O que é permissividade elétrica?

Atendendo a pedidos, vou explicar o que é permissividade elétrica. Muitos da área conhecem como uma constante, mas existe muito mais por trás.

Definições

É uma grandeza que determina a capacidade de uma substância para resistir ao campo elétrico de uma carga induzida. Representada pela letra grega epsilon $\varepsilon$ e é medida em farads/metro (F/m). Esta é a equação da constante dielétrica $\kappa$ ou $\varepsilon _{r}$, também chamada de permissividade relativa.

$\kappa=\varepsilon _{r}=\frac{\varepsilon }{\varepsilon _{o}}$

• $\varepsilon_{o}$ é permissividade elétrica do vácuo, que vale $8,854\cdot 10^{-12}F/m$;

Na presença de um campo elétrico, as moléculas do material formam dipolos elétricos dentro de sua estrutura e se orientam com o campo elétrico.

Dependendo do material, o campo elétrico pode modificar a estrutura molecular do dielétrico.

Esta é a equação da densidade de fluxo elétrico $\vec{D}$ em Coulomb por metro quadrado $[C/m^2]$.

$\vec{D}=\varepsilon \vec{E}$

• $\vec{E}$ é o campo elétrico em V/m.

$\chi _{e}=\varepsilon _{r}-1$

Esta é a tabela da constante dielétrica de alguns materiais.

A constante de outros materiais podem ser encontrados neste link em inglês.

Polarização

Outra forma de calcular a densidade de fluxo $\vec{D}$:

$\vec{D}=\varepsilon _{o}\vec{E}+\vec{P}$

$\vec{P}$ é o vetor de polarizacao em $C/m^2$. Polarização é a mudança de distribuição de carga em um dielétrico (isolante) devido ao campo elétrico. Pode ser calculado desta forma:

$\vec{P}=\chi _{e}\varepsilon _{o}\vec{E}$

Permissividade complexa

Com corrente alternada ou onda eletromagnética, a polarização não muda instantaneamente na presença de uma carga elétrica, produzindo uma diferença de fase. Por isso, a constante dielétrica tem partes real e imaginária.

$\varepsilon =\varepsilon _{o}\varepsilon _{r}=\varepsilon _{o}(\varepsilon '-j\varepsilon '')$

A parte real $\varepsilon '$ representa a quantidade de energia armazenada do campo elétrico no material, além de mudar a relação entre os campos elétrico e magnético. Enquanto a parte imaginária $\varepsilon ''$ representa as perdas do material para um campo externo. A permissividade relativa forma um ângulo com sua parte real, a tangente deste ângulo é chamada de tangente de perda.

$tan(\delta) =D=\frac{1}{Q}=\frac{\varepsilon'' }{\varepsilon '}$

• $D$ é o fator de dissipação.
• $Q$ é fator de qualidade.

Esta é a tabela da tangente de perda de alguns materiais.

Tangente de perda de outros materiais podem ser encontrados neste link em inglês.

Mudando a permissividade elétrica

A constante dielétrica pode mudar com a frequência, temperatura e outras propriedades físicas dos materiais. As ligações químicas no material determinam como a permissividade elétrica relativa vai mudar com a frequência. Muitos materiais têm a permissividade relativa estável até a frequência dos microondas ou megahertz. Nas regiões de transição de polarização, a parte real (Dk) cai de nível com o aumento da frequência e a perda de tangente (Df) aumenta.