Dieléctricos Sólidos - Descarga en Sólidos

Dieléctricos Sólidos - Descarga en Sólidos  

Universidad Técnica Luis Vargas Torres (UTELVT), 8to “A” Ingeniería Eléctrica, Esmeraldas – Ecuador

Resumen— El presente trabajo se estudian las características que ofrece los dieléctricos solidos combinado con diversos elementos, para ser utilizado como base en la fabricación de dieléctricos.

Palabras claves— Átomo, dieléctrico, electrones, carga, ionización, moléculas y sólidos.

1. Introducción

Todas las substancias, según sus propiedades físicas, pueden ser dieléctricas, conductoras o semiconductoras. La forma más clara de apreciar la diferencia entre conductores semiconductores y dieléctricos. es a través de los diagramas energéticos usados en la teoría de las bandas en los sólidos. [1]

El análisis de los espectros de radiación de las diversas substancias en estado gaseosa, cuando los átomos están a grandes distancias unos de otros, demuestra que los átomos de cada substancia tienen líneas espectrales características perfectamente definidas. Esto indica que existen determinados niveles de energía para los distintos átomos. [1]

Una parte de estos niveles está ocupada por los electrones cuando el átomo se encuentra en estado normal, es decir, no excitado: en otros niveles sólo pueden estar los electrones después de que el átomo haya sufrido una acción energética externa, o sea, cuando esté excitado. El átomo tiende a estar en su estado estable y en el instante en que los electrones retornan a los niveles en los cuales la energía del átomo es mínima, éste emite la energía sobrante como se muestra en la figura1. [1]

Cuando la substancia gaseosa pasa al estado líquido y luego se forma la red cristalina del sólido, todos los niveles electrónicos que hay en los átomos dados, se desplazan un poco a consecuencia de la acción de los átomos vecinos. De este modo, de los distintos niveles de energía que hay en los átomos aislados, se forma en el sólido toda una banda de niveles de energía como se muestra en la figura 2. [1]

[pic 1]

Fig. 1. Distribución de niveles de energía en un átomo independiente (izq.) y de un sólido no metálico (der.).

1. Nivel normal de energía.
2. Banda saturada
3. Nivel excitado de energía
4. Banda libre
5. Banda prohibida

[pic 2]

Fig. 2. Diagrama energético de los sólidos (conductores, semiconductores y dieléctricos.

1. Banda libre.
2. Banda prohibida.
3. Banda saturada.

1. Polarización

Bajo la influencia de un campo eléctrico, las cargas eléctricas ligadas del dieléctrico se desplazan o se orientan en la dirección de las fuerzas que actúan sobre ellas y este desplazamiento es tanto más grande, cuanto mayor es la intensidad del campo. Cuando se elimina el campo eléctrico, las cargas vuelven a su estado anterior. En los dieléctricos polares, que contienen moléculas dipolares, la acción del campo eléctrico provoca además la orientación de los dipolos en la dirección del campo: en ausencia del campo se desorientan los dipolos en virtud del movimiento térmico. [1]

La mayoría de los dieléctricos se caracteriza porque en ellos el desplazamiento eléctrico es función de la intensidad del campo eléctrico aplicado: siendo un grupo especial aquellos dieléctricos en que, al variar la intensidad del campo, el desplazamiento no es lineal, siendo evidente la saturación cuando la intensidad del campo tiene un valor determinado. Este grupo de dieléctricos es conocido como ferros eléctricos.

1. Tipos de polarización

Dependiendo del estado de agregación y de la estructura de los dieléctricos, existen dos tipos fundamentales de polarización. Al primer tipo pertenecen las polarizaciones electrónica e iónica, las mismas que se producen bajo la acción del campo eléctrico, de manera instantánea, totalmente elástica y sin disipación de energía. Al segundo tipo, pertenece la llamada polarización de relajación, la cual no es instantánea, sino que crece y decrece lentamente y va acompañada de disipación de energía en el dieléctrico. [1]

1. Polarización electrónica Ce. Qe

Este tipo de polarización se observa en todos los tipos de dieléctricos y consiste en el desplazamiento elástico y en la formación de las capas electrónicas de los átomos e iones. Se establece de manera instantánea, alrededor de 10E-15 s.

El desplazamiento y la deformación de las órbitas electrónicas, no depende de la temperatura, sin embargo, la polarización electrónica de la substancia disminuye al aumentar la temperatura, debida a que el dieléctrico se dilata y el número de partículas por unidad de volumen disminuye. [1]

1. Polarización iónica Cí, Q¡

Este tipo de polarización es característico de los sólidos de estructura iónica y se debe al desplazamiento de los iones, que están ligados elásticamente. El tiempo de establecimiento de este tipo de polarización es del orden de los 10E-]3s. Al elevarse la temperatura, se acentúa esta polarización, ya que se debilitan las fuerzas elásticas ínteriónicas debido a que aumentan las distancias entre los ioness. [1]

1. Polarización por migración Cm, Qm, Rm

Se concibe coma un mecanismo de polarización adicional que se rnanifiesta en los sólidos de estructura no homogénea cuando las heterogeneidades son macroscópicas y existen impurezas. Esta polarización se produce con frecuencias bajas e implica una dispersión considerable de energía eléctrica. Son causantes de esta polarización las inclusiones conductoras y semiconductoras que hay en los dieléctricos técnicos, las capas con distinta conductibilidad, etc.

 Cuando en un campo eléctrico se introduce materiales no homogéneos, los electrones libres y los iones de las inclusiones conductoras y semiconductoras se desplazan dentro de los límites de cada inclusión formando grandes zonas polarizadas. En los materiales laminares o estratificados en los límites de separación de las capas y en las capas anexas a los electrodos, puede producirse una acumulación de cargas de los iones que se mueven lentamente. [2]

En la fig. 3 todas las capacidades del circuito equivalente, están puestas en paralelo con la resistencia Raisl, que representa la resistencia del aislamiento a la corriente de fuga a través del dieléctrico. [2][pic 3]

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