O que é material dielétrico - propriedades e suas aplicações

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Os materiais são categorizados como condutores, isoladores e semicondutores com base em suas propriedades de condução elétrica. Todo material é feito de moléculas que, por sua vez, são feitas de átomos. Quando submetidos a campo elétrico, esses átomos do material sofrem certos deslocamentos e mudanças nas propriedades. Em outubro de 1745, um experimento feito por Ewald Georg von Kleist, da Alemanha, conectando um gerador eletrostático de alta tensão a um volume de água coletado em uma jarra portátil usando um fio, mostrou que a carga pode ser armazenada. Usando este fenômeno, Pieter van Musschenbroek inventou o primeiro capacitor chamado “Leyden Jar”. A nova propriedade do material que apoiou esta invenção foi “Dielétrico”.

Qual é o dielétrico?

Todo material é feito de átomos. Os átomos contêm partículas carregadas negativamente e positivamente. O núcleo central do átomo é carregado positivamente. Em qualquer material, os átomos são organizados como dipolos representado com uma carga positiva e negativa em sua extremidade. Quando esses materiais são submetidos ao campo elétrico, o momento dipolar ocorre.




Um material condutor começa a conduzir quando a eletricidade é aplicada. Um isolador se opõe ao fluxo de eletricidade, pois não possui elétrons em movimento livre em sua estrutura. Mas o dielétrico é um tipo especial de isolante que não conduz eletricidade, mas é polarizado quando sujeito à eletricidade.

Polarização em Dielétrico

Polarização em Dielétrico



Em materiais dielétricos, quando submetidos ao campo elétrico, as cargas positivas presentes no material são deslocadas na direção do campo elétrico aplicado. As cargas negativas são deslocadas na direção oposta ao campo elétrico aplicado. Isso leva à polarização dielétrica. No material dielétrico, as cargas elétricas não fluem através do material. A polarização reduz o campo geral do dielétrico.

Propriedades do dielétrico

O termo Dielétrico foi introduzido pela primeira vez por William Whewell. É a combinação de duas palavras - 'Dia' e 'elétrico'. A condutividade elétrica de um dielétrico perfeito é zero. Um dielétrico armazena e dissipa a energia elétrica de forma semelhante a um capacitor ideal. Algumas das principais propriedades de um material dielétrico são suscetibilidade elétrica, polarização dielétrica, dispersão dielétrica, relaxamento dielétrico, ajustabilidade, etc ...

Suscetibilidade Elétrica

A facilidade com que um material dielétrico pode ser polarizado quando sujeito a um campo elétrico é medida pela suscetibilidade elétrica. Essa quantidade também determina a permeabilidade elétrica do material.


Polarização Dielétrica

Um momento de dipolo elétrico é uma medida de separação de carga negativa e positiva no sistema. A relação entre o momento dipolar (M) e o campo elétrico (E) dá origem às propriedades do dielétrico. Quando o campo elétrico aplicado é removido, o átomo retorna ao seu estado original. Isso acontece de maneira exponencial. O tempo que o átomo leva para atingir seu estado original é conhecido como tempo de relaxamento.

Polarização Total

Existem dois fatores que decidem a polarização do dielétrico. Eles são a formação do momento de dipolo e sua orientação em relação ao campo elétrico. Com base no tipo de dipolo elementar, pode haver polarização eletrônica ou polarização iônica. Polarização eletrônica Péocorre quando as moléculas dielétricas que formam o momento de dipolo são compostas por partículas neutras.

Polarização iônica Peue a polarização eletrônica são independentes da temperatura. Momentos de dipolo permanentes são produzidos nas moléculas quando há uma distribuição assimétrica de carga entre os diferentes átomos. Nesses casos, a polarização orientacional Poué observado. Se uma carga livre estiver presente no material dielétrico, isso levaria à polarização de carga espacial Ps. A polarização total do dielétrico envolve todos esses mecanismos. Assim, a polarização total do material dielétrico é

PTotal= Peu+ Pé+ Pou+ Ps

Dispersão Dielétrica

Quando P é a polarização máxima atingida pelo dielétrico, tré o tempo de relaxamento para um determinado processo de polarização, o processo de polarização dielétrica pode ser expresso como

P (t) = P [1-exp (-t / tr)]

O tempo de relaxamento varia para diferentes processos de polarização. A polarização eletrônica é muito rápida, seguida pela polarização iônica. A polarização de orientação é mais lenta do que a polarização iônica. A polarização da carga espacial é muito lenta.

Quebra dielétrica

Quando campos elétricos mais altos são aplicados, o isolante começa a conduzir e se comportar como um condutor. Em tais condições, os materiais dielétricos perdem suas propriedades dielétricas. Este fenômeno é conhecido como quebra dielétrica. É um processo irreversível. Isso leva à falha de materiais dielétricos.

Tipos de material dielétrico

Os dielétricos são categorizados com base no tipo de molécula presente no material. Existem dois tipos de dielétricos - dielétricos polares e dielétricos não polares.

Dielétricos Polares

Em dielétricos polares, o centro de massa das partículas positivas não coincide com o centro de massa das partículas negativas. Aqui existe o momento de dipolo. As moléculas têm forma assimétrica. Quando o campo elétrico é aplicado, as moléculas se alinham com o campo elétrico. Quando o campo elétrico é removido, o momento de dipolo aleatório é observado e o momento de dipolo líquido nas moléculas torna-se zero. Exemplos são H2O, CO2, etc ...

Dielétricos não polares

Nos dielétricos não polares, o centro de massa das partículas positivas e negativas coincidem. Não há momento de dipolo nessas moléculas. Essas moléculas têm forma simétrica. Exemplos de dielétricos não polares são H2, N2, O2, etc ...

Exemplos de material dielétrico

Os materiais dielétricos podem ser sólidos, líquidos, gases e vácuo. Os dielétricos sólidos são muito usados ​​na engenharia elétrica. Alguns exemplos de dielétricos vendidos são porcelana, cerâmica, vidro, papel, etc ... Ar seco, nitrogênio, hexafluoreto de enxofre e os óxidos de vários metais são exemplos de dielétricos gasosos. Água destilada e óleo de transformador são exemplos comuns de dielétricos líquidos.

Aplicações de Material Dielétrico

Algumas das aplicações de dielétricos são as seguintes-

  • Estes são usados ​​para armazenamento de energia em capacitores .
  • Para melhorar o desempenho de um dispositivo semicondutor, são usados ​​materiais dielétricos de alta permissividade.
  • Dielétricos são usados ​​em Monitores de cristal líquido.
  • O dielétrico cerâmico é usado no oscilador de ressonador dielétrico.
  • Filmes finos de titanato de estrôncio de bário são dielétricos usados ​​em dispositivos sintonizáveis ​​por microondas, proporcionando alta sintonização e baixa corrente de fuga.
  • O parileno, utilizado em revestimentos industriais, atua como barreira entre o substrato e o ambiente externo.
  • Em elétrica transformadores , os óleos minerais são usados ​​como um dielétrico líquido e auxiliam no processo de resfriamento.
  • O óleo de rícino é usado em capacitores de alta tensão para aumentar seu valor de capacitância.
  • Eletretos, um material dielétrico especialmente processado, atua como equivalente eletrostático aos ímãs.

FAQs

1). Qual é o uso do dielétrico em capacitores?

Os dielétricos usados ​​no capacitor ajudam a diminuir o campo elétrico que, por sua vez, diminui a tensão, aumentando assim a capacitância.

2). Qual material dielétrico é amplamente utilizado em capacitores?

Em capacitores, materiais dielétricos como vidro, cerâmica, ar, mica, papel e filme plástico são amplamente utilizados.

3). Qual material tem a maior rigidez dielétrica?

Observa-se que um vácuo perfeito possui a maior rigidez dielétrica.

4). Todos os isoladores são dielétricos?

Não, embora os dielétricos se comportem como isolantes, nem todos os isoladores são dielétricos.

Assim, os dielétricos são uma parte importante dos capacitores. Um bom material dielétrico deve ter boa constante dielétrica, rigidez dielétrica, baixo fator de perda, estabilidade em alta temperatura, alta estabilidade de armazenamento, boa resposta de frequência e deve ser corrigido para processos industriais. Os dielétricos também desempenham um papel vital nos circuitos eletrônicos de alta frequência. A medição das propriedades dielétricas do material fornece informações sobre suas características elétricas ou magnéticas. O que é uma constante dielétrica?