Dieléctrico

Material eléctrico polarizado.

Se denomina dieléctrico al material mal conductor de electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante eléctrico, y además si es sometido a un campo eléctrico externo, puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes con los que suelen confundirse. Todos los materiales dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos.1

Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. En cuanto a los gases se utilizan como dieléctricos sobre todo el aire, elnitrógeno y el hexafluoruro de azufre.

El término “dieléctrico” (del griego dia, que significa ‘a través de’) fue concebido por William Whewell en respuesta a una petición deMichael Faraday.2

Aplicaciones[editar]

Los dieléctricos más utilizados son el aire, el papel y la goma. La introducción de un dieléctrico en un condensador aislado de una batería, tiene las siguientes consecuencias:

Disminuye el campo eléctrico entre las placas del condensador.

Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del condensador, en una relación

Vi/k.

Aumenta la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin

que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica).

Aumento por tanto de la capacidad eléctrica del condensador en k veces.

La carga no se ve afectada, ya que permanece la misma que ha sido cargada cuando el

condensador estuvo sometido a un voltaje.

Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dieléctrico. Esta tensión máxima se denomina rigidez dieléctrica. Es decir, si aumentamos mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico convertiremos dicho material en un conductor.

Tenemos que la capacitancia con un dieléctrico llenando todo el interior del

condensador(plano-paralelo) está dado por:   (donde   es la permitividad eléctrica del vacío).

Constante dieléctricaLa constante dieléctrica o permitividad relativa   de un medio continuo es una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica del medio. En comparación con la velocidad de la luz, la rapidez de las ondas electromagnéticas en un dieléctrico es:

donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v es la velocidad de la onda electromagnética en el medio con permitividad relativa  .

La constante dieléctrica es una medida de la permitividad estática relativa de un material, que se define como la permitividad absoluta dividida por la constante dieléctrica.

El nombre proviene de los materiales dieléctricos, que son materiales aislantes, no conductores por debajo de una cierta tensión eléctrica llamada tensión de ruptura. El efecto de la constante dieléctrica se manifiesta en la capacidad total de un condensador eléctrico. Cuando entre los conductores cargados o placas que lo forman se inserta un material dieléctrico diferente del aire (cuya permitividad es prácticamente la del vacío), la capacidad de almacenamiento de la carga del condensador aumenta. De hecho, la relación entre la capacidad inicial Ci y la final Cf vienen dada por la constante dieléctrica:

Donde ε es la permitividad eléctrica del dieléctrico que se inserta.

Además el valor de la constante dieléctrica   de un material define el grado de polarización eléctrica de la substancia cuando ésta se somete a un campo eléctrico exterior. El valor de K es afectado por muchos factores, como el peso molecular, la forma de la molécula, la dirección de sus enlaces (geometría de la molécula) o el tipo de interacciones que presente.

Cuando un material dieléctrico remplaza el vacío entre los conductores, puede presentarse la polarización en el dieléctrico, permitiendo que se almacenen cargas adicionales.

La magnitud de la carga que se puede almacenar entre los conductores se conoce como capacidad eléctrica, y ésta depende de la constante dieléctrica del material existente entre los conductores, el tamaño, así como de la forma y la separación de los mismos.

Medición de la constante dieléctrica de los materiales[editar]

La constante dieléctrica puede ser medida de la siguiente manera, primero medimos

la capacidad de un condensador de prueba en el vacío   (o en aire si aceptamos un pequeño error), y luego, usando el mismo condensador y la misma distancia entre sus placas,

se mide la capacidad con el dieléctrico insertado entre ellas  .

La constante dieléctrica puede ser calculada como:

Factores de disipación y pérdidas dieléctricas[editar]

Cuando aplicamos una corriente alterna a un dieléctrico perfecto, la corriente adelantará al voltaje en 90°, sin embargo debido a las pérdidas, la corriente adelanta el voltaje en solo 90°-δ, siendo δ el ángulo de pérdida dieléctrica. Cuando la corriente y el voltaje están fuera de fase en el ángulo de pérdida dieléctrica se pierde energía o potencia eléctrica generalmente en forma de calor.

El factor de disipación está dado por FD=Tan δ y el factor de pérdida dieléctrica es FP=K Tan δ.

Constante dieléctrica para diferentes materiales[editar]

Material Dieléctrico K

Vacío 1,0

Aire 1,00054

Teflón 2,1

Polietileno(CH2CH2)n 2,25

C6H6 2,28

PET ((C10H8O4)n) 3,1

Material Dieléctrico K

SiO2 3,9

Papel 4 - 6

Al2O3 5,9

TiO3 100

BaTiO3 1001

PMN 10000

Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3

A mayor valor de la constante dieléctrica relativa (K') mejor nivel de conductividad eléctrica.

Aislamiento eléctricoPara otros usos de este término, véase Aislamiento.

El aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalación eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir, un material que resiste el paso de la corriente a través del elemento que alberga y lo mantiene en su desplazamiento a lo largo del semiconductor. Dicho material se denomina aislante eléctrico.

Cinta aislante eléctrica.

La diferencia de los distintos materiales es que los aislantes son materiales que presentan gran resistencia a que las cargas que lo forman se desplacen y los conductores tienen cargas libres y que pueden moverse con facilidad.

De acuerdo con la teoría moderna de la materia (comprobada por resultados experimentales), los átomos de la materia están constituidos por un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual giran a gran velocidad cargas eléctricas negativas. Estas cargas negativas, los electrones, son indivisibles e idénticas para toda la materia.

En los elementos llamados conductores, algunos de estos electrones pueden pasar libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial (o tensión eléctrica) entre los extremos del conductor.

A este movimiento de electrones es a lo que se llama corriente eléctrica. Algunos materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres que pueden moverse a través del material. Estos materiales tienen la facilidad de transmitir carga de un objeto a otro, estos son los antes mencionados conductores.

Los mejores conductores son los elementos metálicos, especialmente el oro, plata (es el más conductor),1 el cobre, el aluminio, etc.

Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector).

Índice

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1 Ley de Ohm

2 El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas

3 Véase también

4 Referencias

5 Enlaces externos

Ley de Ohm[editar]

Ley de Ohm: V = I x R

El voltaje hace que la electricidad fluya a lo largo de los alambres de cobre, mientras que el aislamiento que cubre dichos alambres ejercen una resistencia al paso de corriente, que es mucho menor a lo largo del alambre.

Al aplicar la Ley de Ohm al alambre, tendremos que a menor resistencia del alambre, se tendrá más corriente con el mismo voltaje. Es importante tener presente que ningún aislamiento es perfecto (su resistencia no es infinita), de modo que cierta cantidad de electricidad fluye a lo largo del aislamiento a través de la tierra. Esta corriente puede ser de millonésimas de amperios, pero se debe medir con un buen instrumento de prueba de aislamiento, como el megóhmetro, popularmente conocido como «Megger».

En resumen, un buen aislamiento es el que no se deteriora al aumentar el voltaje y por ende, la corriente, obteniéndose una resistencia alta, la cual se debe mantener en el tiempo. Esto se visualiza al realizar mediciones periódicas y estudiando la tendencia que provoca que un aislamiento se deteriore.

Existen diferentes tipos de solicitaciones:

Sobretensiones en régimen permanente, o sobretensiones permanentes o en sus

proximidades). Se caracterizan por un frente escarpado de duración comprendida

entremicrosegundos y milisegundos:

Frente lento: Frente de 20 microsegundos a 500 microsegundos, cola de hasta 20

milisegundos.

Frente rápido: Frente de 0`1 microsegundos a 20 microsegundos, cola de hasta 300

microsegundos.

Frente muy rápido: Frente menor(que haya contacto eléctrico) Los materiales utilizados

más frecuentemente son los plásticos y las cerámicas.

El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción, que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material (para más detalles ver semiconductor).

Un material aislante de la electricidad tiene una resistencia teóricamente infinita. Algunos materiales, como el aire o el agua son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, aislante a temperatura ambiente y bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.

Materiales conductores: metales, hierro, mercurio, oro, plata, cobre, platino, plomo, etc.

Materiales aislantes: plástico, madera, cerámicas, goma.

El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas[editar]

El «aislante» perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre. Estos materiales conductores tienen un gran número de electrones libres (electrones no estrechamente ligados a los núcleos) que pueden transportar la corriente; los buenos aislantes apenas poseen estos electrones. Algunos materiales, como el silicio o el germanio,

que tienen un número limitado de electrones libres, se comportan como semiconductores, y son la materia básica de los transistores