O constante dielétrica É um valor associado ao material que se coloca entre as placas de um capacitor (ou capacitor - Figura 1) e que permite otimizar e aumentar sua função. (Giancoli, 2006). Dielétrico é sinônimo de isolante elétrico, ou seja, são materiais que não permitem a passagem de corrente elétrica.
Este valor é importante sob vários aspectos, pois é comum que todos utilizem equipamentos elétricos e eletrônicos em nossas residências, espaços recreativos, educacionais ou de trabalho, mas certamente desconhecemos os complicados processos que ocorrem neste equipamento para poder funcionar ..
Por exemplo, nossos minicomponentes, televisores e dispositivos multimídia, usam corrente contínua para suas funções, mas as correntes domésticas e industriais que chegam às nossas casas e locais de trabalho são correntes alternadas. Como isso é possível?.
A resposta a essa pergunta está dentro do mesmo equipamento elétrico e eletrônico: capacitores (ou capacitores). Esses componentes permitem, entre outras coisas, possibilitar a retificação de corrente alternada para 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 as placas que constituem o condensador fiquem muito próximas, sem se tocarem, e cobrem totalmente o espaço entre as referidas placas com material dielétrico para aumentar a funcionalidade dos condensadores..
Índice do artigo
O valor desta constante é um resultado experimental, ou seja, advém de experimentos realizados com diferentes tipos de materiais isolantes e resultando no mesmo fenômeno: aumento da funcionalidade ou eficiência de um capacitor..
Capacitores têm associado uma quantidade física chamada capacitância "C" e que define a quantidade de carga elétrica "Q" que um capacitor pode armazenar fornecendo uma certa diferença de potencial "∆V" (Equação 1).
Experimentos concluíram que, ao cobrir completamente o espaço entre as placas de um capacitor com um material dielétrico, os capacitores aumentam sua capacitância por um fator κ, chamado de "constante dielétrica". (Equação 2).
Uma ilustração de um capacitor de capacitância C de placa plana paralela carregado e, conseqüentemente, com um campo elétrico uniforme direcionado para baixo entre suas placas é apresentada na Figura 3..
Na parte superior da figura está o capacitor com vácuo entre suas placas (vácuo - permissividade ∊0). Em seguida, na parte inferior, é apresentado o mesmo capacitor com capacitância C '> C, com um dielétrico entre suas placas (de permissividade ∊).
Figueroa (2005), lista três funções para materiais dielétricos em capacitores:
Assim, o autor indica que, κ "é chamada de constante dielétrica do material e mede a resposta de seus dipolos moleculares a um campo magnético externo". Ou seja, a constante dielétrica é tanto maior quanto maior for a polaridade das moléculas do material..
Os materiais geralmente têm arranjos moleculares específicos que dependem das próprias moléculas e dos elementos que as constituem em cada material. Entre os arranjos moleculares envolvidos nos processos dielétricos estão as chamadas "moléculas polares" ou polarizadas.
Nas moléculas polares, há uma separação entre a posição intermediária das cargas negativas e a posição intermediária das cargas positivas, fazendo com que tenham pólos elétricos.
Por exemplo, a molécula de água (Figura 4) está permanentemente polarizada porque o centro da distribuição de carga positiva está no meio do caminho entre os átomos de hidrogênio. (Serway e Jewett, 2005).
Enquanto na molécula BeH2 (hidreto de berílio - Figura 5), uma molécula linear, não há polarização, pois o centro de distribuição das cargas positivas (hidrogênios) está no centro de distribuição das cargas negativas (berílio), cancelando qualquer polarização que pode existir. Esta é uma molécula apolar.
Da mesma forma, quando um material dielétrico está na presença de um campo elétrico E, as moléculas se alinharão em função do campo elétrico, causando uma densidade de carga superficial nas faces do dielétrico voltadas para as placas do capacitor..
Devido a este fenômeno, o campo elétrico dentro do dielétrico é menor que o campo elétrico externo gerado pelo capacitor. A ilustração a seguir (figura 6) mostra um dielétrico eletricamente polarizado dentro de um capacitor de placa plano-paralelo..
É importante notar que este fenômeno resulta mais facilmente em materiais polares do que em apolares, devido à existência de moléculas polarizadas que interagem de forma mais eficiente na presença do campo elétrico. Porém, a mera presença do campo elétrico provoca a polarização de moléculas apolares, resultando no mesmo fenômeno dos materiais polares..
Dependendo da funcionalidade, economia e utilidade final dos capacitores, diferentes materiais isolantes são usados para otimizar seu desempenho..
Materiais como papel são muito baratos, embora possam falhar em altas temperaturas ou em contato com água. Enquanto borracha, ainda é maleável, mas mais resistente. Também temos porcelana, que resiste a altas temperaturas, embora não se adapte a diferentes formatos conforme a necessidade..
Abaixo está uma tabela onde a constante dielétrica de alguns materiais é especificada, onde as constantes dielétricas não têm unidades (são adimensionais):
Tabela 1: Constantes dielétricas de alguns materiais à temperatura ambiente.
Os materiais dielétricos são importantes na sociedade global com uma ampla gama de aplicações, desde comunicações terrestres e via satélite, passando por software de rádio, GPS, monitoramento ambiental por meio de satélites, entre outros. (Sebastian, 2010)
Além disso, Fiedziuszko e outros (2002) descrevem a importância dos materiais dielétricos para o desenvolvimento da tecnologia sem fio, inclusive para a telefonia celular. Em sua publicação, eles descrevem a relevância deste tipo de materiais na miniaturização de equipamentos..
Nessa ordem de ideias, a modernidade gerou uma grande demanda por materiais com altas e baixas constantes dielétricas para o desenvolvimento de uma vida tecnológica. Esses materiais são componentes essenciais para dispositivos de Internet em termos de funções de armazenamento de dados, comunicações e desempenho de transmissões de dados. (Nalwa, 1999).
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