Qual o principal efeito da polarização do dielétrico situado entre as placas de um capacitor?

Índice

• 1. Introdução
• 2. Conceitos Fundamentais
  • 2.1. Força Elétrica
  • 2.2. Dipolo Elétrico
  • 2.3. Polarização Dielétrica
  • 2.4. Constante dielétrica e Capacitores
  • 2.5. Revisão de permissividade dielétrica
• 3. Dielétricos não lineares
  • 3.1. Perdas dielétricas
  • 3.2. Aula Resumo sobre Polarização e Dielétricos não lineares
• 4. Ruptura Dielétrica
  • 4.1. Ruptura dielétrica em gases - Introdução
  • 4.2. Ruptura dielétrica em Gases - Teoria básica
• 5. Ruptura dielétrica em Gases - Avalanche de Townsend
• 6. Paschen Discharges

Um dielétrico é na verdade um isolante elétrico que pode ser polarizado por um campo elétrico aplicado. Quando um material dielétrico é colocado em um campo elétrico, as cargas elétricas não fluem através do material como em um condutor elétrico, mas apenas se deslocam ligeiramente de suas posições médias de equilíbrio, causando polarização dielétrica. Devido à polarização dielétrica, as cargas positivas são deslocadas na direção do campo e as cargas negativas mudam na direção oposta ao campo (por exemplo, se o campo estiver se movendo no eixo x positivo, as cargas negativas mudarão na negativa eixo x). Isso cria um campo elétrico interno que reduz o campo geral dentro do próprio dielétrico.  Se um dielétrico é composto de moléculas fracamente ligadas, essas moléculas não apenas se polarizam, mas também se reorientam para que seus eixos de simetria se alinhem ao campo.

Com esta definição fica claro que para entender todo o conceito  de um dielétrico, são necessários conhecimentos prévios de  campo elétrico, força elétrica, dipolo e polarização. Esses conhecimentos encontram-se no estudo de eletromagnetismo, mais especificamente na eletrostática. Aqui, no capítulo definições básicas será feita uma breve recordação desses principais conceitos.

É muito importante para o entendimento de dado conteúdo que o educando ou o leitor tenha conhecimentos prévios bem alicerçados, caso contrário ele tem grande chance de apenas ter uma pálida visão do conteúdo e muitas vezes apenas gravar momentaneamente algumas partes do todo, apenas para responder a algum questionário e logo em seguida esquecer-las completamente. Assim, procurando fazer uma breve recordação dos conceitos fundamentais de eletromagnetismo, que sem nenhuma dúvida deveriam ter sido adquiridos em disciplinas anteriores como pré-requisito, elaboramos este capítulo.

A força elétrica é a interação física entre duas cargas elétricas, podendo ocorrer a  atração ou repulsão entre elas dependendo de seus sinais. Quando essas cargas tem sinais iguais (positivo ou negativo) elas se repelem e quando tem sinais diferentes elas se atraem. Esse fenômeno  físico já era observado na Grécia antiga, mas só foi bem estudado por Charles-Augustin de Coulomb em 1783, que o descreveu matematicamente através da lei que recebe seu nome, ou seja, lei de Coulomb.

\( \vec{F}=\frac{q_1 q_2}{4\pi \epsilon_0 R^2} \vec{a_R} \)                     (1)

sendo que a força 

 A equação da Força Elétrica é conhecida como Lei de Coulomb.

Dipolo Elétrico 

Um dipolo elétrico consiste em um sistema de duas cargas de sinais opostos ( uma negativa e outra positiva) separadas por uma distância d.

 Veja como os dipolos reagem dentro de um material isolante. 

Inicialmente o estudante deve ter uma clara noção do que é Vetor Deslocamento  \( \vec{D} \)

Constante Dielétrica e

Capacitores

Neste conteúdo temos um resumo de permissividade de dielétricos lineares

Neste Capítulo estaremos avançando um pouco mais em materiais Dielétricos e agora tratando de dielétricos não lineares. 

Dielétricos nos quais as suas permissividades não são constantes com as frequências, temperatura, pressão e etc.

Os alunos devem assistir a essa apresentação em PDF

 Dielétricos Não Lineares - 

Para facilitar os alunos devem entrar em configurações e em legendas -> Traduzir  automaticamente -> escolher Português.

Obs: A tradução não é perfeita, mas auxilia sobremaneira o entendimento.

Como os alunos devem ter percebido os dielétricos não perfeitos e apresentam também uma pequena condutividade, que

é representada pela tangente δ.

Caros Alunos, segue em nossa aula sobre um resumo de polarização. e dielétricos lineares e não lineares.

Vejam a importância de entenderem um dielétrico real. Esse dielétrico tem uma condutividade finita, que representa perdas expressas pela tangente delta

Aula de Resumo de polarização e dielétricos

Ruptura Dielétrica

Uma característica extremamente importante dos dielétricas é sua ruptura dielétrica. Ela ocorre quando 

um dielétrico é submetido a um alto campo elétrico e deixa de ser um isolante e passa a ser um condutor.

As teorias que procuram explicar o processo de ruptura dielétrica são distintas se um dielétrico é:

a) gasoso, 

b) líquido 

c) sólido.

Ruptura dielétrica em Gases.

Dentre as mais bem compreendidas teorias sobre ruptura em dielétricos (Electrical Breakdown in dielectric) estão aquelas voltadas para explicar esse comportamento em dielétricos gasosos e são denominadas Teorias de Townsend e a de Channel. 

Entretanto, para que vocês tenham a sua primeira experiência em  "breakdown in gases dielectrics", assistam ao vídeo 

sobre um experimento feito em um laboratório de alta tensão que mostra o comportamento da ruptura em três eletrodos distintos, os eletrodos plano-plano, hemisfério-plano e o ponta-Plano. Depois também é apresentado uma descarga parcial, denominada efeito CORONA, que ocorre em campos elétricos heterogêneos, neste caso uma linha de trasmissão. 

Teoria Básica sobre Ruptura Dielétrica em Gases

Vocês deverão assistir a esse vídeo do Prof. Walter Lewin do MIT ( Massachusetts Institute of Technology - USA), sobre a explicação da ruptura em gases e depois vocês deverão responder ao questionário correspondente.

Para facilitar vocês podem usar a tradução automática para o português. (configuração-Legenda-Tradução automática e escolham o Português).

A ruptura dielétrica em Gases foi primeiramente estudada por Townsend e é conhecida com Fenômeno da Avalanche de Townsend.

A avalanche ocorre em um meio gasoso que pode ser ionizado (como o ar). O campo elétrico e o caminho livre médio do elétron devem permitir que os elétrons livres adquiram um nível de energia (velocidade) que pode causar ionização por impacto. Se o campo elétrico é muito pequeno, os elétrons não adquirem energia suficiente. Se o caminho livre médio for muito curto, o elétron desiste da energia adquirida em uma série de colisões não ionizante. Se o caminho livre médio for muito longo, o elétron alcançará o ânodo antes de colidir com outra molécula.

O mecanismo de avalanche é mostrado no diagrama anexo. O campo elétrico é aplicado através de um meio gasoso; os íons iniciais são criados com radiação ionizante (por exemplo, raios cósmicos). Um evento de ionização original produz um par de íons; o íon positivo acelera em direção ao cátodo, enquanto o elétron livre acelera em direção ao ânodo. Se o campo elétrico é forte o suficiente, o elétron livre pode ganhar velocidade (energia) suficiente para liberar outro elétron quando, em seguida, colidir com uma molécula. Os dois elétrons livres então viajam em direção ao ânodo e ganham energia suficiente do campo elétrico para causar mais ionizações de impacto, e assim por diante. Esse processo é efetivamente uma reação em cadeia que gera elétrons livres.  Inicialmente, o número de colisões cresce exponencialmente. 

A avalanche de Townsend pode ter uma grande variedade de densidades de corrente. Em tubos comuns cheios de gás, como aqueles usados ​​como detectores de ionização gasosa, a magnitude das correntes que fluem durante esse processo pode variar de 10 a 18 amperes a cerca de 10 a 5 amperes.

Descrição quantitativa do fenômeno

O aparato experimental inicial de Townsend consistia em placas paralelas planas formando dois lados de uma câmara cheia de gás. Uma fonte de alta tensão de corrente contínua foi conectada entre as placas; a placa de baixa tensão sendo o cátodo, enquanto a outra era o ânodo. Ele forçou o cátodo a emitir elétrons usando o efeito fotoelétrico, irradiando-o com raios-X, e descobriu que a corrente que flui através da câmara dependia do campo elétrico entre as placas. No entanto, essa corrente mostrou um aumento exponencial à medida que as folgas das placas ficaram pequenas [disputadas - discutem], levando à conclusão de que os íons gasosos estavam se multiplicando à medida que se moviam entre as placas devido ao alto campo elétrico.

Townsend observou correntes variando exponencialmente acima de dez ou mais ordens de magnitude com uma tensão aplicada constante quando a distância entre as placas era variada. Ele também descobriu que a pressão do gás influenciava a condução: ele era capaz de gerar íons em gases a baixa pressão com uma voltagem muito menor do que a necessária para gerar uma faísca. Essa observação anulou o pensamento convencional sobre a quantidade de corrente que um gás irradiado poderia conduzir. [2]

Os dados experimentais obtidos de suas experiências são descritos pela seguinte fórmula

                    \( \frac {I} {I_ 0} = e ^ {\alpha_n . d} \)

Onde

I é a corrente que flui no dispositivo,
I0 é a corrente fotoelétrica gerada na superfície do cátodo,
e é o número de Euler
\( \alpha_n \) é o primeiro coeficiente de ionização de Townsend, expressando o número de pares de íons gerados por unidade de comprimento (por exemplo, metro) por um íon negativo (ânion) movendo-se de cátodo para ânodo,
d é a distância entre as placas do dispositivo.

A tensão quase constante [que?] Entre as placas é igual à tensão de ruptura necessária para criar uma avalanche autossustentável: diminui quando a corrente atinge o regime de descarga de brilho. [Esclarecimentos necessários] Experimentos subsequentes revelaram que a corrente I aumenta mais rapidamente do que o previsto pela fórmula acima à medida que a distância d aumenta: dois efeitos diferentes foram considerados para modelar melhor a descarga: íons positivos e emissão de cátodo.

Estes dois vídeos devem ser assistidos para que vocês possam responder a tarefa 7.

2

A lei de Paschen é uma equação que fornece a tensão de ruptura, ou seja, a tensão necessária para iniciar uma descarga ou arco elétrico, entre dois eletrodos de um gás em função da pressão e do comprimento do espaço. É nomeado após Friedrich Paschen, que a descobriu empiricamente em 1889.

\( {\displaystyle V_{\text{B}}={\frac {Bpd}{\ln(Apd)-\ln \left[\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma _{\text{se}}}}\right)\right]}},} \)

onde \( V_B \) é a tensão de ruptura em volts, \( p \)  é a pressão em pascal, \( d \) é a distância do intervalo em metros, \( \gamma_{se} \) é o coeficiente de emissão de elétrons secundários (o número de elétrons secundários produzidos por íon positivo incidente), \( A\) é a ionização por saturação no gás em um determinado \( E/p\) (campo elétrico / pressão) e \( B \)  está relacionado às energias de excitação e ionização.

Assista o vídeo para entender essa lei e muitos outros fenômenos.

Qual o efeito de se colocar um dielétrico entre as placas de um capacitor?

Qual a função do dielétrico em um capacitor?

Como ocorre a polarização de um dielétrico?

O que é polarização de um material dielétrico?