Potencial Elétrico, Dielétricos e Capacitores

Potencial Elétrico, Dielétricos e
Capacitores
Eletricidade e magnetismo - potencial elétrico, dielétricos e capacitores
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Potencial elétrico
●
O campo elétrico é um campo de forças conservativo:
Se, por exemplo, movermos uma carga elétrica positiva
afastando-a de uma carga negativa, estamos agindo contra o
sentido da força de atração entre elas. O resultado é o
armazenamento de energia, que pode ser recuperada se as
cargas forem “liberadas”.
O trabalho realizado para levar uma carga de teste de um
ponto A a um ponto B em um campo elétrico é denominado
“diferença de potencial” entre A e B.
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Potencial elétrico
●
O potencial elétrico é dado então por:
B
W =−Q ∫A E⋅dl
B
W
V AB = =−∫A E.dl
Q
O potencial elétrico pode ser representado por
graficamente por linhas “eqüipotenciais”, ou seja, linhas
que indicam pontos com o mesmo potencial
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Potencial elétrico
●
Linhas de campo e eqüipotenciais de uma carga elétrica
positiva
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●
Linhas de campo
e eqüipotenciais
de diversas
configurações de
cargas
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Materiais Dielétricos
●
●
Um material isolante é uma substância em que
os elétrons e íons não podem se mover em
distâncias macroscópicas, como nos
condutores.
Nenhum material é um isolante perfeito, no
entanto muitos materiais apresentam
deslocamento de elétrons desprezível e esses
materiais tem interesse prático na Engenharia.
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Polarização
●
●
Um material isolante, quando submetido a um
campo elétrico, tem seus elétrons deslocados
de distâncias microscópicas (moleculares).
Esse fenômeno é conhecido como polarização.
Quando nos referimos aos fenômenos
relacionados à polarização dos materiais
isolantes, os chamamos de materiais dielétricos
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Polarização
●
●
Devido à polarização, os materiais dielétricos
são capazes de armazenar energia elétrica.
A figura abaixo mostra o efeito de um campo
elétrico sobre as cargas em um material
dielétrico.
E
+
E
≡
+
-
Dipolo
elétrico
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Polarização
●
Uma porção de material de material dielétrico
é formada por uma infinidade de dipolos:
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
E
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Constante dielétrica
●
●
Um material dielétrico é caracterizado por sua constante
dielétrica (ou permissividade elétrica) ε
Através dessa constante pode-se relacionar a densidade de
fluxo elétrico e o campo elétrico no material:
 = E

D
●
A constante dielétrica é normalmente apresentada de forma
relativa – em relação à constante dielétrica do vácuo: ε0
=r 0
●
Quanto maior a constante dielétrica, maior a densidade de
fluxo elétrico no material para um mesmo campo aplicado
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Constante dielétrica
●
●
●
Nenhum material dielétrico é perfeito,ou seja, a partir de uma
determinada intensidade de campo elétrico ocorre a ruptura do
dielétrico, isto é, a formação de um canal condutivo no corpo
do dielétrico
Em dielétricos na forma gasosa ou líquida normalmente não
ocorre dano permanente ao material
Em dielétricos sólidos, por outro lado, ocorre uma mudança
permanente – formação do canal condutor - e o dielétrico fica
inutilizado
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Valores típicos de constante dielétrica e ponto de
ruptura
Material
εr
Ponto de ruptura
[kV/cm]
Ar
1
30
4,8
25
Vidro
4a9
30
Mica
5,4
200
5a9
11
Poliestireno
2,6
20
Óleo
2,3
15
Baquelite
Porcelana
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Polarização
●
●
●
Uma aplicação típica de dielétricos são os
capacitores, componentes muito utilizados
tanto na Eletrotécnica quanto na Eletrônica.
Os capacitores tem a propriedade de
armazenar energia elétrica
Dispositivos preenchidos com gás apropriado
são utilizados para desviar surtos de altatensão em linhas de transmissão e distribuição
de energia elétrica
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Capacitores
●
Capacitores são construídos em diversos formatos. Todos
eles tem como base a configuração de “placas paralelas”,
explicada a seguir:
A
++++++++++++
d
E
_____________
+Q
-Q
Placas
A
C=
d
−constante dielétrica
A−área das placas [m 2 ]
d −distância entre as placas [m]
C−capacitância em Farday [F ]
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Capacitores
●
Analisando a expressão da capacitância de duas placas
paralelas:
●
●
●
Quanto maior a área das placas maior a capacitância
Quanto maior a distância entre as placas, menor a
capacitância
Quanto maior a constante dielétrica, maior a
capacitância
A
C=
d
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Capacitores
●
Exemplos de capacitores
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Potencial etérico
●
Exercício: A distância entre os eletrodos de uma vela de ignição
de automóvel é de 0,060 cm. Para produzir uma faísca elétrica em
uma mistura gasolina/ar deve haver um campo de 3,0 x 106 V/m.
Para que o automóvel “dê partida” qual deve ser a tensão mínima
aplicada na vela de ignição?
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Capacitores
●
Exercício: Calcule a capacitância de um capacitor feito
com 2 placas paralelas condutoras de alumínio com 1 cm2
de área preenchido com um dielétrico de 2,5 mm de
espessura e constante dielétrica relativa de 2,8.
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