Um dielétrico é um isolante que separa as duas placas ou folhas do condutor no capacitor. Isolantes são materiais que não conduzem corrente elétrica, como por exemplo, plástico, vidro, papel ou madeira. A função do dielétrico é aumentar a capacitância para que o capacitor possa armazenar mais carga elétrica e energia potencial elétrica.
Um capacitor pode funcionar se as duas placas condutoras não se tocarem, de modo que a carga elétrica não se mova de um condutor para o outro. Da mesma forma, para que a carga elétrica não se mova do condutor para o ar, o espaço entre os dois condutores deve ser um vácuo. No tópico sobre capacitores de placas paralelas, discutimos a capacitância de capacitores de placas paralelas separados por vácuo. A capacitância do capacitor no vácuo tem limitações, portanto, para aumentá-la, coloca-se um dielétrico entre as duas placas.
O dielétrico aumenta a capacitância porque o potencial elétrico entre as duas placas condutoras diminui.
Por que a capacitância do capacitor aumenta após a colocação do dielétrico entre as duas placas ou folhas? Para descobrir a resposta a essa pergunta, primeiro, lembre-se da lição sobre carga elétrica. Cargas elétricas iguais se repelem, enquanto cargas elétricas opostas se atraem. Por exemplo, uma carga positiva atrai uma carga negativa, mas repele uma carga positiva. Então, por que plásticos carregados negativamente podem atrair pequenos pedaços de papel que não estão carregados eletricamente? Isso acontece porque o pedaço de papel sofre polarização de carga.
Em materiais isolantes, como o papel, os elétrons não se movem livremente como os elétrons em materiais condutores. Assim, quando o plástico, carregado negativamente, é aproximado do papel, os elétrons ligados aos átomos são repelidos do plástico. Isso cria uma polarização entre as cargas negativas e positivas do papel. A carga negativa do papel fica mais distante do plástico, enquanto a carga positiva do papel fica mais próxima. Então, a carga negativa do plástico atrai a carga positiva do papel, fazendo com que este se aproxime do plástico.
O processo de polarização de carga que ocorre em pedaços de papel é semelhante à polarização de carga que ocorre em um dielétrico. Como mostrado na figura à esquerda, por exemplo, inicialmente havia apenas dois condutores eletricamente carregados. A placa da esquerda está carregada positivamente, enquanto a placa da direita está carregada negativamente, de modo que a direção do campo elétrico é da esquerda para a direita.
Após a colocação do dielétrico entre as duas placas condutoras, a carga positiva na placa da esquerda atrai os elétrons da superfície dielétrica próxima. Da mesma forma, a carga negativa na placa da direita repele os elétrons da superfície dielétrica próxima. Os elétrons no dielétrico, que é um isolante, não têm liberdade de movimento como os elétrons em um condutor. Portanto, os elétrons permanecem ligados aos átomos, mas há uma polarização entre os elétrons com carga negativa e os prótons com carga positiva, conforme ilustrado na figura.
A presença de uma carga positiva no lado direito dos átomos do dielétrico e uma carga negativa no lado esquerdo gera um campo elétrico. Este campo elétrico flui da direita para a esquerda, enfraquecendo o campo elétrico gerado pela carga elétrica na placa condutora, que flui da esquerda para a direita. Portanto, o campo elétrico diminui não porque a carga elétrica nas duas placas/folhas do condutor diminua, mas sim porque o campo elétrico surge no dielétrico na direção oposta. Se o dielétrico for liberado, a intensidade do campo elétrico gerado pela carga elétrica nas duas placas ou folhas do condutor retorna ao normal.
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A intensidade do campo elétrico gerado pela carga elétrica em ambas as placas condutoras é reduzida, assim como o potencial elétrico entre as duas placas. Isso ocorre porque o campo elétrico é diretamente proporcional ao potencial elétrico, conforme a equação E = V / d, onde E = campo elétrico, V = potencial elétrico e d = distância entre as duas placas. Se antes da passagem pelo dielétrico o potencial elétrico é Vo, após a passagem pelo dielétrico, o potencial elétrico é reduzido para V por um fator K.
Matematicamente, Vo = KV ou V = Vo / K ou K = Vo / V, onde K = constante dielétrica. Vo > V, portanto K > 1.
Observe que a quantidade de carga elétrica em ambas as placas ou folhas condutoras não se altera, de modo que a quantidade de carga final é igual à quantidade de carga inicial (Q = Qo). A variação da capacitância do capacitor é calculada da seguinte forma:
C = capacitância final, Co = capacitância inicial, Q = carga final, Qo = carga inicial, V = potencial final, Vo = potencial inicial, K = constante dielétrica
Com base na equação acima, conclui-se que a capacitância inicial (Co) é menor enquanto a capacitância final (C) é maior. A capacitância aumenta por um fator de K, onde K é a constante dielétrica. O valor da constante dielétrica de cada material isolante varia. A constante dielétrica (K) resulta da razão entre a capacitância do capacitor com o uso de um dielétrico e a capacitância do capacitor sem o uso de um dielétrico.
A capacitância dielétrica aumenta porque a distância entre as duas placas condutoras diminui.
Outra função dielétrica é reduzir a distância (d) entre as duas placas condutoras. Isso faz com que o campo elétrico (E) e a tensão elétrica (V) entre as duas placas ou folhas condutoras aumentem, conforme a equação E = V / d. Se o campo elétrico e a tensão elétrica entre as duas placas ou folhas aumentam, então a capacitância do capacitor aumenta.
Se os capacitores em questão estiverem em paralelo, a capacitância é calculada usando a seguinte fórmula:
Com base nas duas fórmulas acima, pode-se concluir que a capacitância (C) dos capacitores de placas paralelas pode ser aumentada reduzindo-se a distância entre as duas placas ou folhas condutoras (d).
A capacitância dielétrica aumenta porque a capacitância do capacitor aumenta.
O dielétrico é feito de material isolante que, se submetido a um campo elétrico intenso, será danificado. O dano dielétrico ocorre quando o campo elétrico é tão forte que consegue arrancar elétrons do átomo, que então colidem com elétrons em outros átomos, causando um fluxo de elétrons no dielétrico. Em outras palavras, o dano dielétrico faz com que o dielétrico, que é um isolante elétrico, se transforme em um condutor elétrico.
Para evitar danos, todo dielétrico feito de um determinado material isolante possui um valor máximo de campo elétrico que pode suportar, chamado rigidez dielétrica. A rigidez dielétrica do material isolante é maior que a rigidez dielétrica do ar, e cada material isolante possui uma rigidez dielétrica diferente, alguns com rigidez dielétrica baixa e outros com rigidez dielétrica alta. Portanto, se um dielétrico com alta rigidez dielétrica for utilizado, o campo elétrico que ele pode suportar será maior, assim como a tensão que ele pode suportar. Quanto maior o campo elétrico e a tensão elétrica gerados pelas duas placas ou folhas do condutor, maior será a quantidade de carga elétrica que pode ser acomodada pela placa condutora. Quanto mais carga houver dentro da placa condutora, maior será a capacitância do capacitor.
