Los materiales se clasifican como conductores, aislantes y semiconductores basado en sus propiedades de conducción eléctrica. Todo material está formado por moléculas que a su vez están formadas por átomos. Cuando se someten a un campo eléctrico, estos átomos en el material sufren ciertos desplazamientos y cambios de propiedades. En octubre de 1745, un experimento realizado por Ewald Georg von Kleist de Alemania al conectar un generador electrostático de alto voltaje a un volumen de agua recolectado en un frasco de mano usando un cable mostró que la carga se puede almacenar. Utilizando este fenómeno, Pieter van Musschenbroek inventó el primer condensador llamado 'Leyden Jar'. La nueva propiedad del material que respaldaba esta invención fue “dieléctrico”.
¿Qué es el dieléctrico?
Todo material está formado por átomos. Los átomos contienen partículas cargadas tanto negativa como positivamente. El núcleo central del átomo está cargado positivamente. En cualquier material, los átomos se organizan como dipolos representado con una carga positiva y negativa en su extremo. Cuando estos materiales se someten a un campo eléctrico se produce un momento dipolar.
Un material conductor comienza a conducir cuando se aplica electricidad. Un aislante se opone al flujo de electricidad ya que no tiene electrones en movimiento libre en su estructura. Pero el dieléctrico es un tipo especial de aislante que no conduce electricidad pero se polariza cuando se somete a electricidad.
Polarización en dieléctrico
En los materiales dieléctricos, cuando se someten al campo eléctrico, las cargas positivas presentes en el material se desplazan en la dirección del campo eléctrico aplicado. Las cargas negativas se desplazan en dirección opuesta al campo eléctrico aplicado. Esto conduce a la polarización dieléctrica. En el material dieléctrico, las cargas eléctricas no fluyen a través del material. La polarización reduce el campo general del dieléctrico.
Propiedades del dieléctrico
El término dieléctrico fue introducido por primera vez por William Whewell. Es la combinación de dos palabras: 'Dia' y 'eléctrico'. La conductividad eléctrica de un dieléctrico perfecto es cero. Un dieléctrico almacena y disipa la energía eléctrica de forma similar a un condensador ideal. Algunas de las principales propiedades de un material dieléctrico son Susceptibilidad eléctrica, Polarización dieléctrica, Dispersión dieléctrica, Relajación dieléctrica, Sintonización, etc.
Susceptibilidad eléctrica
La susceptibilidad eléctrica mide la facilidad con que un material dieléctrico puede polarizarse cuando se somete a un campo eléctrico. Esta cantidad también determina la permeabilidad eléctrica del material.
Polarización dieléctrica
Un momento dipolar eléctrico es una medida de separación de carga negativa y positiva en el sistema. La relación entre el momento dipolar (M) y el campo eléctrico (E) da lugar a las propiedades del dieléctrico. Cuando se elimina el campo eléctrico aplicado, el átomo vuelve a su estado original. Esto ocurre de manera exponencial. El tiempo que tarda el átomo en alcanzar su estado original se conoce como tiempo de relajación.
Polarización total
Hay dos factores que deciden la polarización del dieléctrico. Son la formación del momento dipolar y su orientación relativa al campo eléctrico. Según el tipo de dipolo elemental, puede haber polarización electrónica o polarización iónica. Polarización electrónica Pesocurre cuando las moléculas dieléctricas que forman el momento dipolar están compuestas por partículas neutras.
Polarización iónica PIy la polarización electrónica son independientes de la temperatura. Los momentos dipolares permanentes se producen en las moléculas cuando hay una distribución asimétrica de carga entre diferentes átomos. En tales casos, la polarización de orientación Poes observado. Si hay una carga libre en el material dieléctrico, conduciría a la polarización de la carga espacial Ps. La polarización total del dieléctrico involucra todos estos mecanismos. Por tanto, la polarización total del material dieléctrico es
PAGTotal= PI+ Pes+ Po+ Ps
Dispersión dieléctrica
Cuando P es la polarización máxima alcanzada por el dieléctrico, tres el tiempo de relajación para un proceso de polarización particular, el proceso de polarización dieléctrica se puede expresar como
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]
El tiempo de relajación varía para diferentes procesos de polarización. La polarización electrónica es muy rápida seguida de polarización iónica. La polarización de orientación es más lenta que la polarización iónica. La polarización de la carga espacial es muy lenta.
Ruptura dieléctrica
Cuando se aplican campos eléctricos más altos, el aislante comienza a conducir y se comporta como un conductor. En tales condiciones, los materiales dieléctricos pierden sus propiedades dieléctricas. Este fenómeno se conoce como ruptura dieléctrica. Es un proceso irreversible. Esto conduce al fallo de los materiales dieléctricos.
Tipos de material dieléctrico
Los dieléctricos se clasifican según el tipo de molécula presente en el material. Hay dos tipos de dieléctricos: dieléctricos polares y dieléctricos no polares.
Dieléctricos polares
En dieléctricos polares, el centro de masa de las partículas positivas no coincide con el centro de masa de las partículas negativas. Aquí existe el momento dipolar. Las moléculas son de forma asimétrica. Cuando se aplica el campo eléctrico, las moléculas se alinean con el campo eléctrico. Cuando se elimina el campo eléctrico, se observa un momento dipolar aleatorio y el momento dipolar neto en las moléculas se vuelve cero. Algunos ejemplos son H2O, CO2, etc.
Dieléctricos no polares
En los dieléctricos no polares, el centro de masa de las partículas positivas y las partículas negativas coinciden. No hay momento dipolar en estas moléculas. Estas moléculas son de forma simétrica. Ejemplos de dieléctricos no polares son H2, N2, O2, etc.
Ejemplos de material dieléctrico
Los materiales dieléctricos pueden ser sólidos, líquidos, gases y vacío. Los dieléctricos sólidos se utilizan mucho en la ingeniería eléctrica. Algunos ejemplos de dieléctricos vendidos son porcelana, cerámica, vidrio, papel, etc. El aire seco, el nitrógeno, el hexafluoruro de azufre y los óxidos de varios metales son ejemplos de dieléctricos gaseosos. El agua destilada y el aceite de transformador son ejemplos comunes de dieléctricos líquidos.
Aplicaciones del material dieléctrico
Algunas de las aplicaciones de los dieléctricos son las siguientes:
- Se utilizan para el almacenamiento de energía en condensadores .
- Para mejorar el rendimiento de un dispositivo semiconductor, se utilizan materiales dieléctricos de alta permitividad.
- Los dieléctricos se utilizan en Pantallas de cristal líquido.
- El dieléctrico de cerámica se utiliza en el oscilador de resonador dieléctrico.
- Las películas delgadas de titanato de bario y estroncio son dieléctricas que se utilizan en dispositivos sintonizables por microondas que proporcionan alta sintonización y baja corriente de fuga.
- El parileno se utiliza en recubrimientos industriales y actúa como barrera entre el sustrato y el entorno externo.
- En eléctrico transformadores , los aceites minerales se utilizan como dieléctrico líquido y ayudan en el proceso de enfriamiento.
- El aceite de ricino se utiliza en condensadores de alto voltaje para aumentar su valor de capacitancia.
- Electrets, un material dieléctrico especialmente procesado, actúa como equivalente electrostático a los imanes.
Preguntas frecuentes
1). ¿Cuál es el uso del dieléctrico en los condensadores?
Los dieléctricos utilizados en el condensador ayudan a disminuir el campo eléctrico que a su vez disminuye el voltaje aumentando así la capacitancia.
2). ¿Qué material dieléctrico se usa ampliamente en condensadores?
En los condensadores, se utilizan ampliamente materiales dieléctricos como vidrio, cerámica, aire, mica, papel y películas de plástico.
3). ¿Qué material tiene la mayor rigidez dieléctrica?
Se observa que un vacío perfecto tiene la mayor rigidez dieléctrica.
4). ¿Todos los aisladores son dieléctricos?
No, aunque los dieléctricos se comportan como aislantes, no todos los aislantes son dieléctricos.
Por lo tanto, los dieléctricos forman una parte importante de los condensadores. Un buen material dieléctrico debe tener una buena constante dieléctrica, rigidez dieléctrica, bajo factor de pérdida, estabilidad a alta temperatura, alta estabilidad de almacenamiento, buena respuesta de frecuencia y debe ser adaptable a procesos industriales. Los dieléctricos también juegan un papel vital en los circuitos electrónicos de alta frecuencia. La medición de las propiedades dieléctricas de un material proporciona información sobre sus características eléctricas o magnéticas. ¿Qué es una constante dieléctrica?
