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 é
aplicado 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=qxd
p – momento de dipolo elétrico
Dipolo Elétrico - sistema formado de duas cargas elétricas de
valores absolutos iguais e de sinais opostos (+q e -q), separadas por
uma distância d.
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
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)
 cargas estranhas, que se situam nas interfaces
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. Vácuo
Aplicando 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, V
Q = 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/d
d – distância entre as placas
A – área das placas
o – permissividade do espaço livre (8,854x10-12
F/m)
2. Dielétrico no espaço entre as placas
A 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/d
C = K Co
K = C/ Co
K = d/o
d – permissividade relativa ao meio
Constante 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)
K
Substância
ar
1,0006
parafina
2,2
Poliestireno
2,5
Papel
3,5
Porcelana
6,5
Alumina
10,0
Zircônia
10,0
Titanato 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 tradicionais
Porcelana 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.
Cerâmicas ferroelétricas e piezoelétricas
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).
 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.
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)
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, é
coordenado 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 Ferroelétrico
Aplicação 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 + CO2
Produzem 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 RM
maior confiabilidade
baixo 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
armazenados, reduzidas dimensões e baixo consumo de energia.
serem
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, há
expansão 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