Dielectricos

definición, concepto y aplicación de materiales Dieléctricos. física III

1. DIELECTRICOS GRUPO: 2 CURSO: FISICA III DOCENTE: MSC . OPTACIANO VÁSQUEZ GARCIA INTEGRANTES: BLAS ROJAS, P.ALFREDO GUERRERO ROSALES, KARINA SOSA ROBLES, TATIANA TUYA CONDOR, JHONATAN MENDEZ SALCEDO, JHON

2. INTRODUCCION Se denomina dieléctrico al material mal conductor de electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante eléctrico . Este material si es sometido a un campo eléctrico externo, puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes con los que suelen confundirse. Todos los materiales dieléctricos son aislantes, pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos.

3. Los dieléctricos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos, cada uno de estos materiales tienen diferente constante dieléctrica, Siendo los más altos los sólidos y más bajas los gases. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y en cuanto a los gases el aire, el nitrógeno, etc . A continuación, podemos nombrar algunas aplicaciones de los dieléctricos: por ejemplo, los derivados acrílicos y el caucho butílico, se pueden utilizar como aislante, selladores para condensadores y accesorios.

4. OBJETIVOS -Explicar la importancia de los dieléctricos -Detallar la diferencia entre dieléctricos y aislantes eléctricos. -Proporcionar la importancia de los dieléctricos para la seguridad de la población. MARCO TEORICO Un dieléctrico se caracteriza por presentar un volumen sin cargas libres. En estos materiales los electrones permanecen ligados a los átomos o moléculas a los cuales ellos pertenecen. Podemos considerar dentro de estos materiales al vacío, al vidrio, la mica y ciertos plásticos cuyos enlaces químicos mantienen todos los electrones ligados a sus átomos.

5. TIPOS DE DIELÉCTRICOS DIELÉCTRICOS SOLIDOS Los dieléctricos solidos son los dieléctricos más de uso general de la ingeniería eléctrica y muchos solidos son aislantes muy buenos. Ejemplos: Porcelana cristal Papel Goma DIELECTRICOS GASEOSOS Por su naturaleza el aire, nitrógeno y hexafluoruro del sulfuro son los tres dieléctricos gaseosos más de uso general. Estos gases aislantes transformadores son generalmente de construcción sellada DIELÉCTRICOS LÍQUIDOS Las propiedades físicas de los dieléctricos líquidos como el peso específico, conductividad térmica, viscosidad dependen de su naturaleza, Es decir, además estar ligada a factores externos como la humedad, generalmente reducen su valor, degradando la característica importante.

6. CAPACITORES CON MATERIAL DIELECTRICO El siguiente experimento muestra el efecto que causa un dieléctrico en un capacitor de placas paralelas que, sin dieléctrico, tiene una carga y una capacitancia . La diferencia de potencial en las terminales del capacitor es esta situación se ilustra en la siguiente figura (parte a). La diferencia de potencial se mide con un voltímetro. Observe que en la figura no hay batería, también, se debe suponer que a través de un voltímetro ideal no debe fluir carga alguna. De lo anterior, se concluye que no existe trayectoria por la cual pueda fluir la carga y modificar la misma en el capacitor. Si ahora se inserta un material dieléctrico entre las placas, como se observa en la figura (parte b), el voltímetro indica que el voltaje entre las placas disminuye un valor .       =  

7. Los voltajes con y sin dieléctrico están relacionados mediante el factor k como sigue: Donde k es la constante dieléctrica del material, y cuyo valor varia de un material a otro. Ya que la carga en el capacitor no cambia, la capacitancia debe cambiar al valor :   Es decir, la capacitancia aumenta en un factor k cuando el material dieléctrico llena por completo la región entre placas . En el caso de un capacitor de placas paralelas, donde se expresa la capacitancia cuando el capacitor está lleno de material dieléctrico como sigue : Los capacitores físicos tienen una especificación que se conoce mediante una gran diversidad de nombres, incluyendo voltaje de servicio, voltaje de ruptura y tensión nominal. Este parámetro representa el voltaje más elevado que se puede aplicar al capacitor sin exceder la resistencia dieléctrica del material dieléctrico en el capacitor. En consecuencia, cuando seleccione un capacitor para una aplicación determinada, es necesario considerar la capacitancia, así como el voltaje esperado a través del capacitor en el circuito y asegurarse de que el voltaje esperado sea inferior que el voltaje nominal del capacitor.

8. Ejemplo: Un capacitor de placas paralelas se elabora con material dieléctrico cuya constante dieléctrica es 3.00 y cuya resistencia dieléctrica es 2.00x10^8 V/m. La capacitancia deseada es de 0.250 uF y el capacitor debe resistir una diferencia de potencial máxima de 4.00 kV . Determine el área mínima de las placas de dicho capacitor.

9. La energía potencial electrostática almacenada en un condensador procede del trabajo necesario para colocar las cargas en las dos placas . Sea un condensador de capacidad C con una  V El trabajo para pasar un dq de la placa negativa a la positiva: La energía total será: ENERGIA ELECTRICA ALMACENADA

10. • Incrementa la capacitancia. • Incrementa el voltaje máximo de operación. • Proporciona un posible soporte mecánico entre las placas , lo que permite que estén cerca una de la otra sin tocarse, así reduce d y aumenta C . FUNCIONES DE UN DIELÉCTRICO

11. MODELO ATÓMICO DE UN DIELÉCTRICO En un dieléctrico, todas las cargas eléctricas del material son cargas ligadas. Las cargas ligadas son las responsables de la interacción del material con el campo eléctrico en el dieléctrico. MODELO ATÓMICO SIMPLE Una carga puntual positiva rodeada por una distribución esférica de carga negativa se polariza en presencia de un campo eléctrico: La presencia del campo eléctrico polariza el átomo. El átomo o molécula adquiere un momento dipolar p.

12. EFECTOS DE UN DIELÉCTRICO Sea un condensador de capacidad cargado y desconectado de la batería (aislado). Se mide la diferencia de potencial entre placas: Se coloca un dieléctrico entre las placas y se mide de nuevo la diferencia de potencial:  V < .   INTERPRETACIÓN: El campo eléctrico entre las placas ha disminuido . Para campos antes de introducir el dieléctrico: El campo con el dieléctrico se calcula : La diferencia de potencial se calcula : La capacidad :   INTERPRETACION: El dieléctrico aumenta la capacidad del condensador EFECTO DE UN DIELÉCTRICO SOBRE LA CAPACIDAD

13. CONSTANTE DIELÉCTRICA (k): Es adimensional Es siempre  ≥ 1 Depende del dieléctrico si es una propiedad del material. Para un condensador plano relleno de dieléctrico:   Donde La permitividad del dieléctrico es:   LAS MOLÉCULAS DE UN DIELÉCTRICO SE CLASIFICAN EN: POLARES: NO POLARES:

14. POLARES: No presentan simetría. El centro de la carga negativa no coincide con la de la carga positiva. Debido a esto es que tienen un momento dipolar permanente. Ejemplos: , , CO. Cuando existe la presencia de un campo externo ( ) ,el torque sobre las moléculas originan, que se alineen con el campo aplicado. Sin embargo; La alineación molecular da lugar a la aparición de un campo eléctrico interno que es opuesto al campo exterior y de magnitud menor.   Molécula de agua Dieléctrico sin campo externo Dieléctrico en el interior de un campo externo

15. NO POLARES : Los centros de las cargas positivas y negativas coinciden tal que el momento dipolar neto es cero. Ejemplo: , , . Cuando se le aplica un campo eléctrico externo se polarizan. Las moléculas que forman el sólido no tienen un momento dipolar permanente .   El campo induce cargas superficiales en las izquierda y derecha y como tal aparece un campo eléctrico en dirección opuesta a ,siendo:   Figura (a) Dieléctrico no polar sin campo externo (b): dieléctrico polar en el interior de un campo externo .      

16. POLARIZACION Definimos la polarización de un material como el momento dipolar por unidad de volumen, recordando que el momento dipolar total de una distribución de cargas viene dado por la ecuación:     Siendo el vector de posición de la carga . El vector es independiente del origen siempre que el sistema sea neutro   Se muestra como ejemple el momento dipolar de la molécula de agua .

17. La siguiente ecuación y figura explicitan el campo eléctrico a una distancia generado por un momento dipolar puntual .     Las ecuaciones de Maxwell usando la polarización se escriben como: CONTRIBUCIONES A LA POLARIZABILIDAD Tradicionalmente se distinguen tres mecanismos básicos que pueden contribuir a la polarización y que están esquematizados. polarización electrónica, Polarización iónica polarización polar .

18. Polarización electrónica Desplazamiento de la nube de electrones con respecto al núcleo formando un dipolo Polarización iónica Desplazamiento de un ion con relación a otros de distinto signo induciéndose un dipolo Polarización dipolar: cambio de orientación de los dipolos permanentes de las moléculas al aplicar un campo eléctrico

19. CARGA DE POLARIZACIÓN Sea un condensador plano y aislado en el que se introduce un dieléctrico: él campo eléctrico total es la superposición del campo creado por las cargas libres ( dos planos infinitos con ) y las de polarización (dos planos infinitos con   El dieléctrico debilita el campo dentro del condensador aislado, pero no lo anula ni lo invierte Si  =1 (vacío), =0: no hay carga de polarización (lógico)  

20. RUPTURA DIELÉCTRICA Si el campo eléctrico al que se ve sometido un dieléctrico supera un valor crítico , las corrientes eléctricas, normalmente muy pequeñas, se incrementan rápidamente dando lugar a la ruptura dieléctrica del materia.   Se distinguen cuatro mecanismos principales de ruptura dieléctrica: Ruptura electrónica El origen de la inestabilidad es el propio campo eléctrico que provoca ya sea el aumento de la movilidad de los portadores o el incremento en el número de portadores mediante procesos de ionización atómica seguidos de procesos de avalancha. Ruptura térmica Se caracteriza por un aumento de temperatura del material debido a que el calor disipado por la muestra es menor que el calor producido por efecto Joule de las corrientes de fuga al aplicar el campo eléctrico. la condición de ruptura, depende del equilibrio entre la velocidad con la que se genera el calor y la velocidad con la que este es disipado. Ruptura iónica El proceso se inicia por un movimiento de los iones de la red bajo la acción de los fuertes campos aplicados Ruptura por descargas de gas El gas se ioniza primero provocando la inyección de electrones energéticos en el material y acelerando el proceso de ruptura.

21. APLICACIONES DE LOS DIELÉCTRICOS Los materiales dieléctricos pueden ser solidos líquidos o gases, se mencionan algunos y sus aplicaciones. MATERIAL   APLICACIONES -derivados acrílicos -caucho butílico, natural, epdm   condensadores, aislantes, cables y accesorios, selladores para condensadores. -derivados de la celulosa -siliconas, poliésteres, poliuretanos -caucho: thiokol, neopreno   condensadores, aislantes, selladores, chasis antiestático, accesorios. -pvc, pvdf, fenol-formaldehido -cauchos: buna n, clorsulfonado.   cable flexible y rígido, selladores, condensadores, tarjetas impresas y accesorios. -vidrios y boro silicatos de: na, k, ca, mg, etc.   soporte aislante, aislante de alta tensión y baja frecuencia.   -micas, óxidos de be, al, ta, zr -cerámica aluminosa y silicatos. condensadores y resistencias cerámicas, aislantes de alta potencia.   -fosfato acido de potasio -tartrado sódico-potasico. ferroelectricos para sensores acústicos, mecánicos, térmicos, acoplador, sintonizador y resonador electromagnético.  

22. LA PORCELANA Los materiales cerámicos se utilizan en gran variedad de aplicaciones eléctricas y electrónicas. MATERIALES CERÁMICOS PARA CONDENSADORES: Los materiales cerámicos se usan como materiales dieléctricos para condensadores de disco cerámicos, siendo el tipo de condensador cerámico más usual

23. EL POLICARBONATO El policarbonato viene siendo usado en una gran variedad de campos por gran resistencia a los impactos, a la temperatura (125°C ). EL POLIÉSTER (C 10 H 8 O 4 ) El poliéster es un material dieléctrico, muy resistente a la humedad, a los productos químicos y a las fuerzas mecánicas

24. CONCLUSIONES Los materiales dieléctricos son empleados principalmente como aislantes . Los materiales solidos tienen mayor constante dieléctrica que los gases. No se debe confundir materiales dieléctricos con los aislantes. RECOMENDACIONES No aplicar mayor voltaje al especificado en un capacitor, para así no exceder la resistencia dieléctrica del material dieléctrico. Cuando seleccione un capacitor para una aplicación determinada, es necesario considerar la capacitancia así como el voltaje esperado a través del capacitor en el circuito y asegurarse de que el voltaje esperado sea inferior que el voltaje nominal del capacitor . Antes de someter un material a una carga eléctrica, verificar la constante dieléctrica del material para prevenir algún accidente.

25. GRACIAS