MATERIAIS ISOLANTES

São chamados isolantes os materiais de baixa condutividade. Apresentam os elétrons de valência rigidamente ligados aos seus átomos, não permitindo a passagem de corrente elétrica. Tais materiais têm a propriedade da alta rigidez dielétrica e por isso, são também chamados materiais dielétricos.
Baixa Condutividade
Alta Rigidez Dielétrica

Quando um campo elétrico é aplicado a um material isolante as cargas são ligeiramente deslocadas e os elétrons são movidos para posições diferentes das suas posições de equilíbrio, ocorrendo uma polarização, chamada de polarização dielétrica.

Polarização Dielétrica

Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas partículas elementares, quando sujeitas à ação de um campo elétrico. Define-se por polarização um deslocamento reversível dos centros das cargas positivas e negativas na direção do campo elétrico externo aplicado. Por ser reversível, esta direção acompanha, ou pelo menos tende a acompanhar, a própria orientação do campo elétrico aplicado.

A polarização de um dielétrico pode ocorrer das duas maneiras:

Polarização de um átomo

1) Se o isolante é constituído de átomos, que não apresentam momento dipolar, então o deslocamento dos núcleos das cargas positivas e negativas sob a ação de campos externos é tanto maior, quanto mais elevada a intensidade do campo que é aplicada e com ele, a ação de força deste campo. Uma vez eliminado o campo externo, os átomos voltam à sua posição inicial, a polarização desaparece, pois os centros de cada grupo de cargas voltam à situação inicial.

Polarização de uma molécula

2) Se o dielétrico for constituído de partículas elementares (elétrons, prótons, etc.) que por si só já são dipolos (por exemplo, moléculas) que, devido à sua constituição química já são dotados de cargas positivas e negativas, a ação do campo elétrico externo tenderá a orientar as partículas de acordo com a própria orientação do campo externo. Quanto mais intenso é o campo, tanto mais elevado é o trabalho de orientação das partículas elementares, observando-se de modo mais acentuado a elevação de temperatura, devido à transformação do trabalho de orientação em calor. Dependendo da estrutura do dielétrico, pode ocorrer uma polarização mesmo com total ausência de energia externa.

Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente

Exemplos de materiais isolantes:

- a) gasosos:
  - i. ar –
atuam geralmente em duas áreas, refrigeração e isolação;
amplamente utilizado como isolante em redes elétricas de transmissão e distribuição;

- - ii. hexafluoreto de enxofre (SF6) – usado em isolamentos de cabos subterrâneos e disjuntores de alta potência (subestações);

- b) fibras naturais: papel impregnado em resinas ou óleos, algodão, seda – usados em suportes isolantes e em revestimentos de cabos, capacitores e bobinas;

- c) cerâmicas: óxido de alumínio, titanato de bário, porcelana, etc. – utilizadas basicamente em isoladores de baixa, média e alta tensão, e em capacitores de baixa e alta tensão (elevada constante dielétrica);

- d) resinas plásticas: Poliéster, polietileno, PVC (Poli Cloreto de Vinila), Teflon, etc. – aplicados em revestimentos de fios e cabos, capacitores e peças isolantes;
baixo ponto de fusão, baixa resistência, baixa higroscopia;

- e) líquidos: Óleos (mineral, ascarel, óleo de silicone – atuam nas áreas de refrigeração e isolação em transformadores e disjuntores a óleo. Também empregados para impregnar papéis usados como dielétricos em capacitores.
altamente estáveis;
baixa visocidade;

- f) tintas e vernizes: compostos químicos de resinas sintéticas – Têm importante emprego na tecnologia de isolação de componentes eletrônicos como: esmaltação de fios e cabos condutores, isolação de laminados ferromagnéticos, circuitos impressos e proteção geral de superfícies;
baixo ponto de fusão, baixa resistência, baixa higroscopia;

- g) borrachas sintéticas: neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE (Polietileno Reticulado) e borracha butílica –usados como capa protetora de cabos;
envelhecimento;
estabilidade térmica;
resistência perante agentes químicos;
resistentes a abrasão;

- h) mica: material mineral usado em capacitores e em ligações entre transistores de alta potência;
encontrada com facilidade;
elevada estabilidade térmica;
temperatura alta;
bom comportamento mecânico;

- i) vidro: principal emprego em isoladores de linhas de transmissão. As fibras de vidro são usadas no lugar dos papéis em algumas aplicações.
pequeno fator de perdas;
Grande Durabilidade;
Baixo peso por metro;
Baixo custo;

- j) madeira: grande utilização em cruzetas dos postes de distribuição.
um dos primeiros materiais isolantes;
baixo preço e fácil acesso;
madeira seca é melhor como isolante;
absorção da água incha a madeira;
mudança de volume deforma o material;

Aplicações

Determinação do potencial elétrico em isoladores usados em linhas de transmissão e equipamentos de subestações de energia elétrica.

muflas – usadas para conectar cabos em subestações de energia elétrica.

chaves fusíveis (isolador de porcelana vitrificada)

Sob condições tão diversas, diferentes fenômenos devem ser levados em conta na hora de prever o comportamento do isolante e sua influência (perdas, fugas de corrente) no funcionamento de um sistema.

Uma larga variedade de materiais é usada na fabricação de maquinas e aparelhos elétricos, na construção de linhas aéreas e subterrâneas de transmissão, em equipamentos de radio, eletrônica, telecomunicações e em outros dispositivos elétricos diversos, cuja enumeração seria extremamente longa.O conhecimento adequado das propriedades dos materiais utilizados em eletrotécnica é muito útil e valioso ao engenheiro, pois permite mediante seleção criteriosa aumentar a eficiência e a confiabilidade das maquinas e aparelhos elétricos e reduzir os seus custos de manufatura e manutenção. Com o acelerado desenvolvimento de modernas tecnologias, mais e mais se tornam exigentes e severas as condições de trabalho que são submetidos os materiais, demandados pelos novos sistemas elétricos de potencia, automação,engenharia nuclear e outros ramos vários da engenharia.

Capacitores

Luis

Capacitores são dispositivos destinados a armazenar cargas elétricas.
São constituídos por dois condutores separados por um isolante. Os condutores são chamados armaduras (ou placas) do capacitor e o isolante é o dielétrico do mesmo. Tal dielétrico pode ser um isolante qualquer como o vidro, a parafina, o papel e, muitas vezes, o próprio ar.

Podem ser esféricos, cilíndricos ou planos, de acordo com a forma de suas armaduras. Quando eletrizadas, as armaduras armazenam cargas elétricas de mesmo valor absoluto, porém de sinais contrários.

Na figura ao lado, a armadura A tem, inicialmente, potencial elétrico nulo e está conectada ao terminal positivo da pilha; logo, os elétrons migram da armadura para a pilha. Já a armadura B, que também tem potencial elétrico nulo, está conectada ao terminal negativo da pilha, e assim elétrons migram do terminal da pilha para a armadura B.

Acontece que, enquanto a armadura A está perdendo elétrons, ela está se eletrizando positivamente e seu potencial elétrico está aumentando. O mesmo ocorre na armadura B, só que ao contrário, ou seja, B está ganhando elétrons, eletrizando-se negativamente, e seu potencial elétrico está diminuindo.

Este processo cessa ao equilibrarem-se os potenciais elétricos das armaduras com os potenciais elétricos dos terminais do gerador (pilha), ou seja, quando a diferença de potencial elétrico (ddp) entre as armaduras do capacitor for igual à ddp nos terminais da pilha dizemos que o capacitor está carregado com carga elétrica máxima.

Num circuito, só há corrente elétrica no ramo que contém o capacitor enquanto este estiver em carga ou em descarga.
Os capacitores são constituídos por uma composição de eletrodos (armaduras ou placas) e dielétricos.

O capacitor tem inúmeras aplicações na elétrica e na eletrônica, podendo servir para armazenar energia elétrica, carregando-se e descarregando-se muitas vezes por segundo.
A quantidade de carga armazenada na placa de um capacitor é diretamente proporcional à diferença de potencial entre as placas.

A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial (U) que existe entre as placas:
A unidade de capacidade eletrostática, no SI, é o Farad (F).

ENERGIA ARMAZENADA
- O gráfico ao lado representa a carga elétrica Q de um capacitor em função da ddp (U) nos seus terminais.
- Como, neste caso, Q e U são grandezas diretamente proporcionais, o gráfico corresponde a uma função linear, pois a capacidade eletrostática C é constante.
- Considerando que o capacitor tenha adquirido a carga Q quando submetido à ddp (U) do gráfico, a energia elétrica Welétr armazenada no capacitor corresponde à área do triângulo hachurado.

Os capacitores são amplamente utilizados em rádios, gravadores, televisores, circuitos elétricos de veículos, etc.
Os capacitores podem ser de valores de capacitância fixos ou variáveis.
Dentre os capacitores fixos ressaltam-se os seguintes:

Capacitores Eletrolíticos

Funcionamento

Os capacitores eletrolíticos podem ser formados por quaisquer metal que oxide por tratamento anódico, porém, o mais comum deles é o aluminio.

Além disso, dentro de um capacitor eletrolítico está sempre ocorrendo uma reação de pilha.

Como sabemos, capacitores são placas paralelas preenchidas por um dielétrico para aumentar a capacitância, no caso dos capacitores eletrolíticos o eletrólito faz papel de placa e o óxido faz papel de dielétrico. Portanto é muito importante manter a polarização correta, pois caso ela seja invertida o óxido é destruído e os valores nominais do capacitor não mais valem.

Leitura Nominal

A polarização é muito simples de ser identificada, a maior "perna" do capacitor é a polaridade positiva, e a menor a polaridade negativa. Os capacitores já contém as informações de tensão de funcionamento e capacitância especificadas pelo fabricante, escritas ao longo do corpo do capacitor.

Aplicações

Os capacitores eletrolíticos são aplicados usualmente em circuitos onde é necessária uma alta capacitância, exatamente por essa capacitancia ser alcançada por esses capacitores. Uma das aplicações são os circuitos de retificação, onde o capacitor por armazenar energia se opõe a variação da mesma, ou seja, caso estejamos lidando com ondas senoidais o capacitor irá diminuir as oscilações dessa onda. Essas oscilações são denominadas "Ripple" da onda.

Capacitores de Tântalo

Os capacitores de Tântalo são capacitores que utilizam a tecnologia descrita anteriormente, portanto, capacitores de tantalo são capacitores eletrolíticos.

Tântalo, ou tantálio é um elemento químico encontrado na quinta familia B da tabela periodica, se trata de um metal de transição raro, duro, de coloração azul, com brilho metálico e resistente a corrosão.

O tântalo é utilizado nos capacitores por possuir uma má conductibilidade térmica, ou seja, em situações onde haverá uma grande variação de temperatura a capacitância se manterá praticamente constante. A temperatura pode interferir na capacitância de materiais com boa condutibilidade térmica pois é uma função puramente geométrica das placas, então, se houver uma grande dilatação haverá uma grande variação na geometria das placas, o que mudaria a capacitancia.
O capacitor de tântalo, por ser um metal raro, possui um custo mais elevado em relação ao de alumínio, porém é imprescindivel para casos onde há alta frequência e alta temperatura.
Como exemplo podemos citar o uso dos capacitores de tantalo em celulares, dispositivos que utlizam de altas frequências.

Capacitores Cerâmicos

Os capacitores de cerâmica são compostos por um disco de cerâmica, que agirá como dielétrico e uma deposição metálica em cada uma de suas faces, agindo como placas. Normalmente essa deposição é de prata.
Existem dois sistemas de leitura para os valores nominais dos capacitores de cerâmica, ambos os sistemas se aproximam muito dos sistemas utilizados pelos resistores. Um deles se trata de três numeros e uma letra, os dois primeiros numeros são os algarismos, o terceiro numero é a potência de 10 multiplicadora, e a letra é a tolerância. Como a seguir:

As tolerancias estão a seguir:

O capacitor de cerâmica é utilizado em circuitos ou sistemas onde deve minizar-se a perda, ou também ocupar pouco espaço, já que os capacitores de ceramica são pequenos. obs: os capacitores de ceramica variam a capacitância com a temperatura.

Capacitores de Filme de Poliestireno

Os capacitores de poliestireno, como sugere o nome, utilizam do poliestireno como meio dielétrico e uma fina camada de metal depositada sobre ambas as faces do poliestireno funcionará como placas. A prata e o cobre são muito utilizados para a deposição sobre o poliestireno.
K=2,6
São utilizados principalmente em sistemas e circuitos onde é necessário que hajam poucas perdas, também deve-se destacar que possuem coeficiente de temperatura negativo e constante, ou seja, podem compensar o efeito de dispositivos que possuem o contrário, como por exemplo bobinas de núcleo de ferro. Tornando os sistemas estáveis em relação a frequência.
A leitura desses capacitores é muito simples, o numero estampado em seu corpo diz exatamente a quantidade de pico-farads de capacitancia do capacitor, e a letra ao final diz a tolerância imposta pelo fabricante.
A tolerância segue a tabela a seguir:

Como exemplo podemos citar quaisquer circuitos onde seja necessário controlar a frequência de ressonancia, alguns exemplos são acoplamentos entre estágios de alta freqüência e filtros RC, capacitor de amostragem para conversores ADC e circuitos osciladores.

Capacitores de Filme de Poliéster

Os capacitores de filme de poliéster possuem duas configurações.
Primeira configuração: São enroladas várias finíssimas camadas de alumínio e poliéster resultando em um "sanduiche" de poliéster e aluminio, o qual será o capacitor ao fim. Esse tipo se caracteriza pelo fato de que quando a tensão máxima é ultrapassada o aluminio por ser muito fino evapora, então o circuito se abre e o capacitor não explode ou não queima, apenas deixa de funcionar. Este capacitor é menor do que o capacitor da segunda configuração.
Segunda Configuração: É enrolada apenas uma camada grossa de aluminio e poliéster resultando em um capacitor. Este segue das mesmas caracteristicas que os outros capacitores. Este capacitor é maior que o capacitor da primeira configuração.
K = 3,6
A leitura dos valores nominais é feita através do código de cores ou do valor impresso diretamente no capacitor, sendo a tolerancia dada por:

Capacitores de Polipropileno

Os capacitores de polipropileno são destacados por possuirem estabilidade em relação ao tempo, esses capacitores são de custo mais elevado devido a essa caracteristica, e são usados em sistemas onde o longo uso não deve degenerar as caracteristicas nominais do componente.
São feitos com uma deposição metálica nas faces do polipropileno, que agirá como dielétrico
Destinados para motores monofásicos, reatores de lâmpadas e lâmpadas fluorescentes.
K = 2,5-2,6

Capacitores de Mica

Esses capacitores, de mica, são feitos com uma fina deposição de metal sobre as faces da mica, que agirá como dielétrico. Normalmente se usa a prata para esta deposição.
Os capacitores de mica apresentam ótima estabilidade por possuir baixo coeficiente de temperatura, então, os capacitores de mica serão utilizados em sistemas onde é essencial a estabilidade. Como citado anteriormente são utilizados em osciladores, circuitos de filtragem etc...
Apesar de serem ótimos em relação a estabilidade, os capacitores de mica são raros por serem muito caros já que o metal utilizado como dielétrico é raro e utilizado em outros setores.
A leitura dos valores nominais, como nos casos anteriores, é feita de maneira direta.

Capacitores de Papel

Os capacitores de papel são feitos enrolando várias camadas finas de papel com deposição metálica e são embebidos em resina ou óleo. Alguns desses capacitores utilizavam de cera de abelha.
Os capacitores de papel eram muito utilizados nos primórdios da eletrônica, porém , atualmente não se utiliza mais esses capacitores pois a maioria deles sofria de reações com a umidade ambiente ou com o ar e se degenarava. Os melhores capacitores de papel eram os feitos de cera de abelha, esse material resiste ao longo do tempo e dá enorme vida útil ao dispositivo, já as resinas não conferem essa propriedade ao dispositivo. O óleo é uma variação da cera de abelha.
Os capacitores de papel são faceis de identificar pois ou estão rachados, o que é o caso dos feitos de resina, ou estão "lambuzados" por algum material como o óleo.
K = 2,5
Os capacitores de papel eram muito utilizados em radios valvulados ou tv's valvuladas.

Capacitores Variáveis

Outra categoria importante é a dos capacitores variáveis. Estes dispositivos são compostos por um conjunto de placas fixas intercalado com um de placas móveis que podem girar em torno de um eixo comum. Assim, pode-se controlar a área das superfícies condutoras submetidas ao campo elétrico, controlando assim, a capacitância.
Foi bastante empregado na sintonia dos receptores de rádio com válvulas, com o ar como dielétrico. Porém, com o advento dos transistores, surgiu a necessidade da redução do seu tamanho, o que foi obtido através da utilização de filme plástico como dielétrico ao invés do ar.

Com construção similar, porém com apenas duas placas, podemos citar pequenos capacitores ajustáveis normalmente utilizados em rádios portáteis e em diversos dispositivos eletrônicos que têm capacitâncias máximas em torno de 500 pF. O valor exato da capacitância é ajustado na fábrica, durante as fases de montagem e calibração daqueles aparelhos; assim, os capacitores ajustáveis em geral ficam dentro do equipamento, fora do alcance do usuário.
Também são utilizados para fins didáticos, em experimentos onde é necessário analisar diversos valores de capacitância para determinar qual é o comportamento da mesma em relação ao circuito.

Video

Referências Bibliográficas

http://coral.ufsm.br/materiais/isolante.pdf http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfMLgAH/materiais-dieletricos http://pt.wikipedia.org/wiki/Polariza%C3%A7%C3%A3o_diel%C3%A9trica

https://www.google.com.br/?gfe_rd=cr&ei=a5XpU7fsCoWFwATj2IKQDQ

CTM - Aula 13 - 2014/1

Índice