Permitividad (permitividad eléctrica)

¿Qué es la permitividad (permitividad eléctrica)?

La permitividad (permitividad eléctrica) es la relación entre el desplazamiento eléctrico y la intensidad del campo eléctrico. Es una constante de proporcionalidad entre estos dos parámetros.

En el marco del metro-kilogramo-segundo y del Sistema Internacional de Unidades (SI), la permitividad del espacio libre en el vacío se simboliza como εo. Su valor es aproximadamente igual a 8.85 x 10^-12 faradios por metro (F/m). En otros materiales, la constante de permitividad puede tener un valor diferente y a menudo es sustancialmente mayor que el valor del espacio libre.

Explicación de la permitividad

La permitividad es una propiedad de un material que mide la oposición que ofrece frente a un campo eléctrico. Afecta a la propagación de los campos eléctricos y es un parámetro fundamental en electromagnetismo y ciencia de materiales.

Otra forma de ver la permitividad es como la tendencia de la carga atómica de un material a distorsionarse cuando el material se coloca en un campo eléctrico. Esta tendencia también se denomina distorsión de la carga o polarización eléctrica. Cuanto mayor sea la polarización eléctrica, mayor será el valor de la permitividad del material.

Permitividad y constante dieléctrica

La permitividad de un material dieléctrico o aislante se simboliza como ε. En aplicaciones de ingeniería eléctrica, la permitividad se expresa a menudo en términos relativos en lugar de absolutos. En pocas palabras, la permitividad relativa es la relación entre la permitividad de una sustancia o material y la permitividad del espacio libre o del vacío.

Si ε_o representa la permitividad del espacio libre y ε representa la permitividad de una sustancia concreta, la permitividad relativa se simboliza como ε_r. La permitividad relativa también se denomina constante dieléctrica. Se expresa de la siguiente manera

ε_r=ε/ε_o

ε_r=ε/(8.85*10^-12)=ε⋅(1.13*10¹¹)

Tanto ε_o como ε se expresan en faradios por metro. Sin embargo, ε_r es una constante adimensional. A veces, la constante dieléctrica también puede simbolizarse por κ.

En el sistema centímetro-gramo-segundo, el valor de la permitividad del espacio libre, ε_o, se elige arbitrariamente como 1.

Constante dieléctrica de diversos materiales

La permitividad del espacio libre, ε_o, representa el valor más pequeño posible de permitividad. La constante dieléctrica relativa de todas las demás sustancias o materiales es superior a 1. Estas sustancias se denominan materiales dieléctricos o simplemente dieléctricos. Un dieléctrico es un material que tiene una baja conductividad pero una constante dieléctrica mayor que 1.

Algunos dieléctricos comunes son el vidrio, el papel, la mica, diversas cerámicas, el polietileno y ciertos óxidos metálicos. Los dieléctricos se utilizan en capacitores y líneas de transmisión en aplicaciones de corriente alterna, audiofrecuencia y radiofrecuencia (RF).

A continuación se indica la permitividad relativa de algunos dieléctricos comunes.

Cuanto mayor es el valor de la constante dieléctrica, mayor es la oposición que ofrece el material contra la formación de un campo eléctrico.

Tipos de permitividad

Aunque la permitividad es un término general representado por ε, existen varios tipos de permitividad. El término o definición que se utilice dependerá de la aplicación y del entorno en el que se mida.

La permitividad absoluta es la medida de la permitividad en el vacío o en el espacio libre. Mide la resistencia encontrada al formar un campo eléctrico en el vacío. ε_o es el valor más pequeño posible de permitividad.

La permitividad relativa es la permitividad de un material en relación con la permitividad del vacío. Se simboliza como ε_r y siempre es mayor que ε_o.

La permitividad estática es la permitividad de un material cuando se expone a un campo eléctrico estático. Este valor suele medirse para evaluar la respuesta del material a la frecuencia de una tensión aplicada.

Factores que afectan a la permitividad

A bajas frecuencias o a determinadas temperaturas, la permitividad de los materiales permanece constante o estática. Sin embargo, varios factores pueden afectarla y hacer que cambie. En particular, la permitividad casi siempre varía con la frecuencia de la tensión aplicada. Al aumentar la frecuencia, la permitividad disminuye. La humedad y la intensidad del campo eléctrico aplicado también afectan a la permitividad. Por último, cuando aumenta la temperatura, la permitividad disminuye.

Las variaciones de la permitividad suelen ser pequeñas e incluso despreciables. No obstante, estas características deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar un condensador, ya que pueden afectar a su rendimiento.

Aplicaciones de la permitividad

La permitividad desempeña un papel importante en el diseño de condensadores porque su valor determina cuánta energía electrostática puede almacenar un material dieléctrico por unidad de volumen. Las dos placas de un condensador están separadas por un aislante, que es un material dieléctrico que rige muchas de las propiedades del condensador.

El tipo de material aislante elegido es importante porque los condensadores son cada vez más pequeños y se requiere una separación extremadamente estrecha entre sus placas para alcanzar el nivel de capacitancia requerido. El material dieléctrico adecuado con la permitividad correcta permite alcanzar altos niveles de capacitancia en un volumen pequeño.

La permitividad y la constante dieléctrica también son importantes para las aplicaciones relacionadas con las líneas de transmisión de RF y la propagación de ondas de radio.

En las líneas de transmisión de RF, el material dieléctrico colocado entre los conductores y entre un conductor y tierra afecta a características importantes como la impedancia y el factor de velocidad. En la propagación de ondas de radio, los cambios en la permitividad relativa de la atmósfera pueden afectar a la trayectoria, el paso y la transmisión de las señales de radio.

Permitividad vs permeabilidad

La permeabilidad es una propiedad de un material que mide su capacidad para soportar la formación de un campo magnético. Se refiere a la capacidad de magnetización del material para un campo magnético aplicado y desempeña un papel en la clasificación de los materiales en función de su propiedad de magnetización. La permeabilidad es la relación entre la densidad del flujo magnético, o inducción magnética, y la intensidad del campo magnético del material, o intensidad de un campo magnético. Es directamente proporcional a la conducción de líneas de fuerza magnéticas. Se denota por μ.

Matemáticamente, la permeabilidad se expresa de la siguiente manera:

μ=magnitud de la inducción magnética/intensidad del campo magnético

μ=B/H

En unidades del SI, μ se expresa en henrios por metro (H/m).

La permeabilidad del espacio libre, expresada como μ_o, se conoce como permeabilidad absoluta o constante de permeabilidad. Su valor es 4π*10^-7 H/m.

La permeabilidad absoluta de otros materiales se expresa en relación con μ_o de la siguiente forma:

μ = μ_o*μ_r

Aquí, μ_r es la permeabilidad relativa de una cantidad adimensional.

Para los materiales diamagnéticos, la permeabilidad magnética es menor que μ_o, y para los materiales paramagnéticos, la permeabilidad magnética es mayor que μ_o.

La permitividad y la permeabilidad son parámetros importantes pero diferentes de cualquier material. Mientras que la permitividad mide la capacidad del material para almacenar energía, la permeabilidad mide su capacidad para soportar un campo magnético. A continuación se resumen otras diferencias entre la permitividad y la permeabilidad.