Materiales Dieléctricos

Electromagnetismo. Campo electromagnético. Ley Malus. Polarización, polarizador. Materiales conductores y dieléctricos. Condensadores

  • Enviado por: Raquel
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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Introducción

En este trabajo se aborda el estudio de los materiales dieléctricos que se caracterizan por ser prácticamente aislantes debido a que sus cargas, denominadas cargas ligadas, no tienen tanta libertad de movimiento como en los conductores. Estos materiales están compuestos por átomos y moléculas cuya distribución interna de cargas se modifica en presencia de un campo eléctrico, de manera que las cargas negativas se desplazan con respecto de las positivas dando lugar, a su vez, a la modificación del campo eléctrico.

Para el análisis de estos materiales será muy útil el concepto de dipolo eléctrico que caracterizaremos mediante una magnitud vectorial denominada momento dipolar

El paso siguiente es la representación de un material dieléctrico como un conjunto de dipolos elementales bien porque esté constituido por moléculas polares o bien porque, aun siendo no polares, se polarizan cuando el material se encuentra en presencia de un campo eléctrico

En función de lo anterior, se introduce una magnitud definida como el momento dipolar por unidad de volumen, que permite caracterizar un material dieléctrico desde el punto de vista eléctrico. Esta magnitud es la polarización eléctrica.

Se completa el estudio del campo eléctrico en presencia de materia con la aplicación del teorema de Gauss en dieléctricos. Para ello se aplica el mencionado teorema a un condensador con un dieléctrico entre palcas y se obtiene el campo eléctrico en el interior del dieléctrico como suma de dos contribuciones, una debida a las cargas libres y otra a las cargas ligadas.

Ahora bien, puesto que las cargas sobre las que se puede tener control en el laboratorio son las cargas libres, interesa definir un vector de campo que verifique que el flujo a través de una superficie cerrada dependa únicamente de las cargas libres, sin tener en cuenta el dieléctrico. Esto nos permite definir el vector desplazamiento eléctrico.

Considerando de nuevo el punto de vista microscópico, analizamos la dependencia de la polarización con el campo eléctrico. Los dieléctricos presentan, en ausencia de campo eléctrico, un momento dipolar neto nulo puesto que, aunque sus moléculas constituyentes sean polares, éstas estarán orientadas al azar. La aplicación de un campo eléctrico provocará la orientación de los dipolos en el caso de moléculas polares y la generación de dipolos de inducidos en las moléculas apolares debido al desplazamiento de las cargas. El resultado será una polarización distinta de cero. La polarización es, por tanto, una función del campo eléctrico y la magnitud que los relaciona se denomina susceptibilidad eléctrica.

Continuaremos con la permitividad dieléctrica que es la propiedad que describe el comportamiento de un dieléctrico en un campo eléctrico.

Para completar la descripción general de los dieléctricos desde el punto de vista macroscópica, se clasificarán atendiendo al comportamiento de la susceptibilidad en función del campo eléctrico: dieléctricos homogéneos, lineales y escalares.

1)Descripción macroscópica del comportamiento de los dieléctricos en presencia de campos electrostáticos externos.

1.1)Concepto de dipolo eléctrico. Vector momento dipolar:

El dipolo eléctrico se define como la agrupación de dos cargas puntuales iguales y de signo opuesto separadas por cierta distancia, generalmente del orden d las dimensiones atómicas. Uno de los aspectos más característicos de los dipolos eléctricos es que su comportamiento eléctrico esta determinado fundamentalmente por la magnitud del MOMENTO DIPOLAR, u, definido como:

U = q · d

Donde “q” es el valor absoluto de una de las cargas eléctricas y “d” representa el vector distancia dirigido desde la carga negativa hacia la carga positiva.

El interés por el estudio de los dipolos eléctricos también reside en que las agrupaciones de las cargas que constituyen la materia, cuando se encuentran en presencia de un campo eléctrico se comportan de forma aproximada a como lo harían los dipolos eléctricos, bajo la acción de dicho campo. Así el comportamiento dieléctrico de los medios materiales se reduce en un gran numero de casos al estudio de la interacción de un dipolo con otros dipolos vecinos, o con campos eléctricos alternos.

1.2)Polarización de un dieléctrico. Definición del vector polarización:

Vamos a estudiar cuál es el efecto de un campo eléctrico sobre un dieléctrico, comenzando por precisar que existen dos tipos de sustancias dieléctricas una de ellas caracterizada porque las cargas eléctricas, en cada una de sus moléculas, se encuentran distribuidas simétricamente, de forma tal que el centro de simetría de las cargas positivas coincide con el centro de las cargas eléctricas negativas, llamándose estas moléculas no polares; mientras que el otro tipo está caracterizado porque la distribución de la electricidad en sus moléculas no es simétrica, es decir, que el centro de simetría de las cargas eléctrica positivas no coincide con el centro de simetría de las cargas eléctricas negativas y, por consiguiente cada molécula constituye un dipolo eléctrico y recibe el nombre de molécula polar.

Si suponemos que las moléculas no son polares e imaginamos que el dieléctrico se encuentra entre dos placas metálicas cargadas respectivamente de electricidad positiva y negativa, entonces la distribución de la electricidad pierde su simetría en todas sus moléculas, dirigiéndose las cargas eléctricas negativas hacia la parte superior y las cargas positivas hacia la parte inferior, de tal forma que cada molécula se convierte en un dipolo eléctrico. En estas condiciones decimos que el dieléctrico está polarizado.

En el caso de tratarse de moléculas polares, los dipolos eléctricos, que existen en cada molécula, en el caso de que no se encuentren en un campo eléctrico, están distribuidos con orientaciones distintas. Si ahora suponemos que el dieléctrico se encuentra en un campo eléctrico entonces las fuerzas del mismo dan lugar a un cambio de orientación de los dipolos que, sin embargo, no adquieren orientaciones paralelas, como ocurría anteriormente. No obstante, las cargas eléctricas negativas se encuentran siempre en la parte superior de los respectivos dipolos, mientras que las positivas se encuentran en la parte inferior.

Luego, tanto en un caso como en otro, en al parte próxima a la placa positiva la superficie del dieléctrico se encuentra cargada negativamente. Por otro lado, en el interior del dieléctrico las cargas eléctricas positivas de los dipolos se neutralizan con las negativas de los inmediatos, de manera que, en definitiva, la presencia del campo eléctrico da lugar a que en la superficie del dieléctrico existan cargas eléctricas; pero no varia la carga eléctrica total en el interior del mismo.

La polarización eléctrica de un material en una magnitud vectorial definida como el momento dipolar eléctrico por unidad de volumen. Por tanto, si “p” es el momento dipolar inducido en cada átomo o molécula y “n” el número de átomos o moléculas por unidad de volumen, la polarización es:

P = p · n

en general la polarización eléctrica tiene la misma dirección que el campo eléctrico aplicado.

1.3) Campo creado por un dieléctrico polarizado; densidades de carga superficial y volúmica de polarización. Vector desplazamiento.

Un dieléctrico polarizado tiene cargas sobre su superficie y, a menos que su polarización sea uniforme, también en su volumen. Estas cargas de polarización, sin embargo, estas cargas están ligadas a un átomo específico o a moléculas y no tienen libertad de moverse por el dieléctrico.

Consideremos un bloque de material dieléctrico situado entre dos placas conductoras paralelas, que tienen las mismas cargas libres pero de signo contrario. La densidad de carga superficial en la placa de la izquierda es +o libre y la de la derecha es -o libre. Estas cargas producen un campo eléctrico que polariza el bloque de modo que aparecen cargas de polarización en cada una de sus superficies. Estas cargas de polarización tienen signo contrario a las de la placa que está a su lado. Por tanto, las cargas de polarización del dieléctrico equilibran parcialmente a las cargas libres de las placas. Si P es la polarización del bloque, la densidad de carga superficial en la cara izquierda es o pol = - P , mientras en la derecha es o pol = + P. La densidad de carga superficial neta o efectiva es:

o = o libre + o pol ó o = o libre - P

con el resultado opuesto en el lado derecho. Estas cargas netas superficiales dan lugar a un campo eléctrico uniforme que está dado por E = o / Eo . Así, usando el valor efectivo de la o , tenemos:

E = 1 / Eo ·(o libre - P) ó o libre = Eo · E + P

Expresión que relaciona las cargas libres de la superficie de un conductor rodeado por un dielectrico con el campo eléctrico y la polarización de este. En el caso que estamos analizando E y P son vectores que tienen la misma dirección, pero en general sus direcciones pueden ser distintas. El resultado anterior sugiere la introducción de un nuevo campo vectorial, conocido como desplazamiento eléctrico y definido como:

D = Eo · E + P

1.4)Extensión de al ley de Gauss para los dieléctricos. Susceptibilidad eléctrica y constante dieléctrica. Relación entre campo externo y vector polarización a través de la susceptibilidad eléctrica (ecuación constitutiva ) . Materiales lineales, homogéneos e isótropos: clasificación en función del comportamiento de la susceptibilidad y la constante dieléctrica.

En general el vector de polarización resultante P es proporcional al campo eléctrico aplicado E. De aquí que se acostumbre escribir:

P =Eo · E · X

La magnitud X se conoce como susceptibilidad eléctrica del material. No tiene dimensiones. Para la mayoría de las sustancias es una cantidad positiva.

Para los casos en que la ecuación anterior es valida podemos escribir:

D = Eo · E + Eo · X · E = (1 + X) · Eo · E = E · E

donde el coeficiente

E = (1 + X) · Eo

Se conoce como permitividad eléctrica del medio y se expresa en las mismas unidades que Eo, es decir: m^-3 · Kg^-1 · s^2 · C^2.

Cuando la relación D = E · E es valida para un medio podemos escribir la ecuación como:

Qlibre = E · E · dS

Si E es constante:

E · dS = Qlibre / E

Al comparar esta ecuación con la ley de Gauss vemos que el efecto del dieléctrico en el campo eléctrico consiste en sustituir Eo por E , si sólo se toman en cuenta las cargas libres. Como usualmente E es mayor que Eo la presencia del dieléctrico reduce la interacción entre las cargas debido al efecto pantalla producido por la polarización de las moléculas del dieléctrico.

La susceptibilidad eléctrica, que describe la respuesta de un medio a la acción de un campo eléctrico externo, está relacionada con las propiedades de los átomos y moléculas del medio. Por esta razón la susceptibilidad eléctrica es diferente para campos eléctricos estáticos y oscilantes.

Dentro de la variedad de comportamientos de los dieléctricos reduciremos nuestra descripción a aquellos cuya polarización es aproximadamente lineal, es decir, proporcional al campo electroestático, y en la misma dirección de éste, lo cual significa que la proporcionalidad es la misma en todas las direcciones, o que el material es isotrópico. Normalmente se utilizan dieléctricos homogéneos, aunque sean varios, pero cada uno de ellos con características iguales en todos sus puntos. Dichas características se resumen en la susceptibilidad eléctrica.

2) Descripción microscópica del comportamiento de dieléctricos en presencia de campos electrostáticos externos.

2.1) Campo molecular en un dieléctrico

Moléculas polares; Son aquellas en las que el centro de distribución de cargas positivas y el de las negativas no coincide. Éstas bajo la acción de un campo eléctrico experimentan un par de fuerzas que tienden a orientarlas en el sentido del campo

Moléculas no polares; Son aquellas en las que coincide el centro de distribución de las cargas positivas y negativas. Las moléculas no polares, se hacen polares en presencia de un campo eléctrico, ya que las fuerzas sobre cada tipo de carga son iguales y de sentido contrario.

2.2)Contribución a la polarización de un material dieléctrico: Polarización inducida, polarización dipolar y polarización iónica.

Polarización inducida: Los procesos de polarización de tipo eléctrico e iónico son, en esencia, muy similares. La polarización electrónica se originase origina como consecuencia de la deformación elástica de la nube electrónica que rodea a los núcleos atómicos, mientras que la polarización iónica se debe al desplazamiento elástico de los iones que componen la molécula. En ambos casos se produce un dipolo inducido al aplicar el campo eléctrico, de donde resulta el nombre de POLARIZACIÓN INDUCIDA. Tratándose de cargas eléctricas su desplazamiento bajo la acción del campo es prácticamente instantáneo.

Polarización electrónica: Ésta surge como consecuencia del desplazamiento de la nube de los átomos o iones respecto del núcleo al aplicar un campo eléctrico. Este hecho hace que le centro de gravedad de la carga negativa se desplace respecto del centro de gravedad de la carga positiva, originándose como consecuencia un momento dipolar inducido (Uind).

Polarización Iónica: La polarización iónica está asociada a la variación del momento dipolar permanente formado por las parejas de iones de signo opuesto que componen una molécula. En el caso más general, esta variación puede consistir en el cambio de la distancia de equilibrio.

Polarización Dipolar: En ausencia de campo eléctrico las moléculas polares de un gas en equilibrio térmico están orientadas al azar. Al aplicar el campo eléctrico existe una orientación preferencial de los dipolos moleculares en la dirección del campo. A este tipo de polarización se le denomina polarización dipolar.

A diferencia de los otros mecanismos de polarización electrónica y atómica, la polarización dipolar depende fuertemente de la temperatura del sistema.

3) Otros comportamientos dielectricos:

Ferroeléctrico: que posee ferroelectricidad: existencia en determinados cristales, de una polarización eléctrica espontanea y permanente, reversible bajo la acción de un campo eléctrico exterior. (Este fenómeno, claramente manifiesto en la sal de Seignette, presenta analogías con le ferromagnetismo, lo que justifica su nombre. La ferroelectricidad desaparece habitualmente por encima de una temperatura, llamada temperatura de transición.) Tartrato potásico y sódico que fue obtenido por primera vez por Pierre Seignette, boticario de la Rochela.

Piroeléctrico: dotado de piroelectricidad: electricidad engendrada en un cuerpo por cambios de su temperatura. (Ciertos cristales hemiédricos, tales como la turmalina, la boracita, el topacio, el ácido tartárico, etc., se electrizan cuando se los somete a una variación de temperatura: una de las extremidades del eje principal se carga positivamente, y la otra negativamente.)

Piezoeléctrico: que presenta piezoelectricidad: fenómeno presentado por determinados cristales que adquieren una polarización en su masa y cargas eléctricas en su superficie al ser sometidos a tensiones mecánicas (efecto directo), y que se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico (efecto inverso).

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos, minerales u orgánicos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas. Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados)

Índice

1)descripción macroscópica del dieléctrico

1.1)concepto de dipolo eléctrico. Vector momento dipolar.

1.2)polarización de un dieléctrico. Definición del vector polarización.

1.3)Campo creado por un dieléctrico polarizado; densidades de carga superficial y volúmica de polarización. Vector desplazamiento.

1.4) ley de Gauss para dieléctricos. Susceptibilidad eléctrica y constante dieléctrica. Materiales lineales, homogéneos e isótropicos.

2)Descripción microscópica de un dieléctrico

2.1)campo molecular de un dieléctrico

2.2)contribuciones a la polarización de la materia: polarización inducida, dipolar e iónica.

3)Otros comportamientos dieléctricos

3.1)materiales ferroeléctricos

3.2)Materiales piroeléctricos

3.3) Materiales piezoeléctricos

4) Aplicaciones industriales y tecnológicas

BIBLIOGRAFÍA

-Electromagnetismo / Rafael Sanjurjo / Mc Graw Hill

-Tipler

-Física de dieléctricos

-Elementos de electromagnetismo clásico / Francisco García-Ochoa García / Publicaciones de la Universidad Pontificia de Comillas Madrid

-Enciclopedia Encarta 2000 / Microsoft

-Enciclopedia Larousse

-Física / Alonso Finn / Addison- Wesley

-Física general

-Diversas páginas webs (cursos interactivos de física, empresas eléctricas...)

5) Problema

- SUERFICIES DE LAS PLACAS

- CAPACIDAD

- CARGA

- ENERGÍA

SEGUNDO APARTADO

- CAPACIDAD

- CARGA

- ENERGÍA

Como mencionamos en el trabajo al añadir un dieléctrico contribuimos al aumento de la capacidad con el consiguiente aumento de la energia del dispositivo. Podemos ver claramente que se triplica ya que estamos multiplicando por tres la permitividad eléctrica del vacío.

TERCER APARTADO

  • Podemos considerar este dispositivo como uno análogo de dos condensadores asociados en serie

  • CAPACIDADES

- CAPACIDAD EQUIVALENTE

- CARGA

-ENERGÍA

4) Aplicaciones industriales y tecnológicas

CABLE COAXIAL:

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El cable coaxial se compone de varios elementos, como la funda exterior (indispensable para salvaguardar al conductor contra los agentes externos), aislamiento ( Para aislar electromagnéticamente las señales que transitan por el cable), el dieléctrico ( importantísimo e indispensable para preservar las características eléctricas del cable) y el conductor central (elemento por el cual se propagan las señales en radiofrecuencias )

PROTECCIÓN PARA PRESERVAR LA INTEGRIDAD DEL CABLE:

La protección de un cable se compone de una malla formada por hilos de cobre adecuadamente trenzados entre si y que discurrirán a lo largo del cable de forma envolvente sobre el dieléctrico del conductor. Muy a menudo, y de forma casi generalizada, de introduce entre el dieléctrico y esta malla una lámina de cobre o aluminio para mejorar la eficiencia del aislamiento.

La verdadera utilidad de esta protección es al de proteger y salvaguardar la señales que transitan a través del alma o conductor central de interferencias causadas por ondas electromagnéticas externas.

Las deformaciones físicas al dieléctrico causan ondas electromagnéticas reflejadas que influyen sobre la señal introduciendo algunas atenuaciones sobre frecuencias específicas ( pérdidas cumulativas de reflexión- SRL)

HUMEDAD, UN IMPORTANTE ENEMIGO

Uno de los enemigos más importantes del cable coaxial, una vez instalado, es la humedad.

Ésta puede penetrar dentro del cable no sólo por infiltraciones directas sino también por fenómenos de condensación causados por cambios bruscos de temperatura.

Los fabricantes de cable coaxial conocen muy bien el problema y para evitar cuanto sea posible sus consecuencias adoptan diferentes estrategias.

En efecto, existen algunos procesos industriales muy particulares que permiten la mejora de la resistencia mecánica del cable acentuando también su resistencia a la oxidación. Una de estas técnicas utiliza durante la implantación del dieléctrico sobre el conductor central, la inyección de nitrógeno que permite la expansión física del dieléctrico acentuando su estabilidad en lo que respecta a su atenuación y su envejecimiento en el transcurso del tiempo.

FIBRA ÓPTICA

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CONSTRUCCIÓN DEL CABLE:

  • Elemento Central de Refuerzo ( E.R.C.) Dieléctrico tipo fibra de vidrio con resina, recubierto con polietileno en función de la configuración geométrica del núcleo

  • Tubos Activos Holgados de PBT conteniendo de 2 a 8 f .o. y Tubos Pasivos de PE cuando la geometría del núcleo lo requiera, cableados en S-Z, entorno al E.R.C.. Se deberá rellenar adecuadamente para evitar la propagación del agua.

  • P: primera cubierta de polietileno de baja densidad

  • ES: cinta d e acero recubierta por copolimero por ambas caras, dispuesta longitudinalmente y corrugada, como barrera resistente a roedores.

  • P: segunda cubierta de polietileno de media-alta densidad.

  • La fibra óptica es una fibra o varilla de vidrio u otro material transparente con un índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté curvada.

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    La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serian difíciles de iluminar do otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un dentista. También puedo emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo con lo q se construye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa.

    También se han desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales.

    La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas se láser con fibra óptica.

    Una ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. Los amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.

    Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local.

    Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios

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    CONDENSADORES

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    Dispositivos que almacenan cargas eléctricas. En su forma más sencilla, un condensador está formado por dos placas metálicas (armaduras) separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa .

    La magnitud que caracteriza a un condensador es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.

    Los condensadores tienen un límite para la carga eléctrica que pueden almacenar, pasado el cual se perforan. Pueden conducir corrientes continuas durante sólo un instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Esta propiedad los convierte en dispositivos muy útiles cuando debe impedirse que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Los condensadores de capacidad fija y capacidad variable se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos eléctricos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes condensadores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.

    Los condensadores se fabrican en gran variedad de formas. El aire, la mica, la cerámica, el papel, el aceite, y el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad que se pretenda dar al dispositivo.

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    RAQUEL Mª LÓPEZ GARCÍA

    PABLO COZAR MARRERO

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