MATERIALES DIELÉCTRICOS Y CONDUCTORES 2.2

MATERIALES DIELÉCTRICOS Y
CONDUCTORES
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DIELÉCTRICO
Se denomina dieléctrico al material mal conductor de electricidad, por lo que puede ser
utilizado como aislante eléctrico, y además si es sometido a un campo eléctrico externo,
puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales
aislantes con los que suelen confundirse. Todos los materiales dieléctricos son aislantes
pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos.
Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la
cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y
electrónico y la baquelita. En cuanto a los gases se utilizan como dieléctricos sobre todo
el aire, el nitrógeno y el hexafluoruro de azufre.
El término "dieléctrico" fue concebido por William Whewell (del griego "dia" que significa "a
través de") en respuesta a una petición de Michael Faraday.
Los dieléctricos se utilizan en la fabricación de condensadores, para que las cargas
reaccionen. Cada material dieléctrico posee una constante dieléctrica k. Tenemos k para
los siguiente dieléctricos: vacío tiene k = 1; aire (seco) tiene k = 1,00059; teflón tiene k =
2,1; nylon tiene k = 3,4; papel tiene k = 3,7; agua (Químicamente pura) tiene k = 80.
Los dieléctricos más utilizados son el aire, el papel y la goma. La introducción de un
dieléctrico en un condensador aislado de una batería, tiene las siguientes consecuencias:





Disminuye el campo eléctrico entre las placas del condensador.
Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del condensador, en una
relación Vi/k.
Aumenta la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de
resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica).
Aumento por tanto de la capacidad eléctrica del condensador en k veces.
La carga no se ve afectada, ya que permanece la misma que ha sido cargada
cuando el condensador estuvo sometido a un voltaje.
Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de
ruptura del dieléctrico. Esta tensión máxima se denomina rigidez dieléctrica. Es decir, si
aumentamos mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico convertiremos dicho
material en un conductor.
Tenemos que la capacitancia con un dieléctrico llenando todo el interior del condensador
(plano-paralelo) está dado por:
del vacío).
(donde Eo es la permisividad eléctrica
Conductores Y Dieléctricos
Estructura Eléctrica De La Materia: Conductores Y Dieléctricos
La constitución interna de los objetos materiales consiste en moléculas formadas de
átomos
que, a su vez, están constituidos por un núcleo con prácticamente toda la masa del átomo
y carga positiva y una corteza electrónica con igual carga que el núcleo pero de signo
opuesto.
Por lo tanto, la materia es eléctricamente neutra; lo es cada uno de sus átomos. Sin
embargo, la materia es esencialmente eléctrica también, cada una de sus partículas
constituyentes tiene carga. Ambas características se pondrán de manifiesto al someter un
objeto material a la acción de un campo eléctrico.
Desde el punto de su comportamiento bajo la acción de un campo eléctrico, los objetos
materiales pueden clasificarse en dos grandes grupos:
- Conductores: Sustancias que permiten fácilmente el movimiento de las cargas a través
de ellas.
- Dieléctricos: Sustancias que impiden el movimiento de las cargas a través de ellas.
Existe una gradación continua que excluye una separación neta de ambas categorías,
pero una sustancia podrá ser clasificada en uno u otro grupo en lo que se refiere a cada
situación concreta.
Lo mismo entre los conductores que entre los dieléctricos es posible distinguir varios
tipos. Por ejemplo, conductores metálicos en los que las cargas que se mueven son los
electrones; electrolitos y gases ionizados en los que las cargas que se mueven son iones.
CONDUCTORES
MATERIALES
DIELÉCTRICOS
PROPIEDADES ELÉCTRICOS DE LOS
CONDUCTORES
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Conductores eléctricos. Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo
cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores
conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no
metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el
grafito, las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado
de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación
de uso doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en forma de cables de
uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una
conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material
mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía
eléctrica en las redes de alta tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como
conductor
el
oro.[18]
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica
Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el
International Annealed Copper Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o
IACS. Según esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual
a 0,58108 S/m.[19] A este valor se lo denomina 100% IACS, y la conductividad del resto
de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los
metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS, pero existen
excepciones como la plata o los cobres especiales de muy alta conductividad, designados
C-103 y C-110.[20].
Las Principales propiedades y características de los materiales conductores
son:
1. Conductividad eléctrica (Resistividad eléctrica).
2. Coeficiente térmico de resistividad.
3. Conductividad térmica.
4. Fuerza electromotriz.
5. Resistencia mecánica.
La conductividad eléctrica es una propiedad vinculada a la corriente eléctrica que puede
fluir por un material cuando este está sometido a un campo eléctrico.–
Generalmente la densidad de corriente J es proporcional al campo eléctrico:
La constante de proporcionalidad
es la conductividad eléctrica; y su recíproca
es
la resistividad eléctrica.–
Sea un conductor de sección transversal constante S por el cual circula una corriente I
siendo V=(V1–V2) la diferencia de potencial entre dos puntos separados una distancia l.
La densidad de corriente J y el campo eléctrico E en la barra están dados por:
por lo tanto,
Comparando esta expresión con la forma más usual de la Ley de Ohm se obtiene:
de donde
La resistencia eléctrica es un función de la geometría del elemento, pero la resistividad es
una
constante
del
material.–
La resistencia se mide en ohmios. La resistividad se mide en:
Los conductores eléctricos se refieren a metales como el cobre; aluminio, oro... son
buenos conductores de la electricidad ya que al analizar la composición electrónica estos
elementos en su última capa electrónica tienen únicamente uno, dos o tres electrones por
lo que se requiere muy poca energía para que los electrones de la ultima capa "brinquen"
de un átomo a otro estableciéndose así una corriente eléctrica.
CONDUCTORES IÓNICOS
Son materiales cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Los mejores
conductores eléctricos son metales, como el cobre, el oro, el hierro y el aluminio, y sus
aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la
propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones
salinas (por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material en estado de plasma.
Los conductores son materiales a través de los cuales la electricidad puede fluir
fácilmente, en otras palabras, con baja resistencia.
Existen dos tipos principales de conductores:
1. Metálicos
2. Iónicos
1. Los conductores metálicos, los electrones transportan la corriente, y el material no se
ve afectado por este flujo (en pequeñas corrientes). Este tipo de conductividad se
encuentra en sólidos y líquidos (fundido) metales y semiconductores.
2. Los conductores iónicos, iones con carga positiva y negativa ( cationes y aniones,
respectivamente) transporta la corriente. Este transporte de material altera la composición
y conlleva a reacciones químicas en el material, como depósitos en los electrodos. Este
tipo de conductividad se encuentra en algunos sólidos (sales especiales), sales fundidas,
soluciones salinas y gases ionizados (plasmas).
Los plasmas son un caso especial, ya que uno de los componentes son los electrones y el
otro son partículas de gas con carga positiva. Los dos componentes se complementan en
un campo eléctrico.
MATERIALES CONDUCTORES IÓNICOS
“Materiales que presentan conductividad y es debida al movimiento de átomos o
iones en el sólido (a temp<<<Tempfusión)”
Conceptos básicos de conductividad
•difusión de átomos (Coeficiente de difusión, D) •conductividad iónicabajo la
influencia de un C.E.externo
µσ × × = eZ n
Conductividad específica: (Ω-1cm-1 o Sm-1) •n: nºde portadores de carga/unidad
de volumen •Z e: carga de los portadores •µ: movilidad portadores (velocidad de
deriva en C. E. cte.)
LEY DE OHM
La ley de Ohm dice que la intensidad que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico
es proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos. Esta constante es la
conductancia eléctrica, que es lo contrario a la resistencia eléctrica.
La intensidad de corriente que circula por un circuito dado, es directamente proporcional a
la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo.
La ecuación matemática que describe esta relación es:
Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de
potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y R es
la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que R en esta relación
es constante, independientemente de la corriente.1
Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm, que en un tratado publicado en
1827, halló valores de tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos eléctricos
simples que contenían una gran cantidad de cables. Él presentó una ecuación un poco
más compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados
experimentales. La ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.
Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no tienen
cargas inductivas ni capacitivas (únicamente tiene cargas resistivas), o bien han
alcanzado un régimen permanente (véase también «Circuito RLC» y «Régimen transitorio
(electrónica)»). También debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia de un
conductor puede ser influido por la temperatura.
En enero de 1781, antes del trabajo de Georg Ohm, Henry Cavendish experimentó con
botellas de Leyden y tubos de vidrio de diferente diámetro y longitud llenados con una
solución salina. Como no contaba con los instrumentos adecuados, Cavendish calculaba
la corriente de forma directa: se sometía a ella y calculaba su intensidad por el dolor.
Cavendish escribió que la "velocidad" (corriente) variaba directamente por el "grado de
electrificación" (tensión). Él no publicó sus resultados a otros científicos a tiempo, y sus
resultados fueron desconocidos hasta que Maxwell los publicó en 1879.
En 1825 y 1826, Ohm hizo su trabajo sobre las resistencias, y publicó sus resultados en
1827 en el libro Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (Trabajos matemáticos
sobre los circuitos eléctricos). Su inspiración la obtuvo del trabajo de la explicación teórica
de Fourier sobre la conducción del calor.
En sus experimentos, inicialmente usó pilas voltaicas, pero posteriormente usó un
termopar ya que este proveía una fuente de tensión con una resistencia interna y
diferencia de potencial casi constante. Usó un galvanómetro para medir la corriente, y se
dio cuenta de que la tensión de las terminales del termopar era proporcional a su
temperatura. Entonces agregó cables de prueba de diferente largo, diámetro y material
para completar el circuito. El encontró que los resultados obtenidos podían modelarse a
través de la ecuación:
Donde x era la lectura obtenida del galvanómetro, l era el largo del conductor a prueba, a
dependía solamente de la temperatura del termopar, y b era una constante de cada
material. A partir de esto, Ohm determinó su ley de proporcionalidad y publicó sus
resultados.
CONSISTE EN:
La ley de Ohm todavía se sigue considerando como una de las
descripciones cuantitativas más importante de la física de la electricidad, aunque cuando
Ohm publicó por primera vez su trabajo las críticas lo rechazaron. Fue denominado "una
red de fantasías desnudas", y el ministro alemán de educación afirmó que un profesor que
predicaba tales herejías no era digno de enseñar ciencia. El rechazo al trabajo de Ohm se
debía a la filosofía científica que prevalecía en Alemania en esa época, la cual era
liderada por Hegel, que afirmaba que no era necesario que los experimentos se
adecuaran a la comprensión de la naturaleza, porque la naturaleza esta tan bien
ordenada, y que además la veracidad científica puede deducirse al razonar solamente.
También, el hermano de Ohm, Martín Ohm, estaba luchando en contra del sistema de
educación alemán. Todos estos factores dificultaron la aceptación del trabajo de Ohm, el
cual no fue completamente aceptado hasta la década de los años 1840. Afortunadamente,
Ohm recibió el reconocimiento de sus contribuciones a la ciencia antes de que muriera.
En los años 1850, la ley de Ohm fue conocida como tal, y fue ampliamente probada, y
leyes alternativas desacreditadas, para las aplicaciones reales para el diseño del sistema
del telégrafo, discutido por Morse en 1855.
En los años 1920, se descubrió que la corriente que fluye a través de un resistor ideal
tiene fluctuaciones estadísticas, que dependen de la temperatura, incluso cuando la
tensión y la resistencia son exactamente constantes. Esta fluctuación, conocida como
ruido de Johnson-Nyquist, es debida a la naturaleza discreta de la carga. Este efecto
térmico implica que las medidas de la corriente y la tensión que son tomadas por
pequeños períodos de tiempo tendrán una relación V/I que fluirá del valor de R implicado
por el tiempo promedio de la corriente medida. La ley de Ohm se mantiene correcta para
la corriente promedio, para materiales resistivos.
El trabajo de Ohm precedió a las ecuaciones de Maxwell y también a cualquier
comprensión de los circuitos de corriente alterna. El desarrollo moderno en la teoría
electromagnética y el análisis de circuitos no contradicen la ley de Ohm cuando estás son
evaluadas dentro de los límites apropiados.
Una forma sencilla de recordar esta ley es formando un triángulo equilátero, donde la
punta de arriba se representaría con una V (voltios), y las dos de abajo con una I
(intensidad) y R (resistencia) respectivamente, al momento de cubrir imaginariamente
cualquiera de estas letras, en automático las restantes nos indicarán la operación a
realizar para encontrar dicha incógnita. Ejemplo: si tapamos la V, R e I estarán
multiplicándose para encontrar el valor de V; de igual forma si cubrimos R, quedará V/I al
descubierto para encontrar la incógnita R.
http://es.wikipedia.org/wiki/ley_de_ohm