Discusión
La idea básica
Los dieléctricos son aislantes, simple y llanamente. Las dos palabras se refieren a la misma clase de materiales, pero son de origen diferente y se utilizan preferentemente en contextos diferentes.
- Como las cargas tienden a no moverse fácilmente en los sólidos no metálicos, es posible tener «islas» de carga en el vidrio, la cerámica y los plásticos. La palabra latina para isla es insula, que es el origen de la palabra aislante. En cambio, las cargas de los sólidos metálicos tienden a moverse con facilidad, como si alguien o algo las condujera. El prefijo latino con o com significa «con». Una persona con la que se come pan es un compañero. (La palabra latina para pan es panis.) Llevar algo por el camino es transportarlo. (La palabra latina para camino es via.) La persona con la que se viaja y que guía el camino o proporciona un paso seguro es un conductor. (La palabra latina para líder es ductor.) Un material que proporciona un paso seguro para las cargas eléctricas es un conductor.
- Insertar una capa de sólido no metálico entre las placas de un condensador aumenta su capacitancia. El prefijo griego di o dia significa «a través». Una línea que atraviesa los ángulos de un rectángulo es una diagonal. (La palabra griega para ángulo es gonia – γωνία.) La medida a través de un círculo es un diámetro. (La palabra griega para medida es metron – μέτρον.) El material colocado a través de las placas de un condensador como un pequeño puente no conductor es un dieléctrico.
El revestimiento de plástico de un cable eléctrico es un aislante. Las placas de vidrio o cerámica que se utilizan para sostener las líneas eléctricas y evitar que hagan cortocircuito con el suelo son aislantes. Casi siempre que se utiliza un sólido no metálico en un dispositivo eléctrico se le llama aislante. Quizás la única vez que se utiliza la palabra dieléctrico es en referencia a la capa no conductora de un condensador.
Los dieléctricos en los condensadores tienen tres propósitos:
- impedir que las placas conductoras entren en contacto, lo que permite separaciones más pequeñas de las placas y, por lo tanto, mayores capacitancias;
- aumentar la capacitancia efectiva reduciendo la intensidad del campo eléctrico, lo que significa que se obtiene la misma carga a un voltaje más bajo; y
- reducir la posibilidad de que se produzca un cortocircuito por chispas (más formalmente conocido como ruptura dieléctrica) durante el funcionamiento a alto voltaje.
Qué ocurre aquí
Cuando un metal se coloca en un campo eléctrico los electrones libres fluyen en contra del campo hasta que se quedan sin material conductor. En poco tiempo, tendremos un exceso de electrones en un lado y un déficit en el otro. Un lado del conductor se ha cargado negativamente y el otro positivamente. Si se libera el campo, los electrones del lado cargado negativamente se encuentran ahora demasiado cerca. Las cargas similares se repelen y los electrones se alejan unos de otros tan rápido como pueden hasta que se distribuyen uniformemente; un electrón por cada protón de media en el espacio que rodea a cada átomo. Un electrón conductor en un metal es como un perro de carreras cercado en un pasto. Son libres de vagar todo lo que quieran y pueden recorrer toda la longitud, anchura y profundidad del metal a su antojo.
La vida es mucho más restrictiva para un electrón en un aislante. Por definición, las cargas en un aislante no son libres de moverse. Esto no es lo mismo que decir que no pueden moverse. Un electrón en un aislante es como un perro guardián atado a un árbol: libre para moverse, pero dentro de unos límites. Poner los electrones de un aislante en presencia de un campo eléctrico es como poner un perro atado en presencia de un cartero. Los electrones se esforzarán al máximo contra el campo, del mismo modo que nuestro hipotético perro se esforzará al máximo contra su correa. Sin embargo, los electrones a escala atómica son más parecidos a una nube que a un perro. El electrón está repartido por todo el volumen del átomo y no se concentra en un solo lugar. Un buen perro atómico no se llamaría Spot, supongo.
Cuando los átomos o las moléculas de un dieléctrico se colocan en un campo eléctrico externo, los núcleos son empujados con el campo, lo que resulta en un aumento de la carga positiva en un lado, mientras que las nubes de electrones son empujadas contra él, lo que resulta en un aumento de la carga negativa en el otro lado. Este proceso se conoce como polarización y se dice que un material dieléctrico en tal estado está polarizado. Existen dos métodos principales por los que un dieléctrico puede polarizarse: el estiramiento y la rotación.
El estiramiento de un átomo o molécula da lugar a un momento dipolar inducido que se añade a cada átomo o molécula.
La rotación sólo se produce en las moléculas polares, aquellas que tienen un momento dipolar permanente como la molécula de agua que se muestra en el diagrama siguiente.
Las moléculas polares generalmente se polarizan con más fuerza que las moléculas no polares. El agua (una molécula polar) tiene una fuerza dieléctrica 80 veces superior a la del nitrógeno (una molécula no polar que es el componente principal del aire). Esto ocurre por dos razones, una de las cuales suele ser trivial. En primer lugar, todas las moléculas se estiran en un campo eléctrico, giren o no. Las moléculas y los átomos no polares se estiran, mientras que las moléculas polares se estiran y giran. Sin embargo, esta combinación de acciones sólo tiene un efecto mínimo en el grado general de polarización de una sustancia. Lo que es más importante es que las moléculas polares ya están fuertemente estiradas, de forma natural. La forma en que los átomos de hidrógeno se asientan en los brazos de las nubes de electrones de un átomo de oxígeno distorsiona la molécula en un dipolo. Todo esto tiene lugar a escala interatómica o molecular. A separaciones tan minúsculas, la fuerza del campo eléctrico es relativamente enorme para lo que de otro modo sería un voltaje sin importancia (13,6 V para un electrón en un átomo de hidrógeno, por ejemplo).
El estiramiento y la rotación no son el final de la historia cuando se trata de la polarización. Sólo son los métodos más sencillos de describir para el observador casual. En general, la polarización de un material dieléctrico es una tensión electrostática microscópica en respuesta a una tensión electrostática macroscópica. Un campo externo aplicado a un dieléctrico no puede hacer que las cargas se muevan macroscópicamente, pero puede estirarlas y distorsionarlas microscópicamente. Puede empujarlas a posiciones incómodas y, al soltarlas, permitir que vuelvan a un estado relajado. Lo que hace que la polarización en un aislante sea diferente al estiramiento de un cuerpo elástico como un muelle es que la eliminación de la tensión no libera necesariamente la tensión. Algunos aislantes permanecerán en su estado polarizado durante horas, días, años o incluso siglos. Los tiempos característicos más largos tienen que extrapolarse a partir de observaciones incompletas de duración más razonable. Nadie va a sentarse a esperar dos mil años para ver cómo la polarización de un trozo de plástico se reduce a cero. No vale la pena esperar.
Por último, es algo importante tener en cuenta que las cargas «almacenadas» en una capa dieléctrica no están disponibles como un conjunto de cargas libres. Para extraerlas, se siguen necesitando placas metálicas. Es importante recordar que la única razón por la que alguien parece preocuparse por este fenómeno es porque nos ayuda a hacer mejores condensadores. Creo que ahí debería terminar esta discusión.
Capacitores con dieléctricos
Coloque una capa dieléctrica entre dos placas metálicas cargadas en paralelo con un campo eléctrico que apunte de derecha a izquierda. (¿Por qué no de izquierda a derecha? Bueno, yo leo de derecha a izquierda, así que me facilita la «lectura» de los diagramas). Los núcleos positivos del dieléctrico se moverán con el campo hacia la derecha y los electrones negativos se moverán contra el campo hacia la izquierda. Las líneas de campo comienzan en las cargas positivas y terminan en las negativas, por lo que el campo eléctrico dentro de cada átomo o molécula estresada del dieléctrico apunta de izquierda a derecha en nuestro diagrama – frente al campo externo de las dos placas metálicas. El campo eléctrico es una cantidad vectorial y cuando dos vectores apuntan en direcciones opuestas se restan sus magnitudes para obtener la resultante. Los dos campos no se cancelan del todo en un dieléctrico como lo harían en un metal, por lo que el resultado global es un campo eléctrico más débil entre las dos placas.
Amplíe
Déjeme repetir eso – el resultado global es un campo eléctrico más débil entre las dos placas. Hagamos algo de matemáticas.
El campo eléctrico es el gradiente de potencial eléctrico (más conocido como voltaje).
| Ex = – | ∆V | ||
| ∆x | |||
| Ey = – | ∆V | ⇒ | . E = – ∇V | ∆y |
| Ez = – | ∆V | ∆z |
La capacidad es la relación entre la carga y el voltaje.
| C = | Q | V |
Introducir un dieléctrico en un condensador disminuye el campo eléctrico, lo que disminuye el voltaje, que aumenta la capacitancia.
| C ∝ | 1 | (constante Q) | ⇒ | C ∝ | ||
| V | 1 | V ∝ E (d constante) | E | |||
Un condensador con dieléctrico almacena la misma carga que uno sin dieléctrico, pero a una tensión menor. Por lo tanto, un condensador con dieléctrico es más eficaz.
Esta pequeña parte necesita algo de trabajo.
Sobre los primeros descubrimientos de la jarra de Leyden. Al quitar la varilla baja la capacitancia. (El aire tiene una constante dieléctrica menor que el agua). El voltaje y la capacitancia son inversamente proporcionales cuando la carga es constante. Al reducir la capacitancia aumenta el voltaje.
susceptibilidad, permitividad, constante dieléctrica
El momento dipolar eléctrico de cualquier cosa -ya sea un átomo estirado en un campo eléctrico externo, una molécula polar o dos esferas metálicas con carga opuesta- se define como el producto de la carga y la separación.
p = q r
con la unidad del SI del culombímetro, que no tiene un nombre especial.
La polarización de una región se define como el momento dipolar por unidad de volumen
| . P = | ∑p | V |
con la unidad SI de culombios por metro cuadrado.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
Cm | = | ⎤ ⎥ ⎦ |
| m3 | m2 |
Calcular la polarización desde los primeros principios es un procedimiento difícil que es mejor dejar a los expertos. No te preocupes por los detalles de por qué la polarización tiene el valor que tiene, sólo acepta que existe y que es función de unas variables. ¿Y cuáles son esas variables? Pues son el material y la intensidad de campo, por supuesto. Diferentes materiales se polarizan en diferentes grados -utilizaremos la letra griega χe para representar esta cantidad conocida como la susceptibilidad eléctrica- pero para la mayoría de los materiales, cuanto más fuerte sea el campo (E), mayor será la polarización (P). Añade una constante de proporcionalidad ε0 y ya está todo listo.
P = ε0χeE
La susceptibilidad eléctrica es un parámetro adimensional que varía con el material. Su valor va desde 0 para el espacio vacío hasta lo que sea. Apuesto a que incluso hay algunos materiales extraños para los que este coeficiente es negativo (aunque no lo sé con seguridad). La constante de proporcionalidad ε0 se conoce como la permitividad del espacio libre y se discutirá un poco más adelante. Por ahora, es sólo un recurso para que las unidades salgan bien.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
C | = | C2 | N. | N | ⎤ ⎥ ⎦ |
|
| m2 | N m2 | C |
Escribe el resto.
La cantidad κ no tiene unidades.
| material | κ | material | κ | aire | 1.005364 | cuarzo, cristalino (∥) | 4,60 |
|---|---|---|---|---|---|
| ácido acético | 6.2 | cuarzo, cristalino (⊥) | 4,51 | ||
| alcohol, etílico (grano) | 24.55 | cuarzo, fundido | 3.8 | ||
| alcohol, metílico (madera) | 32,70 | caucho, butílico | 2.4 | ||
| ámbar | 2,8 | goma, neopreno | 6.6 | ||
| asbesto | 4,0 | goma, silicona | 3.2 | ||
| asfalto | 2,6 | caucho, vulcanizado | 2.9 | ||
| bakelita | 4,8 | sal | 5.9 | ||
| calcita | 8,0 | selenio | 6.0 | ||
| carbonato de calcio | 8,7 | silicio | 11.8 | ||
| celulosa | 3,7-7,5 | carburo de silicio (αSiC) | 10.2 | ||
| cemento | ~2 | dióxido de silicio | 4.5 | ||
| cocaína | 3,1 | aceite de silicona | 2.7-2,8 | ||
| algodón | 1.3 | suelo | 10-20 | ||
| diamante, tipo I | 5.87 | titanato de estroncio, +25 °C | 332 | ||
| diamante, tipo IIa | 5.66 | titanato de estroncio, -195 °C | 2080 | ||
| ebonita | 2.7 | azufre | 3,7 | ||
| epoxy | 3.6 | pentóxido de tantalio | 27 | ||
| harina | 3 -. 5 | teflón | 2.1 | ||
| freón 12, -150 °C (líquido) | 3.5 | Antimoníaco de estaño | 147 | ||
| Freón 12, +20 °C (vapor) | 2.4 | teluro de estaño | 1770 | germanio | 16 | dióxido de titanio (rutilo) | 114 | vidrio | 4-7 | tabaco | 1.6-1,7 |
| vidrio, pyrex 7740 | 5.0 | dióxido de uranio | 24 | ||
| gutta percha | 2.6 | vacío | 1 (exactamente) | ||
| combustible de chorro (jet a) | 1.7 | agua, hielo, -30 °C | 99 | ||
| óxido de plomo | 25.9 | agua, líquido, 0 °C | 87.9 | ||
| niobato de magnesio de plomo | 10.000 | agua, líquido, 20 °C | 80.2 | ||
| sulfuro de plomo (galena) | 200 | agua, líquido, 40 °C | 73.2 | ||
| titanato de plomo | 200 | agua, líquido, 60 °C | 66.7 | ||
| deuteruro de litio | 14.0 | agua, líquido, 80 °C | 60,9 | ||
| lucita | 2.8 | agua, líquido, 100 °C | 55,5 | ||
| mica, moscovita | 5.4 | cera, cera de abejas | 2,7-3,0 | ||
| mica, canadiense | 6.9 | cera, carnuba | 2,9 | ||
| nylon | 3.5 | cera, parafina | 2,1-2,5 | ||
| aceite, linaza | 3.4 | papel encerado | 3,7 | ||
| aceite, mineral | 2.1 | ||||
| aceite, oliva | 3.1 | tejidos humanos | κ | aceite, petróleo | 2,0-2.2 | hueso, esponjoso | 26 |
| aceite, silicona | 2.5 | hueso, cortical | 14,5 | ||
| aceite, esperma | 3.2 | cerebro, materia gris | 56 | ||
| aceite, transformador | 2.2 | cerebro, materia blanca | 43 | ||
| papel | 3.3, 3,5 | cerebro, meninges | 58 | ||
| plexiglas | 3.1 | Cartílago, general | 22 | ||
| Poliéster | 3.2-4,3 | cartilago, oreja | 47 | ||
| polietileno | 2.26 | Ojo, humor acuoso | 67 | ||
| Polipropileno | 2,2-2.3 | Ojo, córnea | 61 | ||
| Poliestireno | 2.55 | Ojo, esclera | 67 | ||
| Cloruro de polivinilo (pvc) | 4.5 | grasa | 16 | ||
| porcelana | 6-8 | músculo, liso | 56 | ||
| niobato de potasio | 700 | |
58 | ||
| niobato de tantalato de potasio, 0 °C | 34.000 | piel | 33-44 | ||
| niobato de tantalato de potasio, 20 °C | 6,000 | tongue | 38 |
descomposición dieléctrica
Todo aislante puede ser forzado a conducir la electricidad. Este fenómeno se conoce como ruptura dieléctrica.
| material | campo (MV/m) |
material | campo (MV/m) |
aire | 3 | papel | 14, 16 |
|---|---|---|---|---|
| ámbar | 90 | polietileno | 50, 500-700, 18 | bakelita | 12, 24 | poliestireno | 24, 25, 400-600 |
| diamante, tipo IIa | 10 | cloruro de polivinilo (PVC) | 40 | |
| vidrio, pyrex 7740 | 13, 14 | porcelana | 4, 12 | |
| mica, moscovita | 160 | cuarzo, fundido | 8 | |
| nylon | 14 | |
12, 12 | aceite, silicona | 15 | titanato de estroncio | 8 |
| aceite, transformador | 12, 27 | teflón | 60 | |
| Dióxido de titanio (rutilo) | 6 |
Efecto piezoeléctrico
Decir todas las vocales. La piezoelectricidad es un efecto por el que la energía se convierte entre formas mecánicas y eléctricas.
- Piezo es la palabra griega para presión (πιεζω).
- Descubierto en la década de 1880 por los hermanos Curie.
- Micrófonos piezoeléctricos baratos. Cuando se somete a tensión un cristal polarizado, la tensión produce una diferencia de potencial. Esta diferencia de potencial es proporcional a la tensión, que a su vez es proporcional a la presión acústica.
- Un micrófono piezoeléctrico al revés es un altavoz piezoeléctrico: timbre de reloj de alarma, timbre de reloj de pulsera, todo tipo de pitidos electrónicos. Cuando se aplica un potencial eléctrico a un cristal polarizado, el cristal sufre una deformación mecánica que, a su vez, puede crear una presión acústica.
- El colágeno es piezoeléctrico. «Cuando se aplica una fuerza al colágeno, se genera un pequeño potencial eléctrico de corriente continua. El colágeno conduce la corriente principalmente por cargas negativas. Los cristales minerales del hueso (apatita) cercanos al colágeno conducen la corriente por cargas positivas. En la unión de estos dos tipos de semiconductores, la corriente fluye fácilmente en una dirección pero no en la otra …. Se piensa que las fuerzas sobre los huesos producen potenciales por el efecto piezoeléctrico y que en las uniones de colágeno-apatita se producen corrientes que inducen y controlan el crecimiento del hueso. Las corrientes son proporcionales a la tensión (fuerza por unidad de superficie), por lo que el aumento de la tensión mecánica del hueso provoca un mayor crecimiento.» Física del cuerpo (255).
| tipo | los sonidos producen cambios en… |
que causan cambios en… |
que dan lugar a cambios en… |
|---|---|---|---|
| carbono | densidad de gránulos | resistencia | tensión |
| Separación de placas | Capacitancia | Tensión | |
| Dinámica | Situación de la bobina | flujo | tensión |
| piezoeléctrico | compresión | polarización | tensión |