O documento discute os conceitos de isolantes, dielétricos e materiais piezelétricos. Explica que isolantes como o diamante têm elétrons fortemente ligados, tornando improvável sua mobilidade. Dielétricos como cerâmicas podem ter cargas deslocadas por campos elétricos externos. Materiais piezelétricos como alguns cristais transformam energia mecânica em elétrica e vice-versa devido a dipolos elétricos em suas estruturas.

1. Isolantes
Os materiais iônicos e covalentes não possuem elétrons “livres”, pois os elétrons de suas camadas
de valência estão localizados nas ligações químicas correspondentes, não estando assim “livres”
para deixar os átomos dos quais fazem parte. Como consequência, estes materiais são condutores
extremamente ineficientes, sendo então chamados de isolantes. Existe uma semelhança entre os
movimentos eletrônicos nos isolantes e os movimentos atômicos nos materiais cristalinos.
Vamos considerar o Carbono na forma de diamante, por exemplo, como esquematizado na figura
abaixo:
Fig. 1- Movimentos eletrônicos em um sólido covalente (diamante): (a) Representação bidimensional;
(b) Energia necessária para o movimento do elétron. (O ponto de mais baixa energia para cada
elétron corresponde ao par covalente de ligação; o valor dessa energia atinge 6 eV, no caso do
diamante.)
Na figura acima, pode ser verificado que mais de seis eV de energia devem ser fornecidos para
remover cada elétron de sua posição de mais baixa energia e assim fazê-lo transportar unia carga.
A probabilidade de um elétron receber a energia necessária para demovê-lo de sua posição estável
é extremamente baixa. Temperaturas mais altas fornecem uma quantidade adicional de energia
aos elétrons, aumentando assim sua energia cinética. Entretanto, mesmo com essa energia
adicional, continua a haver apenas uma pequena probabilidade para os movimentos eletrônicos e,
consequentemente, a resistividade elétrica (e térmica) do diamante permanece elevada, o que
caracteriza este material como isolante elétrico (e térmico).
A energia necessária para os movimentos eletrônicos não é a mesma para todos os sólidos
covalentes. O Silício, o Germânio e o Estanho cinzento, considerados como exemplos, têm a
mesma estrutura cristalina do diamante, mas têm condutividades mais elevadas (ou seja
resistividades mais baixas), como mostra a tabela abaixo:
Tab. 1- Energias necessárias para os movimentos eletrônicos e resistividades correspondentes.
- Condutividade Intrínseca: A condutividade desses materiais recebe o nome de condutividade
intrínseca, por resultar de pequenos deslocamentos eletrônicos nas estruturas cristalinas desses
materiais, considerados puros, em termos de sua composição química. Como cargas elétricas são
deslocadas de suas posições de menor energia, imperfeições eletrônicas são assim formadas
nessas estruturas.
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2. - Dielétricos
Diferentemente dos condutores elétricos, que conduzem cargas elétricas, muitos materiais de
importância em engenharia são usados como dielétricos ou como isolantes (não condutores).
Os materiais dielétricos não transportam carga elétrica, mas não são isolantes inertes. A aplicação
de um campo elétrico externo pode deslocar cargas eletrônicas e iônicas de suas posições normais
na estrutura interna do material, fazendo com que este fique externamente polarizado.
Esse comportamento pode ser comparado à deformação mecânica elástica, pois as cargas assim
deslocadas retornam à sua posição original, quando o campo elétrico externo é removido.
- Condensadores (ou Capacitores)
Um condensador, ou capacitor, é um dispositivo para acumular carga elétrica, sendo basicamente
composto por duas placas (ou eletrodos), com polaridades de sinais contrários, entre as quais é
colocado um material dielétrico. A quantidade de carga elétrica que é acumulada num condensador
depende, entre outros fatores, do material colocado entre as suas placas. A figura abaixo
esquematiza um condensador em duas situações: quando entre suas placas é feito vácuo e
quando entre elas é colocado um material dielétrico.
Fig. 2- Acúmulo de carga em um condensador elétrico: (a) com vácuo entre suas placas ;
(b) com um dielétrico entre elas.
- Constante Dielétrica (Relativa)
A principal propriedade para um material dielétrico é a constante dielétrica relativa ( ), ou
simplesmente constante dielétrica. Esta propriedade é definida como a quantidade de carga
elétrica acumulada entre as placas de um condensador, quando entre estas existir um material
dielétrico ( ), dividida pela quantidade de carga elétrica acumulada quando houver vácuo
entre elas ( ), ou
(1)
- Capacidade de um condensador elétrico
A carga que pode ser acumulada em um condensador é proporcional à diferença de potencial
aplicada entre suas placas. A equação correspondente pode ser expressa como
Q=CV (2)
onde Q = carga elétrica acumulada (coulombs ou amp.s)
V = diferença de potencial aplicada (volts)
C = capacidade do condensador (farads, ou F)
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3. A capacidade de um condensador é, também, dependente da constante dielétrica relativa K’ e da
geometria do condensador. Para um condensador de placas paralelas, temos que
C= (3)
onde C é a capacidade (em microfarads), A é a área (em cm2) e é a distância entre as placas
(em cm). O fator de conversão (11,32) é escolhido de forma que a constante dielétrica K’ seja
adimensional e igual a 1,0, quando é feito o vácuo entre as placas.
A constante K’, para os vários materiais que podem ser utilizados como dielétricos, depende do
deslocamento de carga que ocorre como resultado do campo elétrico aplicado. Uma combinação
das equações (2) e (3) mostra que a quantidade de carga armazenada em um capacitor é
diretamente proporcional à constante dielétrica relativa. Como a constante dielétrica é
consequência de um deslocamento de carga no interior do material, seu valor depende tanto da
temperatura como da frequência do campo elétrico aplicado e da estrutura do material.
- Rigidez Dielétrica
Se um material dielétrico é usado somente como isolante elétrico, é necessário considerar-se a sua
rigidez dielétrica, que pode ser expressa na unidade (volts/cm). Entretanto, deve-se lembrar que a
capacidade isolante de um material nem sempre aumenta proporcionalmente à espessura; muitos
outros fatores, tais como área específica, porosidade e defeitos, influem nas características de
isolação do material.
- Materiais cerâmicos dielétricos
Em um circuito elétrico, os materiais cerâmicos são normalmente utilizados em várias aplicações,
como isolantes elétricos ou como partes funcionais. Quando são usados como isolantes, os
materiais cerâmicos devem ser apenas eletricamente inertes e capazes de isolar dois condutores,
em diferentes potenciais. Quando usados como componentes funcionais, deve haver uma
interação entre o campo elétrico e as cargas dentro da estrutura do material.
a) Isolantes elétricos: Materiais comumente considerados como isolantes podem falhar no
isolamento, quando submetidos a altas voltagens. Geralmente, essa falha é um fenômeno de
superfície. Por exemplo, as velas de um automóvel podem sofrer um curto circuito em uma manhã
úmida, em virtude da condensação de umidade na sua superfície, que passa a permitir a
passagem de corrente. Os isoladores são projetados de forma a terem os caminhos na superfície
os mais longos possíveis, a fim de diminuir a possibilidade de um curto circuito através da mesma
(falha superficial na isolação), o que é mostrado na figura abaixo:
Fig.3- Falha superficial na isolação. A umidade absorvida e a presença de contaminantes facilitam o curto
circuito através da superfície.
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4. Como a presença de poros e fissuras facilita a condução, as superfícies são geralmente
vitrificadas, a fim de torná-las não absorventes. A falha de isolamento se dá através do corpo do
material, apenas para gradientes de voltagens extremamente elevadas.
- Constante dielétrica associada: Um campo elétrico muito forte pode ser suficiente para romper
os dipolos induzidos no isolador, e, quando se atinge esse valor, o material deixa de ser isolante.
Os isoladores elétricos possuem constantes dielétricas relativas com valores nitidamente
superiores a um. A constante dielétrica mais elevada, em frequências baixas, é consequência do
deslocamento de íons no campo elétrico. Quando apenas átomos, isoladamente ou singulares
estão envolvidos, esses deslocamentos podem ocorrer para frequências de até 1013 cps (ciclos por
segundo). Entretanto, a maior parte dos deslocamentos envolve grupos de átomos do interior do
material. Dessa forma, há um limite na resposta de uma redução na constante dielétrica, além de
105 cps, como mostra a figura abaixo:
Fig.4- Constante dielétrica em função da frequência, para materiais cerâmicos: (a) Sílica fundida, l00°C;
(b) Sílica fundida, 400°C; (c) AlSiMg, l50°C; (d) Porcelana de Zr02; (e) Al2O3.
- Materiais poliméricos dielétricos
Os polímeros encontram uma aplicação considerável como isolantes elétricos. Apresentam a
vantagem adicional de, quando aplicados como cobertura no fio condutor, formarem uma camada
uniforme na forma não polimerizada ou parcialmente polimerizada, que pode ser polimerizada
posteriormente. Vários polímeros já tendem naturalmente a formar filmes e são particularmente
úteis como isolantes elétricos, pela natureza covalente de suas ligações químicas, o que inviabiliza
a condução elétrica.
- Constante dielétrica associada: As propriedades dielétricas dos polímeros também dependem
da polarização da estrutura. Essa polarização, e, portanto, a constante dielétrica resultante, é
consideravelmente maior nos polímeros com dipolos naturais (polarização molecular), nos quais o
centro das cargas positivas das moléculas não coincide com o das cargas negativas. Em baixas
frequências, os dipolos conseguem acompanhar as mudanças no campo elétrico. Entretanto, com
o aumento da frequência, pode-se atingir um valor além do qual é impossível aos grupos polares
das moléculas acompanharem a oscilação do campo elétrico, e apenas passa a existir a
polarização eletrônica. Essa frequência limite varia com as dimensões dos dipolos e com a
temperatura, conforme mostrado na figura da próxima página.
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5. Fig.5- Constante dielétrica em função da frequência, para materiais poliméricos.
A temperatura é importante porque a energia térmica suplementa a força do campo elétrico no
deslocamento dos átomos. De uma maneira geral, frequências mais elevadas e temperaturas mais
baixas reduzem a constante dielétrica, já que é menor o tempo disponível para o alinhamento dos
dipolos.
Condutividade elétrica associada: Embora os polímeros sejam inerentemente isolantes, suas
composições podem ser ajustadas de forma a permitir uma certa condutividade. No caso de
borrachas especiais, consegue-se a condutividade através da adição de grafita finamente
pulverizada, a qual fornece um percurso através do qual os elétrons podem se mover.
Dessa forma, a condutividade não é intrínseca ao polímero (por si próprio), mas resulta da inclusão
de uma segunda fase condutora. O polímero pode ser tratado de várias maneiras, de forma a
adquirir uma condutividade intrínseca. Um desses métodos consiste em tratar o polímero através
de irradiações de raios ou através de degradação térmica parcial. Ambos os tratamentos
destroem parcialmente, a estrutura e provocam irregularidades na cadeia que contém pontos
doadores e/ou aceptores de elétrons. Já foram assinaladas resistividades tão baixas como
102 ohm.cm, as quais podem ser comparadas com as correspondentes do Germânio e com os
valores superiores a 1010 ohm. cm, para os polímeros normais . Um segundo método é produzir um
polímero contendo radicais ao longo da cadeia. Estes radicais originam tanto pontos aceptores
como doadores. Desta forma, são obtidas resistividades de até 10 ohm.cm, podendo ser mais
baixas ainda, desde que se melhore a “cristalização” do polímero considerado.
- Piezeletricidade
É um fenômeno que ocorre para materiais com estruturas cristalinas, onde os centros das cargas
positivas e das negativas não coincidem, formando dipolos elétricos. A energia elétrica recebida
pode ser transformada em energia mecânica (ou vice versa), pois o cristal vibra com a frequência
do campo alternado aplicado e em proporção ao diferencial de voltagem, alterando o comprimento
desses dipolos. A figura abaixo esquematiza este fenômeno:
Fig.6- Material piezelétrico: um campo elétrico provoca variações dimensionais nos dipolos elétricos.
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6. O processo inverso, ou seja, a conversão de energia mecânica em elétrica, pode também ser
efetuado. Pressionando-se, por exemplo, um material deste tipo, a deformação por pressão induz
uma diferença de potencial. Os dipolos elétricos são, então, deslocados de suas posições de
equilíbrio e a distribuição da carga ao longo do cristal é alterada. Dessa forma, é possível
transformar vibrações, ondas sonoras e outros movimentos mecânicos em potenciais elétricos.
Além disso, como a quantidade de carga desenvolvida depende da distorção cristalina, é possível
construir-se dispositivos de medida de pressão, nos quais a leitura pode ser feita por meio de um
voltâmetro. As interações eletro mecânicas referidas acima são denominadas de efeitos
piezelétricos. Os dispositivos eletromecânicos resultantes, denominados transdutores, são
normalmente utilizados para produzir ondas sonoras de alta frequência e na sintonização de
circuitos elétricos.
Materiais cerâmicos piezelétricos: Os materiais cerâmicos piezelétricos estão entre aqueles
cujos centros das cargas positivas e das negativas não coincidem. Este tipo de material, como por
exemplo o Quartzo, ou se alonga ou se contrai em um campo elétrico, pois os comprimentos dos
dipolos são alterados por gradientes de voltagem (vide Fig.6). Entre os materiais mais comumente
utilizados em dispositivos piezelétricos, destacam-se o BaTiO3, o Si02 e o PbZrO3.
Semicondutores
- Definição; Condutividade Extrínseca ou Semicondução
Por definição, os semicondutores têm uma resistividade entre aquela dos condutores e a dos
isolantes. Entretanto, para que um semicondutor seja utilizável em um circuito eletrônico, sua
resistividade não deve diferir de 1 (ohm.cm) por mais de uma ou duas ordem de grandeza.
Consequentemente, o Germânio e o Silício, considerados como materiais “puros”, cujas
condutividades intrínsecas são, respectivamente, cerca 10-2 e 10-4 (ohm.cm)-1, têm aplicação
restrita em circuitos eletrônicos. A condutividade de um material pode ser aumentada através da
adição de imperfeições eletrônicas, gerando assim a chamada condutividade extrínseca, ou
semicondução, que pode ser do tipo p ou do tipo n.
- Semicondução do tipo p
Como exemplo deste tipo, podemos considerar, no esquema da figura abaixo, a estrutura do
Silício, contendo, como impureza, um átomo de Alumínio.
Fig.7- Silício com imperfeição de Alumínio: o Alumínio tem três elétrons de valência; sua presença na
estrutura origina um vazio eletrônico nas ligações covalentes da estrutura do Silício, que tem quatro
elétrons de valência. Com o movimento do elétron para o vazio, novos vazios são abertos; os vazios
se movem na direção do eletrodo negativo.
O Silício tem a mesma estrutura cristalina cúbica que o Carbono, quando este se encontra na
forma de diamante. A presença de um átomo de Alumínio deixa um vazio eletrônico na estrutura.
Os elétrons adjacentes podem se mover para essa posição, quando um campo elétrico externo é
aplicado ao material. Claro que, se um elétron adjacente ocupa este vazio (ou“buraco”), o vazio se
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7. move na direção do eletrodo negativo. Neste caso, o vazio eletrônico é considerado como sendo
um transportador de carga positiva e origina uma semicondução do tipo p.
- Semicondução do tipo n
Se, ao invés de Alumínio, tivéssemos o Fósforo na estrutura do Silício, o quinto elétron de valência
do Fósforo fica com maior energia, pois está fora das ligações covalentes, onde a energia é menor.
Dessa forma, apenas uma pequena energia adicional é necessária para acelerar o elétron,
conforme a direção e sentido de um campo elétrico. A figura abaixo esquematiza esta situação:
Fig.8- Silício com imperfeição de Fósforo. Devido ao Fósforo conter cinco elétrons de valência, um destes
elétrons não pode ficar nas ligações covalentes da estrutura regular do Silício.
Junção p - n
É uma junção de um semicondutor do tipo p com um do tipo n, que permite movimentos de cargas
em uma direção e sentido, mas não no sentido contrário, porque há a formação de uma zona
isolante na interface (junção) desses semicondutores. Essa zona isolante se forma porque os
transportadores de carga se deslocam para fora da zona da junção, conforme esquematiza a figura
abaixo:
Fig.9- Junção p - n: (a) Sem gradiente de potencial; (b) e (c) gradientes opostos de potencial.
Em (c), os transportadores de carga são removidos da junção, de forma a aparecer uma zona
isolante. (Os sinais - e + indicam,respectivamente, elétrons e vazios eletrônicos)
Para que a transferência de cargas se efetivasse, seriam necessários movimentos opostos ao
campo. A assimetria resultante é usada para retificação, como esquematizado na figura acima.
A junção p - n é um retificador diodo, pois a sua característica corrente/tensão é assimétrica:
Fig.10- Características corrente/tensão: (a) Condutor ôhmico: a corrente não é sensível à direção do
potencial. (b) Condutor assimétrico: a corrente é tanto uma função do potencial como da direção do
mesmo.
Muitos semicondutores têm característica não linear, particularmente se a direção da voltagem é
invertida. (Em um condutor ôhmico, o valor dV/dI é constante e igual à resistência do condutor).
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