Los materiales utilizados en la industria electrónica se clasifican en función de la conducción de la electricidad. Son de tres tipos: conductores, semiconductores y aislantes.
La finalidad de los materiales dieléctricos es impedir la conducción de electricidad. Se asemejan a la funcionalidad de los aislantes.
La aplicación más famosa del material dieléctrico se observa en los condensadores. Porque las placas conductoras están separadas por un medio no conductor conocido como material aislante. Según el tipo de material aislante elegido se clasifican varios tipos de condensadores.
¿Qué es un Material Dieléctrico?
Un material dieléctrico se define como el material no metálico con alta resistividad, es decir, un aislante, lo que significa que cuando se aplica un voltaje, no puede pasar corriente a través del material. La otra forma de definir el material dieléctrico es que es un material no conductor que almacena cargas eléctricas.
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.
Características Dieléctricas
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 del terminal positivo al negativo y, en sentido contrario, en forma de electrones libres que fluyen del 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.
La susceptibilidad eléctrica otorga la medida con la que un material dieléctrico puede polarizarse cuando se coloca en un campo eléctrico.
Los materiales dieléctricos son en su mayoría sólidos. Algunos de los dieléctricos están compuestos por moléculas débilmente enlazadas. En estos casos, además de la polarización, podemos observar que las moléculas se reorientan para alinear sus ejes de simetría con el campo.
Propiedades de los Materiales Dieléctricos
Estas son las propiedades más importantes de los materiales dieléctricos.
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
En la práctica, la mayoría de los materiales dieléctricos tienden a ser sólidos. Se utilizan como aislamiento en condensadores, transformadores e interruptores de alta tensión, líneas aéreas y cableado. Los dieléctricos sólidos tienen una constante dieléctrica moderada.
Algunos ejemplos de materiales dieléctricos sólidos son:
- Materiales inorgánicos como la cerámica y el vidrio
- Plástico (por ejemplo, Kapton)
- Resinas, barnices y siliconas
- Cintas adhesivas vulcanizadas
- Mica
- Textiles y fibras (por ejemplo, Nomex)
- Elastómeros y materiales similares al caucho (por ejemplo, PVC, MDPE, XLPE)
Cada tipo de material dieléctrico sólido tiene sus propias propiedades físicas, eléctricas y térmicas que lo hacen adecuado para un tipo de aplicación diferente. Algunos son obviamente más flexibles, duraderos, absorben más o menos humedad y tienen diferentes propiedades de aislamiento térmico.
Dieléctricos Líquidos
Uno de los usos más comunes de los dieléctricos líquidos es el aislamiento y la refrigeración de transformadores, reactores, condensadores y reóstatos (resistencias variables utilizadas para controlar las corrientes).
Los dieléctricos en forma líquida se utilizan para prevenir o ralentizar las descargas eléctricas. La principal desventaja de muchos dieléctricos líquidos es que son altamente inflamables.
Si bien se han probado alternativas al aceite mineral, como los bifenilos policlorados (PCB), estos son altamente tóxicos y se prohibieron en la década de 1970. Otros dieléctricos líquidos, como los aceites de silicona y fluorocarbono, son muy caros.
Los ejemplos de materiales dieléctricos líquidos son:
- Hidrocarburos de aceite mineral
- Fluidos de silicona
- Ésteres sintéticos
Dieléctricos de Gas
Los dieléctricos de gas se usan comúnmente en transformadores sellados, interruptores de voltaje, disyuntores y transformadores con aislamiento de gas (GIT).
El gas aislante más común, el hexafluoruro de azufre, tiene un alto contenido de flúor, que es excelente para apagar la descarga y tiene buenas propiedades de enfriamiento.
Sin embargo, la descomposición puede producir decafluoruro de disulfuro, que es altamente tóxico.
Algunos dieléctricos de gas son:
- Hexafloruro de azufre
- Nitrógeno
- Aire seco
- Dióxido de carbono
- Hidrógeno
Diferencia entre Dieléctrico y Aislante
Los dieléctricos se confunden a menudo con los aislantes, aunque hay diferencias entre estos tipos de materiales. Por ejemplo, todos los dieléctricos son aislantes, pero no todos los aislantes son dieléctricos.
El aislante suele implicar una baja conductividad eléctrica. Sin embargo, el término dieléctrico se suele utilizar para designar el material con una polarizabilidad superior. Se expresa numéricamente mediante la permitividad relativa.
El aislante indica la obstrucción eléctrica, mientras que el dieléctrico indica la capacidad de un material para almacenar energía (por medio de la polarización).
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 |
Aplicaciones de los Materiales Dieléctricos
Los materiales dieléctricos se utilizan en numerosas aplicaciones:
- Por su capacidad de almacenar cargas, se utilizan sobre todo para el almacenamiento de energía en condensadores y para construir líneas de transmisión de radiofrecuencia.
- Los materiales dieléctricos de alta permeabilidad 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 aislantes.
- Los dieléctricos también se utilizan en pantallas de cristal líquido, osciladores de resonancia y dispositivos de microondas sintonizables.
- En algunas aplicaciones, los dieléctricos especialmente tratados sirven como equivalente electrostático de los imanes.