Qué es un material dieléctrico - Propiedades y sus aplicaciones
Los materiales se clasifican en conductores, aislantes y semiconductores según 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 del 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 una jarra manual usando un cable demostró que se puede almacenar carga. Usando este fenómeno, Pieter van Musschenbroek inventó el primer capacitor llamado "Leyden Jar". La nueva propiedad material que apoyó esta invención fue "dieléctrico".
¿Qué es el dieléctrico?
Todo material está formado por átomos. Los átomos contienen partículas cargadas negativa y positivamente. El núcleo central del átomo está cargado positivamente. En cualquier material, los átomos están dispuestos como dipolos se muestra 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 porque no tiene electrones de libre movimiento en su estructura. Pero el dieléctrico es un tipo especial de aislante que no conduce la electricidad pero se polariza cuando se somete a la electricidad.
En los materiales dieléctricos, cuando se someten al campo eléctrico, las cargas positivas presentes en el material se mueven en la dirección del campo eléctrico aplicado. Las cargas negativas se mueven en dirección opuesta al campo eléctrico aplicado. Esto conduce a la polarización dieléctrica. En un material dieléctrico, las cargas eléctricas no pasan a través del material. La polarización reduce el campo general del dieléctrico.
Propiedades dielectricas
El término dieléctrico fue introducido por primera vez por William Whewell. Es la combinación de dos palabras: 'Dia' y 'electric'. La conductividad eléctrica de un dieléctrico perfecto es cero. Un dieléctrico almacena y disipa energía eléctrica como un condensador ideal. Algunas de las principales propiedades de un material dieléctrico son la susceptibilidad eléctrica, la polarización dieléctrica, la dispersión dieléctrica, la relajación dieléctrica, la sintonizabilidad, etc.
Susceptibilidad eléctrica
La facilidad con la que un material dieléctrico puede polarizarse cuando se somete a un campo eléctrico se mide mediante la susceptibilidad eléctrica. Esta cantidad también determina la permeabilidad eléctrica del material.
polarización dieléctrica
Un momento dipolar eléctrico es una medida de la separación de cargas negativas y positivas 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 sucede en un decaimiento exponencial. El tiempo que tarda el átomo en alcanzar su estado original se llama tiempo de relajación.
polarización total
Dos factores determinan la polarización del dieléctrico. Estos son la formación del momento dipolar y su orientación con respecto al campo eléctrico. Según el tipo de dipolo elemental, puede haber polarización de electrones o polarización de iones. Polarización electrónica Pmi ocurre cuando las moléculas dieléctricas que forman el momento dipolar están compuestas por partículas neutras.
Polarización de iones Pyo y la polarización electrónica son independientes de la temperatura. Los momentos dipolares permanentes se producen en las moléculas cuando existe una distribución de carga asimétrica entre diferentes átomos. En tales casos, la polarización orientacional POh es 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 lo tanto, la polarización total del material dieléctrico es
PAGSTotal =Pyo +Pmi +POh +Ps
Dispersión dieléctrica
Cuando P es la máxima polarización alcanzada por el dieléctrico, tr es el tiempo de relajación para un proceso de polarización particular, el proceso de polarización dieléctrica se puede expresar como
PAG
El tiempo de relajación varía para los diferentes procesos de polarización. La polarización electrónica es seguida muy rápidamente por la 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. Bajo tales condiciones, los materiales dieléctricos pierden sus propiedades dieléctricas. Este fenómeno se conoce como ruptura dieléctrica. Es un proceso irreversible. Esto conduce a la falla 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 los dieléctricos polares, el centro de masa de las partículas positivas no coincide con el centro de masa de las partículas negativas. Aquí, el momento dipolar existe. Las moléculas tienen 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. Ejemplos: 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 ampliamente 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, el aceite de transformador son ejemplos comunes de dieléctricos líquidos.
Aplicaciones del material dieléctrico
Algunas de las aplicaciones de los dieléctricos son las siguientes:
- Estos 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 resonador dieléctrico.
- Las películas delgadas de titanato de bario y estroncio son dieléctricos que se utilizan en dispositivos sintonizables de microondas que ofrecen alta capacidad de sintonización y baja corriente de fuga.
- El parileno se utiliza en recubrimientos industriales y actúa como barrera entre el sustrato y el ambiente externo.
- En los transformadores eléctricos, 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.
- Los electretos, un material dieléctrico especialmente tratado, actúan como el equivalente electrostático de los imanes.
preguntas frecuentes
1). ¿Para qué se usa el dieléctrico en los capacitores?
Los dieléctricos utilizados en el capacitor ayudan para disminuir el campo eléctrico que a su vez disminuye el voltaje, aumentando así la capacitancia.
2). ¿Qué material dieléctrico se usa ampliamente en los capacitores?
En los condensadores, los materiales dieléctricos como el vidrio, la cerámica, el aire, la mica, el papel y la película plástica son ampliamente utilizados.
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, buena rigidez dieléctrica, factor de pérdida bajo, estabilidad a alta temperatura, alta estabilidad de almacenamiento, buena respuesta de frecuencia y debe ser adecuado para procesos industriales. Los dieléctricos también juegan un papel esencial en los circuitos electrónicos de alta frecuencia. La medida de las propiedades dieléctricas de un material da información sobre sus características eléctricas o magnéticas. ¿Qué es una constante dieléctrica?
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