Imagem 1 - Fios de cobre trançados
Neste texto você vai ver como um material pode conduzir energia e outro não.
Pra começar, alguns detalhes sobre os átomos.
Um corpo é feito de átomos, assim como qualquer outra coisa do universo. Átomos tem em seu núcleo prótons e nêutrons. Ao redor do núcleo há vários elétrons distribuídos em orbitais.
Desenho 1 - Estrutura básica de um átomo
Para manter os elétrons orbitando ao redor do núcleo é necessário haver forças internas que os seguram e não os deixam escapar. Quanto maior for a distância entre uma camada e o núcleo do átomo, mais fraca pode ficar esta força.
A última dessas camadas é chamada de camada de valência e possui elétrons livres. O nome "elétrons livres" é dado por causa da distância em que estão em relação ao núcleo do átomo, portanto podem se desprender facilmente.
Um material condutor possui menos força de atração entre o núcleo e a última camada de elétrons, o que faz uma condução melhor da corrente elétrica. Materiais isolantes tem uma forte ligação com todos os elétrons em órbita, fazendo com que a circulação deles seja prejudicada. No entanto, existe muito mais a ser estudado sobre esse negócio de alguns átomos serem bons condutores e outros serem péssimos condutores. Um dessas coisas que devemos saber é sobre a Teoria das Bandas estudada na Física dos Sólidos.
Teoria das Bandas - O básico
Nesta teoria, temos como base de estudos a existência da "banda de valência" e da "banda de condução".
Gráfico 1 - Banda de Valência e Banda de Condução
No caso de um átomo isolado, consideramos que os níveis de energia que os elétrons podem ocupar são discretos. O salto quântico dos elétrons entre estes níveis ocorre quando é oferecida energia suficiente para que isso ocorra, seja essa energia térmica, elétrica ou por radiação eletromagnética. No caso de um material onde há uma concentração enorme de átomos, o agrupamento entre estes átomos acarreta na formação das bandas de energia ao invés destes níveis discretos.
Quando pegamos um material isolante, como por exemplo um Poliéster, devemos ter em mente que ele é um dielétrico, ou seja, não há condução de eletricidade, e é necessário uma diferença de potencial elétrico descomunal para "arrancar" elétrons que orbitam os átomos para que então haja condução. Ao atingir esta diferença de potencial que faz o material isolante conduzir elétrons, temos a quebra da rigidez dielétrica, levando este polímero ao colapso devido ao alto fluxo de cargas, gerando calor e luz.
Com este simples exemplo, conseguimos distinguir as duas bandas referidas. A Banda de Valência é os elétrons que orbitam os átomos que compõem o material (não confundir com “camada de valência”). Já a Banda de Condução é justamente o fluxo de elétrons que um material condutor propícia.
Continuando a explicação, materiais como o Silício ou o Germânio podem ter a condutância elétrica (G) melhorada com a adição de impurezas. Já metais como Cobre e Prata são excelentes condutores elétricos, pois a Banda de Valência e a Banda de Condução estão, a grosso modo, "sobrepostas", como mostra o Gráfico 1, não necessitando de um DDP alto para que haja condução.
A distância entre a Banda de Valência e a Banda de Condução é denominada Gap, porém, conhecida também no Português como “Banda Proibida”. É este Gap que diferencia os materiais isolantes, semicondutores, condutores e supercondutores.
Essa “distância” que me refiro é a força que atrai os elétrons e os mantém na órbita do átomo. Por isso que o Cobre, mesmo sendo um condutor possui em sua órbita apenas 1 elétron na última camada (agora sim, camada de valência), e o Silício não é um bom condutor mesmo com uma órbita tendo 4 elétrons em sua última camada.
OBSERVAÇÃO: Mais adiante o texto será visto que a temperatura influi na condução de energia. Metais, ao serem aquecidos perdem condutância, pois a agitação das moléculas provoca colisões e dificultam a movimentação dos elétrons. Nos semicondutores ocorre o contrário, ou seja, ao subir a temperatura a condutância tende a aumentar.
Agora sim se permite expandir o texto para o que é Gap direto e Gap indireto.
A energia máxima da faixa de valência é chamada de “extremo”, "limite superior da banda de valência" ou “topo da banda de valência” (TBV). Já a energia mínima da faixa de condução é chamada “extremo”, "limite inferior da banda de condução" ou “fundo da faixa de condução” (FBC). Para entender melhor, analise o Gráfico 1 ou o Gráfico abaixo:
Gráfico 2 - FBC e TBV
CURIOSIDADE: A “distância” entre a Banda de Valência e a Banda de Condução pode ser medida em elétronVolt (eV).
O TBV e o FBC podem ou não estar no mesmo valor de “k” (momento de cristal) da primeira zona de Brillouin. Se estão, a transição entre estes dois pontos é chamada de “transição direta” e o material é dito ser de “Gap direto”. Se não estão, a transição entre estes dois pontos é chamada de “transição indireta” e o material é dito ser de “Gap indireto”.
No momento, o “Crystal Momentum” e a “Zona de Brillouin” não serão estudadas. Serão adicionadas informações sobre estes assuntos em atualizações futuras deste texto.
CURIOSIDADE: Os valores dos gaps de energia (Eg) são obtidos por meio de medidas de absorção óptica. Fótons com frequências variáveis incidem no material.
Se o material é de gap direto, quando ω = ωg o fóton é absorvido, tal que Eg = ℏ ωg, fazendo com que um elétron "pule" para a banda de condução. Veja o gráfico abaixo:
Gráfico 3 - Gap Direto
Se o material é de gap indireto, a absorção do fóton acontece com a criação de três partículas: um elétron livre, uma lacuna e um fônon, isto é, ℏ = Eg + ℏΩ (ℏΩ ≪ Eg). Nesse processo, para que haja conservação do momento de cristal, devemos ter a criação de um fônon com vetor de onda de módulo igual ao do elétron na Banda de Condução e com frequência Ω. Veja o Gráfico abaixo:
Gráfico 4 - Gap Indireto
OBSERVAÇÃO: O símbolo “Ω” neste trecho do texto não faz referência com resistência elétrica, mas sim frequência.
CURIOSIDADE: Em uma descrição quântica, os fônons equivalem a um tipo especial de movimento vibratório, conhecido como "modos normais de vibração" em mecânica clássica, em que cada parte de uma rede cristalina de átomos oscila com a mesma frequência.
O tipo do Gap entre a Banda de Valência e a Banda de Condução é de extrema importância quando falamos de semicondutores. Quando falamos de LASERS e LEDs, é bem incomum a utilização de Silício ou Germânio, isto pois, ambos os semicondutores são de Gap Indireto, tornando a emissão de fótons de luz menos eficiente.
Carga Elétrica
A carga elétrica é uma propriedade da matéria. Um próton tem uma carga elétrica de +1,6 x 10 elevado a -19 Coulomb e a carga de um elétron é de -1,6 x 10^-19 Coulomb. Como você pode ver, a diferença entre a carga de um próton e de um elétron é apenas os sinais opostos. Não se esqueça que cargas elétricas do mesmo tipo se repelem e cargas elétricas de polos diferentes se atraem.
O átomo tende a ficar neutro, com a quantidade de elétrons igual a de prótons, fazendo com que sua carga seja igual a zero, portanto, se um átomo perder um ou mais elétrons, o número de prótons supera o de elétrons, tornando o átomo um Íon positivo. Se acontecer o contrário, ou seja, o átomo ganhar elétrons, o número de elétrons supera o número de prótons, tornando o átomo um Íon negativo. Esse processo de ganhar ou receber elétrons é chamado de Ionização. CLICANDO AQUI você vê muito mais detalhes sobre eletrostática.
Veja o exemplo abaixo:
Desenho 2 - Átomos de Cobre
Observe a imagem acima. São átomos de Cobre. Perceba que o átomo de Cobre possui só 1 elétron na camada de valência. Quando aplicada uma corrente elétrica pelo condutor (que é feito de átomos), ele joga um elétron para o outro. O primeiro átomo recebe o elétron e se torna um íon negativo (ele se sobrecarrega) e força um elétron da camada de valência a ir para o outro átomo. Esse segundo átomo recebe o elétron do primeiro, se torna um íon negativo e manda novamente um elétron da camada de valência para outro átomo, e assim sucessivamente.
Como foi dito acima, um corpo qualquer é feito de uma infinidade de átomos, que pode variar de acordo com sua densidade e dimensões. O que mantém esses átomos juntos são as ligações químicas.
Na sequência deste texto e do Capítulo 2, você verá que existem materiais:
→ Isolantes;
→ Semicondutores;
→ Condutores.
No Capítulo 1 é dado enfoque na natureza elétrica dos materiais, isto é, na resistência e condutância elétrica, rigidez dielétrica, permissividade, polarização, bem como a interferência da temperatura na condutividade.
No Capítulo 2 são mostradas características de materiais isolantes, semicondutores e condutores.
CORRENTE ELÉTRICA
Como é dito no Capítulo 1.1 desta série, um fluxo ordenado de elétrons é chamado de corrente elétrica, e há dois tipos de corrente: contínua e alternada.
Para calcularmos a intensidade de corrente elétrica que está passando por um condutor em um determinado período de tempo, temos que usar a carga elementar do elétron (e -> -1,6 x 10 elevado a -19 C) e saber quantos (Q) elétrons passaram pelo condutor nesse intervalo de tempo (T), portanto:
Onde:
> Ct é a Carga elétrica total, dada em Coulombs (C);
> Q é a quantidade de elétrons que circulam pelo condutor;
> e é a carga elementar do elétron.
Agora, para saber a intensidade da corrente:
Onde:
> I é a Corrente elétrica dada em Amperes (A);
> Ct é a carga total, dada em Coulombs (C);
> T é o período de tempo em que essa corrente fluiu.
Isto ocorre pois:
Ou seja, 1 Ampere nada mais é que 1 Coulomb por segundo.
RESISTÊNCIA ELÉTRICA
O fluxo de elétrons é "atrapalhado" pela resistência elétrica do material. Todo material possui um valor de resistência elétrica, até mesmo os melhores condutores, isto pois é uma propriedade de todos os materiais.
Vários fatores influenciam na resistência elétrica (por isso que cada material tem sua resistência específica), dentre os principais estão:
-> A composição química do material;
-> As dimensões (comprimento e área);
-> Temperatura.
CURIOSIDADE: A resistência específica também é conhecida como "resistência volumétrica".
Vamos tratar da temperatura mais adiante neste texto. Para saber a resistência elétrica de uma material, devemos saber sua resistividade e suas dimensões, isto é o que diz a segunda Lei de Ohm. Veja a imagem abaixo:
Desenho 3
Para calcular, utilizamos a seguinte fórmula:
Onde:
> R é a Resistência (em Ohms);
> ρ é a resistividade elétrica do material, em Ohms por metro (Ω/m);
> L é o comprimento do fio condutor (em mm³);
> A é a secção transversal dada em mm³. Para saber a secção transversal, você deve saber o diâmetro do fio condutor e multiplicar esse valor pelo raio ao quadrado (r³).
CURIOSIDADE: cada material possui um valor diferente para ρ, e este valor também varia de acordo com a temperatura. Veja mais sobre a interferência temperatura na resistência elétrica lendo este artigo por completo.
Como exemplo, veja abaixo diferentes valores de resistência volumétrica para alguns tipos de borracha puros quando expostos à temperatura ambiente:
Tabela 1 - Resistência volumétrica para alguns tipos de borracha
Para saber mais sobre resistência elétrica e a primeira Lei de Ohm, CLIQUE AQUI e leia o tópico "Resistência Elétrica".
CURIOSIDADE: Materiais como a borracha possuem um valor de resistência superficial, pois a superfície do material tende a ser mais condutiva que o restante dele. A resistividade superficial também é dada em Ohms. Observe abaixo uma lista de aplicações e a faixa valores de resistividade superficial necessária:
Tabela 2 - Resistividade superficial mínima e máxima para algumas aplicações onde se utilizam compostos de borracha
CONDUTÂNCIA ELÉTRICA
A Condutância elétrica é o inverso da Resistência elétrica. A Condutância é simbolizada pela letra "G" e indica a facilidade com qual um condutor deixa a corrente elétrica fluir. Quanto maior o valor de G menor é o valor de Ω (Resistência).
A fórmula para se calculara condutância é dada abaixo:
Onde:
> I é a corrente elétrica, em Amperes (A);
> G é a condutância elétrica, em Siemens (S);
> V é a tensão elétrica, em Volts (V).
CURIOSIDADE: A fórmula acima segue o mesmo padrão das fórmulas para calcular a resistência, corrente e tensão elétrica mostradas no Capítulo 1.1b desta série.
A unidade de medida padronizada para a condutância é o Siemens (S), em homenagem ao inventor alemão Werner von Siemens.
Junto da Condutância, temos a Condutividade elétrica, propriedade intrínseca de um material, simbolizada pela letra "σ" e medida em Siemens por metro (S/m). O que define um condutor é sua alta condutividade elétrica, e o que define um isolador é sua alta resistência elétrica.
Para calcular a condutividade se utiliza a seguinte fórmula:
Onde:
> σ é a Condutividade elétrica do material, dada em Siemens por metro (S/m);
> ρ é a Resistividade elétrica do material, em Ohms por metro (Ω/m).
Assim como pode se calcular a resistência elétrica de um material de acordo com sua resistividade e suas dimensões, podemos também calcular a condutância elétrica. Veja a fórmula abaixo:
Onde:
> G é a Condutância (em Siemens);
> σ é Condutividade elétrica do material, dada em Siemens por metro (S/m);
> L é o comprimento do fio condutor (em mm³);
> A é a secção transversal dada em mm³. Para saber a secção transversal, você deve saber o diâmetro do fio condutor e multiplicar esse valor pelo raio ao quadrado (r³).
CURIOSIDADE: Se Resistência é o inverso de Condutância, isso significa que ρ é inversamente proporcional a σ, ou seja, quanto maior o valor de um menor ou valor de outro.
Abaixo é possível ver de forma resumida, as faixas de valores de condutividade para Condutores, Semicondutores e Isolantes:
Tabela 3 - Faixas de condutividade
No início deste tópico mostramos os cálculos básicos para se saber a intensidade da corrente elétrica (I) que flui pelo condutor. Para saber a densidade de corrente elétrica, a fórmula abaixo pode ser utilizada:
Onde:
> j é a densidade de corrente elétrica, em Ampére por metro quadrado (A/m³);
> σ é a Condutividade elétrica do material, dada em Siemens por metro (S/m);
> E é o campo elétrico aplicado, dado em Volts por metro (V/m).
Acesse o artigo "Cap. 3.0b. Os componentes: O Indutor - Parte 2" e leia os tópicos "Fator Q" e "Efeito Peculiar" (também chamado de Efeito de Pele). Esses dois tópicos são complementos referentes a relação da resistência elétrica com a frequência do sinal aplicado em um condutor.
CAMPO ELÉTRICO e CAMPO ELETROMAGNÉTICO
O Campo Elétrico (E), cuja unidade de medida é o Volts x metro (V.m), é uma grandeza física vetorial que mede a influência (módulo da força) que uma carga elétrica exerce em seus arredores, sendo o Potencial Elétrico (U) o trabalho de uma FEM (Força Eletromotriz) sobre uma carga elétrica no deslocamento entre dois pontos.
No dia-a-dia utilizamos a Diferença de Potencial (DDP) elétrico entre dois pontos - que também pode ser chamada de "Tensão Elétrica" -, pois apenas havendo DDP é que um fluxo de corrente ocorre. Com isso podemos concluir que a DDP e o fluxo de elétrons entre polos estão diretamente atrelados, isto é, se não têm um, não há o outro. Para saber mais sobre corrente, tensão, resistência e potência, acesse o artigo "Capítulo 1.1 - Introdução a Eletrodinâmica".
Já o Campo Eletromagnético (cuja magnitude é simbolizada por "B", que possui como unidade de medida o Tesla) é um fenômeno causado pelo movimento de uma carga elétrica. Uma carga estacionária produzirá apenas um campo elétrico no espaço circundante. Se a carga está se movendo, um campo magnético também é produzido. Um campo elétrico também pode ser criado através de um campo magnético variável.
De forma sucinta, de acordo com as leis do eletromagnetismo, o campo magnético origina-se da variação de intensidade do campo elétrico.
Para complementar o raciocínio, é necessário entender que a energia flui em paralelo ao fio e o fluxo de elétrons é apenas um meio de propagação. Basta haver uma circulação de corrente elétrica que um campo eletromagnético é estabelecido na velocidade da luz ao redor do meio condutor.
Para entender melhor isso, acesse o artigo "Capítulo 1 - Física do movimento" e leia o tópico "Forças Fundamentais", pois no trecho "Força Eletromagnética" há a explicação sobre a velocidade em que se estabelece um campo elétrico e consequentemente o fluxo de energia. Aqui vai uma prévia:
CURIOSIDADE: A velocidade em que os elétrons se movem é chamada de "velocidade de deriva" ou "velocidade de arraste", sendo um valor demasiadamente pequeno, pra ser mais exato é na ordem de alguns milímetros por segundo (mm/s).
Essa velocidade é diretamente proporcional à corrente elétrica formada no fio e inversamente proporcional à densidade de elétrons livres (aqueles que podem ser conduzidos), bem como à secção transversal do fio (calculada no tópico Resistência Elétrica e Condutância Elétrica) e à carga do elétron (-1,6 x 10 elevado a -19 C).
Leia também o artigo "Capítulo 3.0. Os Componentes: O Indutor" para saber mais sobre o fluxo magnético que se estabelece em paralelo ao fio condutor.
Existem vários tipos de borrachas e plásticos que não são bons condutores, pois possuem uma rigidez dielétrica infinita se utilizados em aplicações onde há valores baixos de tensão. É aí que começam os estudos dos materiais isolantes.
CURIOSIDADE: Todo material isolante pode ser chamado de "Dielétrico".
Quando falamos de dielétricos de capacitores, isolamentos de fios, cabos e componentes, temos que levar em conta vários fatores, sendo os principais deles explicados abaixo:
RIGIDEZ DIELÉTRICA
A rigidez dielétrica corresponde à resistência que um material de determinada espessura e características isolantes, oferece à passagem da corrente eléctrica entre dois condutores quando aplicado uma diferença de potencial (DDP).
Todo material isolante pode conduzir se aplicado sobre ele um campo elétrico muito forte e maior do que o campo que mantém os elétrons presos na órbita dos átomos, fazendo com que os elétrons passem a circular sobre a estrutura atômica e assim haver um fluxo de cargas (ionização). A luz, uma descarga elétrica muito alta, e principalmente a temperatura podem influir na rigidez dielétrica de muitos materiais.
Capacitores, varistores, termistores e outros componentes, que são mostrados nos Capítulos seguintes, funcionam levando em conta esta propriedade dos materiais: a Rigidez Dielétrica.
A constante dielétrica (K) é diferente para cada composto químico, e indo além disso, materiais industrializados podem sofrer misturas e outras alterações em sua formulação. Um bom exemplo disso é a adição de plastificantes ou negro de fumo em plásticos e borrachas, que alteram muitas características, inclusive as elétricas.
CURIOSIDADE: A adição de plastificante no PVC pode torna-lo um tubo rígido ou uma manga flexível para passagem de fiações elétricas, e em ambos os casos a rigidez dielétrica é alta. Já um PPTC possui em sua estrutura um polímero não condutor misturado com partículas de negro de fumo, que funcionam como uma ponte para a passagem de elétrons até o momento em que o componente aquece à determinada temperatura, que provoca a drástica redução de sua condutividade, ou seja, temos aqui um material em que sua rigidez dielétrica é alterada com a temperatura.
Dê prioridade ao fator kV/mm (KiloVolt / milímetro), ou kV/cm (kiloVolt / centímetro). Se este valor estiver disponível, ele será mais confiável, pois é o que define a rigidez dielétrica do material. É um valor que indica a maior diferença de potencial (tensão) que o material suporta sem perder suas características de isolante. Veja abaixo a rigidez dielétrica para alguns tipos de elastômeros (borrachas):
Tabela 4 - Rigidez dielétrica para alguns compostos de borracha - valor dado em kV/cm
CURIOSIDADE: A função de um material dielétrico é de impedir a passagem de corrente elétrica no campo eléctrico nele estabelecido. Contudo, como a eficiência do material dielétrico não é de 100%, ele permitirá a passagem de uma espécie de "corrente de fuga". Se for V a tensão aplicada e I a intensidade de corrente que atravessa o material isolante em questão, ao resultado de V/I designa-se o termo "resistência de isolamento".
As normas existentes para determinação da resistência de isolamento não fazem distinção entre resistência superficial e resistência volumétrica. As técnicas utilizadas permitem efetuar uma boa comparação entre os diversos materiais isolantes, sejam eles borrachas ou plásticos.
Além da Rigidez Dielétrica, temos outras características importantes a serem estudadas nos materiais. E é o que veremos na sequência.
SUSCEPTIBILIDADE ELÉTRICA
Quão fácil é para um material ser polarizado quando aplicado sobre ele um campo elétrico?
É isso que estudamos na Susceptibilidade Elétrica: a facilidade que um material tem de se polarizar quando um campo elétrico é aplicado sobre ele.
A Susceptibilidade Elétrica influencia na Capacidade Eletrostática de um capacitor e é uma característica que determina a Permissividade Elétrica, que veremos na sequência.
Definimos esta característica como a constante de proporcionalidade relacionando um Campo Elétrico "E" à densidade de polarização de um determinado material "P". Podemos descrever isso na equação abaixo:
Onde:
> Δp: Momento dipolar por unidade de volume;
> ε0: Permissividade Elétrica do Vácuo, medida em Farad por metro (F/m);
> Xe: Susceptibilidade Elétrica;
> E: Campo elétrico, medido em Volts por metro (V/m).
A Suscetibilidade de um material está relacionada a sua permissividade relativa εr, que é dada pela seguinte equação:
Onde:
> Xe: Susceptibilidade Elétrica;
> εr: Permissividade Relativa, medida em Farad por metro (F/m).
Para o Vácuo a Suscetibilidade Elétrica é 0 (Zero).
PERMISSIVIDADE ELÉTRICA
Também chamada de Permitividade Elétrica, é uma característica Física que descreve como um campo elétrico afeta ou é afetado por um meio, um material.
É a Permissividade que determina a aptidão de um determinado material de se polarizar quando um campo elétrico é aplicado. A unidade de medida definida pelo Sistema Internacional de Unidades é o Farad por metro (F/m).
OBSERVAÇÃO: A Permissividade não é uma constante, pois depende da posição do material, da frequência do campo elétrico aplicado, a umidade, a temperatura e etc. Mas há um porém:
Existe a Permissividade Relativa, a Absoluta e a Estática.
→ A Relativa (também chamada de "constante dielétrica") é definida como a permissividade de um determinado material em relação à permissividade do vácuo, cujo valor é 8,8541878176 × 10^-12 F/m.
→ A Absoluta é dada multiplicando-se a Permissividade Relativa pela do Vácuo.
→ A Permissividade estática de um material é definida como sua permitividade quando exposto a um campo elétrico estático. Muitas vezes, um limite de baixa frequência é colocado no material para esta medição. Uma permissividade estática é frequentemente necessária porque a resposta de um material é uma relação complexa relacionada à frequência da tensão aplicada.
Agora observe a equação abaixo:
Onde:
> ε: Permissividade Absoluta, medida em Farad por metro (F/m);
> εr: Permissividade Relativa, medida também em F/m;
> ε0: Permissividade do vácuo (8,8541878176 × 10^-12 F/m).
A constante dielétrica relativa (εr) é uma medida da capacidade de um material ser polarizado por um campo elétrico e armazenar energia eletrostática, bem como sua capacidade de facilitar a propagação do sinal. Perceba que, apesar de ser tratada como "constante dielétrica relativa", como já foi dito ela varia com a frequência, umidade, temperatura... e isso pode gerar confusões pra quem não está muito acostumado nessa área.
CURIOSIDADE: Materiais de baixo εr são excelentes isolantes e são bons para isolar sinais em camadas adjacentes, ou seja, por exemplo, placas de circuito multi-layers, ao contrário de capacitores, necessitam de baixa Permissividade!
É a alta Permissividade do dielétrico é que faz um capacitor condensar mais cargas com um campo elétrico menor, aumentando assim a capacidade eletrostática, isto é, a capacitância do mesmo.
Podemos chegar na Permissividade Absoluta tendo os valores de susceptibilidade elétrica, como é possível ver na equação abaixo:
Onde:
> ε: Permissividade Absoluta, medida em Farad por metro (F/m);
> Xe: Susceptibilidade Elétrica;
> ε0: Permissividade do vácuo (8,8541878176 × 10^-12 F/m).
A Permissividade de um meio depende se ele for anisotrópico ou isotrópico.
POLARIZAÇÃO DIELÉTRICA
É o fenômeno de deslocamento de nuvens eletrônicas nos átomos ou moléculas que compõem um material isolante quando exposto à um campo elétrico que puxa a cargas negativas (elétrons) e empurra as cargas positivas (prótons) através de forças elétricas.
OBSERVAÇÃO: Veja bem, aqui estamos a discutindo a capacidade de um dielétrico de se polarizar. Ele só se torna um condutor no momento que ocorre uma Ionização em decorrência da quebra da Rigidez Dielétrica. Para saber mais como funciona um processo de Ionização CLIQUE AQUI e leia o artigo sobre o funcionamento de TVs de Plasma.
No REGIME DE CAMPO ELÉTRICO EXTERNO FORTE, ou seja, extremamente grande se comparado com a energia que mantém os elétrons presos no átomo ou molécula, ocorre a Ionização do material isolante, o tornando uma espécie de "ponte de ligação" entre os polos onde se concentram cargas de sinais opostos.
Antes de ocorrer a Ionização, a deformação das nuvens eletrônicas formadas pelo campo elétrico aplicado, isto é, o campo elétrico externo, faz com que os átomos ou moléculas que compõem o material isolante se tornarem DIPOLOS ELÉTRICOS. Neste momento, um campo elétrico interno, isto é, do material isolante, atua em oposição ao campo elétrico externo.
OBSERVAÇÃO: No texto, citamos "átomos e moléculas", isto pois uma molécula é um corpo eletricamente neutro formado por pelo menos dois átomos, e na eletrônica nem sempre temos materiais puros, isto é, feitos de uma cadeia de átomos de apenas um elemento químico, mas sim de dopagens, 'misturas'...
Voltando ao contexto, um DIPOLO ELÉTRICO pode ser definido como um par de cargas de mesmo módulo, porém de sinais opostos. Veja a imagem abaixo para entender melhor:
Quando exposto à um campo elétrico, ocorre a disposição de um binário, isto é, a ocorrência de duas forças iguais, de mesmo módulo, porém com sentidos contrários. Observe a imagem abaixo:
O binário faz o dipolo rotacionar até atingir seu ponto de equilíbrio. Veja a imagem abaixo:
O vetor "E" (em vermelho) é o campo elétrico uniforme ao qual o átomo está exposto.
Os elétrons presentes em um átomo podem realizar trajetórias elípticas com grande agilidade e rapidez. A força elétrica capaz de gerar esses dipolos é o fruto da interação das cargas elétricas com o campo elétrico.
Após atingir o ponto de equilíbrio, um momento de dipolo "Δp" no átomo polarizado é alcançado, tal momento é a multiplicação do campo elétrico externo "E" pela polarizabilidade atômica "α", sendo esta uma constante de proporcionalidade.
Em moléculas poliatômicas (que possuem mais de 2 átomos em sua formação), o momento de dipolo é dado por uma equação tensorial, onde o "α" é um tensor de polarizabilidade.
O campo elétrico interno, que se opõe ao campo elétrico externo aplicado ao dielétrico, é gerado a partir do movimento elíptico. Este campo, produzido pelos elétrons, é variável e de alta frequência. O valor médio deste campo corresponde ao produzido pelo elétron em repouso no centro da trajetória, chamado de centro de carga do elétron. Este campo é paralelo ao campo externo aplicado no dielétrico. Observe a imagem abaixo:
Agora, entenderemos melhor a forma com que um dielétrico é polarizado.
Um dielétrico sólido é representado na imagem acima. Observe que os dipolos já existem (os dipolos já existem em materiais feitos de moléculas polares - já quando não há dipolos, o campo elétrico externo age de forma a separar os centros de carga positivos e negativos), porém estão desordenados na estrutura do dielétrico.
Quando um campo elétrico externo é aplicado, o binário aparece.
Os dipolos se rotacionam, se organizam, ocorrendo a polarização do dielétrico.
A intensidade de polarização de um material dielétrico não é igual a intensidade de indução eletrostática (eletrização por indução) de um condutor, e isso se deve ao fato de que a carga negativa que ocorre na face A é referente à carga que já estava nesta região, e a carga positiva que ocorre na face B é também referente à carga que já estava na região. O que ocorreu foi apenas a arrumação dos dipolos. Veja a imagem abaixo:
No caso de um condutor, a face esquerda é correspondente à elétrons que se deslocaram por todo o condutor, e não apenas os que se encontravam na região. Por este motivo que condutores concentram mais as cargas.
Tendo a Susceptibilidade e a Permissividade Elétrica, conseguimos calcular o momento de dipolo por unidade de volume em um dielétrico:
Onde:
> Δp: Momento dipolar por unidade de volume;
> ε0: Permissividade Elétrica do vácuo (8,8541878176 × 10^-12 F/m);
> Xe: Susceptibilidade Elétrica do material dielétrico;
> E: Campo elétrico externo aplicado sobre o dielétrico.
Os materiais que obedecem a equação mostrada acima são considerados dielétricos lineares.
Pra complementar, "momento de dipolo" ou "momento dipolar" se refere a intensidade do dipolo elétrico que as ligações polares apresentam. Uma molécula será apolar se seu momento de dipolo for igual a 0 (Zero).
Resumidamente, o fenômeno de polarização pode acontecer com átomos e moléculas, e dependendo do campo elétrico aplicado pode acontecer até uma Ionização em decorrência da quebra da Rigidez Dielétrica.
CURIOSIDADE: Como exemplo, a Borracha Nitrilica (NBR) e o Policloropreno (CR) são elastÔmeros que se polarizam mais facilmente, tanto que podem ser utilizadas em aplicações onde se precisa de dissipação de altas correntes estáticas. Já a Borracha Etilieno-Propileno-Dieno-Metileno (EPDM) precisa de campo elétrico extremamente alto para que haja alguma polarização, ou seja, é um excelente isolante elétrico.
Quando se trata de plásticos, a Poliamida e o Poliuretano também tendem a ser mais condutivos pela polarização ocorrida sob campos elétricos mais baixos.
CURIOSIDADE: A Polarização Dielétrica é fundamental para entender o funcionamento de uma tela de cristal líquido, onde ocorre a mudança do posicionamento das moléculas de acordo com a aplicação de campo elétrico, operando então como um grande regulador de passagem de luz. Para saber mais sobre os cristais líquidos, CLIQUE AQUI!
DENSIDADE DE POLARIZAÇÃO
É um campo vetorial que expressa a densidade de momentos dipolares elétricos num material isolante, sejam estes momentos de dipolo permanentes ou induzidos.
A densidade de polarização descreve também como uma material isolante se comporta quando exposto à um campo elétrico, descreve como um material pode afetar o campo elétrico ao qual esta exposto, bem como calcular as forças elétricas que resultam dessa interação campo / dielétrico.
Um determinado campo elétrico aplicado num dielétrico vai fazer com que haja a polarização, por este motivo que a densidade de polarização também pode ser chamada de "densidade de fluxo elétrico" é a unidade de medida padrão do SI é o Coulomb por metro quadrado (C/m³).
Para calcular a densidade de polarização, podemos utilizar a seguinte fórmula:
Onde:
> P é a densidade de polarização, em Coulombs por metro quadrado (C/m³);
> Δp é o momento dipolar por unidade de volume;
> ΔV é o volume de um átomo ou molécula que compõe o material isolante.
OBSERVAÇÃO: Geralmente o momento de dipolo elétrico muda de um ponto para outro no dielétrico. Outra coisa é que, a definição de polarização como um "momento dipolar por unidade de volume" é amplamente adotada, embora em alguns casos possa levar a ambiguidades e paradoxos.
A densidade de polarização pode ser análoga à magnetização, que mede a resposta de um material quando exposto a um campo magnético.
Para finalizar este tópico, devo citar os artigos sobre capacitores, que necessitam de materiais dielétricos pra funcionarem:
Capítulo 2.0: Eletrostática: CLIQUE AQUI!
Capítulo 2.1: Como funcionam os capacitores: CLIQUE AQUI!
As relações entre temperatura e resistência você verá mais adiante neste texto!
FATOR DE DISSIPAÇÃO e FATOR DE POTÊNCIA
Nos materiais dielétricos sujeitos a uma tensão contínua observam-se perdas por efeito Joule, que se manifestam sob a forma de calor. O aquecimento do dieléctrico diminui a sua resistividade, originando maior intensidade de corrente e, portanto, maior perda.
Se a tensão aplicada no dielétrico for alternada ou pulsante observa-se, da mesma forma, perdas por efeito Joule, que também se manifestam sob a forma de calor. Mas ocorre também um outro tipo de perda, originada por um fenômeno que tem o nome de histerése dielétrica, que se traduz igualmente sob a forma de calor.
Num condensador sujeito a um campo elétrico de corrente alternada, a corrente que o atravessa deve estar avançada em relação à tensão, de Π/2 (é uma reatância capacitiva). No entanto, pelo fato de existir, no dielétrico, uma queda ohmica (é uma resistência pura), existirá uma componente da corrente que se encontra em fase com a tensão. Então, entre a tensão aplicada e a corrente resultante existirá um ângulo de desvio relativamente a Π/2, de valor δ. Este é o chamado "ângulo de perdas". À tangente deste ângulo chama-se "fator de perda" ou "fator de dissipação" (também abreviado "Df"), e em alguns casos "tangente de perda".
Se o material for um mau dielétrico, o fator de perda será significativo e este material não será apropriado para essa função. Cada material dielétrico é caracterizado por um fator de perda, o qual depende da frequência, temperatura e das condições do meio ambiente (grau de umidade, presença de poeiras na atmosfera, etc.).
OBSERVAÇÃO: Em algumas folhas de dados você poderá notar a 'tangente de perda' relacionada com a 'absorção dielétrica', que é justamente a dissipação de sinal do dielétrico em forma de calor. Porém, "absorção dielétrica" também pode ser utilizada para quando um capacitor que foi carregado por longo tempo retém uma pequena quantidade de tensão depois de ser brevemente descarregado. O capacitor terá essa pequena quantidade de tensão mesmo se uma tentativa for realizada para descarregar totalmente o dispositivo.
Esse efeito geralmente dura alguns segundos ou até alguns minutos. Se um capacitor for descarregado através de um curto-circuito entre seus terminais, após isso a carga deve ser praticamente nula. Mas pode permanecer uma carga residual devido à polarização do dielétrico.
O fator de dissipação está relacionado com a constante dielétrica do material, com a frequência de sinal aplicada e o valor de dissipação pode ser dado em deciBel por polegada (dB/In) em alguns sistemas.
Quando se carrega um condensador e posteriormente se descarrega, a energia devolvida é inferior à energia fornecida no carregamento. A diferença de energia é perdida sob a forma de calor, o qual provocará o aquecimento do dielétrico.
Ao quociente entre energia perdida e a energia fornecida chama-se fator de potência, e exprime-se, geralmente, em porcentagem.
O fator de potência é proporcional à frequência da corrente. Para frequências de 50 ~ 60 Hz, o "Pf" é relativamente baixo, mas para frequências muito elevadas as perdas poderão ser muito importantes se não forem utilizados dielétricos com fatores de potência muito baixos.
CURIOSIDADE: Caso queira se aprofundar mais num exemplo prático onde se leva profundamente em conta a Constante Dielétrica Relativa (εr), a Tangente de Perdas e a Absorção Dielétrica, CLIQUE AQUI! e leia o artigo detalhando os principais tipos de placas de circuito impresso (PCBs) da atualidade!
Componentes eletrônicos como o resistor já são desenvolvidos para provocar uma oposição a passagem de corrente elétrica utilizando materiais como o carvão, o nicromo e a cerâmica, que em determinadas quantidades e temperaturas geram uma barreira dificultando a circulação dos elétrons, porém, também gerando calor.
A temperatura influência na resistência da maioria dos materiais. Aí temos o efeito Joule: todos os corpos são constituídos de átomos. Não notamos, mas um corpo qualquer possui uma agitação nos átomos que compõem sua estrutura, uma agitação que vai ficando mais acentuada a medida que o corpo vai ficando mais quente.
A corrente elétrica aplicada num filamento o 'sobrecarrega', isto é, os elétrons tem dificuldade em passar pelo condutor e acabam colidindo com os átomos que estão se agitando. Parte da energia cinética (energia do movimento) dos elétrons circulantes é transferida para o átomo, que aumenta seu estado de agitação, consequentemente deixando o filamento cada vez mais quente. A colisão entre os átomos se agitando faz com que o corpo fique cada vez mais quente.
O Oxigênio da atmosfera é um comburente, colaborando para a combustão do corpo, que já está muito quente.
Veja este exemplo de sobrecarga em um resistor:
Um resistor que esteja trabalhando acima do seu limite de tensão e circulação de elétrons (corrente elétrica), também acabará queimando devido ao excesso de calor gerado. A agitação dos átomos deixa o corpo cada vez mais quente, mas o resistor não consegue perder toda a energia térmica para o ambiente. Outra parte da energia dos elétrons circulantes pelo resistor também é transferida para os elétrons que compõem o átomo, fazendo com que ocorra o salto quântico. Ao retornarem para seus lugares originais no átomo, os elétrons liberam a energia que os fizeram saltar, ou seja, liberam fótons de luz. O resistor passa a emitir uma luz enquanto a agitação excessiva de seus átomos faz toda a sua estrutura entrar em colapso.
Essa agitação maior e o choque físico entre eles faz com que, em alguns materiais a circulação de elétrons pelos átomos seja prejudicada, ocasionando uma resistência maior conforme o aumento de temperatura. Em quase todos os materiais essa agitação também gera a transformação de parte da corrente elétrica em energia térmica, e essa energia é dissipada no ambiente, fazendo com que uma parte da eletricidade que passa pelo condutor seja perdida.
Para saber mais sobre o Efeito Joule e como calcular a dissipação de calor, CLIQUE AQUI e leia o tópico "Resistência elétrica" do artigo "Cap. 1.1. Introdução à Eletrodinâmica".
Veja abaixo a tabela de resistividade de vários materiais a uma temperatura de 20 °C:
Tabela 5 - Resistência elétrica de alguns materiais numa temperatura de 20°C
Mas até que ponto a temperatura influência na resistência elétrica dos materiais?
Como explicar que o Carbono, o Germânio e o Silício, por exemplo, diminuem sua resistência conforme o aumento da temperatura?
É isso que veremos na sequência deste texto.
Para quantificar a alteração da resistência elétrica em relação a variação de temperatura temos o "coeficiente de Temperatura", uma propriedade intensiva dos materiais simbolizada por "α". É definido como a variação relativa da resistência elétrica, que corresponde a uma variação de 1°C da temperatura ambiente. Pode também ser definido como a variação da tensão por grau Célsius.
Para entender melhor podemos usar um exemplo genérico, onde a cada 1 °C de acréscimo de temperatura a resistência de um material "x" aumenta 1,09 Ω, com isso também gerando uma queda de tensão.
O coeficiente de temperatura para um material "x" não é constante, varia com o aumento dela, entretanto, como a variação é pequena, é considerado constante dentro de um intervalo de algumas dezenas de graus. Por exemplo, é considerado com um valor constante entre 0º e 50 ºC, entre 50 º e 80 ºC e assim por diante.
Veja a tabela abaixo:
Tabela 6 - Variação de resistência em relação a temperatura em alguns materiais
A unidade de medida do coeficiente de temperatura é exatamente o inverso de uma unidade de medida de temperatura, isto é:
→ Se utilizarmos a unidade de medida Célcius (°C), a unidade de medida para o coeficiente de temperatura será 1/°C;
→ Se utilizarmos a unidade de medida Kelvin (K), a unidade de medida para o coeficiente de temperatura será 1/K;
→ Se utilizarmos a unidade de medida Farenheit (°F), a unidade de medida para o coeficiente de temperatura sera 1/°F.
Como você pode ver na Tabela 6, materiais isolantes possuem uma resistência elétrica muito maior, no entanto, apesar da tabela não mostrar valores do coeficiente, a temperatura também influência no valor da rigidez dielétrica. O material isolante pode conduzir energia se aplicado sobre ele uma temperatura que quebre a rigidez dielétrica, já o condutor pode ter sua resistência elétrica cada vez mais alta se a temperatura for subindo.
Existem várias e várias exceções, e algumas delas são explicadas a seguir.
Em alguns materiais, o aumento de temperatura também provoca uma força maior que a rigidez dielétrica (que faz os elétrons se manterem na órbita dos átomos), fazendo com que haja um aumento na circulação de elétrons, e a agitação dos átomos não impacte tanto na resistência. É o que ocorre com o Silício, Germânio e Carbono, por exemplo. Com isso a resistência elétrica diminui com o aumento de temperatura.
Você verá mais detalhes se ler o Capítulo 1.4, que é sobre varistores. CLIQUE AQUI para acessa-lo!
Já o Constantan (liga de Níquel - 43 a 45% - e Cobre - de 53 a 57%), não há muita diferença de resistência em relação a temperatura, e isso acontece pois o aumento de elétrons livres e da agitação dos átomos se compensam, fazendo com que o aclive de temperatura não impacte na resistividade.
Vários dos materiais apresentados na Tabela 3 apresentam um aumento de resistência quando submetidos a temperaturas altas.
Outros materiais, quando submetidos a temperaturas próximas de zero Kelvin possuem resistividade de praticamente 0 Ohms, o que é denominado supercondutividade. À temperaturas extremamente baixas, não há agitação dos átomos nem quebra da rigidez dielétrica, mas sim a circulação perfeita dos elétrons, com resistência extremamente baixa e, consequentemente, sem geração de calor, o que torna o material um supercondutor.
Resumindo: dependendo do material, pode ocorrer um destes três fatores apresentados abaixo:
O fator 01 ocorre com Cobre, com o Nicromo, entre outros. Já o fator 02 ocorre no Carbono, no Silício, e etc. O fator 03 ocorre no Mercúrio, por exemplo. Há também um quarto fator, que é a resistência quase invariável independente da temperatura, e que ocorre no Constantan, por exemplo.
Envelhecimento em decorrência de ciclos térmicos
Aqui é um espaço bom para explanar que, na grande maioria das ligas metálicas, a exposição à ciclos de aquecimento e resfriamento dentro dos limites, porém, ao longo dos anos de uso provoca a mudança estrutural do ponto de vista molecular, isto é, uma modificação na estrutura cristalográfica, alterando a resistência elétrica, bem como módulos de elasticidade e cisalhamento, tornando o material mais quebradiço e com características elétricas 'pobres'.
Imagem 2 - Um borne de bateria de carro completamente deteriorado pelo aquecimento proporcionado pelo fluxo de corrente e calor oriundo do cofre do motor ao longo dos anos
Talvez uma das ligas metálicas que mais sofram com temperatura são as cuja base é o Cobre. Para saber mais sobre tais ligas, CLIQUE AQUI!
No PDF abaixo é mostrado um estudo sobre betatização e envelhecimento de ligas de latão:
Assim como plásticos e borrachas ressecam e ficam quebradiços quando expostos ao calor por longos períodos de tempo, nos metais ororre uma alteração de têmpera. No texto "Propriedades mecânicas dos Materiais - PARTE 2" disserto sobre o como o tratamento térmico controlado pode fazer alterações pontuais em ligas metálicas, e como o calor não controlado - porém, dentro dos limites - pode deteriora-las ao longo dos anos de uso.
Resumidamente:
→ O que difere um condutor, um semicondutor e um isolante é o Gap de energia que existe entre a Banda de Valência e a Banda de Condução. O Gap pode ser Direto ou Indireto;
→ Se o momento do estado de energia mais baixa na banda de condução e o estado de energia mais alta da banda de valência de um material são iguais, o material tem um Gap direto. Se eles não forem iguais, o material tem um Gap indireto. Para materiais com gap direto, os elétrons de valência podem ser colocados diretamente na banda de condução por um fóton cuja energia seja maior do que o bandgap. Em contraste, para materiais com gap indireto, um fóton e um fônon devem estar envolvidos para uma transição do topo da banda de valência para a base da banda de condução. Portanto, os materiais com bandgap direto tendem a ter propriedades de emissão e absorção de luz mais fortes, o que propicia sua aplicação em painéis fotovoltaicos (PVs), diodos emissores de luz (LEDs) e diodos LASER;
→ Tanto a Resistência quanto a Condutância são propriedades intrínsecas da matéria, isto é, são qualidades inerentes ao tipo e forma da matéria, porém os valores destas propriedades dependem da composição química e da estrutura dela;
→ Resistência elétrica (R), medida em Ohms (Ω), sendo a resistividade elétrica simbolizada por "ρ" medida em Ohms por metro (Ω/m);
→ Condutância elétrica (G), medida em Siemens (S), sendo a condutividade elétrica simbolizada por "σ" medida em Siemens por metro (S/m);
→ A carga elementar do elétron (e) e a quantidade de elétrons "Q" definem a carga elétrica total (C) que passa por um condutor;
→ O valor da carga elétrica e o período de tempo (T) em que esses elétrons fluíram já bastam para se saber intensidade de corrente elétrica (I) que está fluindo pelo condutor;
→ Toda carga elétrica gera ao seu redor um campo elétrico. Quando em movimento, gera também um campo magnético. Esses dois componentes formam o campo eletromagnético;
→ Dielétrico é o nome dado aos materiais que possuem propriedades isolantes. A rigidez dielétrica de um material é medida em Volts por metro (V/m) ou kiloVolt por milímetro (kV/mm), já a constante dielétrica relativa (K) é simbolizada por "εr" e é adimensional;
→ Susceptibilidade elétrica é o quão fácil um material pode ser polarizado ao se aplicar uma tensão elétrica. É simbolizado por "Xe", sendo um valor adimensional;
→ A Permissividade elétrica é como um campo elétrico (E) afeta ou é afetado por um meio. A permissividade absoluta é simbolizada por "ε", já a permissividade relativa é simbolizada por "εr", sendo ambas medidas em Farad por metro (F/m);
→ A Polarização dielétrica é um fenômeno definido como o movimento reversível de nuvens eletrônicas de acordo com a aplicação de um campo elétrico (E) sobre um determinado material. A Polarização dielétrica de um material é definido pelo Momento de Dipolo (Δp);
→ A Densidade de Polarização (também pode ser referida como "densidade de fluxo elétrico" e análoga a magnetização) descreve o comportamento de um material quando exposto a um campo elétrico. A densidade de polarização é simbolizada com a letra "P" e é medida em Coulombs por metro quadrado (C/m³);
→ Só pra reforçar, a intensidade do campo elétrico (unidade de medida Volts por metro - V/m - ou kiloVolt por milímetro - kV/mm), simbolizado por "E" está atrelada a Tensão elétrica (também chamada de Potencial Elétrico - simbolizado por "U" - ou força eletromotriz - FEM), medida em Volts (V);
→ O campo elétromagnético se estabelece na velocidade da luz no momento em que o circuito é fechado. O fluxo de elétrons é ínfimo, sendo apenas o meio de propagação da energia elétrica;
→ Um dielétrico provoca atenuações na propagação do sinal elétrico tanto por puro efeito Joule quanto por histerese dielétrica, que também é outra forma de dissipar energia elétrica em forma de energia térmica (calor). A energia perdida neste processo também dita o fator de potência do material isolante;
→ O coeficiente de temperatura, simbolizado por "α" serve para 'medir' a variação da resistência elétrica em relação a mudança de temperatura. A unidade de medida pode ser o inverso do Kelvin (1/K), o inverso da unidade Célsius (1/°C) ou o inverso da unidade Farenheit (1/°F). A resistividade (ρ) e a condutividade elétrica (σ) dependem das especificações do material e também da temperatura;
→ Materiais isolantes podem se tornar condutores caso a rigidez dielétrica seja quebrada, e isso pode ser feito através de um campo elétrico muito forte ou uma temperatura muito alta, o que ocasiona uma ionização. Já os materiais condutores podem perder condutividade conforme a temperatura for subindo. Existem materiais onde a variação de temperatura não causa uma variação significativa na resistência.
Como podemos ver, o fluxo de corrente elétrica depende da temperatura, das dimensões e de várias outras características do material que é construído o condutor.
Atualmente não podemos mais dizer que um determinado tipo de plástico é fadado a ser utilizado apenas como isolante, pois os engenheiros e químicos por trás da Ciência e Tecnologia dos Materiais já conseguem manipula-lo e mudar ao menos um pouco de suas características elétricas e físicas.
Já deixo linkado aqui o Capítulo 2 sobre Condutores e Isolantes elétricos. Esta segunda parte é um complemento com informações relevantes sobre metais, borrachas e plásticos.
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FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter
Imagens e Gráficos: Leonardo Ritter; Google Imagens.
Referências: Livro "Eletrônica para Autodidatas, Estudantes e Técnicos"; meu caderno de física da escola; Mundo Educação; Alfa Connection; Brasil Escola; Instituto Newton C. Braga; Edufer; Engenheiro Tem que Estudar (EtE), Wikipedia (Somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 24 de Setembro de 2023.