Materiales dieléctricos

Materiales dieléctricos

Los materiales dieléctricos son esencialmente aislantes, lo que significa que no fluye corriente a través del material cuando se aplica un voltaje. Sin embargo, se producen ciertos cambios a escala atómica. Cuando se aplica un voltaje a través de un objeto dieléctrico, éste se polariza. Como los átomos están formados por un núcleo con carga positiva y electrones con carga negativa, la polarización es un efecto que desplaza ligeramente los electrones hacia el voltaje positivo. No se desplazan lo suficiente como para crear un flujo de corriente a través del material; el desplazamiento es microscópico, pero tiene un efecto muy importante, especialmente cuando se trata de condensadores. Una vez que se retira la fuente de tensión del material, éste vuelve a su estado original no polarizado, o permanece polarizado si los enlaces moleculares del material son débiles. La diferencia entre los términos dieléctrico y aislante no está muy bien definida. Todos los materiales dieléctricos son aislantes, pero un buen dieléctrico es aquel que se polariza fácilmente.

La cantidad de polarización que se produce cuando se aplica un determinado voltaje a un objeto influye en la cantidad de energía eléctrica que se almacena en el campo eléctrico. Esto se describe mediante la constante dieléctrica del material. La constante dieléctrica no es la única propiedad de los materiales dieléctricos. Otras propiedades, como la rigidez dieléctrica y la pérdida dieléctrica, son igualmente importantes en la elección de los materiales para un condensador en una aplicación determinada.

Constante dieléctrica

La constante dieléctrica de un material, también llamada permitividad de un material, representa la capacidad de un material para concentrar las líneas de flujo electrostáticas. En términos más prácticos, representa la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica en presencia de un campo eléctrico. Todos los materiales, incluido el vacío, almacenan energía cuando se encuentran en un campo eléctrico. La permitividad del vacío se define como la constante física ε0, que es aproximadamente ε0 = 8,854 x 10-12 faradios por metro. Esta constante aparece en muchas fórmulas de electromagnetismo.

Dado que la mayoría de los condensadores no están hechos de vacío, tiene sentido definir la permitividad para cada material. La permitividad de un material se define como ε=εrε0, donde ε es la permitividad absoluta y er es la permitividad relativa. εr es un número que siempre es mayor que 1, lo que significa que todos los materiales almacenan más energía que el espacio libre cuando se someten a un campo eléctrico. Esta propiedad es bastante útil en las aplicaciones de los condensadores, y lo explicaremos más adelante en este artículo. Hay que tener en cuenta que la permitividad relativa depende de muchos factores, como la temperatura, la presión e incluso la frecuencia, por lo que los materiales con una constante dieléctrica más estable se ven favorecidos en algunas aplicaciones.

Diferentes materiales tienen diferentes valores de permitividad relativa. Aquí proporcionamos una lista de materiales comúnmente utilizados en los condensadores, junto con sus valores er a la frecuencia de 1kHz a temperatura ambiente, que puede ser utilizado como una referencia rápida y muestra la amplia gama de valores encontrados en la práctica:

Resistencia dieléctrica

Desgraciadamente, existe un límite en la tensión que puede soportar un aislante antes de conducir la electricidad. Todos los materiales tienen un límite superior de tensión, llamado tensión de ruptura. Un buen ejemplo de ello es el aire. Se considera un aislante, pero bajo ciertas circunstancias puede fluir la corriente. Esto es exactamente lo que ocurre durante la caída de un rayo. Una vez superada la intensidad del campo de ruptura, el aire se ioniza (los electrones se separan del núcleo del átomo) y comienzan a moverse bajo la influencia del campo eléctrico, produciendo corriente eléctrica. Es muy importante no sobrepasar la tensión nominal máxima de un condensador para evitar daños o incluso la destrucción completa. La rigidez dieléctrica del aire es de aproximadamente 3 megavoltios por metro. En comparación, la rigidez dieléctrica de la mica es de aproximadamente 120 MV/m. La elección del material dieléctrico es muy importante en algunas aplicaciones en las que se esperan altas tensiones, o cuando el grosor del dieléctrico es muy pequeño.

Pérdida dieléctrica

El término pérdida dieléctrica se refiere a la energía que se pierde por calentamiento de un objeto que está hecho de un material dieléctrico si se le aplica una tensión variable. Estas pérdidas se producen porque cuando el material cambia de polarización, los pequeños desplazamientos de electrones pueden considerarse como un pequeño flujo de corriente alterna. Diferentes materiales tienen diferentes pérdidas a diferentes frecuencias, y esta característica debe tenerse en cuenta en algunas aplicaciones de alta frecuencia.

Aplicación de los materiales dieléctricos a los condensadores

Para entender el efecto del dieléctrico en un condensador, repasemos primero rápidamente la fórmula conocida para la capacitancia de un condensador de placas paralelas:

donde C es la capacitancia, εr es la permitividad relativa del material, ε0 es la permitividad del vacío, A es el área de las placas y d es la distancia entre las placas. Queda claro que cuanto mayor sea εr, mayor será la capacitancia resultante. Por ejemplo, el aire como material tiene una permitividad relativa de aproximadamente 1, lo que significa que actúa como si las placas del condensador estuvieran colocadas en el vacío. En cambio, algunos polímeros pueden tener una permitividad relativa de hasta 100.000. Utilizando tales materiales, es posible conseguir la misma capacitancia en un volumen mucho menor, abriendo la posibilidad de miniaturización.

Ahora veamos la rigidez dieléctrica. Consideremos un condensador de aire, con una distancia entre los electrodos de 0,1 mm. La rigidez dieléctrica del aire es de 3 megavoltios por metro. Esto significa que la tensión máxima que puede aplicarse a este condensador de ejemplo es de 300 voltios en condiciones ideales. Cuanto más pequeño sea el condensador, menor será la tensión máxima permitida. Todos los condensadores tienen tensiones nominales máximas que dependen de los materiales utilizados, y superar estos valores nominales podría dañar o destruir el condensador.