Aula3 Isolantes

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ISOLANTES
16 de abril de 2018
Prof. Ms. Gabriel Bachur Cintra
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Motivação
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Nem só de condutores vivem os circuitos elétricos. Tão importante quanto transmitir energia elétrica, é evitar que ela seja desviada para lugares indesejados. 
desafio ou motivação (dependendo do assunto )
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Objetivo da aula:
Apresentar os principais materiais isolantes usados em elétrica, e discutir o comportamento dos dielétricos
Slide para destacar um conceito
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O que vamos estudar hoje 
Definição: Isolantes
Exemplos de materiais isolantes
Dielétricos
Exercícios
Slide de tópicos
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1. DEFINIÇÃO: ISOLANTES
Slide para mudar o tópico: Ao fundo vai uma imagem ilustrativa dependendo do assunto..
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Definição: isolantes
Definição: materiais isolantes são substâncias em que os elétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicas como no caso dos condutores devido a presença de poucos elétrons livres. 
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O que é mais fácil: o elétron atravessar um cabo de alumínio de 2.400 km ou uma borracha escolar?
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Definição: isolantes
Os materiais isolantes apresentam baixa condutividade () quando comparado aos condutores e semicondutores.
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R: Resistência elétrica (Ω)
: Resistividade elétrica (Ω.m)
l : comprimento (m)
A: Área da secção transversal (m2)
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Definição: isolantes
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Para efeito de comparação, a condutividade de um condutor apresenta valores superiores a 104
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Definição: isolantes
De modo geral, a maioria dos polímeros e materiais cerâmicos é composta por materiais isolantes à temperatura ambiente.
Ao contrário dos condutores, o aumento da temperatura nos isolantes, faz com que sua condutividade aumente também.
Isso ocorre devido ao aumento da quantidade de portadores de cargas livres originados pela agitação térmica.
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Definição: isolantes
Todo material isolante tem um limite de isolação. Em outras palavras, é a máxima intensidade do campo elétrico que um dielétrico pode suportar sem tornar-se um condutor de eletricidade (“ruptura dielétrica”). 
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Arco elétrico
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Definição: isolantes
A rigidez dielétrica corresponde ao valor limite de tensão aplicada sobre a espessura do material (kV/mm), sendo que, a partir deste valor, os átomos que compõem o material se ionizam e o material dielétrico deixa de funcionar como um isolante.
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2. EXEMPLOS DE MATERIAIS ISOLANTES
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Exemplos de materiais isolantes
a) Gasosos: 
Ar: amplamente utilizado como isolante em redes elétricas de transmissão e distribuição;
Hexafluoreto de enxofre (SF6): usado em isolamentos de cabos subterrâneos e disjuntores de alta potência (subestações);
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Exemplos de materiais isolantes
b) fibras naturais: papel impregnado em resinas ou óleos, algodão, seda. Usados em suportes isolantes e em revestimentos de cabos, capacitores e bobinas.
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Exemplos de materiais isolantes
c) cerâmicas: óxido de alumínio, titanato de bário, porcelana, etc. são utilizadas basicamente em isoladores de baixa, média e alta tensão, e em capacitores de baixa e alta tensão (elevada constante dielétrica).
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Exemplos de materiais isolantes
d) resinas plásticas: Poliéster, polietileno, PVC (Poli Cloreto de Vinila), Teflon, etc. são aplicados em revestimentos de fios e cabos, capacitores e peças isolantes;
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Exemplos de materiais isolantes
e) líquidos: Óleos (mineral, 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.
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Exemplos de materiais isolantes
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;
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Exemplos de materiais isolantes
g) borrachas sintéticas: neoprene, EPR (Epileno Propileno), XLPE (Polietileno Reticulado) e borracha butílica. Normalmente usados como capa protetora de cabos.
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Exemplos de materiais isolantes
h) mica: material mineral usado em capacitores e em ligações entre transistores de alta potência.
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Exemplos de materiais isolantes
i) Vidro e madeira: principal emprego em isoladores de linhas de transmissão. As fibras de vidro são usadas no lugar dos papéis em algumas aplicações. madeira: grande utilização em cruzetas dos postes de distribuição.
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3. DIELÉTRICOS
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Dielétricos 
Um material dielétrico é um material que é um isolante elétrico (não metálico) e exibe a característica de um dipolo elétrico: separação espacial entre cargas positivas e negativas.
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Bexiga
Parede
Separação das cargas
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Dielétricos 
Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas partículas elementares, quando sujeitas à ação de um campo elétrico. 
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Dielétrico sem polarização
Dielétrico polarizado devido à ação de um campo externo
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Dielétricos 
Devido a essa polarização, os materiais dielétricos são capazes de armazenar energia elétrica.
Existem três tipos de polarização:
Polarização eletrônica
Polarização iônica
Polarização de orientação
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Dielétricos 
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A polarização eletrônica pode ser induzida em maior ou menor grau entre os átomos. Ela ocorre quando o campo elétrico desloca o centro da nuvem eletrônica carregada negativamente em relação ao núcleo positivo do átomo.
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Dielétricos 
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A polarização iônica só pode ocorrer em materiais iônicos. Um campo aplicado atua no deslocamento dos cátions em uma direção e ânions numa direção oposta.
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Dielétricos 
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A polarização de orientação é encontrada somente em substâncias que possuem momentos de dipolos permanentes (como a molécula de água)
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Dielétricos 
Exemplo: aplicação de um campo elétrico sobre um dielétrico faz com que os dipolos se alinhem.
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Dielétricos 
A polarização varia com a frequência do campo aplicado.
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Constante dielétrica (r)
Frequência (Hz)
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4. CAPACITORES
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Capacitores 
Uma importante aplicação de dielétricos é em capacitores. Os materiais dielétricos ajudam a aumentar a capacitância.
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Capacitores 
Capacitores são dispositivos capazes de armazenar uma certa quantidade de carga (Q) quando submetidos a uma diferença de potencial (V).
Quanto maior a capacitância (C) de um capacitor, maior será a quantidade de carga que ele será capaz de armazenar.
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C: Capacitância (F)
Q: quantidade de carga (C)
V : tensão (V)
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Capacitores 
Para entender o efeito dos dielétricos nos capacitores, vamos usar como exemplo os capacitores de placas plano-paralelas.
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C: Capacitância 
A: área das placas
d : tensão
 : permissividade dielétrica do meio
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Capacitores 
Os materiais são classificados de acordocom sua permissividade elétrica (). Ela varia conforme o material.
A permissividade é uma propriedade que mede o grau de isolamento que o dielétrico proporciona.
A permissividade do vácuo é adotada como referência e vale:
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Capacitores 
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Constante Dielétrica
Permissividade elétrica do vácuo
Permissividade elétrica do meio
Na prática, costuma-se classificar os materiais usando a constante dielétrica (r). 
A constante dielétrica nada mais é do que um valor adimensional que multiplica o valor de referência 0
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Capacitores 
Ao adicionarmos um dielétrico entre as placas, a capacitância é aumentada conforme a constante dielétrica
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Ar
Borracha
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Capacitores 
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Resumindo..
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Isolantes: dificultam a passagem de corrente;
Grande importância em aplicações do sistema elétrico;
Limitação: ruptura dielétrica;
Materiais dielétricos: polarização.
Dielétricos aumentam a capacitância de capacitores
desafio ou motivação (dependendo do assunto )
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EXERCÍCIOS
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EXERCÍCIO 1
As placas de um capacitor de placas paralelas com um dielétrico de baquelite distam 0,2 mm e possuem uma área de 0,08 m2, sendo aplicados 200 V entre as placas.
Determine a capacitância
Determine a carga nas placas
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EXERCÍCIO 2
Considere um capacitor de placas paralelas que possui uma área de 6,45.10-4 m2 e que apresenta uma separação entre placas de 2.10-3 m através da qual um potencial de 10 V é aplicado. 
Se o material que possui uma constante dielétrica relativa de 6,0 for posicionado dentro da região entre placas, calcule a capacitância e magnitude da carga armazenada em cada placa. (0 = 8,85.10-12 F/m)
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