Materiais Elétricos 6

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Aula VI VI.1 – Campo elétrico - dois objetos com carga elétrica estática exercem força um sobre o outro (Coulomb); - considerando tal força em função da unidade de carga, tem-se a intensidade de campo elétrico; - o vetor campo elétrico define a região de influência da força elétrica em torno de um corpo carregado elétricamente; - um objeto carregado positivamente apresenta deficiência de elétrons; - um objeto carregado negativamente apresenta excesso de elétrons. VI.2 – Dielétricos - materiais isolantes; - em tais materiais não existem cargas livres que levem à condução elétrica; - um campo elétrico provoca pequenos deslocamentos das cargas que estão presas à estrutura molecular do material; - são formados dipolos elétricos; - o comportamento dos materiais isolantes depende da estrutura molecular e da maneira como as cargas elétricas estão presas nessa estrutura. VI.3 – Circuito para testes com dielétricos Utilizando o circuito esquematizado a seguir, é possível investigar as características de diferentes dielétricos. Tais dielétricos são incorporados ao capacitor presente no circuito. VI.4 – Testes de dielétricos VI.4.a – Vácuo - K1 é fechada e K2 permanece aberta. Circula uma corrente (i1) que cessa após certo tempo. Essa é a corrente de carga do capacitor; - K1 é aberta e K2 é fechada. Circula uma corrente (i2) de curta duração em sentido contrário ao de i1, passando por R. Essa corrente i2 é a corrente de descarga do capacitor; - o vácuo pode ser considerado como dielétrico perfeito. VI.4.b – Enxofre - K1 é fechada e K2 permanece aberta. A corrente i1 tem curta duração; - enquanto K1 estiver fechada, há outra corrente (i3) que não diminui com o passar do tempo, mesmo quando i1 se anula; - i3 é a corrente de fuga do dielétrico; - K1 é aberta e K2 permanece aberta. A corrente i3 vai gradativamente descarregando o capacitor, pois permite a circulação de corrente entre as placas do mesmo. Tal corrente diminui conforme a diferença de potencial entre as placas diminui; - K1 é aberta e K2 é fechada. A circulação de i2 descarrega o capacitor; - dielétricos reais sem absorção apresentam pequenas correntes de fuga. VI.4.c – Mica - K1 é fechada e K2 permanece aberta. A corrente total cresce rapidamente até um valor máximo. Isso se deve a i1 que tem curta duração; - atingindo o valor máximo, a corrente total decresce e se estabiliza em um valor constante; - o valor constante corresponde à corrente de fuga (i3); - a queda na corrente entre o valor máximo atingido e a corrente de fuga corresponde à corrente de absorção do dielétrico (i4); - K1 é aberta e K2 é fechada. No caso do descarregamento, há uma parcela (i5) que provoca tempo maior de descarregamento. Tal parcela também está relacionada à absorção do dielétrico; - lentamente o capacitor é completamente descarregado; - a mica é classificada como dielétrico com absorção reversível. VI.4.d – Alguns materiais com impurezas - K1 é aberta e K2 é fechada. No caso do descarregamento, há uma parcela (i5) que provoca tempo maior de descarregamento. Tal parcela também está relacionada à absorção do dielétrico; - lentamente o capacitor é descarregado, não se conseguindo o total descarregamento do mesmo; - nesse caso o material de preenchimento do capacitor é um dielétrico com absorção irreversível. VI.5 – Classificação - dielétrico perfeito: vácuo perfeito; - dielétricos sem absorção: gases, enxofre; - dielétricos com absorção reversível: mica, borracha dura; - dielétricos com absorção irreversível: materiais impuros ou úmidos. VI.6 – Constante dielétrica - para o vácuo perfeito: C0 = Q0 V C= Q V - para um dielétrico qualquer: - a relação entre a capacitância obtida com o dielétrico e a capacitância obtida com o vácuo é a constante dielétrica: kD = C C0 - considerando a mesma tensão aplicada: Q C Q = V = kD = C0 Q0 Q0 V VI.7 – Rigidez dielétrica - aumentando a tensão entre as placas do capacitor considerado anteriormente para um mesmo dielétrico, em uma determinada tensão, há circulação de corrente pelo dielétrico; - o dielétrico deixa bruscamente de funcionar como isolante; - a rigidez dielétrica é definida como essa tensão dividida pela espessura do dielétrico; - geralmente a unidade é [kV/mm]; - a rigidez dielétrica depende, principalmente, dos seguintes fatores: Æ espessura do dielétrico; Æ formato do material; Æ temperatura; Æ duração da aplicação da tensão; Æ velocidade do crescimento da tensão; Æ freqüência. VI.8 – Resistência de isolamento A resistência de isolamento é diretamente proporcional a tensão aplicada sobre a isolação e iversamente proporcional à corrente de fuga do dielétrico. Definindo: - R1 – perdas internas no dielétrico; - R2 – resistência de isolamento; - i – corrente de carga somada à corrente de absorção; - i3 – corrente de fuga. VI.9 – Composição da resistência de isolamento Definindo: - RIV – resistência de isolamento volumétrico. Parcela da corrente de fuga que flui através da massa do isolante; - RIS – resistência de isolamento superficial. Parcela da corrente de fuga que flui pela superfície do material isolante. Para cabos isolados, RIS é nula. Ou seja, RIV caracteriza o isolante. Para isoladores de porcelana em redes elétricas aéreas, a resistência de isolamento superficial tem importância maior. VI.10 – Polarização de dielétricos - na presença de campo elétrico, há um desequilíbrio na distribuição das cargas de materiais dielétricos; - criam-se dipolos elétricos em nível atômico; - o dielétrico fica em estado polarizado; - sem o campo elétrico, o material retorna ao seu estado normal de repouso. VI.11 – Ruptura em dielétricos - um dielétrico pode perder suas propriedades isolantes na presença de um campo elétrico, se a intensidade do campo ultrapassar o valor crítico suportado pelo isolante; - ao perder a propriedade isolante, o dielétrico sofre uma ruptura dielétrica; - a tensão em que ocorre a ruptura do dielétrico é a tensão de ruptura ou tensão disruptiva; - a resistência dielétrica é a relação entre a tensão de ruptura e a espessura do dielétrico no ponto de penetração: EBR = VBR h - nesse caso: Æ EBR – resistência dielétrica ou rigidez dielétrica; Æ VBR – tensão de ruptura; Æ h – espessura do dielétrico; - unidade: Æ[MV/m] no SI; Æ [kV/mm] usualmente; - a ruptura do dielétrico de um gás produz centelhamento devido a colisões e ionização de fótons; - a ruptura em líquidos depende de processos de ionização e da presença de impurezas; - a ruptura em sólidos depende de processos térmicos e elétricos; - durante a ruptura de um dielétrico, o campo elétrico intenso provoca crescimento rápido e instantâneo da densidade de corrente; - em relação à influência térmica, o aquecimento do dielétrico pode provocar um decréscimo da resistência dielétrica; - o dielétrico submetido a uma tensão durante um longo tempo pode apresentar processos eletroquímicos que levem a ruptura do mesmo; - a ruptura em gases é puramente elétrica e, portanto, depende exclusivamente da tensão de pico atingir a tensão de ruptura.