¿Qué es la constante dieléctrica?
La constante dieléctrica de una sustancia o material es una medida de su capacidad para almacenar energía eléctrica. Es una expresión del grado en que un material retiene o concentra el flujo eléctrico.
Matemáticamente, la constante dieléctrica es la relación entre la permitividad de un material y la permitividad del espacio libre. Por eso también se conoce como permitividad relativa. Es el equivalente eléctrico de la permeabilidad magnética relativa.
Más información sobre la constante dieléctrica
El valor de la constante dieléctrica representa la relación entre la capacitancia del condensador cuyo material de prueba es el dieléctrico y la capacitancia de un condensador cuyo dieléctrico es el vacío (o el aire).
Se expresa matemáticamente de la siguiente manera: k = ϵ/ϵ0
Las variables de esta ecuación se definen como sigue:
- ϵ es la permitividad de la sustancia;
- ϵ0 es la permitividad del espacio libre; y
- k (la letra griega kappa) es una cantidad sin unidades y sin dimensiones, ya que es la relación de dos entidades similares (permitividad). Los distintos materiales tienen constantes dieléctricas diferentes, que indican hasta qué punto pueden almacenar una carga eléctrica.
A medida que aumenta la constante dieléctrica, aumenta la densidad de flujo eléctrico (si todos los demás factores permanecen invariables). Esta propiedad permite que objetos de un tamaño determinado, como las placas metálicas, mantengan grandes cantidades de carga eléctrica durante largos periodos de tiempo.
Una constante dieléctrica elevada no es necesariamente deseable. Por lo general, las sustancias con constantes dieléctricas altas se rompen más fácilmente cuando se someten a campos eléctricos intensos que los materiales con constantes dieléctricas bajas.
Materiales dieléctricos
Un material dieléctrico tiene una conductividad eléctrica débil, pero puede almacenar carga eléctrica. Cuando se coloca en un campo eléctrico, no fluye corriente eléctrica en su interior. Esto se debe a que el material no tiene electrones sueltos (libres) que lo atraviesen. Esta propiedad es lo que diferencia a los aislantes eléctricos de los conductores eléctricos.
En cambio, las cargas positivas y negativas del dieléctrico están desplazadas — las positivas en la dirección del campo eléctrico y las negativas en la dirección opuesta. Este fenómeno de separación de cargas, conocido como polarización , reduce el campo eléctrico en el dieléctrico.
Cuando se inserta un dieléctrico entre las placas de un condensador de placas paralelas, aumenta la capacitancia del condensador, es decir, su capacidad para almacenar cargas opuestas en cada placa. Sin embargo, esto no ocurre cuando las placas del condensador están separadas por el vacío. Por eso, el valor de la constante dieléctrica de cualquier material dieléctrico siempre es mayor que el valor dieléctrico para el vacío, que es uno (1).
Constante dieléctrica de materiales comunes
El aire seco tiene una constante dieléctrica baja. Puede sufrir una ruptura dieléctrica, una condición en la que el dieléctrico comienza repentinamente a conducir la corriente eléctrica. Sin embargo, la ruptura no es permanente, ya que cuando se elimina el campo eléctrico excesivo, el aire vuelve a su estado dieléctrico normal. Algunos otros materiales también presentan esta propiedad, lo que evita que sufran daños permanentes.
La constante dieléctrica del aire es muy parecida a la del vacío. Por eso, ni el vacío ni el aire aumentan la capacitancia de un condensador. En cambio, las sustancias dieléctricas sólidas, como el polietileno o el vidrio, que tienen una constante dieléctrica más alta, pueden sufrir daños permanentes a medida que aumenta la corriente eléctrica y pierden sus propiedades dieléctricas.
La figura anterior muestra las constantes dieléctricas de los materiales dieléctricos más comunes.
Factores que afectan a la constante dieléctrica
La constante dieléctrica de cualquier material se ve afectada por la temperatura y la frecuencia de la corriente. Otros factores también afectan a su valor.
Temperatura
Como ya se ha mencionado, la separación de cargas o polarización afecta al campo eléctrico en un material dieléctrico. Los cambios de temperatura afectan a la polarización y, en consecuencia, a la constante dieléctrica. Por ejemplo, cuando el agua se calienta de 0° C a 100° C, su constante dieléctrica desciende de 80 a 55. Por lo tanto, la constante dieléctrica es menor. Por tanto, la constante dieléctrica es inversamente proporcional a la temperatura.
Tensión aplicada
En presencia de una tensión de corriente continua , el valor de la constante dieléctrica disminuye. Por el contrario, cuando se aplica una tensión de corriente alterna, el valor de la constante dieléctrica aumenta.
Frecuencia
La frecuencia de la tensión aplicada también afecta a la constante dieléctrica. Al aumentar la frecuencia, la constante dieléctrica se vuelve no lineal y su valor disminuye más rápidamente al aumentar la frecuencia. A frecuencias altas, aumentan las pérdidas de energía eléctrica. Ésta es una de las razones por las que se prefieren materiales con valores bajos de constante dieléctrica para aplicaciones de alta frecuencia.
Humedad
La humedad es inversamente proporcional a la constante dieléctrica. A medida que aumenta la humedad del material, su constante dieléctrica disminuye, afectando a su rigidez dieléctrica.
Aplicaciones de la constante dieléctrica
La constante dieléctrica es un parámetro crucial a tener en cuenta a la hora de seleccionar el material dieléctrico para un condensador y en cualquier circunstancia en la que se requiera un material para introducir capacitancia en un circuito eléctrico o placa de circuito impreso (PCB).
El valor dieléctrico — y, por extensión, el material dieléctrico que representa — también tiene otras numerosas aplicaciones, entre las que se incluyen las siguientes:
- líneas de transmisión y comunicaciones por radiofrecuencia;
- dispositivos de almacenamiento de energía;
- equipos para subestaciones eléctricas; y
- transformadores y reóstatos.