¿Has notado cuántos de los aisladores están hechos de madera, plástico o vidrio? Pero ¿por qué es eso? Cuando utilizamos madera o plástico, ¿por qué no recibimos descargas eléctricas? ¿Por qué solo recibe descargas eléctricas severas de los cables metálicos? Veremos los dieléctricos, la polarización, la constante dieléctrica y más en este capítulo. También veremos algunas aplicaciones típicas y ejemplos de estos dieléctricos.
¿Qué es un dieléctrico?
Los materiales no conductores se conocen como dieléctricos. Son materiales aislantes y malos conductores de corriente eléctrica. Los materiales dieléctricos pueden mantener una carga electrostática mientras pierden muy poca energía en forma de calor. La mica, los plásticos, el vidrio, la porcelana y otros rusts metálicos son ejemplos de dieléctricos. También es importante tener en cuenta que incluso el aire seco es dieléctrico.
Clasificación de los dieléctricos
Los dieléctricos son de dos tipos:
- Moléculas polares: Las moléculas polares son esos tipos de dieléctricos en los que las posibilidades de colisión de moléculas positivas y negativas son nulas o nulas. Esto se debe a que todos tienen una forma asimétrica. H 2 O, CO 2 , NO 2 y otros gases son ejemplos. Cuando no hay campo eléctrico, el momento dipolar eléctrico de estas moléculas se mueve en una dirección impredecible. El momento dipolar promedio es 0 como resultado de esto. Si hay un campo eléctrico externo, las moléculas se ensamblarán en la misma dirección que el campo eléctrico.
- Molécula no polar: A diferencia de las moléculas polares, el centro de carga positiva y negativa en las moléculas no polares no coincide, es decir, cero. Ya no hay ningún momento dipolar persistente (o inherente) en la molécula. Los ejemplos incluyen O 2 , N 2 , H 2 y otros.
Momento dipolar eléctrico inducido
Cuando se aplica un campo eléctrico externo a una molécula no polar, todos los protones se mueven en la misma dirección que el campo eléctrico, mientras que los electrones se mueven en la dirección opuesta. Este proceso continuará a menos que las presiones internas estén equilibradas debido a la existencia de un campo eléctrico. Esto da como resultado la formación de dos centros de carga. Los llamamos dipolo eléctrico inducido porque están polarizados. El momento dipolar eléctrico inducido es el momento dipolar.
polarizabilidad
Cuando la materia se expone a un campo eléctrico, tiene una propensión a desarrollar un momento dipolar eléctrico que es proporcional al campo aplicado. Debido a que la materia está formada por partículas fundamentales con carga eléctrica, como protones y electrones, es una propiedad de toda la materia.
Los electrones cargados negativamente y los núcleos atómicos cargados positivamente están sujetos a fuerzas opuestas y sufren una separación de carga cuando se exponen a un campo eléctrico. La constante dieléctrica y, a altas frecuencias (ópticas), el índice de refracción de un material está determinado por su polarizabilidad.
El campo aplicado es proporcional al momento dipolar inducido y es independiente de la temperatura. Para un solo átomo polar, la dirección del momento dipolar inducido (x) es paralela a la dirección del campo eléctrico E. La polarizabilidad de un sistema ligado influye en su capacidad de respuesta dinámica a los campos externos.
También da información sobre la estructura interior de una molécula. La polarizabilidad en un sólido se define como el momento dipolar por unidad de volumen de la celda de cristal:
PAGS = ε 0 α mi
donde α es la polarizabilidad atómica y E es el campo eléctrico.
Su unidad SI es m3 y sus dimensiones son las mismas que su volumen.
polarización eléctrica
Cuando una losa dieléctrica se coloca en un campo eléctrico, la molécula adquiere un momento dipolar. En tales circunstancias, se dice que el dieléctrico está polarizado. La polarización eléctrica de una sustancia dieléctrica es el momento dipolar por unidad de volumen. P es el símbolo de polarización.
Constante dieléctrica
La constante dieléctrica es la relación entre la intensidad del campo eléctrico aplicado y la intensidad del valor reducido del condensador del campo eléctrico cuando se coloca una losa dieléctrica entre las placas paralelas. La fórmula es la siguiente:
ε r = mi 0 / mi
donde E 0 es el campo eléctrico aplicado, E es el campo neto y ε r es la constante dieléctrica.
Cuanto mayor sea la constante dieléctrica, mayor será la cantidad de carga que se puede retener. La capacitancia de un capacitor aumenta por un factor de la constante dieléctrica cuando el espacio entre las placas se llena completamente con un dieléctrico. C = ε r C0, donde C0 es la capacitancia entre las placas sin dieléctrico.
Resistencia dieléctrica
La rigidez dieléctrica del material aislante es la fuerza de campo eléctrico más alta que puede tolerar intrínsecamente sin perder sus características aislantes.
polarización dieléctrica
La polarización dieléctrica ocurre cuando se aplica un campo eléctrico externo a una sustancia dieléctrica. Cuando se aplica un campo eléctrico, provoca el desplazamiento de cargas (tanto positivas como negativas). El objetivo principal de la polarización dieléctrica es conectar características macroscópicas y microscópicas.
En el caso de los cristales piezoeléctricos, la polarización se produce por la acción de un campo eléctrico u otras variables externas, como la tensión mecánica. Los materiales sólidos que acumulan carga eléctrica se conocen como cristales piezoeléctricos.
Dieléctrico En los cristales piroeléctricos, la polarización también puede ocurrir espontáneamente, especialmente en los ferroeléctricos. La ferroelectricidad es una característica de algunos materiales en los que la polarización eléctrica espontánea puede invertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico.
La fórmula para la polarización se da como:
PAGS = ε 0 χ mi mi = ε 0 (ε r – 1) mi
donde P es la polarización, χ e es la susceptibilidad y E es el campo eléctrico.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: El campo eléctrico dentro del condensador es de 50 V/m y la constante dieléctrica = 4,5. ¿Qué es la polarización?
Responder:
Dado:
Constante dieléctrica, ε r = 4,5
Campo eléctrico, E = 50 V/m
Susceptibilidad, χ e = ε r − 1 = 4,5 − 1 = 3,5
Polarización, P = χ e E
= 3,5 × 50
= 175 C/ m2
Por lo tanto, la polarización es de 175 C/m 2 .
Pregunta 2: ¿Qué es la polarización dieléctrica?
Responder:
Cuando se aplica un campo eléctrico externo a un material, la polarización dieléctrica es el término utilizado para describir su comportamiento. Un campo eléctrico aplicado externamente hace que se desarrolle un momento dipolar en un material aislante, lo que se conoce como polarización dieléctrica.
Cuando una corriente interactúa con una sustancia dieléctrica (aislante), el material dieléctrico cambia su distribución de carga, con cargas positivas alineadas con el campo eléctrico y cargas negativas alineadas con el campo eléctrico. Los componentes importantes del circuito, como los condensadores, pueden fabricarse utilizando esta reacción.
Pregunta 3: La constante dieléctrica relativa del poliestireno es 3,5. ¿Cuál es la polarización que se produce cuando una lámina de poliestireno de 1,5 mm de espesor se somete a 240 V?
Responder:
Dado que,
Constante dieléctrica,
r = 3,5
ε 0 = 8,85 × 10 −12 C / V metro
Espesor, d = 1,5 mm = 1,5 × 10 −3 m
Voltaje, V = 240 V
Campo eléctrico, E = V/d
= 240 / (1,5 × 10 -3 )V/m
= 1,6 × 10 5 V/m
Polarización, P = ε 0 (ε r − 1) E
= 8,85 × 10 −12 × (3,5 – 1) × 1,5 × 10 5 C/m 2
= 3,32 × 10 −6 C/m 2
Por tanto, la polarización que se produce en el poliestireno es de 3,32 × 10 −6 C/m 2 .
Pregunta 4: ¿Explicar los aisladores y sus propiedades?
Responder:
Los aislantes son materiales que dificultan que las cargas eléctricas fluyan libremente. Los electrones de la capa externa están firmemente ligados al núcleo en los átomos de tales sustancias. Estos productos químicos tienen una alta impedancia al paso de la electricidad porque carecen de portadores de carga gratuitos. El vidrio, el diamante, la porcelana, el plástico, el nailon, la madera, la mica y otros no metales son aislantes.
Propiedades:
- Los aisladores tienen una conductividad pobre y una alta resistencia.
- Sus átomos contienen electrones que están firmemente unidos y no migran por toda la sustancia.
- Una corriente no puede fluir fácilmente porque los electrones están estancados y no se mueven libremente.
Pregunta 5: ¿Qué son los materiales dieléctricos?
Responder:
Los materiales dieléctricos son materiales aislantes que son malos conductores de la corriente eléctrica. Cuando se coloca un dieléctrico en un campo eléctrico, muestra un dipolo eléctrico, lo que significa que las entidades con carga eléctrica positiva y negativa están separadas a nivel molecular o atómico. Los condensadores, las líneas eléctricas y las bases de los interruptores de aislamiento eléctrico, y los receptáculos de luz, los emplean.