Seis técnicas para medir propriedades dielétricas

Se você pensa em propriedades dielétricas, provavelmente está no contexto de experimentos de física escolar sobre armazenamento de carga, ou talvez a maneira pela qual a escolha de materiais dielétricos influencia as características de um capacitor com o qual você está trabalhando. Acontece, porém, que as propriedades dielétricas dos materiais são importantes para todos os tipos de indústrias por diferentes razões. Medir essas propriedades com precisão, portanto, é importante em muitos contextos. Este artigo analisa algumas técnicas importantes para medir propriedades dielétricas e algumas das áreas de aplicação de cada uma delas.

Técnicas de mediçãoExistem várias técnicas para medir propriedades dielétricas, usando uma combinação de instrumentos precisos, dispositivos de teste para manter o material sob teste (MUT) e software que torna mais fácil medir fatores complexos de permissividade e permeabilidade e exibir os resultados.

A Keysight Technologies, por exemplo, possui instrumentos como analisadores de rede, analisadores de impedância e medidores LCR que podem fornecer resultados precisos em frequências aplicadas de até 1,5 THz. Ele também oferece acessórios que aplicam sonda coaxial, placa paralela, linhas de transmissão coaxial/guia de onda, espaço livre e técnicas de medição de cavidade ressonante mostradas na Figura 1.

Como cada um deles funciona e quais são suas vantagens e limitações?

Método de sonda coaxial O método de sonda coaxial é melhor para materiais líquidos e semi-sólidos (pó). É simples, conveniente, não destrutivo e envolve apenas uma única medição. Um sistema de medição típico consiste em um analisador de rede ou analisador de impedância, uma sonda coaxial e software.

A escolha da sonda e do analisador depende da frequência de medição, mas a faixa geral é de 10MHz a 50GHz. Existem sondas de alta temperatura que suportam –40 a 200° C, e podem ser feitas com um flange grande para que possam medir materiais sólidos de superfície plana, bem como líquidos e semi-sólidos. Sondas finas são úteis para medição em tanques de fermentação, câmaras de reação química e outros equipamentos com pequenas aberturas, enquanto sondas de alto desempenho combinam muitas dessas características em um dispositivo que pode ser esterilizado em autoclave – útil para as indústrias alimentícia, médica e química indústrias.

Método da linha de transmissão O método da linha de transmissão é uma técnica de banda larga para sólidos usináveis, que coloca o MUT dentro de uma linha de transmissão fechada. A cobertura de frequência é limitada principalmente pelo tamanho do porta-amostra.

Método de espaço livre Abordagens de espaço livre usam antenas para focar a energia de micro-ondas em ou através de uma placa de material. Este método sem contato pode ser aplicado a materiais em altas temperaturas e é especialmente útil em frequências de ondas milimétricas.

Método da cavidade ressonante Cavidades ressonantes são estruturas de alto Q que ressoam em certas frequências. Uma amostra do material afeta a frequência central e o fator Q da cavidade, o que, por sua vez, permite que sua permissividade seja calculada. Por exemplo, a Keysight oferece o ressonador de cilindro bipartido 85072A de 10 GHz para essa finalidade, bem como ressonadores dielétricos de coluna dividida.

Método do capacitor de placas paralelas O método do capacitor de placas paralelas envolve a colocação de uma folha fina de material entre dois eletrodos para formar um capacitor. O método funciona melhor para medições precisas e de baixa frequência de folhas finas ou líquidos.

Um sistema de medição típico usando o método de placas paralelas consiste em um medidor LCR ou analisador de impedância.

Método de medição de indutância Esta abordagem deriva a permeabilidade de um material medindo sua indutância como se fosse um núcleo toroidal. O fio é enrolado em torno do MUT e sua indutância é avaliada em relação às extremidades do fio. A Keysight oferece o acessório de teste de material magnético 16454A, que forma uma estrutura ideal para indutores de volta única, pois não vaza fluxo quando um núcleo toroidal é colocado nele.