¿Cuáles son las Propiedades Dieléctricas de los Materiales Aislantes?

¿Cuáles son las propiedades dieléctricas de los materiales aislantes?

Definición de dieléctrico

Un dieléctrico se define como un material que no conduce electricidad pero puede almacenar energía eléctrica, mejorando la funcionalidad de dispositivos como los condensadores.

Voltaje de ruptura

El material dieléctrico solo tiene algunos electrones en condiciones normales de operación. Cuando la intensidad del campo eléctrico aumenta más allá de un valor particular, ocurre la ruptura. Es decir, las propiedades aislantes se dañan y finalmente se convierte en conductor. La intensidad del campo eléctrico al momento de la ruptura se llama voltaje de ruptura o resistencia dieléctrica. Se puede expresar en el estrés eléctrico mínimo que resultará en la ruptura del material bajo ciertas condiciones.

Puede reducirse por envejecimiento, alta temperatura y humedad. Se expresa como:

Resistencia dieléctrica o voltaje de ruptura 

V → Potencial de ruptura.

t → Espesor del material dieléctrico.

Permitividad relativa

También se conoce como capacidad inductiva específica o constante dieléctrica. Esto nos proporciona información sobre la capacitancia del condensador cuando se utiliza el dieléctrico. Se denota como εr. La capacitancia del condensador está relacionada con la separación de las placas o, podemos decir, el espesor de los dieléctricos, el área transversal de las placas y el carácter del material dieléctrico utilizado. Un material dieléctrico con una alta constante dieléctrica es preferido para los condensadores.

Permeabilidad relativa o constante dieléctrica = 

Podemos ver que si sustituimos el aire por cualquier medio dieléctrico, la capacitancia (condensador) se mejorará.La constante dieléctrica y la resistencia dieléctrica de algunos materiales dieléctricos se muestran a continuación.

Factor de disipación, ángulo de pérdida y factor de potencia

Cuando a un material dieléctrico se le suministra corriente alterna, no se produce ninguna utilización de potencia. Esto se logra perfectamente solo con el vacío y los gases purificados. Aquí, podemos ver que la corriente de carga adelanta a la tensión aplicada en 90°, como se muestra en la figura 2A. Esto implica que no hay pérdida de potencia en los aislantes. Sin embargo, en la mayoría de los casos, hay una disipación de energía en los aislantes cuando se aplica corriente alterna. Esta pérdida se conoce como pérdida dieléctrica. En aislantes prácticos, la corriente de fuga nunca adelanta a la tensión aplicada en 90° (figura 2B). El ángulo formado por la corriente de fuga es el ángulo de fase (φ). Siempre será menor que 90. También obtendremos el ángulo de pérdida (δ) de esto como 90- φ.

El circuito equivalente se muestra a continuación con la capacitancia y la resistencia dispuestas en paralelo.

De esto, obtendremos la pérdida de potencia dieléctrica como

X → Reactancia capacitiva (1/2πfC)

cosφ → sinδ

En la mayoría de los casos, δ es pequeño. Por lo tanto, podemos tomar sinδ = tanδ.

Por lo tanto, tanδ se conoce como el factor de potencia de los dieléctricos.

Comprender las propiedades de los materiales dieléctricos es crucial para el diseño, fabricación, operación y reciclaje de estos aislantes, con evaluaciones que generalmente se realizan mediante cálculos y mediciones.