QUAL É A CONSTANTE DIELÉTRICA? - FISICA - 2025

A constante dielétrica é um valor associado ao material que é colocado 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 muitos 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.

Figura 1: Diferentes tipos de capacitores.

Por exemplo, nossos minicomponentes, televisores e dispositivos multimídia, usam corrente contínua para suas funções, mas as correntes domésticas e industriais que atingem nossas casas e locais de trabalho são correntes alternadas. Como isso é possível?.

Figura 2: Circuito elétrico de um equipamento doméstico

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 formato 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 sejam aproximadas, sem se tocarem, e cobrem completamente o espaço entre as referidas placas com material dielétrico para aumentar a funcionalidade dos condensadores.

Origem da constante dielétrica: capacitores e materiais dielétricos

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.

Os capacitores estão associados a uma quantidade física chamada capacitância "C", que define a quantidade de carga elétrica "Q" que um capacitor pode armazenar fornecendo uma certa diferença de potencial "∆V" (Equação 1).

(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).

(Equação 2)

Uma ilustração de uma capacitância C de capacitor de placa paralela plana carregada e, conseqüentemente, com um campo elétrico uniforme direcionado para baixo entre suas placas é apresentada na Figura 3.

No topo 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 ∊).

Figura 3: Capacitor de placa plano-paralelo sem dielétrico e com dielétrico.

Figueroa (2005), lista três funções para materiais dielétricos em capacitores:

1. Eles permitem uma construção rígida e compacta com um pequeno vão entre as placas condutoras.
2. Eles permitem que uma tensão mais alta seja aplicada sem causar uma descarga (o campo elétrico de colapso é maior do que o do ar)
3. Aumenta a capacitância do capacitor por um fator κ conhecido como constante dielétrica do material.

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.

Modelos atômicos de dielétricos

Em geral, os materiais têm arranjos moleculares específicos que dependem das próprias moléculas e dos elementos que as constituem em cada material. Entre os arranjos moleculares que intervêm nos processos dielétricos está o das 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).

Figura 4: Distribuição da molécula de água.

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 possa existir. Esta é uma molécula apolar.

Figura 5: Distribuição de uma molécula de hidreto de berílio.

Na mesma linha, 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 causa a polarização de moléculas apolares, resultando no mesmo fenômeno dos materiais polares.

Figura 6: Modelos das moléculas polarizadas de um dielétrico devido ao campo elétrico originado no capacitor carregado.

Valores da constante dielétrica em alguns materiais

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 possa se adaptar 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.

Algumas aplicações de materiais dielétricos

Os materiais dielétricos são importantes na sociedade global com uma ampla gama de aplicações, desde comunicações terrestres e via satélite incluindo 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 desse 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).

Referências

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Materiais dielétricos, dispositivos e circuitos. Transações IEEE sobre teoria e técnicas de microondas, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interação elétrica. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FISICA. Começando com os aplicativos. México: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Manual de materiais de baixa e alta constante dielétrica e suas aplicações, conjunto de dois volumes. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Materiais dielétricos para comunicação sem fio. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Física para Ciência e Engenharia. México: International Thomson Editores.