As cargas interagem umas com as outras em diferentes meios de comunicação com forças variáveis, que são regidas pela lei de Coulomb. Uma quantidade chamada constante dieléctrica determina as propriedades destes meios.
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O que é a permissividade dieléctrica
De acordo com A lei de Coulombexistem duas cargas estacionárias pontuais q1 e q2 num vácuo, interagir com a força dada pela fórmula Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), onde:
- Fcl - é a força Coulomb, N;
- q1, q2 - módulos das cargas, kl;
- r é a distância entre as cargas, m;
- ε0 - constante eléctrica, 8,85*10-12 F/m (Farad por metro).
Se a interacção não ocorrer no vácuo, a fórmula inclui outra quantidade que determina o efeito da substância sobre a força Coulomb, e a notação da lei Coulomb é semelhante a esta
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Esta quantidade é indicada pela carta grega ε (epsilon) e é sem dimensão (não tem unidade de medida). A constante dieléctrica é o coeficiente de atenuação da interacção das cargas na matéria.
Muitas vezes em física a constante dieléctrica é utilizada em conjunto com a constante eléctrica, caso em que é conveniente introduzir o conceito de constante dieléctrica absoluta. Isto é assinalado por εa e é igual a εa= ε* ε. Neste caso, a permeabilidade absoluta está na dimensão F/m. A permeabilidade normal ε é também chamada permeabilidade relativa para a distinguir de εa.
A natureza da permissividade dieléctrica
A natureza da permissividade dieléctrica baseia-se no fenómeno de polarização sob a acção de um campo eléctrico. A maioria das substâncias são em geral electricamente neutras, embora contenham partículas carregadas. Estas partículas estão dispostas de forma caótica numa massa de matéria e os seus campos eléctricos, em média, neutralizam-se uns aos outros.
Os dieléctricos contêm, na sua maioria, cargas ligadas (chamadas dipolos). Estes dipolos são convencionalmente feixes de duas partículas dissimilares que são espontaneamente orientadas ao longo da espessura do dieléctrico e criam em média uma força de campo eléctrico zero. Sob a acção de um campo externo, os dipolos tendem a orientar-se de acordo com a força aplicada. Isto cria um campo eléctrico adicional. Fenómenos semelhantes ocorrem em dieléctricos não polares.
Os condutores trabalham de forma semelhante, mas têm encargos gratuitos que são separados por um campo externo e podem produzir um campo eléctrico próprio. Este campo é dirigido contra o campo externo, protegendo as cargas e reduzindo a força da sua interacção. Quanto maior for a capacidade de polarização de uma substância, tanto maior será ε.
Constante dieléctrica de diferentes substâncias
As diferentes substâncias têm diferentes permissões dieléctricas. O valor de ε para alguns deles é mostrado no Quadro 1. Obviamente, estes valores são superiores à unidade, pelo que a interacção das cargas, em comparação com o vácuo, diminui sempre. Também é necessário notar, que para o ar ε é um pouco mais do que unidade, portanto a interacção das cargas no ar praticamente não difere da interacção no vácuo.
Quadro 1. Valores de permeabilidade eléctrica para diferentes substâncias.
| Substância | Permittividade |
|---|---|
| Bakelite | 4,5 |
| Papel | 2,0..3,5 |
| Água | 81 (a +20°C) |
| Ar | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Madeira | 2.7..7.5 (vários graus) |
| Cerâmica Cerâmica Cerâmica de rádio | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Vidro | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Poliestireno | 2,5 |
| Cloreto de polivinilo | 3 |
| Fluoroplástico | 2,1 |
| Âmbar | 2,7 |
Constante dieléctrica e capacitância de um condensador
Conhecer o valor de ε é importante na prática, por exemplo, na concepção de condensadores eléctricos. O seu capacitância depende das dimensões geométricas das inserções, da distância entre elas e da constante dieléctrica do dieléctrico.
Se quiser fazer um condensador um condensador Se os eléctrodos tiverem uma maior capacidade, então o aumento da área das coberturas aumenta o tamanho. Há também limitações práticas na redução da distância entre os eléctrodos. Neste caso, a utilização de um isolador com constante dieléctrica aumentada pode ajudar. Se for usado um material com um maior ε, o tamanho dos eléctrodos pode ser reduzido ou a distância entre os eléctrodos pode ser aumentada sem perder capacitância eléctrica.
Uma categoria separada de materiais é chamada ferroeléctrica que pode exibir polarização espontânea sob certas condições. Caracterizam-se por duas coisas no campo em consideração:
- grandes valores de permissividade dieléctrica (os valores típicos variam entre centenas e vários milhares);
- a capacidade de controlar o valor da permissividade dieléctrica através da alteração do campo eléctrico externo.
Estas propriedades são utilizadas para fazer condensadores de alta capacidade (aumentando a constante dieléctrica do isolador) com pequenas dimensões.
Estes dispositivos só funcionam em circuitos CA de baixa frequência - com uma frequência crescente as suas quedas constantes dieléctricas. Outra aplicação de dieléctricos segmentados é a dos condensadores variáveis, cujas características mudam sob a influência de um campo eléctrico aplicado com parâmetros variáveis.
Perdas dieléctricas e percas dieléctricas
As perdas dieléctricas, a parte da energia que se perde no dieléctrico para o calor, dependem também da constante dieléctrica. O parâmetro tg δ, a tangente do ângulo de perda dieléctrica, é normalmente utilizado para descrever estas perdas. Caracteriza a potência das perdas dieléctricas num condensador em que o dieléctrico é feito de um material com uma tg disponível δ. E a perda de potência específica para cada substância é definida pela fórmula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, onde
- p é o poder específico da perda, W;
- ώ=2*π*f - frequência circular do campo eléctrico;
- E - intensidade do campo eléctrico, V/m.
É óbvio que quanto maior for a permissividade dieléctrica, maiores serão as perdas no dieléctrico, sendo as outras coisas iguais.
Dependência da permissividade dieléctrica em factores externos
Deve-se notar que o valor da permissividade dieléctrica depende da frequência do campo eléctrico (neste caso, a frequência da voltagem aplicada às tiras). Com crescente frequência o valor de ε para muitas substâncias cai. Este efeito é pronunciado para os dieléctricos polares. Este fenómeno pode ser explicado pelo facto de as cargas (dipolos) já não terem tempo para seguir o campo. Em substâncias caracterizadas por polarização iónica ou electrónica, a dependência de frequência da constante dieléctrica é pequena.
É por isso que a selecção de materiais para fazer um dieléctrico de condensador é tão importante. O que funciona a baixas frequências não produzirá necessariamente um bom isolamento a altas frequências. Na maior parte das vezes, os dieléctricos não polares são utilizados como isoladores em frequências altas.
A constante dieléctrica também depende da temperatura, e varia de substância para substância. Em dieléctricos não polares, cai com o aumento da temperatura. Neste caso fala-se do coeficiente de temperatura negativa da capacitância (TKE) para condensadores feitos com um isolante deste tipo A capacitância cai com o aumento da temperatura a seguir a ε. Noutras substâncias, a permeabilidade aumenta com o aumento da temperatura, e podem ser obtidos condensadores com um TKE positivo. Ao emparelhar condensadores com TKEs opostos, pode ser obtida uma capacidade termoestável.
Compreender e conhecer a constante dieléctrica de várias substâncias é importante para fins práticos. E a capacidade de controlar o nível da constante dieléctrica dá perspectivas técnicas adicionais.
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