Com base nas referências bibliográficas básicas da disciplina*, elabore um texto de aproximadamente uma página abordando o tema dielétricos. Seu texto deve conter:
A explicação do processo de ‘polarização’ em um dielétrico inicialmente neutro introduzido entre as placas metálicas de um capacitor e a relação existente entre a densidade superficial de carga nas placas do capacitor e a densidade superficial de carga induzida nas superfícies do dielétrico.
A explicação do processo de ‘polarização’ em um dielétrico inicialmente neutro introduzido entre as placas metálicas de um capacitor e a relação existente entre a densidade superficial de carga nas placas do capacitor e a densidade superficial de carga induzida nas superfícies do dielétrico.
Passo 1
Resumindo o enunciado: precisamos elaborar um texto informal, com o tom de um colega explicando, sobre dielétricos em capacitores. O texto deve explicar como um dielétrico inicialmente neutro se polariza quando inserido entre as placas metálicas de um capacitor e descrever a relação entre a densidade superficial de carga nas placas (
) e a densidade superficial de carga induzida nas superfícies do dielétrico (
).
Passo 2
Na primeira parte do texto, vamos definir o que é um dielétrico e como ele reage a um campo elétrico. Explicamos que um dielétrico é um material isolante cujas moléculas, mesmo sendo globalmente neutras, contêm cargas positivas e negativas que podem se deslocar minimamente sob a ação de um campo elétrico. Esse deslocamento cria pequenos dipolos alinhados ao campo aplicado.
Passo 3
Em seguida, detalhamos o processo de polarização: ao inserir o dielétrico em um capacitor carregado, o campo
entre as placas desloca ligeiramente as cargas nos átomos ou moléculas, gerando uma densidade de polarização
. Nas superfícies do dielétrico surgem cargas ligadas, com densidade superficial
onde
é o vetor normal à superfície. Essas cargas induzidas se posicionam de modo a reduzir o campo resultante no interior do dielétrico.
Passo 4
Por fim, relacionamos as densidades de carga: a densidade livre na placa do capacitor é
. A densidade ligada na face do dielétrico oposta à placa positiva é
, e na outra face muda de sinal. O campo elétrico efetivo dentro do dielétrico fica reduzido, o que aumenta a capacitância. Essa relação pode ser expressa por
Em particular, a cargas ligadas satisfazem
e compensam parte da carga livre
.
Resposta
Imagine que você tem um capacitor de placas paralelas carregado, com densidade de carga livre
em cada placa. Se você introduzir um bloco de material isolante — o dielétrico — entre essas placas, algo interessante acontece: embora o dielétrico seja neutro, suas moléculas contêm cargas positivas e negativas unidas. O campo elétrico
criado pelas placas puxa as cargas negativas para uma face e empurra as positivas para a face oposta, gerando dipolos que ficam alinhados ao campo. Esse efeito macroscópico chama-se polarização, descrita pela densidade de polarização
.
Nas superfícies do dielétrico aparecem então cargas “ligadas” ou induzidas, cuja densidade superficial é exatamente o componente de
na normal à superfície:
No lado voltado à placa positiva do capacitor, surgem cargas negativas ligadas, e no outro lado, cargas positivas ligadas. Essas cargas induzidas criam um campo que se opõe ao campo original das placas, reduzindo o campo resultante dentro do dielétrico.
A densidade de carga livre na placa continua sendo
, mas o campo dentro do dielétrico passa a obedecer à relação
onde o deslocamento elétrico
satisfaz a condição de contorno
Em resumo, ao inserir o dielétrico você não altera a carga livre
, mas gera
nas superfícies do material, diminuindo o campo interno e, por consequência, aumentando a capacitância do capacitor.