma de observar este fenômeno e mensurar as tensões máximas a que um material pode ser submetido sem que perca suas propriedades de isolamento é por meio do teste de tensão disruptiva. Este teste consiste em aplicar tensões crescentes sobre o isolante até que ocorra falha deste material. A tensão responsável pela falha é definida como a tensão disruptiva do material. Dividindo esta tensão pela espessura do material, tem-se a rigidez dielétrica do mesmo, isto é, o máximo valor de campo elétrico suportado pelo material sem que passe a conduzir corrente elétrica. No vídeo mostrado abaixo, podemos ver a quebra de rigidez dielétrica de um vidro, procedimento que culmina em sua ruptura.

Referências:

Apostila de Materiais Elétricos: Capítulo 18 – Materiais Dielétricos. p. 501-556. Laboratório de Materiais (LaMat). Universidade Estadual do Oeste do Paraná;

CALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia de materiais: Uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 7ª ed. 2008;

DA SILVA, M. A. Capacitores;

RODRIGUES, C. R. Materiais Elétricos e Eletrônicos: Unidade 4 – Materiais Isolantes e suas Propriedades. p. 1-40;

Epcos. Capacitores para Aplicação AC, 24f.;

ROLIM, J. Materiais Elétricos: Capítulo IV – Materiais Isolantes. p. 71-78.

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