Materiais Isolantes - Conceitos

Eng° Geraldo Leão Lana, MSc.
Materiais Isolantes

ISOLANTES OU
DIELÉTRICOS

MATERIAIS ISOLANTES
Material Isolante (Dielétricos): materiais isolantes são substâncias em que os
elétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicas como os
condutores devido a presença de poucos elétrons livres e que resistem ao fluxo
dos mesmos (alta resistência elétrica).
Um material isolante, quando submetido a um campo elétrico externo, tem seus
elétrons deslocados de distancia microscópica e esse fenômeno é chamado de
polarização.
Portanto, quando acontece esse fenômeno em materiais isolantes, chamamos
esses materiais de dielétricos.
Dielétrico: é o meio no qual é possível produzir e manter (armazenar) um campo
elétrico com pequeno ou nenhum suprimento de energia de fontes externas.
A energia requerida para produzir o campo elétrico pode ser recuperada,
armazenada e após cessada quando o campo elétrico é removido.
1.1 – Definição

MATERIAIS ISOLANTES
1.2 – Polarização Dielétrica
Uma propriedade fundamental dos materiais dielétricos é a polarização de suas
partículas elementares, quando sujeitas à ação de um campo elétrico.
Devido a essa polarização, os materiais dielétricos são capazes de armazenar
energia elétrica.
Define-se por polarização um deslocamento reversível dos centros das cargas
positivas e negativas na direção do campo elétrico externo aplicado.

A polarização de um dielétrico pode ocorrer das duas maneiras:
1) Se o isolante é constituído de átomos, que não apresentam momento dipolar,
quando aplicado um campo elétrico externo, ocorre à separação entre o núcleo
atômico positivo (fixado na matriz do dielétrico) e a nuvem eletrônica, a qual é
deslocada na direção oposta ao campo elétrico aplicado, produzindo dipolos sem
dissipar energia.
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 (equilíbrio).
MATERIAIS ISOLANTES

MATERIAIS ISOLANTES
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.
+ -+ -

MATERIAIS ISOLANTES
1.3 – Materiais Isolantes de Uso Industrial mais Freqüente
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);
b) fibras naturais: papel impregnado em resinas ou óleos, algodão, seda – usados
em suportes isolantes e em revestimentos de cabos, capacitores e
bobinas;

MATERIAIS ISOLANTES
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;

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.
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;

MATERIAIS ISOLANTES
h) mica: material mineral usado em capacitores e em ligações entre transistores
de alta potência;
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.

MATERIAIS ISOLANTES
1.4 – Propriedades elétricas do isolantes
2.4.1 Capacitância (C): é a razão entre os módulos de sua carga Q e a diferença
de potencial V entre elas. A unidade e Faraday.
Quando uma voltagem é aplicada através de um capacitor (tipo placa, por
exemplo), constituído de duas placas condutoras paralelas de área A separadas
por uma distância L onde existe o vácuo ou algum material isolante (Figura), uma
das placas torna-se positivamente carregada, e a outra negativamente, com o
correspondente campo elétrico aplicado dirigido do terminal positivo para o
negativo.
Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio
interno de carga elétrica.
V
Q
CiaCapacitânc 

MATERIAIS ISOLANTES
Capacitores: é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio
interno de carga elétrica.

MATERIAIS ISOLANTES
Também pode ser:
Também pode ser calculado como sendo a constante dielétrica e a
permissividade eletrostática do vácuo ou espaço livre
l
A
C 0
Q =carga em uma placa
A = área da placa
l = separação entre placas
0 = 8,85x10-12 F/m

MATERIAIS ISOLANTES
2.4.2 Constante dielétrica (ou permissividade) (ε ou k): é uma propriedade do
material isolante utilizado em capacitores que influi na capacitância total do
dispositivo.
Através da constante dielétrica, pode relacionar a densidade de fluxo elétrico e
o campo elétrico do material, quanto maior a constante dielétrica, maior a
densidade de fluxo elétrico no material para um mesmo campo elétrico, maior a
capacitância.
Da definição da carga Q resulta a propriedade dielétrica conhecida por
constante dielétrica relativa, r, dada por;
ou seja,é a razão entre a carga Q, obtida com uma determinada tensão no
capacitor que contém um dado dielétrico e a carga Q0, que é a carga que
existiria se os eletrodos estivessem separados pelo vácuo.
A constante dielétrica relativa é adimensional.
0Q
Q


Compondo estas duas equações, temos, ainda, que
Q = .Q0 = .C0 .V
Temos ainda, para um dado valor de tensão constante, que a constante dielétrica
é função de:
Muitos autores adotam outra nomenclatura: chamam permissividade à
constante , e constante dielétrica à constante K. É preciso atenção a essa
nomenclatura quando se lê um livro de Eletricidade.
A constante dielétrica do ar ou do vácuo é dada 0 = 8,8541878176x10-12 F/m.
0Q
Q

r
MATERIAIS ISOLANTES
0C
C


MATERIAIS ISOLANTES

2.4.3 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.
Em outras palavras é a intensidade máxima do campo elétrico que um dielétrico
pode suportar sem tornar-se um condutor de eletricidade (“ruptura dielétrica”).
No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 (kV/mm), assim, quando um
campo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele deixa de ser isolante e torna-se
condutor.
O valor da rigidez dielétrica varia de um material para outro e depende de
diversos fatores como:
· Temperatura.
· Espessura do dielétrico.
· Tempo de aplicação da diferença de potencial
· Taxa de crescimento da tensão.
· Para um gás, a pressão é fator importante.
MATERIAIS ISOLANTES

MATERIAIS ISOLANTES
Materiais isolantes: (ar, vidro, porcelana, resinas, epoxi,
borrachas, papel, óleos, SF6, etc. )
São os responsáveis pelas funções de proteção e isolamento
entre as partes energizadas e os pontos de terra locais, sem
perdas nas funções operacionais dos equipamentos.
Os sistemas isolantes são caracterizados por impedâncias muito
elevadas e logo, correntes reduzidas e diferenças de potencial
elevadas.
A rigidez dielétrica é uma característica básica dos materiais
isolantes, e é definida pela suportabilidade máxima em kV/mm
até a qual não há correntes circulantes pela amostra ensaiada.
A rigidez dielétrica pode se alterar com a temperatura,
espessura da amostra, forma da tensão aplicada, taxa de subida
da tensão, forma dos eletrodos, etc.

MATERIAIS ISOLANTES
EXEMLOS - ISOLANTES
→ isolante ≈ 1020 condutor
R = .l /A
 = E / J →

MATERIAIS ISOLANTES
Eletrodo
Material
Isolante
Eletrodo

Eletrodo
Material
Isolante
Eletrodo
Zf C
Alta Tensão
Ri
If
Ir Ic
Eq
Sendo:
C – capacitância global entre eletrodos;
Zf – impedância em paralelo
Ri – resistência de isolamento;
Ic – corrente de carga capacitiva;
Ir – corrente resistiva de perdas;
If – corrente de fuga.
Representação Elétrica de um Material Isolante

Sendo:
Ir / Ic – fator de perdas do circuito (medição da Tg );
 - defasagem entre a corrente total e a tensão aplicada.
cos  = Ir / (Ir+Ic) – fator de potência;
Quando as perdas tendem a zero, o capacitor torna-se ideal e 
tende a zero. Logo, cos  = sin  = tg 
Ic + Ir
V
Ic
Ir


Ic + Ir
V
Ic
Ir


Representação Elétrica de um Material Isolante

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