Materiais dieléctricos Definición Propiedades e aplicacións
Un material dieléctrico defínese como un aillante eléctrico que pode polarizarse cando se lle aplica un campo eléctrico. Isto significa que cando se coloca un material dieléctrico nun campo eléctrico, non permite que as cargas eléctricas fluían a través del, pero en cambio, alínea os seus dípoles eléctricos internos (pares de cargas opostas) na dirección do campo. Esta alineación reduce o campo eléctrico xeral dentro do material dieléctrico e aumenta a capacidade dun condensador que o usa.
Como funcionan os materiais dieléctricos?
Para entender como funcionan os materiais dieléctricos, precisamos coñecer algúns conceptos básicos de electromagnetismo.
Un campo eléctrico é unha rexión do espazo onde unha carga eléctrica experimenta unha forza. A dirección do campo eléctrico é a dirección da forza sobre unha carga positiva, e a magnitude do campo eléctrico é proporcional á forza. Os campos eléctricos son creados por cargas eléctricas ou campos magnéticos en cambio.
Polarización eléctrica
A polarización eléctrica é a separación de cargas positivas e negativas dentro dun material debido a un campo eléctrico externo. Cando un material está polarizado, desenvolve un momento dipolo eléctrico, que é unha medida de cantas as cargas están separadas e como están alinadas. O momento dipolo eléctrico dun material é proporcional á súa susceptibilidade magnética, que é unha medida de quen facilidade pode ser polarizado.
Capacidade
A capacidade é a capacidade dun sistema para almacenar carga eléctrica. Un condensador é un dispositivo que consiste en dúas condutores (placas) separadas por un aillante (dieléctrico). Cando se aplica unha tensión entre as placas, crea un campo eléctrico entre elas, e as cargas acumúlanse en cada placa. A capacidade dun condensador é proporcional á área das placas, inversamente proporcional á distancia entre elas, e directamente proporcional á constante dieléctrica do aillante.
Propiedades dos materiais dieléctricos
Algúnsas propiedades importantes dos materiais dieléctricos son:
Constante dieléctrica: Este é unha cantidade adimensional que indica cantísimo un material aumenta a capacidade dun condensador comparado con o vacío. Tamén chámase permitividad relativa ou razón de permitividad. A constante dieléctrica do vacío é 1, e a constante dieléctrica do aire é aproximadamente 1.0006. Materiais con altas constantes dieléctricas inclúen a auga (aproximadamente 80), o titanato de bario (aproximadamente 1200), e o titanato de estroncio (aproximadamente 2000).
Resistencia dieléctrica: Esta é o campo eléctrico máximo que un material pode soportar sen romperse ou volverse conductor. Mídese en voltios por metro (V/m) ou kilovoltios por milímetro (kV/mm). A resistencia dieléctrica do aire é aproximadamente 3 MV/m, e a resistencia dieléctrica do vidro é aproximadamente 10 MV/m.
Pérdida dieléctrica: Esta é a cantidade de enerxía que se disipa como calor cando se aplica un campo eléctrico alternativo a un material. Mídese polo tangente de perda ou factor de dissipación, que é a razón da parte imaxinaria á parte real da permitividad complexa. A perda dieléctrica depende da frecuencia e temperatura do campo eléctrico, así como da estrutura e pureza do material. Materiais con baixa perda dieléctrica son desexables para aplicacións que requiren alta eficiencia e baixo calentamento.
Tipo e exemplos de materiais dieléctricos
Os materiais dieléctricos poden clasificarse en diferentes tipos baseados na súa estrutura molecular e mecanismo de polarización. Algúns tipos comúns e exemplos son:
Vacío: Este é a ausencia de materia e, polo tanto, non ten polarización. Ten unha constante dieléctrica de 1 e non ten perda dieléctrica.
Gases: Estes están compostos por átomos ou moléculas que están lixeiramente ligadas e poden moverse libremente. Teñen constantes dieléctricas baixas (próximas a 1) e baixas perdas dieléctricas. Exemplos inclúen o aire, o nitróxeno, o helio e o hexafluoruro de azufre.
Líquidos: Estes están compostos por moléculas que están máis fortemente ligadas que os gases pero que aínda poden moverse. Teñen constantes dieléctricas superiores aos gases (que van desde 2 ata 80) e maiores perdas dieléctricas. Exemplos inclúen a auga, o óleo do transformador, o etanol e a glicerol.
Sólidos: Estes están compostos por átomos ou moléculas que están fortemente ligados en posicións fixas. Teñen constantes dieléctricas superiores aos líquidos (que van desde 3 ata 2000) e maiores perdas dieléctricas. Exemplos inclúen o vidro, as cerámicas, os plásticos, a borracha, o papel, a mica e o cuarzo.
Aplicacións dos materiais dieléctricos
Os materiais dieléctricos teñen moitas aplicacións en diversos campos da ciencia e da enxeñaría. Algúns exemplos son:
Condensadores: Estes son dispositivos que almacenan carga eléctrica e enerxía usando materiais dieléctricos entre dous conductores. Os condensadores úsanse para filtrar, suavizar, temporizar, acoplar, decoplar, sintonizar, detectar e converter enerxía en circuitos electrónicos.
Aillantes: Estes son materiais que evitan que a corrente eléctrica flue a través delos usando a súa alta resistencia e a súa alta resistencia dieléctrica. Os aillantes úsanse para protexer, aislar, sostener e separar componentes eléctricos e fíos.
Transductores: Estes son dispositivos que convierten unha forma de enerxía noutra usando materiais dieléctricos que exhiben piezoelectricidade ou electroestriction. A piezoelectricidade é a propiedade de algúns materiais de xerar tensión eléctrica cando están sometidos a estrés mecánico ou viceversa. A electroestriction é a propiedade de algúns materiais de cambiar a súa forma ou tamaño cando están sometidos a un campo eléctrico ou viceversa. Os transductores úsanse para xerar, detectar, medir e controlar ondas sonoras, ondas ultrasonoras, vibracións, presión, forza, desprazamento, temperaturas, etc.
Dispositivos fotónicos: Estes son dispositivos que manipulan ondas de luz usando materiais dieléctricos que exhiben propiedades ópticas como refracción, reflexión, absorción, dispersión, birrefringencia, etc. Os dispositivos fotónicos úsanse para transmitir, recibir, modular, conmutar, filtrar, amplificar, dividir, combinar, almacenar, procesar, mostrar, imaxinar, detectar, etc., e sinais de luz.
Dispositivos de memoria: Estes son dispositivos que almacenan información usando materiais dieléctricos que exhiben
