Las cargas interactúan entre sí en diferentes medios con distintas fuerzas, que se rigen por la ley de Coulomb. Una cantidad llamada constante dieléctrica determina las propiedades de estos medios.
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Cuál es la permitividad dieléctrica
Según Ley de Coulombhay dos cargas estacionarias puntuales q1 y q2 en el vacío interactúan con la fuerza dada por la fórmula Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), donde:
- Fcl - es la fuerza de Coulomb, N;
- q1, q2 - módulos de las cargas, kl;
- r es la distancia entre las cargas, m;
- ε0 - constante eléctrica, 8,85*10-12 F/m (Farad por metro).
Si la interacción no tiene lugar en el vacío, la fórmula incluye otra cantidad que determina el efecto de la sustancia sobre la fuerza de Coulomb, y la notación de la ley de Coulomb es la siguiente
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Esta cantidad se designa con la letra griega ε (épsilon) y es adimensional (no tiene unidad de medida). La constante dieléctrica es el coeficiente de atenuación de la interacción de las cargas en la materia.
A menudo, en física, la constante dieléctrica se utiliza junto con la constante eléctrica, en cuyo caso es conveniente introducir el concepto de constante dieléctrica absoluta. Esto se denota por εa y es igual a εa= ε* ε. En este caso la permeabilidad absoluta está en la dimensión F/m. La permeabilidad normal ε se llama también permeabilidad relativa para distinguirla de εa.
La naturaleza de la permitividad dieléctrica
La naturaleza de la permitividad dieléctrica se basa en el fenómeno de la polarización bajo la acción de un campo eléctrico. La mayoría de las sustancias son en general eléctricamente neutras, aunque contienen partículas cargadas. Estas partículas están dispuestas de forma caótica en una masa de materia y sus campos eléctricos se neutralizan por término medio.
Los dieléctricos contienen principalmente cargas ligadas (llamadas dipolos). Estos dipolos son convencionalmente haces de dos partículas disímiles que se orientan espontáneamente a lo largo del espesor del dieléctrico y crean en promedio una intensidad de campo eléctrico nula. Bajo la acción de un campo externo, los dipolos tienden a orientarse según la fuerza aplicada. Esto crea un campo eléctrico adicional. En los dieléctricos no polares se producen fenómenos similares.
Los conductores funcionan de forma similar, pero tienen cargas libres que están separadas por un campo externo y pueden producir un campo eléctrico propio. Este campo se dirige contra el campo externo, blindando las cargas y reduciendo la fuerza de su interacción. Cuanto mayor sea la capacidad de polarización de una sustancia, mayor será ε.
Constante dieléctrica de diferentes sustancias
Diferentes sustancias tienen diferentes permitividades dieléctricas. El valor de ε para algunos de ellos se muestra en la Tabla 1. Obviamente, estos valores son mayores que la unidad, por lo que la interacción de las cargas, en comparación con el vacío, siempre disminuye. También es necesario notar, que para el aire ε es un poco más que la unidad, por lo tanto la interacción de las cargas en el aire prácticamente no difiere de la interacción en el vacío.
Tabla 1. Valores de permeabilidad eléctrica para diferentes sustancias.
| Sustancia | Permitancia |
|---|---|
| Baquelita | 4,5 |
| Papel | 2,0..3,5 |
| Agua | 81 (a +20°C) |
| Aire | 1,0002 |
| Germanio | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Madera | 2.7..7.5 (varios grados) |
| Cerámica Radio cerámica | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Vidrio | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Poliestireno | 2,5 |
| Cloruro de polivinilo | 3 |
| Fluoroplástico | 2,1 |
| Ámbar | 2,7 |
Constante dieléctrica y capacidad de un condensador
Conocer el valor de ε es importante en la práctica, por ejemplo, en el diseño de condensadores eléctricos. Su capacitancia depende de las dimensiones geométricas de los insertos, la distancia entre ellos y la constante dieléctrica del dieléctrico.
Si quieres hacer un condensador un condensador Si los electrodos tienen una mayor capacitancia, el aumento del área de las cubiertas aumenta el tamaño. También existen limitaciones prácticas para reducir la distancia entre los electrodos. En este caso, el uso de un aislante con una mayor constante dieléctrica puede ayudar. Si se utiliza un material con un ε más alto, se puede reducir el tamaño de los electrodos o aumentar la distancia entre ellos sin perder capacidad eléctrica.
Otra categoría de materiales es la de los ferroeléctricos, que pueden presentar una polarización espontánea en determinadas condiciones. Se caracterizan por dos cosas en el ámbito que nos ocupa:
- grandes valores de permitividad dieléctrica (los valores típicos van de cientos a varios miles);
- la capacidad de controlar el valor de la permitividad dieléctrica cambiando el campo eléctrico externo.
Estas propiedades se utilizan para fabricar condensadores de gran capacidad (mediante el aumento de la constante dieléctrica del aislante) con dimensiones reducidas.
Estos dispositivos sólo funcionan en circuitos de corriente alterna de baja frecuencia: al aumentar la frecuencia, su constante dieléctrica disminuye. Otra aplicación de los ferroeléctricos son los condensadores variables, cuyas características cambian bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado con parámetros variables.
Permisividad dieléctrica y pérdidas dieléctricas
Las pérdidas dieléctricas, la parte de la energía que se pierde en el dieléctrico en forma de calor, también dependen de la constante dieléctrica. El parámetro tg δ, la tangente del ángulo de pérdida dieléctrica, se utiliza habitualmente para describir estas pérdidas. Caracteriza la potencia de las pérdidas dieléctricas en un condensador en el que el dieléctrico está hecho de un material con un tg δ disponible. Y la pérdida de potencia específica para cada sustancia se define por la fórmula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, donde
- p es la potencia específica de pérdida, W;
- ώ=2*π*f - frecuencia circular del campo eléctrico;
- E - intensidad del campo eléctrico, V/m.
Es obvio que cuanto mayor sea la permitividad dieléctrica, mayores serán las pérdidas en el dieléctrico, en igualdad de condiciones.
Dependencia de la permitividad dieléctrica de factores externos
Hay que tener en cuenta que el valor de la permitividad dieléctrica depende de la frecuencia del campo eléctrico (en este caso, de la frecuencia de la tensión aplicada a las tiras). Al aumentar la frecuencia, el valor de ε para muchas sustancias disminuye. Este efecto es pronunciado para los dieléctricos polares. Este fenómeno se explica porque las cargas (dipolos) ya no tienen tiempo de seguir el campo. En las sustancias que se caracterizan por la polarización iónica o electrónica, la dependencia de la frecuencia de la constante dieléctrica es pequeña.
Por eso es tan importante la elección de los materiales para fabricar el dieléctrico de un condensador. Lo que funciona a bajas frecuencias no necesariamente producirá un buen aislamiento a altas frecuencias. La mayoría de las veces, los dieléctricos no polares se utilizan como aislantes a altas frecuencias.
La constante dieléctrica también depende de la temperatura y varía de una sustancia a otra. En los dieléctricos no polares, disminuye al aumentar la temperatura. En este caso se habla de coeficiente de temperatura de capacitancia (TKE) negativo para los condensadores fabricados con dicho aislante La capacitancia disminuye con el aumento de la temperatura después de ε. En otras sustancias, la permeabilidad aumenta con el incremento de la temperatura, y se pueden obtener condensadores con una TKE positiva. Emparejando condensadores con TKEs opuestas, se puede obtener una capacitancia termoestable.
Entender y conocer la constante dieléctrica de varias sustancias es importante para fines prácticos. Y la capacidad de controlar el nivel de la constante dieléctrica ofrece perspectivas técnicas adicionales.
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