O QUE É PERMISSIVIDADE ELÉTRICA? (COM EXPERIMENTO) - FISICA - 2024

A permissividade elétrica é o parâmetro que quantifica a resposta de um meio na presença de um campo elétrico. É denotado pela letra grega ε e seu valor para o vácuo, que serve de referência para os outros meios, é o seguinte: ε _o = 8,8541878176 x 10 ^-12 C ² / Nm ²

A natureza do meio dá uma resposta particular aos campos elétricos. Desta forma, a temperatura, a umidade, o peso molecular, a geometria das moléculas constituintes, os esforços mecânicos no interior influenciam, ou que haja alguma direção preferencial no espaço em que a existência do campo seja facilitada.

Figura 1. O ar torna-se condutor acima de uma determinada tensão. Fonte: Pixabay.

Neste último caso, o material é considerado anisotrópico. E quando nenhuma direção é preferencial, o material é considerado isotrópico. A permeabilidade de qualquer meio homogêneo pode ser expressa em função da permeabilidade do vácuo ε _ou pela expressão:

ε = κε _ou

Onde κ é a permeabilidade relativa do material, também chamada de constante dielétrica, uma quantidade adimensional que foi determinada experimentalmente para muitos materiais. Uma forma de realizar esta medição será explicada posteriormente.

Dielétricos e capacitores

Um dielétrico é um material que não conduz bem a eletricidade, por isso pode ser usado como isolante. No entanto, isso não impede que o material seja capaz de responder a um campo elétrico externo, criando o seu próprio.

A seguir, analisaremos a resposta de materiais dielétricos isotrópicos, como vidro, cera, papel, porcelana e algumas gorduras comumente utilizadas em eletrônica.

Um campo elétrico externo ao dielétrico pode ser criado entre duas folhas metálicas de um capacitor de placa plana paralela.

Os dielétricos, ao contrário de condutores como o cobre, não possuem cargas livres que podem se mover dentro do material. Suas moléculas constituintes são eletricamente neutras, mas as cargas podem mudar ligeiramente. Dessa forma, eles podem ser modelados como dipolos elétricos.

Um dipolo é eletricamente neutro, mas a carga positiva está a uma pequena distância da carga negativa. Dentro do material dielétrico e na ausência de um campo elétrico externo, os dipolos são geralmente distribuídos aleatoriamente, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2. Em um material dielétrico, os dipolos são orientados aleatoriamente. Fonte: self made.

Dielétrico em um campo elétrico externo

Quando o dielétrico é introduzido no meio de um campo externo, por exemplo aquele criado dentro de duas lâminas condutivas, os dipolos se reorganizam e as cargas se separam, criando um campo elétrico interno no material na direção oposta ao campo externo..

Quando esse deslocamento ocorre, diz-se que o material está polarizado.

Figura 3. Material dielétrico polarizado. Fonte: self made.

Esta polarização induzida faz com que o campo elétrico líquido ou resultante E diminua, um efeito mostrado na figura 3, uma vez que o campo externo e o campo interno gerado pela referida polarização têm a mesma direção, mas direções opostas. A magnitude de E é dada por:

O campo externo sofre uma redução graças à interação com o material em um fator denominado κ ou constante dielétrica do material, propriedade macroscópica do mesmo. Em termos desta quantidade, o campo resultante ou líquido é:

A constante dielétrica κ é a permissividade relativa do material, uma quantidade adimensional sempre maior que 1 e igual a 1 no vácuo.

Ou ε = κε _ou conforme descrito no início. As unidades de ε são iguais às de ε _o: C ² / Nm ² ou F / m.

Medição de permissividade elétrica

O efeito da inserção de um dielétrico entre as placas de um capacitor é permitir um armazenamento de cargas adicionais, ou seja, um aumento da capacidade. Este fato foi descoberto por Michael Faraday no século XIX.

É possível medir a constante dielétrica de um material usando um capacitor de placa plana paralela da seguinte forma: quando há apenas ar entre as placas, pode-se comprovar que a capacidade é dada por:

Onde C _o é a capacitância do capacitor, A é a área das placas e d é a distância entre elas. Mas ao inserir um dielétrico, a capacidade aumenta por um fator κ, como visto na seção anterior, e então a nova capacidade C é proporcional à original:

C = κε _ou. A / d = ε. De Anúncios

A razão entre a capacidade final e inicial é a constante dielétrica do material ou permissividade relativa:

κ = C / C _ou

E a permissividade elétrica absoluta do material em questão é conhecida por meio de:

ε = ε _o. (C / C _o)

As medições podem ser facilmente realizadas se você tiver um multímetro capaz de medir a capacitância. Uma alternativa é medir a tensão Vo entre as placas do capacitor sem dielétrico e isoladas da fonte. Em seguida, o dielétrico é introduzido e uma diminuição da tensão é observada, cujo valor será V.

Então κ = V _ou / V

Experiência para medir a permissividade elétrica do ar

-Materiais

- Condensador de placa plana paralela com espaçamento ajustável.

- Parafuso micrométrico ou vernier.

- Multímetro que tem a função de medir a capacidade.

- Papel gráfico.

-Processo

- Escolha uma separação d entre as placas do capacitor e com a ajuda do multímetro meça a capacidade C _o. Registre o par de dados em uma tabela de valores.

- Repita o procedimento acima para pelo menos 5 separações de placas.

- Encontre o quociente (A / d) para cada uma das distâncias medidas.

- Graças à expressão C _o = ε _o. A / d sabe-se que C _o é proporcional ao quociente (A / d). Trace cada valor de C _ou seu respectivo valor A / d em papel milimetrado.

- Ajuste visualmente a melhor linha e determine sua inclinação. Ou encontre a inclinação usando a regressão linear. O valor da inclinação é a permissividade do ar.

Importante

O espaçamento entre as placas não deve exceder cerca de 2 mm, uma vez que a equação para a capacitância do capacitor de placa plana paralela assume placas infinitas. No entanto, esta é uma aproximação bastante boa, uma vez que o lado das placas é sempre muito maior do que a separação entre elas.

Neste experimento, a permissividade do ar é determinada, que é bastante próxima à do vácuo. A constante dielétrica do vácuo é κ = 1, enquanto a do ar seco é κ = 1,00059.

Referências

1. Dielétrico. Constante dielétrica. Recuperado de: electricistas.cl.
2. Figueroa, Douglas. 2007. Série de Física para Ciência e Engenharia. Volume 5 Interação elétrica. 2ª Edição. 213-215.
3. Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Permitividade relativa de um material. Recuperado de: elaula.es.
4. Monge, M. Dielectrics. Campo eletrostático. Universidade Carlos III de Madrid. Recuperado de: ocw.uc3m.es.
5. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14 ^th. Ed. 797-806.