Dielétricos: Uma Visão Atômica

Se a barra penetrasse livremente no espaço entre as placas e não

houvesse atrito, passaria a oscilar de um lado para outro com uma

energia mecânica (constante) de 893 pJ; essa energia seria convertida

alternadamente de energia cinética do movimento da placa em energia

potencial armazenada no campo elétrico.

Figura 25-14 (a) Moléculas com um momento dipolar permanente, orientadas aleatoriamente na ausência de um campo elétrico externo. (b) Quando um campo elétrico é aplicado, os dipolos elétricos se alinham parcialmente. O alinhamento não é completo por causa da agitação térmica.

Dielétricos: Uma Visão Atômica

O que acontece, em termos atômicos e moleculares, quando submetemos um dielétrico a um campo elétrico? Existem duas possibilidades, dependendo do tipo de molécula.

1. Dielétricos polares. As moléculas de alguns dielétricos, como a

água, por exemplo, possuem um momento dipolar elétrico permanente.

Nesses materiais (conhecidos como dielétricos polares), os dipolos

elétricos tendem a se alinhar com um campo elétrico externo, como

mostra a Fig. 25-14. Como as moléculas estão constantemente se

chocando umas com as outras devido à agitação térmica, o

alinhamento não é perfeito, mas tende a aumentar quando o campo

elétrico aumenta (ou quando a temperatura diminui, já que, nesse caso,

a agitação térmica é menor). O alinhamento dos dipolos elétricos

produz um campo elétrico no sentido oposto ao do campo elétrico

aplicado e com um módulo, em geral, bem menor que o do campo

aplicado.

2. Dielétricos apolares. Mesmo que não possuam um momento dipolar

elétrico permanente, as moléculas adquirem um momento dipolar por

indução quando são submetidas a um campo elétrico externo. Como

foi discutido no Módulo 24-4 (veja a Fig. 24-14), isso acontece porque

o campo externo tende a “alongar” as moléculas, deslocando

ligeiramente o centro das cargas negativas em relação ao centro das

cargas positivas.

A Fig. 25-15a mostra uma barra feita de um dielétrico apolar na

ausência de um campo elétrico externo. Na Fig. 25-15b, um campo elétrico

0 é aplicado por meio de um capacitor, cujas placas estão carregadas da

forma mostrada na figura. O resultado é uma ligeira separação dos centros das cargas positivas e negativas no interior da barra de dielétrico, que faz com que uma das superfícies da barra fique positiva (por causa das extremidades positivas dos dipolos nessa parte da barra) e a superfície oposta fique negativa (por causa das extremidades negativas dos dipolos). A barra como um todo permanece eletricamente neutra e no interior da barra não existe excesso de cargas positivas ou negativas em nenhum elemento de volume.

Figura 25-15 (a) Dielétrico apolar. Os círculos representam os átomos eletricamente neutros do material. (b) As placas carregadas de um capacitor produzem um campo elétrico; o campo separa ligeiramente as cargas positivas das cargas negativas do material. (c) A separação produz cargas nas superfícies do material; as cargas criam um campo que se opõe ao campo aplicado . O campo resultante no interior do material (a soma vetorial de e ) tem a mesma direção que e um módulo menor.

A Fig. 25-15c mostra que as cargas induzidas nas superfícies do dielétrico produzem um campo elétrico no sentido oposto ao do campo elétrico aplicado . O campo resultante, , no interior do dielétrico (que é a soma vetorial dos campos e ) tem a mesma direção que , mas é menor em módulo.