Dielectricos

Dieléctricos

Un material dieléctrico es una sustancia que es un mal conductor de la electricidad, pero un defensor eficaz de campo electrostáticos.Si el flujo de corriente entre los polos opuestos de carga eléctrica se mantiene a un minuto mientras que las líneas de flujo de electrostática no se impide o se interrumpe, un campo electrostático puede almacenar la energía.Esta propiedad es útil en el condensador, especialmente en las frecuencias de radio.Los materiales dieléctricos son utilizados en la construcción de líneas de transmisión de radiofrecuencia.

dielectricos

Un dieléctrico debilita el campo eléctrico entre las placas de un condensador pues, en presencia de un campo eléctrico extremo, las moléculas del dieléctrico producen un campo eléctrico extremo, las moléculas del dieléctrico producen un campo eléctrico adicional de sentido opuesto al del campo externo. Si el campo eléctrico original entre las placas de un condensador sin dieléctrico es Eo, el campo en el dieléctrico es:

$E={\frac {Eo}{K}}$ (Campo eléctrico en el interior de un dieléctrico) donde K es la cte. dieléctrica. En un condensador de placas paralelas de separación s, la diferencia de potencial entre las placas es:

$V={\text{Es}}$ $={\frac {{Eo}{S}}{K}}={\frac {Vo}{K}}$

Siendo V la diferencia de potencial con dieléctrico y Vo=Eos la diferencia de potencial original sin dieléctrico. La nueva capacidad es:

$C={\frac {Q}{V}}={\frac {Q}{Vo/K}}={\frac {{K}{Q}}{Vo}}$

es decir:

$C={\text{KCo}}$

$Co={\frac {Q}{Vo}}$ es la capacidad original

La capacidad de un condensador de placas paralelas llena de un dieléctrico de constante K es, por tanto:

$C={\frac {{K}\epsilon _{o}\,{A}}{S}}={\frac {\epsilon \,{A}}{S}}$

donde $\epsilon =K\epsilon _{o}\,$ es la permitividad del dieléctrico

La permitividad relativa de un medio continuo es una propiedad macroscópica de n medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica del medio. En relación la rapidez de las ondas electromagnéticas en un dieléctrico es:

$v={\frac {c}{\sqrt {k*km}}}$

El efecto de la constante dieléctrica de manifiesta en la capacidad total de un condensador eléctrico. Cuando entre los conductores cargados o paredes que lo forman se inserta un material dieléctrico diferente del aire (cuya permitividad es prácticamente la del vacío) la capacidad de almacenimiento de la carga del condensador aumenta. De hecho la relación entre la capacidad inicial Ci y la final Cf vienen dada por la constante eléctrica:

$K={\frac {C_{f}}{C_{i}}}={\frac {\epsilon }{\epsilon _{o}}}=\epsilon _{r}=(1+x_{e})$

donde $\epsilon \,\!$ es la permitividad eléctrica del dieléctrico que se inserta. Además el valor de la constante dieléctrica K de un material defina el grado de polarización eléctrica de la substancia cuando esta se somete a un campo eléctrico exterior. Cuando un material dieléctrico remplaza el vacío entre los conductores,puede presentarse la polarización en el dieléctrico, permitiendo que se almacenen cargas adicionales.

La carga en el dieléctrico, llamada carga ligada, no está libre para moverse de un modo semejante acomo lo están las cargas ordinarias en las placas de un condensador que son conductores. El campo Ep tiene el valor

$E_{b}={\frac {\sigma _{b}}{\epsilon _{o}\,}}$

Este campo está dirigido hacia la izquierda y se resta del campo eléctrico $E_{o}$ debido a la densidad de carga libre situada en las placas del condensador. El campo original $E_{o}$ tiene el valor:

$E_{o}={\frac {\sigma _{f}}{\epsilon _{o}\,}}$

El valor del campo resultante E es asi la diferencia de estos valores. Es también igual a ${\frac {Eo}{K}}$:

$E=(E_{o}-E_{b})={\frac {E_{o}}{K}}$

o sea,

$E_{b}=E_{o}({1}-{1}{k})={\frac {k-1}{k}}E_{o}$

Escribiendo ${\frac {\sigma }{\epsilon _{o}\,}}$ en lugar de $E_{b}$ y ${\frac {\sigma _{f}}{\epsilon _{o}\,}}$ en lugar de $E_{o}$, tenemos

$\sigma _{b}={\frac {k-1}{k}}\sigma _{f}$

La densidad de carga ligada $\sigma _{b}$ es asi siempre menor que la densidad de carga libre $\sigma _{f}$ situada en las láminas del condensador y es cero si K=1, que es el caso de carencia de dieléctrico.

TIPOS DE DIELECTRICO.

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. Los dieléctricos con moléculas polares son los que presentan desigualdad de cargas eléctricas dentro de las mismas moléculas, es decir tiene un polo positivo y un polo negativo. Los dieléctricos con moléculas no polares son los que tiene centradas las cargas positivas y negativas, es decir no hay distinción entre las cargas de superficie. Ejemplos de dieléctricos:

• Polares:el agua y el nylon
• No polares: el aire y el hidrogeno

PROCESOS DE POLARIZACIÓN

En el momento en que a un material dieléctrico se le aplica un campo eléctrico, se verifica una alineación parcial de los dipolos con el campo eléctrico, generando así densidades de carga en las superficies del dieléctrico (cercanas a las placas del capacitor). La alineación es proporcional al campo eléctrico, dando así cabida a un nuevo valor de campo eléctrico, el cual será E=(Ei-E) inducido, debido a que al polarizar al dieléctrico se genera un nuevo camppo eléctrico generado por las cargas inducidas de las superficies de este.

APLICACIONES

Los dieléctricos se utilizan en la fabricación de condensadores, para que las cargas reaccionen. Cada material dieléctrico posee una constante dieléctrica k. Tenemos k para los siguiente dieléctricos: vacío tiene k=1; aire (seca) tiene k=1.00059; teflón tiene k=2.1; nylon tiene k=3.4; papel tiene k=3.7; agua (Químicamente pura) tiene k=80. 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.