DESCUBRIENDO AL DIELÉCTRICO CAPACITIVO

Introducción

En el presente post, intentaré dar a conocer la temática de los dieléctricos. Un dieléctrico (no confundir con un aislante) está caracterizado por presentar un volumen sin cargas libres (electrones). En estos materiales los electrones permanecen ligados a los átomos o moléculas a los cuales ellos pertenecen. Podemos considerar dentro de estos materiales al vidrio, la mica y ciertos plásticos cuyos enlaces químicos mantienen todos los electrones ligados a sus átomos.

El uso de los dieléctricos es muy amplio, en el caso de los condensadores dichos materiales son utilizados, por ejemplo, para mantener la separación física de las placas del condensador. Por otro lado, debido a que la ruptura dieléctrica de mucho de ellos es mucho menor que la del aire, permiten reducir al mínimo la fuga de carga, especialmente cuando se le aplica altos voltajes. Permitiendo de este modo una mayor acumulación de carga en las placas del condensador.


Marco Teórico

Cuando Faraday descubrió el comportamiento de los materiales dieléctricos al colocarlos entre las placas de un condensador, 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 y el voltaje (diferencia de potencial, d.d.p.) disminuir, al igual que el campo eléctrico; sabemos que a mayor distancia entre las placas menor es el campo eléctrico, por tanto también la d.d.p.

Dieléctricos

Un dieléctrico es un material no conductor, no confundir con un material aislante (éste no soporta carga eléctricas), como el caucho el vidrio o el papel encerado, cuando un material dieléctrico se inserta entre las placas de un condensador aumenta la capacidad. Si el dieléctrico llena por completo el espacio entre las placas, la capacidad aumenta en un factor adimensional k. conocido como constante dieléctrica. La constante dieléctrica es una propiedad del material y varía de un material a otro.

 


 

Para cualquier separación dada, el máximo voltaje que puede aplicarse a un condensador, sin producir una descarga, depende de su resistencia dieléctrica (campo eléctrico máximo) del dieléctrico. Si la magnitud del campo eléctrico en el dieléctrico superara a la resistencia dieléctrica, las propiedades aislantes se deterioran y el dieléctrico empieza a conducir. Los materiales aislantes tienen valores de k más grandes que la unidad y resistencias dieléctricas mayores que las del aire, de este modo, se ve que un dieléctrico brinda las siguientes ventajas:

  • Aumenta la capacidad.
  • Aumenta el voltaje de operación máximo.
  • Posible soporte mecánico entre las placas, lo cual permite que las placas estén muy juntas sin tocarse, de este modo d disminuye y C aumenta.

La resistencia dieléctrica es igual al campo eléctrico máximo que puede existir en un dieléctrico sin ruptura eléctrica.

Debemos insistir en algo importante: en un condensador, su valor capacitivo depende de, la separación entre las placas, el tamaño y el dieléctrico usado.

Los medios dieléctricos, no poseen portadores de carga libres (electrones), capaces de desplazarse a través del medio bajo la influencia de campos eléctricos; sin embargo, las moléculas que forman su estructura pueden sufrir cambios o pequeños desplazamientos. A este efecto se le denomina polarización del material. Un medio dieléctrico polarizado crea a su vez un campo eléctrico que se superpone al campo excitador, dando lugar a un campo final en el equilibrio diferente al que ocuparía el espacio si no hubiese dieléctrico (Condensador Electrolíticos o Polarizados).

 


Existen básicamente dos tipos de medios dieléctricos: los dieléctricos polares (Condensador Electrolíticos o Polarizados), constituidos por moléculas orientadas eléctricamente, y los dieléctricos no polares (Condensador No Polarizados), en los que las moléculas tienen un momento dipolar nulo cuando sobre ellas no actúan campos externos.


Constante Dieléctrica

La
Constante Dieléctrica es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio.

La Constante Dieléctrica
es determinada por la habilidad de un material de polarizarse en respuesta a un campo eléctrico aplicado y, de esa forma, cancelar parcialmente el campo dentro del material. Está directamente relacionada con la susceptibilidad eléctrica. Por ejemplo, en un condensador de alta Constante Dieléctrica
hace que la misma cantidad de carga eléctrica sea guardada con un campo eléctrico menor y, por ende, a un potencial menor.

Si se introduce un dieléctrico (vidrio, plástico, aceite mineral) entre las placas de un condensador, la capacidad de este nuevo condensador varía. Fue Faraday, quien utilizando un equipo sencillo, descubrió que la capacidad de un condensador aumenta en un factor K, a esta constante se le denomina Constante Dieléctrica. La presencia de un dieléctrico entre las placas cumple con las siguientes funciones:

a) Permite mantener una distancia muy pequeña entre las placas sin que exista contacto físico,

b) Permite aumentar la diferencia de potencial (d.d.p.) entre las placas del condensador, aumentando de este modo la capacidad de almacenar cargas y energía.

c) Permite aumentar la capacidad de un condensador, es mayor cuando posee un medio dieléctrico entre sus placas que cuando el medio entre las placas es el vacío.

La mayor parte de los condensadores llevan entre sus placas conductoras una sustancia no conductora o dieléctrica. Un condensador típico está formado por láminas metálicas enrolladas, separadas por papel impregnado en cera. El condensador resultante se envuelve en una funda de plástico. Su capacidad es de algunos microfaradios.


 

 

Los condensadores electrolíticos utilizan como dieléctrico una capa delgada de óxido no conductor entre una lámina metálica y una disolución conductora. Los condensadores electrolíticos de dimensiones relativamente pequeñas pueden tener una capacidad de 1µF a 6800µF (capacidades típicas comerciales).


La función de un dieléctrico sólido colocado entre las láminas es triple:

  • Resuelve el problema mecánico de mantener dos grandes láminas metálicas a distancia muy pequeña sin contacto alguno.
  • Consigue aumentar la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica).
  • La capacidad de un condensador de dimensiones dadas es varias veces mayor con un dieléctrico que separe sus láminas que si estas estuviesen en el vacío.

 

Con estas consideraciones espero haber aclarado que es un dieléctrico, y como insisto siempre, no es igual a un aislante (aunque sean del mismo material), pues este último no soporta d.d.p., sino que únicamente “aísla” a los conductores del medio ambiente y de la manipulación humana.