Dieléctricos

Introducción

Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que se pueden utilizar como aislantes eléctricos, debido a que sus cargas, denominadas cargas ligadas, no tienen tanta libertad de movimiento como en los conductores. Están compuestos por átomos y moléculas cuya distribución interna de cargas se modifica en presencia de un campo eléctrico, de manera que las cargas negativas se desplazan con respecto de las positivas dando lugar, a su vez, a la modificación del campo eléctrico. Los materiales dieléctricos o aislantes tienen la característica única de poder almacenar carga electrostática. Con mucha frecuencia los materiales dieléctricos se cargan por fricción. Algunos ejemplos de materiales dieléctricos son el vidrio, la cerámica, la goma, la baquelita, la ceda, el plástico, etc. Virtualmente casi todos los materiales plásticos modernos son buenos dieléctricos.

Algunos materiales dieléctricos se utilizan en la fabricación de condensadores, para que las cargas reaccionen.

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. Aumenta la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de

resistir. 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.

Antes de tratar de explicar las características de los dieléctricos se requiere considerar el dieléctrico en función de los conceptos de bandas de energía.

5.1 Permitividad

La permitividad (o impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vacío es 8,8541878176x10-12 F/m.

La permitividad está determinada por la tendencia de un material a polarizarse ante la aplicación de un campo eléctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Está directamente relacionada con la susceptibilidad eléctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga eléctrica se almacene con un campo eléctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.

Permitividades absoluta y relativa

La permitividad de un material se da normalmente en relación a la del vacío y la permitividad relativa, (también llamada constante dieléctrica en algunos casos). La permitividad absoluta de un dieléctrico Es el producto de la constante dieléctrica de un dieléctrico (εr) y la permitividad eléctrica del vacío (εo):

ε=εr·εo.

5.2 Bandas de Energías

Los materiales dieléctricos invariablemente son sustancias en que los electrones están localizados en el proceso de enlazar los átomos entre sí.

En consecuencia, tanto los enlaces covalentes como los iónicos o la mezcla de ambos, entre los átomos de capas cerradas hacen que los sólidos (o gases) exhiban propiedades dieléctricas (aislantes).

El diagrama de las bandas de energías para un dieléctrico es precisamente igual al de un cristal y un semiconductor con una banda de valencia y una banda de conducción separadas por un intervalo de energía. El intervalo es tan grande, que a temperaturas ordinarias la energía térmica no es suficiente para elevar los electrones desde la banda de valencia a la de conducción, que por tanto no contiene electrones. En consecuencia, no hay portadores libres de carga y la aplicación de un campo eléctrico no produce corriente a través de un del material.

En la practica siempre hay unos cuantos electrones libres en la banda de conducción que son enviados ahí por medio de la radiación errática de alta energía, y tendrán una vida relativamente larga antes de volver a la banda de valencia, ya que una ves que los electrones estén libres, la probabilidad de que vuelvan a ser recapturados por un enlace vacio es baja, debido a que hay muy pocos enlaces vacios. Sin embargo cuando el intervalo de energía es mayor que aproximadamente tres electrón-voltios el numero de tales electrones están pequeño que no pueden dar una corriente significativa. Cuando se aplica un potencial de varios de cientos de voltios en un buen aislante, la corriente es de orden muy pequeña.

En el fenómeno de carga electrostática mencionado en la introducción, la carga esta almacenada en la superficie del material donde persiste debido a que no hay portadores libres que la neutralicen, con lo que la propia carga se enlaza en la superficie. Se pueden postular distintos mecanismos por los que la carga puede estar enlazada en la superficie del material, aunque ninguno de ello se puede demostrar experimentalmente con facilidad.

5.3 Ley de coulomb

Los experimentos en cuerpos cargados eléctricamente dan las siguientes observaciones:

1.-Las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen entre si.

2.- La fuerza entre las cargas:

a) Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas;b) Depende del medio en que están sumergidas;c) Actúan a lo largo de la línea que une las cargas;d) Es proporcional al producto de las magnitudes de las carga.

Estos datos están resumidos en la ley de Coulomb. de las fuerzas que da la fuerza F con una carga q2 debida a una carga q1 de signo igual en la forma

F=q1q24 π ԑ r2

anewtons

En que q1 y q2 son las cargas en coulombs, r es la distancia entre ellas en metros y a ԑ se le llama permitividad del medio en que están sumergidas.

E vector a es un vector unitario que apuntas desde q2, fuera de q1 en la dirección de la línea que une las cargas, e indica el hecho que cuando las cargas tienen el mismo signo la fuerza es de repulsión. De la ecuación anterior puede deducirse las unidades de permitividad como sigue:

ԑ=(Coulombs)2

newtons (metros)2

Las propiedades dieléctricas de un material entran en la ley de Coulomb solamente por medio de esta permitividad, que también mide su habilidad para almacenar una carga.

Esto se deduce de la ley de la capacitancia de Coulomb, que establece que la capacidad de un cuerpo para almacenar carga está definida por la ecuación:

C=QV

La ecuación anterior da las dimensiones de C como:

Capacitancia=CoulombsVoltios

Y se llama Faradio o Farad a la unidad de capacitancia.

La capacitancia se define más convenientemente en función de un condensador o capacitor de placas paralelas. Si se tienen dos electrodos metálicos, cada uno de a metros cuadrados, separados por una distancia de d metros y paralelos entre sí, lleno con un material de permitividad ԑ, la capacitancia del sistema está dada por:

C= ԑad

Se puede demostrar que la energía potencial almacenada por un condensador está dada; Cuando tiene Q coulombs de carga almacenada¸ por:

E=12

Q2

C=12c v2 Jules

De aquí se ve que

Jules=Newtons Metro=(Coulombs)2

Faradios

5.4 Polarización

La propiedad más importante de los dieléctricos es la capacidad de polarizarse bajo la acción de un campo eléctrico exterior. Este fenómeno consiste en la variación de la posición en el espacio de las partículas eléctricamente cargadas, adquiriendo por tanto el dieléctrico un momento eléctrico. Cuando un material está sometido a la acción de un campo (E) tiene un momento bipolar por unidad de volumen.

P = εo(εr – 1)·E

P es la polarización del dieléctrico que se expresa también en carga por unidad de área [Coulomb/m2] y se llama vector polarización o momento dipolar por unidad de volumen. El término (εr – 1) = X se llama susceptibilidad eléctrica, εo es la constante dieléctrica absoluta del vacío

La palabra polarización se utiliza cualitativamente, refiriéndose a los desplazamientos relativos de cargas positivas y negativas, y cuantitativamente como una medida del momento dipolar por unidad de volumen en la sustancia polarizada.

La expresión del momento dipolar por unidad de volumen puede escribirse como:

D = εo.E + P

Los dieléctricos se clasifican en:

no polares, o de primera especie: Son moléculas no polares aquellas en las que, en ausencia de campo externo, coinciden los centros de gravedad de las cargas positivas y las cargas negativas.

polares o de segunda especie: Son moléculas polares aquellas en las que, en ausencia de campo externo, no coinciden los centros de gravedad de las cargas positivas y las cargas negativas, constituyendo dipolos (no orientados) aún sin la presencia de campos eléctricos externos.

Mecanismos de Polarización

Hay varios mecanismos de polarización de los dieléctricos:

Polarización óptica o electrónica, que consiste en un desplazamiento relativo de la nube de electrones con relación al núcleo atómico.

Polarización iónica o atómica, que consiste en un desplazamiento relativo de los átomos que constituyen la molécula.

Polarización por orientación, que consiste en una orientación de las moléculas polares bajo la acción del campo aplicado.

Polarización interfacial o por carga de espacio, que es debida a cargas que pueden migrar ciertas distancias dentro del material.

La polarización electrónica y la polarización iónica se engloban bajo el término de polarización por deformación.

Los tres tipos de polarización analizados, la polarización electrónica αe, la polarización iónica o atómica αa y la polarización por orientación αo, están planteados en substancias no conductoras perfectas. Sin embargo en la estructura de sólidos y líquidos no conductores, existen portadores de carga que pueden migrar ciertas distancias dentro del dieléctrico. Cuando estos portadores no pueden ser libremente descargados o reemplazados en los electrodos, o quedan atrapados en el material y se acumulan en los límites entre las fases de los dieléctricos multifacéticos, crean cargas de espacio y producen como consecuencia una microscópica distorsión del campo.

Esta distorsión aparece exteriormente como un aumento de la polarización, por lo que suele agregarse un cuarto mecanismo de polarización que se la llama por carga de espacio o interfacial caracterizada por la polarización por carga de espacio αs.

Los cuatro mecanismos de polarización mencionados son independientes uno del otro y la polarización total de un material dieléctrico puede escribirse como la suma de los cuatro términos:

α = αe + αa + αo + αs

El resultado neto de la polarización, es la producción de una capa de cargas positivas sobre una de las caras y una capa de cargas negativas sobre la otra cara. El fenómeno de la polarización puede visualizarse como una serie de dipolos orientados bajo la influencia del campo aplicado y formando contracargas en sus extremos opuestos.

COMPORTAMIENTO DIELECTRICO

CARACTERISTICAS:

Rigidez dieléctrica:

Es el máximo gradiente de potencial que un material dieléctrico puede soportar sin llegar a producirse una corriente disruptiva, es decir sin que exista ruptura de material.

Resistencia de aislación:

Es la resistencia eléctrica total que un dieléctrico pone al movimiento de electrones cuando el material esta dentro de un campo eléctrico, la que está formada por la resistencia volumétrica y superficial.

Factor de Pérdidas de Dieléctrica:

El factor de perdidas es conocido como tgδ y permita determinar las pérdidas de potencia en un dieléctrico, además es función de la frecuencia y la naturaleza del dieléctrico, siendo independiente de su forma y capacidad.

Clasificación:

Por su composición Química:

Orgánicos e Inorgánicos.

Por su forma de obtención:

Naturales y Sintéticos.

Por su estructura molecular:

Polares y No Polares.

Por el estado Físico en el que se encuentran

Sólido, Líquido, Gaseo

Dieléctricos. Momento dipolar

En los materiales dieléctricos o aislantes no existen electrones libres que se puedan desplazar por ellos; todos se encuentran ligados a sus átomos. Por eso, cuando se aplica un campo externo a un dieléctrico su comportamiento es muy distinto al de los conductores. Las moléculas de los dieléctricos pueden ser de dos tipos: polares o no polares.

Dieléctricos polares

En estas moléculas las cargas eléctricas positivas y negativas no tienen la misma distribución espacial y sus centros geométricos no coinciden, incluso en ausencia de campo externo. Un ejemplo es la molécula de agua, en la que los dos átomos de hidrógeno se enla zan al oxígeno formando un ángulo de 104,5º con la carga negativa desplazada hacia el oxígeno.

Las cargas + y - separadas forman lo que se denomina un dipolo eléctrico. Su propiedad más interesante consiste en la capacidad de orientarse en la dirección de un campo externo E0.

En efecto, el campo ejerce dos fuerzas opuestas sobre los centros de carga + y -, dando lugar a un momento que hace girar la molécula hasta orientarla en dirección al campo. El par de fuerzas es más intenso cuanto mayor es la carga y la distancia entre ellas:

τ⃗= d⃗×F⃗=d⃗×q E⃗

Se define el momento dipolar p de dos cargas opuestas +q y -q separadas una distancia d como el vector orientado de -q a +q cuyo módulo vale qd.

p⃗=|q|d⃗=q ( r⃗+− r⃗−)

El par de fuerzas sobre el dipolo se puede expresar entonces en función del momento dipolar:

τ⃗= d⃗×q E⃗=q d⃗×E⃗= p⃗×E⃗

En ausencia de campo los dipolos moleculares están orientados al azar e interaccionan continuamente unos con otros. El momento dipolar resultante es cero. Al aplicar el campo externo los momentos tienden a orientarlos en la dirección del campo, aunque la agitación térmica no cesa y la orientación no es completa, a menos que el campo sea muy intenso y la temperatura muy baja.

Dieléctricos no polares

En las moléculas no polares los centros geométricos de las cargas eléctricas positivas y negativas coinciden debido a su disposición simétrica. En ausencia de campo no existe separación de cargas y por tanto p = 0.

Un campo externo atrae a las cargas negativas y empuja a las positivas produciendo una deformación de la molécula, una pequeña separación de las cargas. Se crea un momento dipolar en la dirección del campo, que desaparece cuando cesa éste.

Así pues, hay dos tipos de dieléctricos (polares y no polares) y dos mecanismos de polarización (orientación de dipolos permanentes y polarización de moléculas no polares).

Conducción en los gases

Todos los gases son aislantes, pero en campos eléctricos elevados pueden convertirse en conductores. La conducción en los gases es conocida como descarga.

Entre los aislantes gaseosos de más amplia difusión se tiene al aire. El aire (seco) es un aislante y los elementos que lo componen también pueden ser considerados de la misma forma.

La conducción en los gases puede ser clasificada de acuerdo ala magnitud de corriente que circule, en los siguientes tipos:

Descarga de Townsend o descarga oscura en la cual la magnitud de la corriente, para condiciones normales no sobrepasa los 10−6 A.

Descarga luminosa, en la cual la magnitud de la corriente varia de 10−6 a 10−1 A.

Descarga por arco, en la cual la magnitud de la corriente es superior a los 10−1 A.

Para que una corriente circule a través de un gas es necesario:

Un medio que ionice algunas partículas de un gas. Un campo eléctrico que ponga en movimiento a estas partículas.

CONDUCCION EN LÍQUIDOS:

Los aislantes líquidos son ampliamente usados en equipos eléctricos tales como transformadores, cables, capacitores, bushigs, interruptores. Además de su función aislante, también cumplen la función de medio refrigerante en transformadores eléctricos de mediana y gran potencia. En el caso particular de los interruptores de potencia, además de funciones propiamente aislantes sirven para la extinción de los arcos eléctricos e incluso para la lubricación del as partes móviles de estos equipos.

Se pueden distinguir cuatro tipos de aislantes líquidos en función de su origen:

Animal, vegetal, mineral y sintéticos

Los aceites minerales empezaron a ser usados en gran escala alrededor del año 1910 debido al desarrollo de las refinerías de petróleo. Los aislantes líquidos sintéticos comenzaron a se desarrollados a escala industrial en la década de 1960. En los aislantes líquidos sometidos a los efectos de un campo eléctrico se presentan también los fenómenos característicos de todos los dieléctricos:

Se polarizan. Conducen una pequeña corriente. Se producen perdidas en su interior. En presencia de un campo eléctrico igual o superior al crítico se presenta en ellos la

ruptura.

La conducción eléctrica puede ser de dos tipos:

Intrínseca. Debido a impurezas (extrínseca).

La conductividad se incrementa rápidamente con al temperatura debido a dos factores:

Incremento en la disociación molecular. Disminución de la viscosidad del líquido que incremente el factor de movilidad de los

iones.

Conducción en aislantes sólidos

A los aislantes sólidos pertenecen casi todos los materiales no metálicos, con bastante diversos, tanto por su origen como por sus propiedades. Los aislantes sólidos, independientemente de su origen se caracterizan por tener una alta cohesión molecular lo que les permite tener un volumen y una forma definida. Esto según se ha podido comprobar teóricamente y prácticamente, es un factor predominante en el comportamiento de estos materiales frente al campo eléctrico y en especial en su conductividad.

En los materiales aislantes sólidos se presentan dos tipos de conducción:

Conducción volumétrica: la corriente volumétrica tiene dos componentes: la conducción volumétrica y la corriente volumétrica de polarización. Para determinar la conductividad propia del material es necesario no tener en cuenta el fenómeno de polarización por lo que en su determinación experimental se emplea tensión de corriente directa y se espera el tiempo necesario para que hayan cesado todo el proceso de polarización. A bajas temperaturas la conductividad propia de los aislantes se deba casi completamente a las impurezas del material y a medida que se aumenta la temperatura y aumenta con ellos la agitación térmica, debido a la disminución de las fuerzas de cohesión molecular, aumenta el número de iones producto de las impurezas y de las imperfecciones del material que se liberan d la estructura a la que están débilmente unidos.

Conductividad superficial : de un material aislante expuesto al medio ambiente depende básicamente de las condiciones ambientales, fundamentalment de la humedad y de la contaminación ambiental. Los materiales aislantes, con la superficie perfectamente limpia y seca, tienen una resitencia superficial del orden de 107 - 1010 ῼ y después de ser expuestos al aire con 100 % de humedad relativa la resistencia de las superficies disminuye del 20% al 70%.

Comportamientos dieléctricos:

Ferroeléctrico :

Que posee ferroelectricidad: existencia en determinados cristales, de una polarización eléctrica espontanea y permanente, reversible bajo la acción de un campo eléctrico exterior. (Este fenómeno, claramente manifiesto en la sal de Seignette, presenta analogías con le ferromagnetismo, lo que justifica su nombre. La ferroelectricidad desaparece habitualmente por encima de una temperatura, llamada temperatura de

transición.) Tartrato potásico y sódico que fue obtenido por primera vez por Pierre Seignette, boticario de la Rochela.

Piroeléctrico:

Dotado de piroelectricidad : electricidad engendrada en un cuerpo por cambios de su temperatura. (Ciertos cristales hemiédricos, tales como la turmalina, la boracita, el topacio, el ácido tartárico, etc., se electrizan cuando se los somete a una variación de temperatura: una de las extremidades del eje principal se carga positivamente, y la otra negativamente.)

Piezoeléctrico:

Que presenta piezoelectricidad : fenómeno presentado por determinados cristales que adquieren una polarización en su masa y cargas eléctricas en su superficie al ser sometidos a tensiones mecánicas (efecto directo), y que se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico (efecto inverso).

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos, minerales u orgánicos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas. Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados)