Apostila Materiais Dielétricos Parte A

Apostila Materiais Dielétricos Parte A

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A dispersão da corrente (I) é o inverso da resistência isolante, desta maneira: 1/C IRα

A resistência isolante é uma função do teste de voltagem, como a dispersão da corrente é diretamente proporcional à voltagem aplicada:

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IRou /, t

ρ==(1.37)

Para um dado capacitor, a resistência isolante é dependente da resistividade (ρ) do dielétrico, que é proporcional ao material e depende da formulação e da medida da temperatura, como descrito anteriormente.

A medida de IR é inversamente proporcional aos valores da capacitância, isto é, IR é uma função da capacitância, e por isso o critério para IR em indústrias são estabelecidos com produto de resistência (R) e capacitância (C), (RxC), como demonstrado na Tabela 1.2.

A especificação EIA (Aliança das Indústrias Eletrônicas - Electronic Industries

Alliance, credenciada para desenvolver padrões e especificações técnicas de componentes eletrônicos, telecomunicações, Internet) requer que o produto (RxC) exceda 1000 Ohm- Farad (depois expresso como 1000 Megohm-Microfarad) em 25oC, e 100 Ohm-Farad em 125oC, (10% dos valores da Tabela 1.2).De maneira geral, os dielétricos possuem uma resistência elétrica alevada e as medidas são associadas em vários múltiplos de Ohm:

• 1 Tera-ohm (TΩ)= 1012 Ohm

• 1 Giga-ohm (GΩ) = 109 Ohm

• 1 Mega-ohm (GΩ) = 106 Ohm

Em adição, o material e as variações da geometria são outros fatores físicos que influenciam na resistência isolante dos capacitores.

• Superfície de Resistividade: As superfícies dos dielétricos podem possuir diferentes resistividades no tamanho do material, devido a impurezas absorvidas ou umidade da água.

• Defeitos: Formulações dielétricas que estão presentes em cerâmicas policristalinas agregadas, contendo contornos de grão e poros volumosos em sua microestrutura, causando decréscimo da resistividade intrínseca do material. Estatisticamente, a ocorrência desses defeitos físicos é diretamente proporcional ao volume da partícula e a complexidade de sua estrutura.

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Tabela 1.2- Padrão mínimo IR versus Capacitância.

Padrão mínimo IR versus Capacitância Capacitância Mínimo IR (GΩ) Mínimo RxC (Ω) a 25 ºC

0,1 pF 10,0 10 0,015 6,67 0,022 45,45 0,033 30,30 0,047 21,28 0,068 14,71 0,10 10,0 0,150 6,67 0,220 4,5 0,330 3,03 0,470 2,13 0,680 1,47 1,0 1,0

1.2.6.2 Intensidade Dielétrica

A intensidade dielétrica é a medida da capacidade do material em resistir a uma grande força do campo fora do desarranjo elétrico, sendo expressa em volts por mil (0,001’) ou volts por cm do dielétrico. A perda dielétrica ocorre em isolantes, onde o campo aplicado num ponto de distância limiar e a força de restauração dentro da rede cristalina são superadas, causando emissão dos elétrons do campo, produzindo um número suficiente de elétrons livres e criando um avanço nas colisões, onde resulta em uma rápida ruptura da corrente reduzindo a eficiência do dielétrico.

Esses tipos de deficiência em dielétricos, em altas voltagens e aquecimento com baixas resistividades do material podem desenvolver um enfraquecendo no dielétrico. A dependência da temperatura é observada, devido ao decréscimo da intensidade dielétrica com a temperatura.

A intensidade dielétrica intrínseca em alguns isolantes é reduzida por defeitos físicos na microestrutura do material. Como a resistência isolante, uma dependência geométrica é observada com medidas presentes.

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A intensidade dielétrica é inversamente proporcional à camada dielétrica, como o aumento do volume do material aumenta a probabilidade de defeitos ao acaso, como ilustrado na Figura 1.21.

pequena unidade

grande unidade

Volts/Mil

Figura 1.21 - Força dielétrica versus densidade dielétrica.

De maneira similar, a intensidade dielétrica é inversamente proporcional à soma da camada do eletrodo de um capacitor chip e a área deste capacitor.

Capacitores chip são designados em uma margem de proteção baseada em considerações que possa impedir o uso e o teste de voltagem da resistência.

1.2.6.3 Envelhecimento

Os capacitores cerâmicos podem exibir formulações ferroelétricas que exibem um decréscimo na capacitância e a perda dielétrica com o tempo. Este fenômeno, chamado envelhecimento, é reversível, e ocorre devido a mudanças cristalográficas dos ferroelétricos com a temperatura. O principal representante do grupo de materiais dielétricos ferroelétricos é o titanato de bário (BaTiO3). Tal material sofre transições no cristal ou possui simetrias que possibilitam um aumento nos domínios e elevação ferroelétrica.

Na temperatura de Curie, 120 ºC, o BaTiO3 sofre uma transição defase para a forma cristalina cúbica, onde não ocorre polarização espontânea. No resfriamento abaixo do ponto de Curie, o material é novamente transformado de cúbico para tetragonal, onde a rede não possui centro da simetria e o cátion Ti4+ pode ocupar um dos dois sítios assimétricos, aumentando os dipolos elétricos.

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Estes dipolos possuem configuração espontânea e são pouco ordenados, conforme as unidades de células adjacentes que possuem uma influência adicional suficiente para a reação e a criação de domínios de polaridade similares. Os domínios de polaridade elétrica são orientados ao acaso (fora da influência do campo elétrico) e concedem uma certa energia de deslocamento para o sistema. A relaxação desta energia deslocada é atribuída pela existência do mecanismo de envelhecimento da constante dielétrica, sendo encontrada a seguinte relação chip:

tm KKolog−=(1.38)

onde, K é a constante dielétrica no tempo t, Ko é constante dielétrica no tempo t, (to < t) e m é a razão de diminuição.

A equação (1.38) é uma relação logarítmica, sendo os dados aproximados para uma linha plana (uma reta) como mostrado na Figura 1.2.

A variação percentual de K (ou capacitância) por série de dez pode ser calculada e utilizada como um diagrama no valor da formulação dielétrica.

Os detalhes da microestrutura que afetam a polarização (material puro, tamanho do grão, sinterização, limites–áreas de grãos, porosidade, tensão interna) também determinam a independência dos domínios, a dificuldade dos movimentos e reorientação. Ele é fundamentado por medidas de envelhecimento, cuja composição é dependente do processo, que é sensível para variáveis que também influenciam na constante dielétrica do material.

(a) (b)

Figura 1.2 - Envelhecimento ferroelétrico. (a) taxa de envelhecimento = -5% /5 décadas. (b) Taxa de envelhecimento = -15% /6 décadas.

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A perda de capacitância com o tempo torna-se inevitável nas composições ferroelétricas, embora possa ser revertida através do aquecimento do dielétrico acima da temperatura de Curie, onde o material passa para um estado cúbico. Sob resfriamento, a polarização espontânea ocorrerá novamente, devido à transformação do material para a forma de cristal tetragonal, onde novos domínios recomeçam o processo de envelhecimento.

Como esperado, nenhum envelhecimento é observado somente em formulações paraelétricas, semelhante ao NPO, que não possui o mecanismo de polarização espontânea. A razão pela qual ocorre o envelhecimento pode ser a influência por “condicionamento de voltagem” do capacitor. Ele é fundido devido a tensão por uma voltagem dc em elevadas temperaturas (abaixo do ponto Curie), assim possuirá uma perda da capacitância e um baixo envelhecimento. Ele é teorizado por voltagens de tensão em elevadas temperaturas no processo de relaxação dos domínios. Este condicionamento dos efeitos da voltagem é, no processo, eliminados em unidades experimentais, sempre excedendo as temperaturas no ponto Curie.

para duas décadas adicionais ou 10.0 horas

A fabricação do capacitor compensa a perda da capacitância de dielétricos ferroelétricos por ajustamento testando os limites. Semelhante às unidades de não oposição, de tolerância superior ao longo de um período de tempo. Como exemplo, para um dielétrico com taxa de envelhecimento de 1,5 % /década, os limites de testes são elevados 3 % , isto é, duas décadas. Unidades de teste de 100 horas depois das últimas exposições da temperatura de Curie, conseqüentemente permanecerá na tolerância interior

1.2.7 Acoplamento Eletro-Mecânico

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