Los materiales pueden clasificarse fácilmente en conductores, aislantes y semiconductores en función de su conductividad eléctrica. Sin embargo, los dieléctricos pueden considerarse materiales intermedios entre los conductores y los aislantes. Al igual que los aislantes, los materiales dieléctricos no tienen electrones libres para conducir la electricidad de forma eficaz, pero al igual que los conductores, sus átomos se polarizan cuando se colocan en un campo eléctrico. Por lo tanto, un material dieléctrico es un tipo especial de aislante eléctrico que no conduce la electricidad, pero que se polariza si se coloca en un campo eléctrico.
¿Qué es un Material Dieléctrico?
Un material dieléctrico se define como un aislante eléctrico que puede polarizarse mediante un campo eléctrico aplicado. Esto significa que cuando un material dieléctrico se coloca en un campo eléctrico, no permite que las cargas eléctricas fluyan a través de él, sino que alinea sus dipolos eléctricos internos (pares de cargas opuestas) en la dirección del campo. Esta alineación reduce el campo eléctrico global dentro del material dieléctrico y aumenta la capacitancia de un condensador que lo utilice.
Entonces, un material dieléctrico es un mal conductor de electricidad pero un eficiente soporte de campos electrostáticos. Puede almacenar cargas eléctricas, tiene una alta resistencia específica y un coeficiente de temperatura negativo de resistencia.
En la imagen anterior, se coloca un material dieléctrico entre las placas de un conductor. Cuando la corriente llega a las placas conductoras, el dieléctrico que hay entre ellas se polariza y da lugar a un campo eléctrico opuesto.
Más información sobre los materiales dieléctricos
Los materiales dieléctricos son malos conductores de la electricidad porque no tienen electrones sueltos o libres que puedan desplazarse por el material. Los electrones son necesarios para que fluya la corriente eléctrica. La corriente fluye desde el terminal positivo al negativo y, en la dirección opuesta, como electrones libres que fluyen desde el terminal negativo al positivo.
Los materiales dieléctricos admiten la polarización dieléctrica, que les permite actuar como dieléctricos en lugar de conductores. Este fenómeno se produce cuando un dieléctrico se coloca en un campo eléctrico y las cargas positivas se desplazan en la dirección del campo eléctrico, mientras que las cargas negativas se desplazan en la dirección opuesta. Esta polarización crea un fuerte campo interno que reduce el campo eléctrico global dentro del material.
Consideraciones importantes sobre los materiales dieléctricos
Una consideración importante para un material dieléctrico es su capacidad para soportar un campo electrostático, disipando al mismo tiempo un mínimo de energía en forma de calor. Este calor disipado o pérdida de energía se conoce como pérdida dieléctrica. Cuanto menor sea la pérdida dieléctrica, más eficaz será la sustancia como material dieléctrico.
Otra consideración es la constante dieléctrica, que es el grado en que una sustancia concentra las líneas electrostáticas de flujo. Las sustancias con una constante dieléctrica baja son el vacío perfecto, el aire seco y la mayoría de los gases puros y secos, como el helio y el nitrógeno. Los materiales con constantes dieléctricas moderadas son la cerámica, el agua destilada, el papel, la mica, el polietileno y el vidrio. Los óxidos metálicos, en general, tienen constantes dieléctricas altas.
Propiedades de los Materiales Dieléctricos
Estas son las propiedades dieléctricas de los materiales.
Susceptibilidad eléctrica
Se refiere a una medida relativa de la facilidad con la que un material dieléctrico puede polarizarse cuando se somete a un campo eléctrico. También se refiere a la permeabilidad eléctrica del material.
Polarización dieléctrica
Es la cantidad de energía eléctrica almacenada en el campo eléctrico cuando se le aplica tensión. Dado que hace que las cargas positivas y negativas fluyan en direcciones opuestas, puede anular el campo eléctrico global.
Momento dipolar eléctrico
El grado de separación de las cargas negativas y positivas dentro del sistema se denomina momento dipolar eléctrico. Los átomos contienen partículas cargadas positiva y negativamente y se disponen como dipolos en el material. La aplicación de una carga eléctrica crea un momento dipolar. La relación entre el momento dipolar y el campo eléctrico confiere a un material sus propiedades dieléctricas.
Polarización electrónica
La polarización electrónica se produce cuando las moléculas dieléctricas que forman el momento dipolar están compuestas por partículas neutras.
Tiempo de relajación
Al eliminar un campo eléctrico aplicado, los átomos del material dieléctrico vuelven a su estado original tras un cierto retardo. Ese tiempo de retardo se denomina tiempo de relajación.
Ruptura dieléctrica
Si la tensión a través de un material dieléctrico es demasiado grande y el campo electrostático demasiado intenso, el material empieza a conducir corriente. Este fenómeno se denomina ruptura dieléctrica.
En los componentes que utilizan gases o líquidos como medio dieléctrico, esta condición se invierte si la tensión disminuye por debajo del punto crítico. Pero, en componentes que contienen dieléctricos sólidos, la ruptura dieléctrica suele provocar daños permanentes.
Dispersión dieléctrica
Este término se refiere a la polarización máxima alcanzada por el material dieléctrico. Se ve afectada por el tiempo de relajación.
Tipos de Materiales Dieléctricos
Los dieléctricos se agrupan según el tipo de molécula presente en el material. Existen dos tipos de dieléctricos: dieléctricos no polares y dieléctricos polares.
Dieléctrico Polar
En un dieléctrico polar, los centros de masa de las partículas positivas y negativas no coinciden. Las moléculas tienen forma asimétrica y existe un momento dipolar en el material. Cuando se aplica un campo eléctrico al material, las moléculas se alinean con el campo eléctrico. Cuando se elimina el campo, el momento dipolar neto de las moléculas se hace cero.
Ejemplos: agua y ácido clorhídrico
Dieléctrico No Polar
En los materiales dieléctricos no polares, el centro de masa de las partículas positivas y negativas coincide. Las moléculas tienen forma simétrica y el material dieléctrico no tiene momento dipolar.
Ejemplos: hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.
La mayoría de los materiales dieléctricos son sólidos. Algunos ejemplos son los siguientes:
- porcelana (cerámica)
- mica
- vidrio
- plástico
- muchos óxidos metálicos
Algunos líquidos y gases también son buenos materiales dieléctricos. El aire seco es un excelente dieléctrico y se utiliza en condensadores variables y en algunos tipos de líneas de transmisión. El nitrógeno y el helio son buenos gases dieléctricos. El agua destilada es un buen dieléctrico. El vacío es un dieléctrico excepcionalmente eficaz.
Ejemplos de materiales dieléctricos
Los materiales dieléctricos se utilizan para almacenar energía. Estos materiales existen en forma sólida, líquida y gaseosa. Algunos ejemplos de materiales dieléctricos son:
- Dieléctricos sólidos – Cerámica, plástico, mica y vidrio.
- Líquido dieléctrico – Agua destilada y Aceites para transformadores.
- Gas dieléctrico – Aire seco, vacío, nitrógeno y helio.
Diferencia entre Dieléctrico y Aislante
Los dieléctricos se confunden a menudo con los aislantes, aunque existen diferencias entre estos tipos de materiales. Por ejemplo, todos los dieléctricos son aislantes, pero no todos los aislantes son dieléctricos.
En la siguiente tabla se destacan algunas diferencias entre los dieléctricos y aislantes:
| Dieléctricos | Aislantes |
|---|---|
| Pueden desarrollar un campo eléctrico interno, que anula la tensión aplicada externamente. | No desarrollan un campo eléctrico interno. |
| Los dieléctricos se polarizan fácilmente y pueden almacenar cargas. | Los aislantes obstruyen activamente la electricidad. |
| Contienen enlaces relativamente débiles dentro de los átomos. | Contienen enlaces covalentes fuertes. |
| Su aplicación se encuentra en los cables de alimentación, condensadores y más | Se utilizan en sistemas de alta tensión y en los cables conductores |
Conductores y Dieléctricos
Los materiales conductores conducen la corriente eléctrica de manera eficiente, mientras que los dieléctricos poseen altas capacidades de aislamiento, además de su capacidad para almacenar energía eléctrica. Los materiales conductores y dieléctricos son esenciales en todos los sistemas y equipos eléctricos y electrónicos.
Diferencia entre Dieléctrico y Conductor
| Parámetros | Dieléctrico | Conductor |
|---|---|---|
| Función | Actúa como aislante que no permite que la corriente fluya a través de él. | Actúa como conductor que permite que la corriente fluya a través de él. |
| Dirección del campo eléctrico (E) | Es paralelo a la superficie del material dieléctrico. | Es perpendicular a la superficie del material conductor. |
| Presencia de campo eléctrico | Está presente en el interior. | No está presente en el interior. |
| Portadores de carga libre | Las sustancias dieléctricas no contienen portadores de carga libre. Existe un número muy pequeño de portadores de carga libres. | Las sustancias conductoras contienen portadores de carga libres |
| Efecto de la temperatura en la conductividad | Aumenta con la temperatura. | Disminuye con la temperatura. |
| Conductividad volumétrica | Pequeña | Grande |
| Polarización | Predomina la polarización eléctrica. | No hay polarización eléctrica hasta 1016 Hz |
| Ejemplos | Aire, plástico, madera, caucho, mica, etc. | Cobre, oro, plata, hierro, aluminio, etc. |
Aplicaciones de los Materiales Dieléctricos
Los materiales dieléctricos se utilizan en numerosas aplicaciones. Por su capacidad de almacenar cargas, se utilizan sobre todo para almacenar energía en condensadores y para construir líneas de transmisión de radiofrecuencia.
Los materiales dieléctricos de alta permitividad se utilizan a menudo para mejorar el rendimiento de los semiconductores. En transformadores, reóstatos, reactores en derivación y reactores de tierra, los materiales dieléctricos, como los aceites minerales, actúan como agentes refrigerantes y como aislantes.
Los dieléctricos también se utilizan en pantallas de cristal líquido, osciladores resonadores y dispositivos de microondas sintonizables. En algunas aplicaciones, los dieléctricos especialmente tratados sirven como equivalente electrostático de los imanes. Más recientemente, se ha utilizado la inmersión de hardware de centros de datos en un agente refrigerante líquido dieléctrico para extraer el calor de la infraestructura de procesamiento y mantener una temperatura ambiente deseable.
Conclusión
Los materiales dieléctricos son aislantes eléctricos que pueden polarizarse mediante un campo eléctrico aplicado. Tienen varias propiedades, como la constante dieléctrica, la rigidez dieléctrica y la pérdida dieléctrica. Pueden clasificarse en diferentes tipos, como vacío, gases, líquidos y sólidos. Tienen muchas aplicaciones en diversos campos, como condensadores, aislantes, transductores, dispositivos fotónicos y dispositivos de memoria. Los materiales dieléctricos son esenciales para la ciencia y la tecnología moderna.
Preguntas Frecuentes
Los materiales dieléctricos se definen como un tipo especial de aislante que se polariza cuando se coloca en un campo eléctrico.
Cerámica, vidrio, papel y mica.
H2, N2 y O2.
El condensador reduce el campo eléctrico y la tensión, con lo que aumenta la capacidad.
Sí, el vacío es un medio dieléctrico perfecto.
La rigidez dieléctrica de un material es la cantidad de tensión necesaria para provocar una ruptura dieléctrica en el material.
Por polarización en un material dieléctrico se entiende la alineación de los polos positivo y negativo en las moléculas del material en función del campo eléctrico aplicado.