CONDUCTORES

          Los primeros experimentadores de la electricidad observaron que las substancias diferían en su facultad de mantener la "virtud eléctrica". Algunos materiales podían electrizarse fácilmente por fricción y mantenerse en estado electrizado; otros, parecía que no podían electrizarse de esta manera, o no mantenían la "virtud" si la habían adquirido.

          La división de los materiales se realizó pues en aisladores eléctricos y conductores eléctricos. Los buenos conductores corrientes, como los metales ordinarios, difieren en su conductividad eléctrica de los aisladores corrientes, como vidrio y plástico, de manera que la relación de sus conductividades es del orden de 1020.

         Un conductor es un material que permite el movimiento de los electrones libremente, mientras que un aislante no permite que los electrones se muevan, por tanto, no deja pasar la corriente eléctrica.

          La diferencia eléctrica entre un buen conductor y un buen aislador es tan grande como la diferencia mecánica entre un gas y un sólido. Ambas propiedades dependen de la movilidad de partículas atómicas; en el caso eléctrico, de la movilidad de los portadores de carga, electrones o iones; en el caso de las propiedades mecánicas, de la movilidad de los átomos o moléculas que constituyen la estructura del material. En la conductividad eléctrica aún hallamos ejemplos en todo el amplio margen dependiendo de condiciones tales como su temperatura. Determinado tipo de materiales muy útiles, llamados semiconductores, hacen uso de esta propiedad.

          Cualquier material que tenga cargas que puedan desplazarse a través de él libremente recibe el nombre de conductor. El campo eléctrico E ejerce una fuerza F sobre la carga eléctrica que es:

F = q·E

          En particular en los metales las cargas libres son electrones, así la fuerza sobre cada uno será:

F = -e·E

          Cualquier conductor al que se le aplica un campo eléctrico sufrirá un desplazamiento de las cargas libres que haya en su interior.

          Se habla de Equilibrio Electrostático cuando todas las cargas están en reposo. En esta situación el campo eléctrico en el interior del conductor es 0. Si el campo eléctrico fuera distinto de cero las cargas seguirían moviéndose hasta conseguir el equilibrio.

          Debido a esta situación se dan varias consecuencias:

1.- Si el E   en el interior del conductor es 0, entonces el potencial es constante ya que el campo eléctrico sigue la siguiente fórmula:

E = -ðV

2.- Como el conductor es equipotencial (tiene el mismo potencial V en todos sus puntos) en la superficie del conductor el campo eléctrico E es perpendicular a la superficie del conductor.

3.- Eligiendo una superficie cerrada arbitraria dentro del conductor, y como el campo eléctrico E es nulo en todos los puntos, en la superficie elegida, aplicando el teorema de Gauss se obtiene:

Como consecuencia se obtiene la conclusión de que la carga en el interior del conductor es también 0.

Como resultado final se puede decir que un conductor en equilibrio electrostático que está cargado NUNCA tiene cargas en su interior, sólo tiene cargas en la superficie, figura 1.

          ¿Cómo se comporta un conductor cuando es sometido a un campo eléctrico externo?

Fig. 1

          Las cargas libres que tiene el conductor se mueven de un lado a otro y se distribuyen de tal forma que se anule cualquier campo externo. Si fueran electrones se moverían en sentido contrario al campo aplicado (por donde entran las líneas de campo) y aparecería una distribución de carga en la zona de la izquierda y una distribución de carga de signo contrario en la zona de la derecha.
 
 

CAVIDAD EN EL INTERIOR DE UN CONDUCTOR

          Si el conductor alcanza el equilibrio electrostático la carga se anula en el interior y se acumula en la superficie, pero ahora se van a tener dos superficies, una interna y otra externa (debido a la cavidad).

CASO 1: CAVIDAD SIN CARGA

          Si la cavidad está vacía la carga se acumula en la superficie externa (si en la oquedad no hay ninguna carga). Para ello se elige una superficie cerrada dentro del volumen del conductor, se aplica el teorema de Gauss y se supone el conductor cargado, figura 2.
 
 

Fig. 2

          Esta integral da como resultado 0 ya que el integrando es 0, es decir, el campo eléctrico dentro es 0. Este resultado se iguala al teorema de Gauss y como resultado se obtiene que la carga encerrada es 0, con lo cual, se puede decir que la carga sobre la superficie interna es 0 y que toda la carga está en la superficie externa.

          Pero el que la carga encerrada sea 0 no quiere decir que el Ecavidad sea 0. Lo único que se deduce es que el flujo de campo eléctrico es 0, pero el campo eléctrico puede no serlo. Del teorema de Gauss no se puede deducir directamente que el campo en la cavidad sea nulo.

          Para ver qué campo hay dentro de la cavidad se calcula la circulación cerrada:

          Esto puede ser cero porque E sea 0, porque E sea perpendicular a dl, o bien porque el producto unas veces sea positivo y otras negativo. En este caso E es paralelo a dl, la única posibilidad es que E sea 0. Ver las figuras 3 y 4. Con lo cual se llega a la conclusión de que:

  CASO 2: CAVIDAD CON CARGA

          Se supone el conductor descargado, es decir, qtotal es 0, y se coloca una carga q´ en el interior de la cavidad, figura 5. En el volumen del conductor el campo vale 0 siempre (si está en equilibrio electrostático). Para asegurar que el campo sea 0 dentro del conductor se ha de hacer que todas las líneas de campo nazcan y mueran dentro del mismo (no influye para nada el tamaño de la cavidad), es decir, en la superficie interna; la carga q´ de dentro de la cavidad obliga al conductor a mandar electrones (en número igual a q´) a la superficie interna, pero como ya hay cargas del signo contrario (-) en la superficie interna (para anular el campo dentro del conductor), en la superficie externa se sitúan cargas con signo +, de manera que se consiga el equilibrio.

          Esto significa que qenc = 0. Si la carga encerrada es 0, la carga sobre la superficie interna del conductor debe ser igual a q´ que hay dentro de la cavidad y de signo contrario.

qenc = q´+ (-q´) = 0

          Si q´es positiva debe aparecer la misma carga de signo negativo en el conductor para que la carga neta sea 0. Ver la figura 5.

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  Fig. 5

EFECTO PANTALLA

          Este efecto consiste en mantener el campo eléctrico fuera constante, independientemente de la carga que exista en una cavidad dentro del conductor.

          En el espacio interior a un conductor hueco de cualquier forma, si asímismo este espacio está libre de cargas, el campo eléctrico es nulo. Esto es cierto cualquiera que sea el campo exterior al conductor. Por ejemplo, considerando una caja metálica (Figura 6), existen cargas en las inmediaciones de la caja y el campo exterior es aproximadamente como el representado. En la supuerficie de la caja existe una distribución de carga muy poco uniforme. Ahora bien, el campo en todo punto del espacio, incluyendo el interior de la caja, es la suma del campo debido a esta distribución de cargas y el campo de los manantiales exteriores.

Fig. 6

          La ausencia de campo eléctrico en el interior de un recinto conductor, es útil a la vez que interesante teóricamente. ésta es la base del apantallamiento eléctrico. Se están considerando solamente campo estáticos, pero para campos eléctricos lentamente variables estas observaciones aún se mantienen.

          Cuando se conecta el conductor a una batería, no se va a mantener su carga constante, la cantidad de carga del exterior va a variar y no se conoce.

          ¿Qué ocurre si ahora se varía la carga dentro de la cavidad?, da igual, el campo eléctrico en el exterior sigue siendo 0, y el potencial sigue siendo constante.

          Conclusión: para proteger al conductor de lo que pase en la cavidad se conecta éste a una batería de potencial constante V0.

          Y para que no sólo no cambie el campo, sino que además sea 0 (en el exterior), se conecta a potencial constante y de valor 0V, como puede observarse en la figura 7.

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Fig. 7

EJEMPLOS
 

          Interesa lo que pasa fuera del conductor. Al pasar del 1 al 2 hay cambios, y esos cambios se van a notar en el exterior.Según se va pasando de uno a otro van apareciendo cambios. Se va a ir calculando el campo eléctrico E en cada uno de los casos:

Caso 1

          Aplicando el teorema de Gauss se obtiene:

Caso 2

          Igual que para el caso 1, ahora se obtiene:

Caso 3

          En este caso se somete al conductor a potencial constante. En un conductor aislado la carga q ha de mantenerse constante. En el momento en que se conecta la batería, jamás se puede suponer a priori que la carga q sea constante. Puede resultar que se mantenga pero no se puede suponer a priori.

          Sustituyendo en la primera, se obtiene el siguiente resultado:

          El campo fuera ahora ya no depende para nada del interior, no depende de las cargas, si no se cambia V0 el campo eléctrico en el exterior no cambia.

Caso 4

          En el caso 4 el conductor sigue conectado a V0, pero no se puede suponer que la carga sea Q = Q´, ya que ha cambiado y ahora es Q´´ .

          Sustituyendo en la primera, se obtiene el siguiente resultado:

          Es igual que el campo en el caso 3, y para cambiar el campo eléctrico fuera lo que se ha de hacer es poner una carga fuera del conductor.
 
 

CAPACIDAD DE UN CONDUCTOR

          La capacidad de un conductor es la relación entre su carga y su potencial. Figura 8.
 
 

Fig. 8

          La capacidad sólo depende de la geometría.

          Para calcular la capacidad de un condensador esférico cargado con una carga Q se halla el potencial

          y despejando se obtiene:

          Como se puede observar la capacidad sólo depende de una serie de constantes y de la geometría (R).

CONDENSADORES

La más conocida aplicación de los dieléctricos es en los condensadores. Los dieléctricos se caracterizan por su capacidad de almacenar carga eléctrica y por sus respuestas ante un campo eléctrico, como por ejemplo, cambio de capacidad, resistencia al aislamiento, envejecimiento y dependencia con la temperatura.

          En general, los condensadores utilizan dieléctricos tales como el aire, cuya constante dieléctrica es casi idéntica a la del vacío, un poco mayor que 1, dieléctricos naturales como la mica, cuya constante dieléctrica varía de 4 a 8, o materiales preparados tales como cerámicas cuya constante varía en el rango que va desde 9 hasta valores superiores a 30.000.

          De los materiales cerámicos, aquellos basados en titanatos y niobatos como el principal constituyente tienen la constante dieléctrica más grande y son así la base de la tecnología de los condensadores de alta capacidad. Todos los procesos y los demás materiales utilizados en la fabricación de chips de condensadores están orientados hacia la optimización de las propiedades eléctricas de estos dieléctricos.

Pérdidas dieléctricas: Al actuar el campo eléctrico sobre cualquier sustancia, en ésta se observa una disipación de cierta cantidad de energía eléctrica que se transforma en calorífica. Habitualmente se habla de "consumo" o "pérdida de potencia", sobreentenciendo la potencia eléctrica media que se disipa en la sustancia en cierto intervalo de tiempo. Por regla general, las pérdidas de potencia en una muestra de material o en cualquier parte de éste, son proporcionales al cuadrado de la tensión eléctrica aplicada a la muestra , siendo las demás condiciones iguales.

          Si se conecta un conductor metálico a tensión contínua o a tensión alterna, cuyo valor eficaz es igual al de la tensión contínua, entonces en ambos casos, las pérdidas de potencia P en watios en el conductor son semejantes e iguales a:

P = E2 / R

          donde E es la tensión aplicada en voltios, y R es la resitencia del conductor en ohmios.

          A diferencia de los conductores, la mayoría de los dieléctricos manifiestan un rasgo característico, a una tensión dada la disipación de la potencia en los dieléctricos depende de la frecuencia de la tensión, además el consumo de potencia es notoriamente mayor a tensión alterna que a tensión contínua y crece con rapidez al aumentar la frecuencia, así como al subir la tensión y al aumentar la capacidad. Depende también del material dieléctrico.

          El valor de las pérdidas de potencia en el dieléctrico bajo la acción de la tensión aplicada suele denominarse pérdidas dieléctricas. Es un término común para denominar las pérdidas de potencia en el aislamiento eléctrico tanto a tensión contínua, como a tensión alterna.

          En un circuito de corriente alterna el voltaje y la corriente que atraviesan un condensador están desfasados 90º. Los dieléctricos reales, no son dispositivos perfectos, así como la resitencia del material no es infinita y debido a los tiempos de relajación de los mecanismos de polarización con la frecuencia, estas características se van perdiendo. El ángulo por el que la corriente real está desfasada de la ideal se puede determinar, y la tangente de este ángulo se define como tangente de pérdidas o factor de disipación del condensador. La tangente de pérdidas es una propiedad del material, y no depende de la geometría del condensador. Cuanto mayor sea la tangente de pérdidas, mayores son las pérdidas dieléctricas

           Influye mucho en la utilidad de un dieléctrico en aplicaciones electrónicas. En la práctica se encuentra que el factor de disipación más bajo está asociado con materiales que tienen su constante dieléctrica más baja, y los materiales con la constante dieléctrica más grande tienen un factor de disipación mayor.

Efecto de la frecuencia: Cuando se somete un dieléctrico a un campo eléctrico alterno, la respuesta depende de la frecuencia de dicho campo. Dependiendo del rango de frecuencias del campo eléctrico aplicado, la respuesta estará determinada por unas u otras unidades polarizables del dieléctrico.

          La frecuencia a la que un dieléctrico se utiliza tiene un efecto importante en los mecanismos de polarización, especialmente en los tiempos de relajación por los que el material se mantiene con campos inversos en circuitos de corriente alterna.

          Los tiempos de relajación más bajos están asociados con procesos de polarización instantáneos, y los tiempos grandes con los procesos de polarización más lentos.

          Cuando el mecanismo de polarización es mucho más lento que las variaciones del campo eléctrico alterno, las pérdidas del dieléctrico son pequeñas porque los dipolos elementales no pueden seguir al campo y por lo tanto no crean pérdidas por calor pero tampoco contribuyen a la polarización.

          Cuando los procesos de polarización son tan rápidos como las inversiones del campo eléctrico entonces los iones pueden seguir estas inversiones, pero están limitados por sus tiempos de retraso, con lo cuál generan las mayores pérdidas.

          Según la frecuencia a la que se utilice el material dieléctrico van a ocurrir los fenómenos de relajación y de resonancia.

Los fenómenos de relajación dieléctrica se presentan fundamentalmente en la región de frecuencias bajas y radiofrecuencias, hasta las microondas aproximadamente, de los campos alternos aplicados. El tiempo requerido para llegar al equilibrio se conoce como tiempo de relajación y los procesos que tienen esta condición se denominan relajaciones. En esta región, la principal contribución a la variación con la frecuencia de la constante dieléctrica procede del proceso de polarización orientacional.

La polarización inducida (electrónica e iónica) obedece a procesos de polarización de naturaleza elástica. El origen de este fenómeno se debe a que las partículas cargadas que forman la materia se encuentran en un estado de vibración el cual, en primera aproximación, está gobernado por fuerzas de recuperación de tipo elástico. La aplicación de un campo eléctrico alterno sobre un sistema de partículas cargadas que se encuentran en un estado de oscilación armónica, da lugar a la denominada vibración armónica forzada. Es decir, el sistema pasa a oscilar con la misma frecuencia del campo eléctrico aplicado. Cuando la frecuencia del campo eléctrico coincide con la frecuencia natural de oscilación del sistema de partículas ocurre el fenómeno de resonancia dieléctrica donde las partículas oscilan con amplitud máxima, y con una velocidad que está completamente en fase con el campo aplicado. Desde un punto de vista dieléctrico, la absorción de energía por el sistema alcanza su valor máximo a la frecuencia de resonancia. Los sistemas o unidades polarizables en este caso son los átomos y los iones. Las resonancias van desde frecuencias de 1012 Hz (infrarrojo), pasan por el espectro visible y ultravioleta, 1014-1016 Hz, y llegan hasta los rayos X, 1019 Hz.

          En la siguiente gráfica se muestra el comportamiento de la constante dieléctrica en función de la frecuencia desde muy bajas frecuencias hasta las de la luz visible.

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Figura 1.

Ruptura dieléctrica: la ruptura dieléctrica en materiales aislantes es un fenómeno de gran interés por cuanto el voltaje de ruptura es el potencial límite que pueden soportar las capas aislantes de los dispositivos electrónicos. Con el desarrrollo y evolución de los componentes y dispositivos electrónicos a tamaños cada vez más pequeños, el problema de la ruptura ha adquirido especial importancia. Así por ejemplo, en las memorias MOS de circuitos integrados en VLSI es preciso separar la puerta del canal semiconductor con películas aislantes de varios centenares de angstroms las cuales sean capaces de soportar campos eléctricos del orden de MV/cm.

          Generalmente la ruptura dieléctrica aparece como una inestabilidad o un aumento brusco de la corriente que pasa a través de un material aislante cuando se aplica a través de él una diferencia de potencial superior a un cierto valor límite. La medida del potencial de ruptura suele hacerse mediante la aplicación sobre la muestra de tensiones crecientes en forma de escalón con una duración determinada. A medida que aumenta la tensión aumentan las inestabilidades de la corriente, definiéndose el potencial de ruptura como el valor del voltaje por encima del cual la corriente supera un cierto valor establecido previamente.

          En el lugar donde se produce la ruptura, aparece una chispa o un arco eléctrico que puede provocar la fusión, quemadura, agrietamiento y otras alteraciones del dieléctrico. Después de quitar la tensión aplicada, en el dieléctrico, si es sólido, puede detectarse una traza de perforación en forma de orificio perforado, fundido, quemado, etc. La rotura, pues, del aislamiento en una máquina eléctrica, un aparato, cable, etc, significa una avería que pone al dispositivo fuera de servicio y requiere una seria reparación. Si la perforación sucede en un dieléctrico líquido o gaseoso, entonces, después de quitar la tensión, el sector perforado del dieléctrico restablece por completo su valor inicial debido a la movilidad de las partículas de líquidos o gases (claro, esto si la potencia y duración del arco eléctrico no fueron tan significantes para provocar variaciones esenciales del dieléctrico en todo su volumen).

Existen varios modelos de ruptura, en función del proceso físico que se supone que inica la ruptura. Normalmente se agrupan en tres tipos diferentes:

1.- Ruptura térmica, donde el principal agente de la inestabilidad es el calor por efecto Joule, de forma que para voltajes próximos al de ruptura el calor generado en la muestra es superior al que puede disipar.

2.- Ruptura electrónica, surge como consecuencia de un aumento de la corriente a través de la muestra hasta niveles superiores a los que puede soportar el material. A diferencia del anterior, en éste el aumento de la corriente es consecuencia directa del campo eléctrico aplicado.

3.- Ruptura iónica, en la cual se supone que una ruptura dieléctrica se inicia por un movimiento de los iones de la red bajo la acción de los fuertes campos eléctricos aplicados.

          La medida de la ruptura dieléctrica constituye una técnica muy poderosa para localizar defectos, no sólo en materiales dieléctricos, sino también en puntos localizados de los circuitos integrados, ya que las descargas iniciales se producen en los puntos débiles, esto es, defectos, regiones afectadas por las impurezas, etc. Asimismo, estas medidas pueden dar una información muy interesante acerca de los mecanismos de transporte de carga en aislantes.

          A continuación se muestra una tabla con la tensión de ruptura de algunos dieléctricos a corriente alterna con frecuencia de 50 Hz:
 

          Estos datos confirman que la tensión de ruptura de los dieléctricos sólidos de alta calidad, es más alta que la de los líquidos.

Otras propiedades eléctricas adicionales, características de los dieléctricos que determinan mucho la utilización de estos materiales en aplicaciones en condensadores son:

Resistencia al aislamiento: es una medida de la capacidad de un material para resistir el flujo de la corriente bajo un campo contínuo.

Envejecimiento: los condensadores sufren una pérdida de capacidad dieléctrica con el tiempo debido a las variaciones de la estructura del cristal por el campo aplicado y a los cambios con la temperatura.

Acoplo electro-mecánico: un campo eléctrico causa una deformación en el material pero una fuerza mecánica no induce un campo eléctrico, ya que los dieléctricos siempre ven una deformación cuando se aplica un campo eléctrico debido al desplazamiento de los iones dentro de su cristal.

Piezoelectricidad: cuando se produce una compresión, el centro de cargas se mueve produciendo un momento dipolar, resultando una polarización. La tensión elástica observada es directamente proporcional a la intensidad del campo aplicado y la polarización obtenida es directamente proporcional a la presión mecánica aplicada.

Ferroelectricidad: por lo general los dieléctricos tienen una relación lineal entre la polarización y el campo eléctrico aplicado. Sin embargo, para algunos dieléctricos, denominados ferroeléctricos, la relación no es lineal y muestra fenómenos de histéresis.

Piroelectricidad: cuando un material dieléctrico no tiene centro de simetría en su estructura cristalina y posee una polarización eléctrica espontánea (sin necesidad de aplicar un campo eléctrico) que varía con la temperatura, entonces recibe el nombre de material piroeléctrico.

Absorción eléctrica: es una medida de la carga residual en un condensador después de su descarga y se expresa como el % de la razón entre el voltaje residual y el voltaje inicial.

          Un condensador lo forman dos conductores cargados con la misma carga pero de signo contrario, es decir, uno cargado con carga Q+ y otro con Q-.

          En este caso la capacidad será la relación entre la carga y la diferencia de potencial entre los conductores.

APLICACIONES

Condensadores: entre las aplicaciones electrónicas más clásicas de los dieléctricos se encuentran los condensadores. El condensador constituido por dos conductores aislados uno de otro sin nada entre ellos se caracteriza por tener una cierta capacidad C, una constante que relaciona el valor de la carga Q del condensador con la diferencia de potencial entre las dos placas conductoras que forman el condensador. Los condensadores como éstos (sin dieléctrico en medio) pueden encontrarse en algunos aparatos eléctricos. Se les llama condensadores de vacío y constan de placas encerradas en un recipiente en el que se ha producido el vacío. Se utilizan principalmente cuando intervienen potenciales muy elevados y rápidamente variables.

          Las características más significativas de un condensador se encuentran determinadas por las propiedades de su material dieléctrico. Así los condensadores pueden ser de papel, plástico, mica, electrolíticos, etc. Los parámetros más característicos de un condensador son su capacidad, la tangente de pérdidas, la corriente de fugas, el voltaje de trabajo y el margen de frecuencias en el que se puede utilizar.

          Los condensadores de papel son de bajo precio y se pueden utilizar cuando los valores de la tangente de pérdidas y la tolerancia del condensador no sean críticas. Algunas aplicaciones de los condensadores de película de plástico metalizada pueden ser en circuitos resonantes y como condensadores integrados en amplificadores operacionales debido a su baja corriente de fugas. Los condensadores de mica son muy caros por lo que sólo se utilizan en aplicaciones específicas de alta frecuencia o voltajes muy elevados. Debido a la simplicidad, bajo precio y pequeño tamaño, los condensadores cerámicos están siendo utilizados cada vez más en numerosas aplicaciones. Los condensadores electrolíticos se caracterizan principalmente por su gran capacidad por unidad de volumen y en este sentido son insustituibles por los otros tipos de condensadores comentados anteriormente.

Resistencias de capa fina: aparte de en los condensadores, los materiales dieléctricos también encuentran aplicaciones en otros tipos de componentes como son las resistencias de capa fina, cuya fabricación se basa en los mismos principios que la fabricación de las galgas extensiométricas. Así es posible conseguir resistencias miniatura de varios megaohmios. La característica más importante de las películas por las que están formadas estas resistencias es su gran resistividad y estabilidad, siendo además bastante bajo el coeficiente de temperatura. El dieléctrico más comúnmente utilizado en este tipo de resistencias es el monóxido de silicio.

Ferroeléctricos: haciendo uso de las propiedades ferroeléctricas las aplicaciones más inmediatas han sido su utilización como dieléctricos de alta constante dieléctrica para condensadores, pues permiten tener altas capacidades eléctricas en tamaños pequeños. Existen actualmente materiales, generalemente en forma de soluciones sólidas, que tienen constantes dieléctricas relativas del orden de 20.000 en una amplia región de temperatura alrededor de la temperatura ambiente.

          Basándose en las propiedades de inversión de polarización se pueden fabricar memorias de almacenamiento de información. Actualmente se trabaja en la prepación de ferroeléctricos en forma de lámina delgada para aumentar la capacidad, por un lado, y, por otro, poder incorporarlos en circuitos integrados de microelectrónica. Las memorias ferroeléctricas no se borran aunque desaparezca la tensión de alimentación del circuito. Ésta, además de su densidad de información, es una de la mayores ventajas de las memorias ferroeléctricas, pero aunque permiten una alta densidad de compactación, no es tan elevada como en las memorias semiconductoras, por lo que no han logrado implantarse en el mercado excepto en aplicaciones muy específicas. El material ferroeléctrico que más se utiliza es el titanato de bario.

Piezoelectricos: El efecto piezoeléctrico consiste en el hecho de que cuando se aplica una tensión mecánica a un material dieléctrico se induce una polarización en él, y al contrario, al aplicar un campo eléctrico al dieléctrico se produce una tensión mecánica, y por tanto, una deformación del material.

          Normalmente, para utilizar las propiedades piezoeléctricas de un material piezoeléctrico se recurre a los materiales policristalinos constituidos por soluciones sólidas de determinados ferroeléctricos preparados por reacciones a alta temperatura y posterior proceso de sinterización para soldar los granos cristalinos y conseguir una estructura cerámica. Las cerámicas piezoeléctricas debidamente montadas constituyen los llamados transductores electromecánicos, elementos que transforman la energía eléctrica en mecánica y viceversa. Los primeros constituyen los generadores de ultrasonidos y los segundos los generadores de alta tensión y baja corriente eléctrica.

          Entre las aplicaciones del segundo tipo tenemos las cabezas piezoeléctricas de los tocadiscos. Entre los que hacen uso del efecto eléctrico-mecánico se pueden mencionar perforadoras, limpiadoras, sonares, etc. Como aplicaciones más sofisticadas citaremos los ecógrafos de ultrasonidos donde el transductor piezoeléctrico actúa de emisor y receptor y se utiliza para exploraciones humanas o para ensayos no destructivos. Pero sobre todo la aplicación más conocida de los transductores piezoeléctricos es la utilización de cristales de cuarzo en osciladores electrónicos.

Piroeléctricos: la aplicación más destacada de las propiedades piroeléctricas es la de los detectores piroeléctricos. Un detertor simple consiste en una plaquita de material piroeléctrico con electrodos metálicos en las caras opuestas y con la polarización perpendicular a dichas caras. Los materiales más apropiados para este uso son el sulfato de triglicina (TGS), tantalato de litio (TL), titata-circonato de plomo (PZT), niobato de estroncio y bario (SBN) y los polímeros PVDF.

          Las aplicaciones más interesantes son alarmas para detectar intrusos, con una gran utilización, alarmas contra el fuego, análisis de gases, radiómetros y formación de imágenes térmicas. Todas estas aplicaciones se incrementan fuertemente cuando se utilizan los materiales en forma de lámina delgada.

Aplicaciones ópticas: los materiales dieléctricos se emplean muy a menudo en el nuevo campo de las comunicaciones ópticas basadas en láseres y en las fibras ópticas. Así como en los láseres de estado sólido el material dieléctrico debe ser dopado de forma muy controlada, en el caso de las fibras ópticas, fabricadas a base de sílice, es importante que el dieléctrico sea de gran pureza para evitar la atenuación de la radiación que se propaga por ellas.

Microelectrónica: posiblemente las aplicaciones de los dieléctricos donde se pongan más a prueba sus propiedades físicas sea en el campo de la microelectrónica, debido al pequeño espesor de las capas aislantes y a los altos campos eléctricos que deben soportar. Los dieléctricos se emplean como elementos pasivos en microelectrónica en aplicaciones tales como condensadores de capa fina, donde es imprescindible que la corriente de fugas del dieléctrico sea muy baja, y como capas pasivantes y capas barrera en procesos litográficos, donde la difusión de impurezas a través del aislante debe quedar congelada lo más posible.

          Pero quizá las aplicaciones más interesantes de los dieléctricos sean como elementos activos de microelectrónica, en memorias semiconductoras, en transistores FET, transistores MOSFET, etc. En las memorias semiconductoras precisamente se explota de modo controlado la conducción por efecto túnel a través de un dieléctrico, con objeto de acumular carga eléctrica en la interfase entre dos dieléctricos. Las propiedades de la interfase y las propiedades eléctricas tienen una mayor influencia en el comportamiento de los transistores MOSFET. En una estructura parecida a los MOSFET, los aislantes también constituyen el elemento esencial de los más modernos dispositivos CCD o de acoplamiento de carga. Los dieléctricos también juegan un papel importante en diversos aspectos en la fabricación, constitución y protección de los circuitos integrados.

Aplicaciones industriales: se presentan a continuación por diferentes áreas de actividad:

          Electricidad y electrónica: La primera aplicación de estos materiales fue el desarrollo de condensadores cerámicos, que en la actualidad representa del orden del 10% del mercado mundial de componentes. Aplicaciones posteriores, como filtros cerámicos de integración en circuitos integrados, dispositivos activos, conversores...etc, se fundamentean en este tipo de materiales.

          Automóvil: Dispositivos de seguridad (activación de sistemas "air-bag", sensores de temperatura, de presión, de niveles), elementos de encendido electrónico....

          Comunicaciones ultrasónicas: Una de las primeras aplicaciones de los ultrasonidos, fue el desarrollo de sistemas sonar para detección y comunicación submarina. La utilización de nuevos materiales, implica la mejora permanente de estos sistemas, llegando a niveles sumamente sofisticados, a los que con el complemento de sistemas informáticos, es difícil fijar límites. Muestra de ello es la implantación de los sitemas de Ondas Acústicas Superficiales (SAW) para la detección e identificación de aviones, codificación de señales,....etc.

          Comunicaciones ópticas: El desarrollo de las comunicaciones ópticas en los últimos años, está sustentado en gran medida en este tipo de materiales. Gracias a ellos, que pueden realizar los sistemas de óptica integrada, se han desarrollado moduladores lineales de Electro Óptica (EO), moduladores de paso de onda, guías de onda, filtros, dispositivos de modulación EO, redes de difracción de Bragg, cambiadores de frecuencia, polarizadores, y un sinfín de componentes imprescindibles para que puedan darse este tipo de comunicaciones.

          Robótica: Los materiales ferroeléctricos resultan elementos fundamentales en el desarrollo de sistemas sensores, tanto de presión como de temperatura o de proximidad. Esto hace que en gran medida, los "órganos sensoriales" de los robots estén constituidos por materiales ferroeléctricos. El bajo costo de los elementos sensores, unidos a su fiabilidad, bajo mantenimiento y alta sensibilidad son sus aspectos más destacados. Por otra parte, el desarrollo de motores y micromotores ultrasónicos, permiten con un bajo consumo de energía, grandes eficiencias en el control de procesos.

          Medioambiente: En el área de medioambiente, este tipo de materiales desempeña una doble tarea. Por una parte, como elementos sensores robustos económicos y de alta sensibilidad, se utilizan como sensores de gases incluso en ambientes agresivos, como detectores precoces de incendio, como medidores de ruido ambiental o incluso como sistemas de determinación de contaminantes en flujos tanto de líquidos como de gases. Por otra, son elementos activos utilizados como atenuadores de ruido, como sistema de depósito de sólidos, o incluso como elementos de conversión de energía alternativos equivalentes a los paneles solares.

          Medicina: Desde los años 60 se vienen utilizando materiales ferroeléctricos como elementos básicos en medicina para la monitorización de órganos o fetos (Sistemas Ecográficos) o para el tratamiento de cólicos renales, y la destrucción de piedras en el riñón, haciendo uso de dispositivos ultrasónicos, y de sistemas de análisis termográficos basados en vidicones y termocámaras, haciendo uso de sensores piezoeléctricos. Con el desarrollo de nuevos materiales, y la mejora de sus propiedades, los niveles de monitorización alcanzados, tanto en sistemas ecográficos como termográficos, son altísimos, permitiendo en la actualidad el seguimiento de arritmias cardíacas, la determinación del flujo sanguíneo, la detección de tejidos defectuosos, cáncer   de colon y un sinfín de patologías, imposibles de ser detectadas por otras técnicas, y en todo caso, sin los efectos secudarios asociados a Rayos X o sistemas de análisis basados en radiación de ondas electromagnéticas. Desde los años 60, se utilizan además dispositivos y aplicaciones basadas en estos materiales para el tratamiento de diferentes patologías, fundamentalmente en procesos de rehabilitación, en cirugía y en odontología. Como muestra, podemos referirnos a las sondas rectales de análisis, detección y microcirugía ultrasónica de cáncer de colon, aunque el número de aplicaciones en este campo aumentan día a día.

          Informática y telemática: Es uno de los campos que ha sufrido una evolución más rápida en los últimos años, y en gran parte esta evolución se fundamenta en los materiales ferroeléctricos. Prescindiendo de los dispositivos integrados, de los componentes electrónicos, y de la capacidad e integración de los mismos tanto sistemas de almacenamiento de información (memorias RAM, DRAM, FRAM), como complementos y dispositivos están fundamentados en estos materiales. Muestras de ello, son los diferentes tipos de pantallas y "displays" (cristal líquido ferroeléctrico), teclados y ratones de alta fiabilidad, transmisión inalámbrica de información (lo que reduce el uso de cables en las conexiones) o las populares impresoras de chorro de tinta (el impulsador es un ferroeléctrico).

          Sistemas de análisis no destructivos. Control de calidad: Es posible que sea una de las áreas de actividad que más dependen de este tipo de materiales. La calidad en materiales para aplicaciones especiales, la detección de inhomogeneidades o defectos, la calidad en el ensamblaje de los mismos (automovilismo, aviación, oleoductos, gaseoductos, centrales nucleares....), así como detección de fatigas o fisuras. Prácticamente todos los sistemas de análisis no destructivo incluyen alguna técnica basada en este tipo de materiales.

CONDENSADOR PLANO

          Es el formado por dos placas conductoras, paralelas, separadas por una pequeña distancia y cargadas con una misma cantidad de carga y signos opuestos. Ver figura 9.

Fig. 9

Eligiendo adecuadamente una superficie cerrada y aplicando el teorema de Gauss se obtiene el campo eléctrico. El campo en el interior de un condensador plano como el de la figura es:

          Como:

          Entonces:

          Se trata de un campo uniforme en todo el interior, por lo tanto, podremos calcular fácilmente su circulación y obtendremos la diferencia de potencial entre las placas:

          y por tanto su capacidad sería:

          Cuando se coloca un plano frente a otro, el campo fuera es 0. Toda la carga de la placa de un condensador se coloca abajo, es decir, por la cara interna del mismo. Cada una de las placas está sometida a la acción de la otra, por eso toda la carga se concentra dentro de las mismas.
 
 

CONDENSADOR CILINDRICO

          Si ahora las dos placas corresponden a hojas cilíndricas, coaxiales y de longitud mucho mayor que el radio, tendremos un condensador cilíndrico. Figura 10.
 
 

Fig. 10

           La densidad de carga en la superficie (σ )es mayor dentro que fuera porque la superficie es más pequeña.Las densidades de carga lineales (ð ), sin embargo, son iguales.

          Como:

          La capacidad final del condensador cilíndrico quedaría como sigue:

CONDENSADOR ESFÉRICO

          Un condensador esférico está formado por dos superficies esféricas concéntricas. Las dos placas están cargadas y la carga se reparte uniformemente, con lo cual, se puede suponer que el campo eléctrico es radial y sólo depende de la distancia al centro.Ver figura 11. Se aplica el Teorema de Gauss y se coje una superficie esférica concéntrica a los dos.
 
 

Fig. 11

          Como resultado final quedaría que la capacidad sigue la siguiente expresión:

ENERGÍA ELECTROSTÁTICA

          Si el conductor está en equilibrio electrostático entonces el potencial V es constante. Aplicado al condensador se obtienen los siguientes resultados: