CTM - Aula 13 - 2014/1

MATERIAIS ISOLANTES

• • Ailton

• 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.

• 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:

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.

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 – 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;
  • 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.
  • 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;
  • g) borrachas sintéticas: neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE (Polietileno Reticulado) e borracha butílica –usados como capa protetora de cabos;
  • h) mica: material mineral usado em capacitores e em ligações entre transistores de alta potência;
  • i) vidro: principal emprego em isoladores de linhas de transmissão. As fibras de vidro são usadas no lugar dos papéis em algumas aplicações.
  • j) madeira: grande utilização em cruzetas dos postes de distribuição.

Aplicações

• Conforme apresentado anteriormente, os materiais isolantes podem ser usados na fabricação de diversos equipamentos e dispositivos elétricos/eletrônicos. Alguns deles veremos mais detalhadamente na seqüência.

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

1. 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.

1. 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.

1. 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

• Capacitores de tântalo são capacitores eletrolíticos  que usam um material chamado de tântalo para os eletrodos. Grandes valores de capacitância podem ser obtidos, similares aos de  alumínio. Contudo, os capacitores de tântalo são superiores no que se refere à temperatura e freqüência de operação, sendo, portanto, um pouco mais caros e mais recomendados para aplicações em que se deseja que o valor da capacitância seja constante com a temperatura e freqüência. Usualmente o símbolo  "+" é usado para indicar o pólo positivo.  

Capacitores Cerâmicos 

• Internamente  estes capacitores não têm estrutura de bobinas, por isso mesmo podem ser usados em circuitos   que  aterram sinais de alta freqüência. Estes capacitores têm a forma de um disco.

• Os capacitores cerâmicos apresentam impressos em seu corpo, um conjunto de três algarismos e uma letra, conforme a figura ao lado.
• Para se obter o valor do capacitor (geralmente expresso em pF), os dois primeiros algarismos, representam os dois primeiros dígitos do valor do capacitor e o terceiro algarismo, chamado multiplicador, representa o número de zeros à direita. A letra representa a tolerância (faixa de valores em que a capacitância poderá variar), que pode ser omitida. Esta última, para os capacitores cerâmicos até 10pF é expressa em pF e para aqueles acima de 10pF é expressa em porcentagem. Por exemplo um capacitor com 224F impresso no próprio corpo, possuirá uma capacitância de 220000pF com uma tolerância de +/- 1% (seu valor pode ser um por cento a mais ou a menos desse valor.)

Capacitores de Filme de Poliestireno

• Nestes capacitores, um filme de poliestireno  é usado como dielétrico. Este tipo de capacitor  não pode ser usado em circuitos de altas freqüências, pois eles são construídos com estruturas de bobinas. São usados em circuitos  de filtro e circuitos de tempo que operem até algumas centenas de KHz ou menos.

Capacitores de Filme de Poliéster

• Estes capacitores usam  um fino filme de poliéster como dielétrico, sua tolerância é de cerca ±5% to ±10%. Não têm polaridade.

Capacitores de Polipropileno

• São usados quando houver necessidade de pequena tolerância. A capacitância destes capacitores praticamente não muda. Estes capacitores têm uma tolerância de   ±1%.

Capacitores de Mica 

• Nestes capacitores a mica é usada como dielétrico.  Apresentam boa estabilidade  em função do seu pequeno coeficiente de temperatura. Têm excelentes características  de freqüência, sendo usados em circuitos ressonantes  e  filtros de alta freqüência. Por possuírem boa isolação, são ideais para circuitos tensão mais elevadas.
• Não têm polaridade e não possuem grandes valores  de capacitância.

Capacitores de Papel

• Capacitores de filtro com dielétrico de papel são volumosos e seu valor é em geral limitado a menos do que 10 µF. Eles não são polarizados e podem suportar altas tensões. São fabricados enrolando-se uma ou mais folhas de papel entre folhas metálicas. Todo o conjunto é envolvido em resina termoplástica. Esse tipo de componente é barato e é aplicado em usos gerais.
• Para melhorar as características o papel pode ser impregnado com óleo, o que ocasiona:
  • Aumento da rigidez dielétrica.
  • Aumento da margem de temperatura de aplicação do capacitor.
  • Aplicação de altas tensões.

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.