¿Qué son los dieléctricos?

Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga
Los Dieléctricos

Arias Wilches, Andrea Carolina
Ríos Solano, Daniel Guillermo

¿Qué son los dieléctricos?

Un dieléctrico o aislante es caracterizado por presentar un volumen sin cargas libres. En estos materiales los electrones permanecen ligados a los átomos o moléculas a los cuales ellos pertenecen. Podemos considerar dentro de estos materiales al vacío, al vidrio, la mica y ciertos plásticos cuyos enlaces químicos mantienen todos los electrones ligados a sus átomos.

Se le denomina dieléctrico a un mal conductor de electricidad, por lo que se usa como un aislante eléctrico y además si este es sometido a un campo eléctrico externo, puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes los cuales no se les puede establecer un campo eléctrico interno.

También los dieléctricos son materiales que tienen poca conductividad y se utilizan en distintos dispositivos para impedir o delimitar el paso de la corriente eléctrica por algún camino en particular.(3)

Principios teóricos

Cuando Faraday "descubrió" el comportamiento de los materiales dieléctricos al colocarlos entre las placas de un capacitor, no se conocía el modelo atómico como una agrupación de electrones y protones (el electrón se descubrió en 1897). La teoría atómica en ese entonces provenía de la Química (modelo de Dalton) donde cada átomo era una esfera maciza indivisible.

El resultado experimental de Faraday era que la diferencia de potencial entre las placas disminuía al introducir el dieléctrico entre placas cargadas y aisladas entre sí, con lo que la capacidad debía aumentar (por su definición). Pero si el voltaje (diferencia de potencial) era menor, como

[pic 1]

El campo eléctrico tenía que haber disminuido aunque la carga sobre las placas no había cambiado.

Este comportamiento se explica gracias a la ley de Gauss, ya que sabemos que el flujo del campo eléctrico está directamente relacionado con la carga encerrada. Como el campo se reduce, la carga encerrada en el volumen debe ser menor. Es decir, el fenómeno se puede explicar considerando que se induce una cierta cantidad de carga en la superficie intersección entre el conductor y el dieléctrico.

Campo eléctrico

Se le denomina dieléctrico a un mal conductor de electricidad, por lo que se usa como un aislante eléctrico y además si este es sometido a un campo eléctrico externo, puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes los cuales no se les puede establecer un campo eléctrico interno. Todos los materiales dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos.

El valor límite del campo eléctrico se denomina rigidez dieléctrica, con el cual un material aislante pierde su característica y pasa a ser conductor.

El campo eléctrico está dado por:

[pic 2]

Potencial eléctrico

La energía potencial acumulada en el capacitor sin dieléctrico será: [pic 3]

Y con dieléctrico de permitividad relativa κ

[pic 4]

Es decir, resulta . La energía potencial electrostática del sistema aumentó. Esto se debe a que se hizo trabajo sobre el sistema. [pic 5]

Propiedades de los materiales dieléctricos

1. Conductividad o su inversa resistividad

Es una propiedad física que disponen aquellos objetos capaces de transmitir la electricidad o el calor. Normalmente se mide en términos de la resistencia de aislamiento dada por:[pic 6]

[pic 7]

d: longitud entre las placas
A: área transversal

Figura 1

1. Constante dieléctrica o permitividad

La constante dieléctrica es la relación que existe entre la carga que toma un condensador con el material dieléctrica; y representa la cantidad de energía electroestática que puede ser almacenada por unidad de volumen y por unidad de gradiente de potencial. La constante dieléctrica se define como:   ; [pic 8][pic 9]

C: representa la medida de la capacidad
C0: representa la capacidad equivalente en el vacío
E0: permitividad en el vacío
A: área trasversal
d: distancia entre las placas.

[pic 10]

Figura 2: Valores de las diferentes constantes dieléctricas

[pic 11]

Figura 3: separación de condensadores

1. Polarización eléctrica[pic 12]

Si un campo eléctrico actúa sobre un medio material dieléctrico entonces se generan u orientan dipolos que quedan colocados de modo que sus momentos dipolares sean, predominantemente, paralelos al campo eléctrico en cada punto.  La orientación en los casos reales no es total ya que las fuerzas de cohesión de los distintos elementos del material pueden impedir el giro total de las moléculas o la temperatura siempre da lugar a cierto desorden debido a la agitación que confiere la energía térmica. Se dice entonces que el material se polariza lo que en términos prácticos se traduce en la asignación a los diferentes elementos del material de un momento dipolar asociado. [pic 13]

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