Constante Dielétrica e Permissividade Relativa

A constante dielétrica e a permissividade relativa são fundamentais para a operação dos capacitores e a determinação dos níveis de capacidade alcançáveis.

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O tutorial de capacitância inclui:

Capacitância | Fórmulas de capacitores | Reatância capacitiva | Capacitores Paralelos e Série | Constante dielétrica e permissividade relativa | Fator de dissipação, tangente de perda, ESR | Tabela de conversão de capacitores
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Permissividade e constante dielétrica são dois termos centrais para a tecnologia de capacitores. Frequentemente se ouve falar de capacitores com diferentes dielétricos sendo usados ​​quando as seleções de componentes eletrônicos estão sendo feitas dentro de um projeto de circuito eletrônico.

Capacitores eletrolíticos, capacitores cerâmicos, papel, capacitores de tântalo e todos os nomes comuns para capacitores referem-se ao material dielétrico que é usado.

O material dielétrico fornece o isolamento entre as placas do capacitor e, além disso, determina muitas das características do capacitor.

O dielétrico do capacitor governa o nível de capacitância alcançável em um determinado volume, a estabilidade da temperatura, seja ele polarizado ou não. Essas e muitas outras características são todas uma função do material dielétrico usado – muitas propriedades sendo governadas pela própria constante dielétrica.

Permissividade do Capacitor e Constante Dielétrica

Os termos permissividade e constante dielétrica são essencialmente os mesmos para a maioria dos propósitos, embora haja casos em que os diferentes termos tenham significados muito específicos.

É essa propriedade de um material dielétrico que determina quanta energia eletrostática pode ser armazenada por unidade de volume quando a tensão unitária é aplicada e, como resultado, é de grande importância para cálculos de capacitores e capacitância e similares.

Nos capacitores, as duas placas são mantidas separadas por um isolante – este é o material dielétrico que governa muitas das propriedades do capacitor.

Os primeiros capacitores tendiam a ser placas de metal que eram mantidas separadas pela construção mecânica de todo o conjunto.

Capacitores mais modernos têm um material dielétrico isolante colocado entre as placas. Isso oferece duas vantagens principais:

• Separa placas: Como os capacitores ficam menores e precisam ser mais robustos, é necessário colocar um material isolante entre as placas para garantir que fiquem separadas. Com os capacitores se tornando muito pequenos e também sendo necessária uma separação muito próxima entre as placas para se ter o nível de capacitância necessário, torna-se essencial colocar o dielétrico isolante entre elas.
• Aumenta o nível de capacitância: Ao selecionar o dielétrico correto, o nível de capacitância pode ser aumentado consideravelmente quando comparado ao ar. e é possível atingir níveis muito altos de capacitância em um volume pequeno.

O diagrama mostra como é construído um capacitor muito básico com um dielétrico entre as placas. Como a maioria das linhas elétricas passam praticamente paralelas entre as duas placas, ter o dielétrico apenas entre as placas é perfeitamente permissível.

Para capacitores reais, eles consistem em várias placas entre si para permitir que o nível suficiente de capacitância seja alcançado, cada um com uma camada de material isolante dielétrico entre eles.

Outras Áreas Onde a Constante Dielétrica é Importante

A constante dielétrica e a permissividade afetam outros aspectos da tecnologia elétrica e eletrônica. A permissividade relativa e a constante dielétrica não são apenas importantes quando se trata de capacitores, também existem outras áreas.

• Linhas de transmissão de RF: Dentro de coaxiais e outras formas de alimentador, o dielétrico colocado entre os condutores interno e externo para cabo coaxial, entre os dois fios para alimentador aberto e entre o condutor e o plano de aterramento, etc. características em termos de impedância característica e fator de velocidade, etc.
• Propagação de rádio: Mudanças na permissividade relativa da atmosfera podem ter um grande impacto na transmissão de sinais de rádio, especialmente em frequências acima de 30 MHz e mais. Mesmo pequenas mudanças na permissividade relativa podem fazer com que os caminhos do sinal de rádio se curvem, muitas vezes de volta para a Terra, fazendo com que sejam detectados em distâncias maiores.

Esses exemplos e outros mostram que a permissividade relativa de um meio pode ter um impacto em muitos aspectos da eletrônica, rádio e outros elementos da tecnologia e da ciência.

Permissividade e Definições de Constante Dielétrica

As definições de alguns termos específicos relacionados à constante dielétrica e permissividade são dadas abaixo:

• Permissividade absoluta: A permissividade absoluta é definida como a medida da permissividade no vácuo e é quanta resistência é encontrada ao formar um campo elétrico no vácuo. A permissividade absoluta é normalmente simbolizada por ε ₀ . A permissividade do espaço livre – um vácuo – é igual a aproximadamente 8,85 x 10 ^-12 Farads / metro (F/m)
• Permissividade relativa: A permissividade relativa é definida como a permissividade de um determinado material em relação à permissividade de um vácuo. É normalmente simbolizado por: ε _r .
• Permissividade estática: A permissividade estática de um material é definida como sua permissividade quando exposto a um campo elétrico estático. Muitas vezes, um limite de baixa frequência é colocado no material para esta medição. Uma permissividade estática é frequentemente necessária porque a resposta de um material é uma relação complexa relacionada à frequência da tensão aplicada.
• Constante dielétrica: A constante dielétrica é definida como a permissividade relativa para uma substância ou material.

Embora esses termos possam parecer relacionados, muitas vezes é importante usar os termos corretos no local necessário.

Em geral, a permissividade usa a letra grega épsilon como seu símbolo: ε.

Permissividade Relativa (Constante Dielétrica)

Usando o fato de que a permissividade ε de um meio governa a carga que pode ser mantida por um meio, pode-se ver que a fórmula para determiná-la é:

Onde:
ε = permissividade da substância em Farads por metro
D = densidade de fluxo elétrico
E = intensidade do campo elétrico

Pode ser visto a partir das definições de permissividade que as constantes estão relacionadas de acordo com a seguinte equação:

Onde:
ε _r = permissividade relativa
ε _s = permissividade da substância em Farads por metro
ε ₀ = permissividade de um vácuo em Farads por metro

Escolha do Dielétrico do Capacitor

Os capacitores usam uma variedade de substâncias diferentes como seu material dielétrico. O material é escolhido pelas propriedades que oferece. Uma das principais razões para a escolha de um determinado material dielétrico é sua constante dielétrica. Aqueles com uma alta constante dielétrica permitem que altos valores de capacitância sejam alcançados – cada um com uma permissividade ou constante dielétrica diferente. Isso altera a quantidade de capacitância que o capacitor terá para uma determinada área e espaçamento.

O dielétrico também precisará ser escolhido para atender a requisitos como resistência de isolamento – deve ser capaz de suportar as tensões colocadas nele com os níveis de espessura usados. Também deve ser suficientemente estável com variações de temperatura, umidade e tensão, etc.

As escolhas populares para capacitores são dadas pelos nomes: capacitores eletrolíticos de alumínio, capacitores cerâmicos, capacitores de mica prateada e capacitores de tântalo são tipos comumente usados.

Permissividade Relativa de Substâncias Comuns

A tabela abaixo fornece a permissividade relativa de várias substâncias comuns.

PERMISSIVIDADE RELATIVA DE SUBSTÂNCIAS COMUNS
SUBSTÂNCIA	PERMISSIVIDADE RELATIVA Ε R
Óxido de alumínio	8.6
Titanato de Bário (Classe 1)	5 – 450
Titanato de Bário (Classe 2)	200 – 12000
titanato de cálcio	150
Ebonite	2,7 – 2,9
Material PCB FR4	4,8 normalmente
Vidro	5 – 10
Mármore	8.3
Mica	5,6 – 8,0
Papel	3,85
cera de parafina	2 – 2,4
Polietileno	2,25
Poliimida	2,25
Polipropileno	2,2 – 2,36
Porcelanato (cerâmica)	4,5 – 6,7
PTFE (Teflon)	2.1
Borracha	2,0 – 2,3
Silício	11,68
Dióxido de silício	3.9
Titanato de estrôncio	200
Ar 0°C	1.000594
Ar 20°C	1.000528
Monóxido de carbono 25°C	1.000634
Dióxido de carbono 25°C	1.000904
Hidrogênio 0°C	1.000265
Hélio 25°C	1.000067
Nitrogênio 25°C	1.000538
Dióxido de enxofre 22°C	1,00818

Os valores dados acima são o que pode ser chamado de valores “estáticos” de permissividade. Eles são verdadeiros para o estado estacionário ou baixas frequências. Verifica-se que a permissividade de um material geralmente diminui com o aumento da frequência. Também cai com o aumento da temperatura. Esses fatores são normalmente levados em consideração ao projetar um capacitor para aplicações eletrônicas.

Quando o projeto de um capacitor é realizado, as características do dielétrico formam uma das principais decisões sobre o capacitor.

Alguns materiais têm uma constante dielétrica muito estável e podem ser usados ​​em capacitores de alta estabilidade, enquanto outros materiais dielétricos permitem alcançar níveis muito altos de capacitância volumétrica, ou seja, altos níveis de capacitância em um pequeno volume. Normalmente, há um equilíbrio, pois nenhum dielétrico único possui características ideais para tudo.

Embora os capacitores cerâmicos sejam muito populares, existem muitas cerâmicas diferentes que podem ser usadas. Isso dá origem a capacitores cerâmicos sendo denotados pelos vários nomes para os níveis de desempenho cerâmicos: C0G, Y5V, X7R, NP0, etc.

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