Eletricidade e magnetismo - potencial elétrico, dielétricos e capacitores 1
Potencial Elétrico, Dielétricos e Capacitores
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Potencial elétrico● O campo elétrico é um campo de forças conservativo:
Se, por exemplo, movermos uma carga elétrica positiva afastando-a de uma carga negativa, estamos agindo contra o sentido da força de atração entre elas. O resultado é o armazenamento de energia, que pode ser recuperada se as cargas forem “liberadas”.
O trabalho realizado para levar uma carga de teste de um ponto A a um ponto B em um campo elétrico é denominado “diferença de potencial” entre A e B.
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Potencial elétrico● O potencial elétrico é dado então por:
O potencial elétrico pode ser representado por graficamente por linhas “eqüipotenciais”, ou seja, linhas que indicam pontos com o mesmo potencial
W=−Q∫A
BE⋅dl
V AB=WQ
=−∫A
BE.dl
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Potencial elétrico● Linhas de campo e eqüipotenciais de uma carga elétrica
positiva
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● Linhas de campo e eqüipotenciais de diversas configurações de cargas
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Materiais Dielétricos● Um material isolante é uma substância em que
os elétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicas, como nos condutores.
● Nenhum material é um isolante perfeito, no entanto muitos materiais apresentam deslocamento de elétrons desprezível e esses materiais tem interesse prático na Engenharia.
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Polarização● Um material isolante, quando submetido a um
campo elétrico, tem seus elétrons deslocados de distâncias microscópicas (moleculares). Esse fenômeno é conhecido como polarização.
● Quando nos referimos aos fenômenos relacionados à polarização dos materiais isolantes, os chamamos de materiais dielétricos
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Polarização● Devido à polarização, os materiais dielétricos
são capazes de armazenar energia elétrica.● A figura abaixo mostra o efeito de um campo
elétrico sobre as cargas em um material dielétrico.
+
E
≡ + - Dipolo elétrico
E
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Polarização● Uma porção de material de material dielétrico
é formada por uma infinidade de dipolos:
+ -
+ -
+ -+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -+ -
+ -
+ -
+ -
E
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Constante dielétrica● Um material dielétrico é caracterizado por sua constante
dielétrica (ou permissividade elétrica) ε ● Através dessa constante pode-se relacionar a densidade de
fluxo elétrico e o campo elétrico no material:
● A constante dielétrica é normalmente apresentada de forma relativa – em relação à constante dielétrica do vácuo: ε
0
● Quanto maior a constante dielétrica, maior a densidade de fluxo elétrico no material para um mesmo campo aplicado
D= E
=r0
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Constante dielétrica● Nenhum material dielétrico é perfeito,ou seja, a partir de uma
determinada intensidade de campo elétrico ocorre a ruptura do dielétrico, isto é, a formação de um canal condutivo no corpo do dielétrico
● Em dielétricos na forma gasosa ou líquida normalmente não ocorre dano permanente ao material
● Em dielétricos sólidos, por outro lado, ocorre uma mudança permanente – formação do canal condutor - e o dielétrico fica inutilizado
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Valores típicos de constante dielétrica e ponto de ruptura
Material εr
Ponto de ruptura [kV/cm]
Ar 1 30
Baquelite 4,8 25
Vidro 4 a 9 30
Mica 5,4 200
Porcelana 5 a 9 11
Poliestireno 2,6 20
Óleo 2,3 15
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Polarização● Uma aplicação típica de dielétricos são os
capacitores, componentes muito utilizados tanto na Eletrotécnica quanto na Eletrônica.
● Os capacitores tem a propriedade de armazenar energia elétrica
● Dispositivos preenchidos com gás apropriado são utilizados para desviar surtos de alta-tensão em linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica
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Capacitores● Capacitores são construídos em diversos formatos. Todos
eles tem como base a configuração de “placas paralelas”, explicada a seguir:
PlacasA
Ed
+Q
-Q+ + + + + + + + + + + +
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
C= Ad
−constante dielétrica
A−área das placas [m2]
d−distância entreas placas [m]
C−capacitância emFarday [F ]
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Capacitores● Analisando a expressão da capacitância de duas placas
paralelas:● Quanto maior a área das placas maior a capacitância● Quanto maior a distância entre as placas, menor a
capacitância● Quanto maior a constante dielétrica, maior a
capacitância
C= Ad
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Capacitores● Exemplos de capacitores
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Potencial etérico● Exercício: A distância entre os eletrodos de uma vela de ignição
de automóvel é de 0,060 cm. Para produzir uma faísca elétrica em uma mistura gasolina/ar deve haver um campo de 3,0 x 106 V/m. Para que o automóvel “dê partida” qual deve ser a tensão mínima aplicada na vela de ignição?
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Capacitores● Exercício: Calcule a capacitância de um capacitor feito
com 2 placas paralelas condutoras de alumínio com 1 cm2 de área preenchido com um dielétrico de 2,5 mm de espessura e constante dielétrica relativa de 2,8.
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