PROPRIEDADES ELÉTRICAS

COMPORTAMENTO DIELÉTRICO

Isolante submetido a um campo elétrico

Não há transferência de carga

Cargas sofrem um deslocamento (cargas negativas movem-se em direção ao eletrodo positivo e as positivas, no sentido oposto)

POLARIZAÇÃO

Polarização - alinhamento de momentos de dipolos atômicos ou moleculares, permanentes ou induzidos, com um campo elétrico, que éaplicado externamente.

Na presença de um campo elétrico externo, o centro da carga positiva não coincide com o centro da carga negativa. O campo elétrico exerce uma força tanto sobre o núcleo positivo, como na nuvem negativa. As cargas positiva e negativa se separam. Esta distribuição de carga comporta-se como um dipolo elétrico.

p = q x d

Dipolo Elétrico - sistema formado de duas cargas elétricas de valores absolutos iguais e de sinais opostos (+q e -q), separadas por uma distância d.

p – momento de dipolo elétrico

Mecanismos de polarização

Polarização eletrônica (Pe)

Associada ao deslocamento espacial da nuvem eletrônica em torno do núcleo.

Ocorre em todos os tipos de materiais Resulta de um deslocamento do centro das cargas

carregadas negativamente em relação ao núcleo positivo do átomo, quando aplicado um campo elétrico.

Polarização eletrônica total (Pe), é a soma de todos os momentos dipolares, e, formados:

Pe=e Responde rapidamente às mudanças que ocorrem no campo

elétrico, sob freqüências elevadas (acima de 1016cps)

2. Polarização iônica (Pi) A mais comum nos compostos iônicos Envolve o deslocamento relativo dos íons positivos e negativos. Polarização iônica total (Pi), é a soma de todos os momentos

dipolares, i, formados:Pi=i

Polarização mais vagarosa que a dos elétrons (~1013cps) (envolve massas maiores)

3. Orientação de dipolos (Po) (polarização de orientação) Encontrada em materiais que possuem momentos dipolares

permanentes (muito importante em polímeros) Polarização resulta da rotação do dipolo permanente na direção do

campo elétrico aplicado Em cerâmicas, não é tão importante, pois a maioria dos dipolos

permanentes não pode ser reorientada sem que haja destruição da estrutura dos cristais

4. Cargas espaciais (Ps) cargas estranhas, que se situam nas interfaces

Em cerâmica – polarização por defeitos e impurezas.Ex: pares de vacâncias de sinais opostos; impureza iônica adjacente a uma vacância de sinal oposto (dipolo íon-vacância)

4. Cargas espaciais (Ps)

Ocorrem em dielétricos multifásicos Cargas estranhas, que se situam nas interfaces

Quando uma das fases presentes possui resistividade muito diferente da outra, um campo externo pode causar um acúmulo de cargas elétricas na interface entre as fases

Polarização total (P) é a somas dos 4 mecanismos:

P = Pe + Pi + Po + Ps

Polarização versus freqüência

Depende da facilidade que o dipolo tem em se realinhar.

Sólidos covalentes como o diamante apresentam só polarização eletrônica

Propriedades dielétricas das cerâmicas(cerâmicas usadas principalmente para capacitores e isoladores)

• Constante dielétrica• Rigidez dielétrica• Fator de perda dielétrica• Resistividade elétrica

Constante dielétrica (K)

Principal conseqüência da polarização é a de que, um material, contendo cargas altamente polarizáveis, quando estiver situado entre as placas de um capacitor, influenciará acentuadamente as cargas que estão em tais placas.

Capacitor de placas paralelas

1. VácuoAplicando uma diferença de potencial, V, entre as

placas, uma delas adquire uma carga total de +q e a outra de –q.A carga Q é diretamente proporcional à

diferença de potencial, VQ = CV

C - capacitância do capacitor (C/V) mede a capacidade para armazenar carga

elétrica(quando maior for a carga armazenada nas placas

do capacitor, maior a sua capacitância).Para um capacitor de placas paralelas:

Co = oA/dd – distância entre as placasA – área das placaso – permissividade do espaço livre (8,854x10-12

F/m)

2. Dielétrico no espaço entre as placasA capacitância aumenta de um fator K denominado constante dielétrica do material

Para um capacitor de placas paralelas com um dielétrico entre as placas

C = K o A/dC = K Co

K = C/ CoK = d/o

d – permissividade relativa ao meioConstante dielétrica:

• É maior que a unidade para qualquer dielétrico• Representa o aumento na capacidade de armazenamento de carga pela inserção de um material dielétrico entre as placas• É uma propriedade do material

K depende: Tipo e pureza dos materiais Fases presentes Freqüência da tensão aplicada Temperatura e umidade Condição de preparação

Valores típicos de K (T = 20oC e f = 106 Hz)

SubstânciaK

ar 1,0006parafina 2,2

Poliestireno 2,5Papel 3,5Porcelana 6,5Alumina 10,0Zircônia 10,0Titanato de bário 1000

RIGIDEZ DIELÉTRICA (V/m) Representa o máximo campo elétrico que o material dielétrico pode suportar sem falha elétrica Mede a capacidade do material em suportar energia a altas diferenças de potencial

Campos elétricos muito altos podem excitar um grande número de elétrons para a banda de condução. Como resultado, uma corrente passa pelo dielétrico podendo causar fusão, vaporização

Falha dielétrica mais comum – curto-circuito através das superfícies externas (superfícies submetidas à contaminação ou adsorção).

Depende: Área superficial Porosidade – poros interligados são caminhos para as falhas

Utilização de vidrados para reduzir permeabilidade. Forma dos isoladores para dificultar o caminho

Impurezas – (podem gerar elétrons doadores rapidamente acelerados ao longo da diferença de potencial, os quais, por sua vez, energizam outros elétrons, levando a um fluxo eletrônico nocivo). Temperatura - quanto maior a temperatura, menor a rigidez dielétrica

FATOR DE PERDA

• É uma medida de perda de energia elétrica (na forma de energia térmica) de um capacitor colocado num circuito de CA• Mecanismos de perda de energia (depende do número de cargas móveis e da altura da barreira de energia)• Troca de íons por um vazio, no interior de um cristal, quando um campo elétrico se inverte.• Há uma defasagem entre os instantes de máximo campo elétrico e de máxima polarização, pois o íon precisa atravessar uma barreira de energia.

Defasagem – ângulo de perda - influenciado pela freqüência do campo da CA à medida que a freqüência aumenta, o tempo de defasagem para o “salto” do íon torna-se uma fração maior do período do ciclo, e valor de tg aumenta.

Quando o tempo de defasagem corresponde ao período do ciclo, as perdas de energia são máximas. K tg - fator de perda dielétrica

Materiais Cerâmicos Isolantes

Ligações iônicas e covalentes restringem a mobilidade dos elétrons e íons – bons isoladores elétricos• Constante dielétrica baixa• Fator de perda baixo• Alta rigidez dielétrica

Função do isolador num circuito elétrico Fazer a separação física dos condutores e prevenir o fluxo de corrente entre eles Fornecer suporte mecânico, dissipação de calor e proteção ambiental para os condutores.

Cerâmicas tradicionaisPorcelana elétrica –

• Porcelana silicosa (argila-feldspato-sílica) - isoladores elétricos de baixa tensão• Porcelana aluminosa (argila-feldspato-alumina)- isoladores elétricos de alta e baixa tensão

Vantagens - preço relativamente baixo- boa plasticidade a verde- intervalo longo de temperatura

Desvantagens - elevado fator de perda (devido à presença de íons alcalinos bastantes móveis)

Esteatita – 90% talco (3MgO.4SiO2.H2O) e 10% de argila• Microestrutura – cristais de esteatita (MgSiO3) ligados por uma matriz vítrea.• Baixo fator de perda• Baixa absorção de umidade• Boa resistência ao impacto• Aplicados em larga escala pelas indústrias de aparelhos eletrônicos e elétricos

Cerâmicas Avançadas • Al2O3, BeO, AlN, •Basicamente utilizados para substratos de circuitos integrados

Al2O3 - Baixa perda dielétrica- Resistência mecânica relativamente alta- Superfícies pouco rugosas- Suporta, liga e isola grande número de circuitos integrados.

O efeito piezelétrico foi descoberto em 1880 por Pierre e Jacques Curie, durante seus sistemáticos estudos do efeito da pressão na geração de carga elétrica pelos cristais, tais como quartzo, esfarelita (ZnS) e turmalina.

O nome “piezo” é derivado do grego “piezen”, e significa “pressionar”. Portanto, piezeletricidade é a geração de eletricidade como resultado de pressão mecânica.

O fenômeno também é definido como polarização elétrica, que é produzida por tensão mecânica, ou deformação mecânica produzida por uma tensão elétrica

A descoberta da ferroeletricidade ocorreu no ano de 1921 por Valasek, e pode ser considerada um novo marco, tanto do ponto de vista da física quanto do ponto de vista da ciência dos materiais.

Os estudos dos primeiros cristais ferroelétricos começaram com o tartarato tetrahidratado de sódio e potássio (NaKC4H4O6.4H2O), também conhecido como sal de Rochelle, em 1935, com o fosfato de potássio e di-hidrogênio (KH2PO4) e, posteriormente, em 1945, o titanato de bário (BaTiO3).

Cerâmicas ferroelétricas e piezoelétricas

Desenvolvimento histórico das cerâmicas piezelétricas• cristal de quartzo, um monocristal. • sal de Rochelle (NaKC4H4O6 .4H2O), monocristal, • titanato de bário, BT,• titanato zirconato de chumbo (PZT)

Em 1952 - Descoberta dos fenômenos da piezeletricidade em cerâmicas após serem submetidas a um processo de polarização elétrica com o niobato de chumbo (PbNb2O6) ou PN.

Essas cerâmicas ferroelétricas após serem polarizadas, quando submetidas a um campo elétrico sofrem alteração em suas dimensões e quando tensionadas por uma força mecânica respondem com a geração de um campo elétrico na forma de um sinal elétrico.

Os primeiros estudos do titanato zirconato de chumbo (PZT), começaram a ser publicados a partir de 1954 com Shirane et al.

A cerâmica de PZT é um material com composição de chumbo associada a uma composição variável de zircônio e titânio, sendo uma solução sólida do zirconato de chumbo com o titanato de chumbo; o PZT é um dos ferroelétricos mais estudados nos últimos anos.

CERÂMICAS FERROELÉTRICAS

Materiais ferroelétricos materiais dielétricos que exibem polarização espontânea, isto é, polarização na ausência de campo elétrico. (análogo aos materiais ferromagnéticos)

Exibem dipolos elétricos permanentes

BaTiO3 titanato de bário Descoberto durante a II Guerra Mundial Apresenta K duas vezes maior que os dielétricos

conhecidos. estrutura da perovskita (CaTiO3) (possui uma simetria

tetragonal) Polarização espontânea é uma conseqüência do

posicionamento dos íons Ba2+, Ti4+ e O2- dentro de célula unitária. Células unitárias não possuem centro de simetria e

conseqüentemente suas células unitárias contém um pequeno dipolo elétrico

Estrutura da perovskita ABO3

Cada cátion do A é coordenado por 12 íons de oxigênio (as ligações são feitas pelos interstícios dos octaedros) e cada cátion do sítio B, écoordenado por seis oxigênios.

Cerâmica policristalina – grãos orientados ao acaso

Dentro grãos células unitárias com seus dipolos orientados tanto em uma direção quanto

em outra cada dipolo da célula unitária é influenciado pelo seu vizinho um grande número de células unitárias de mesma direção interage

mutuamente

Representação dos domínios ferroelétricos para uma amostra hipotética. Em (a) há orientação espontânea mesmo na ausência de um campo elétrico externo, em (b) com a aplicação de um campo elétrico externo os domínios tendem a se alinhar com o campo elétrico, em (c) mesmo com a remoção do campo elétrico os dipolos permanecem orientados.

Comportamento FerroelétricoAplicação de um campo elétrico

Campo relativamente pequeno muda os íons Ti4+ de uma posição para a outra se o dipolo da célula unitária estiver na direção “incorreta”.

Polarização principal envolve o movimento do contorno do domínio enquanto há o crescimento dos domínios alinhados na direção mais favorável (semelhante ao crescimento de grão, entretanto o crescimento do domínio é reversível, o que não acontece com o crescimento de grão).

BaTiO3 quando aquecido acima de sua temperatura de transformação ferroelétrica, Tc (temperatura de Curie), perde as características ferroelétricas

mudança da estrutura tetragonal para cúbica estrutura cúbica há somente uma posição de baixa energia para

os íons Ti4+

Temperatura de Curie – em torno de 130oC - não apresenta mais mobilidade nos domínios ferroelétricos, visto que o titânio na estrutura cúbica só possui uma posição e de baixa energia para movimentar-se

Tc varia com a composição íons Sr2+, Pb2+, Cd2+, Ca2+ substituem os íons Ba2+

íons Sn4+, Hf4+, Zr4+, Ce4+, Th4+ substituem os íons Ti4+

dielétricos de BaTiO3 são dopados com vários elementos para alcançar estabilidade da capacitância

Alguns dopantes são usados para melhorar as características de queima eletrodo/cerâmica, permitindo a utilização de eletrodos de metais não nobres.

Convencionalmente, materiais a base de BaTiO3 são manufaturados por reações no estado sólido:

BaCO3 + TiO2 BaTiO3 + CO2Produzem grandes aglomerados de partículas que são moídas (tamanho médio de partículas 0,5 a 1,5 m)

Fabricação de capacitores comuns

Introdução de um dielétrico num capacitor, com consequente polarização:

Diminui a intensidade do campo elétrico em seu interior, e deste modo a tensão aplicada entre as placas do capacitor Se uma diferença de potencial constante for mantida no capacitor (por exemplo se ele estiver conectado a uma fonte de tensão), a carga total armazenada nas placas deve aumentar, para compensar aquelas “neutralizadas” pelas cargas de polarização acumuladas na superfície do dielétrico, próximo as placas. Assim a capacitância do sistema aumenta

Avanços na microeletrônica e indústrias de comunicação

Miniaturização dos capacitores multicamadas (MLCC – 200 a 400 camadas com espessura abaixo de 5 m)

Aumento da performance – maior capacitância em tamanhos menores

maior RMmaior confiabilidadebaixo custo

Memórias ferroelétricas – memórias (memórias ferroelétricas não voláteis)"O interessante a respeito desses materiais é que eles permitem a construção de memórias eletrônicas que não necessitam de qualquer energia para funcionar”

O PZT é também muito utilizado em memórias ferroelétricas não voláteis na forma de filmes finos, representando uma nova geração de memórias, despertando atenção pela alta concentração de dados a serem armazenados, reduzidas dimensões e baixo consumo de energia.

O desenvolvimento de memórias ferroelétricas de acesso randômico (FERAM - ferroelectric random access memory) em aplicações como memórias não voláteis em computadores (a memória que não se perde quando se desliga o computador, normalmente para armazenamento de dados), cartões inteligentes, identificadores por rádio freqüência (“tags”) estão, no momento, em desenvolvimento em nichos de mercado específicos.

Vantagens das memórias ferroelétricas – não sofrem tanta perda de memória quanto os magnéticos, são mais estáveis se sujeitos a altas temperaturas e não tem problemas de despolarização. São boas para aparelhos de telefonia celular e dispositivos de leitura simples, como cartões de bancos e transporte público

Desvantagens – Custo e “quantidade” de memória menor

CERÂMICAS PIEZOELÉTRICAS

Piezoeletricidade efeito eletromecânico, através do qual forças mecânicas exercidas sobre um material ferroelétrico podem dar origem a uma resposta elétrica, ou inversamente, forças elétricas podem dar origem a uma resposta mecânica.

Todo material ferroelétrico apresenta piezoeletricidade

Possível de ocorrer em cristais assimétricos, onde os centros das cargas positivas e negativas não são coincidentes.

Materiais piezoelétricos grande aplicação durante a I Guerra Mundial –SONAR (SOund NAvigation and Ranging) – cristais

de quartzo Guerra Fria – aplicações bélicas décadas de 40 e 50, das cerâmicas piezoelétricas de

Titanato de Bário pela então URSS e Japão, e das cerâmicas piezoelétricas de Titanato Zirconato de Chumbo (PZT’s) pelos EUA

1. Quando o material não está sob tensão, um cristal piezoelétrico tem uma “extremidade” positiva e outra negativa. Uma diferença de potencial pode ser medida

2. Tensões mecânicas aumentam ou diminuem a diferença de potencial, dependendo se esta tensão aumenta ou diminui o momento dipolar do cristal.

3. Campos elétricos externos modificam as dimensões do cristal, háexpansão ou contração dependendo do sentido do campo

Fabricação de cerâmicas piezoelétricas:• Mistura de óxidos• Secagem• Conformação• Usinagem na forma desejada• Queima• Deposição dos eletrodos• Etapa de polarização – um campo elétrico é aplicado a peça, onde a propriedade piezoelétrica é conferida a cerâmica

Tipos de materiais• quartzo• BaTiO3

• tartarato de potássio e sódio (KNaC4H4O6.4H2O) – solúvel em água (precisa ser isolado da umidade atmosférica), comportamento ferroelétrico restrito (-18oC-24oC)

• PbTiO3-PbZrO3

Aplicações: Microfone e alto-falantes Medidores de deformação Detectores de sonar e radares Instrumentação médica Ensaios não-destrutivos