Materiales dieléctricos

Materiales dieléctricos
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.1
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.
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.
Propiedades eléctricas de los conductores
Una propiedad común a prácticamente todos los materiales, es la de permitir, en algún
grado, la conducción de la corriente eléctrica, pero así como algunos materiales son
buenos conductores, otros son malos conductores de dicha corriente.
Desde este punto de vista, los materiales pueden clasificarse en conductores y no
conductores.
Un material es conductor cuando puede desempeñar esa función en un circuito,
independiente del valor de su conductividad.
Los conductores en general pueden clasificarse en: metálicos, electrolíticos y gaseosos.
En los conductores metálicos la conducción es electrónica, es decir, los portadores de
cargas son electrones libres. Pertenecen a este grupo los metales y aleaciones. Se suele
hablar en estos casos de conducción metálica.
En los conductores electrolíticos la conducción es iónica; pertenecen a este grupo los
llamados electrolitos, es decir, los ácidos (bases o sales, disueltos o fundidos). Las
moléculas de estas sustancias, cuando se disuelven o funden, de disocian total o
parcialmente formando iones positivos o negativos, y estos iones son portadores de
cargas. En estos casos, el paso de la corriente eléctrica corresponde a un desplazamiento
de material, y viene acompañada de una reacción química.
En los conductores metálicos la electricidad circula a través de la materia, mientras que
en los conductores electrolitos circula con la materia.
Los gases pertenecen a un tercer grupo de conductores, los conductores gaseosos; en
estado normal, los gases no son conductores, pero pueden convertirse relativamente en
buenos conductores cuando están ionizados. Normalmente no se utilizan los gases para
conducir corriente, salvo en casos muy especiales. La conducción a través de los gases no
cumple con la Ley de Ohm.
Conductores iónicos
Materiales que presentan conductividad y es debida al movimiento de átomos o iones en
el sólido.
Se suele aplicar el concepto de conductor iónico al electrólito situado entre dos
conductores que realizan procesos electroquímicos.
Por ejemplo, el líquido que hay dentro de las baterías es un buen conductor iónico y es a
través de él por donde circulan los iones desprendidos de uno de los polos para llegar al
otro polo.
Este tipo de conductores se utiliza en las actuales pilas de combustible aunque se le
conoce como conductor protónico sólido; realmente no es sólido sino que presenta cierta
plasticidad.
Ley de ohm
La Ley de Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente
vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como
son:
1. Tensión o voltaje "E", en volt (V).
2. Intensidad de la corriente " I ", en ampere (A).
3. Resistencia "R" en ohm ( ) de la carga o consumidor conectado al circuito.
Debido a la existencia de materiales que dificultan más que otros el paso de la corriente
eléctrica a través de los mismos, cuando el valor de su resistencia varía, el valor de la
intensidad de corriente en ampere también varía de forma inversamente proporcional. Es
decir, a medida que la resistencia aumenta la corriente disminuye y, viceversa, cuando la
resistencia al paso de la corriente disminuye la corriente aumenta, siempre que para
ambos casos el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante.
Por otro lado y de acuerdo con la propia Ley, el valor de la tensión o voltaje es
directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si el voltaje aumenta
o disminuye, el amperaje de la corriente que circula por el circuito aumentará o
disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la resistencia conectada
al circuito se mantenga constante.
Circuito eléctrico
Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como
resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores y semiconductores) que
contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes,
componentes lineales (resistores, condensadores, inductores), y elementos de
distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos
algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente
alterna. Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un circuito
electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas
de análisis mucho más complejos. Eléctrico
Circuitos serie
Se define un circuito serie como aquel circuito en el que la corriente eléctrica solo tiene un
solo camino para llegar al punto de partida, sin importar los elementos intermedios. En el
caso concreto de solo arreglos de resistencias la corriente eléctrica es la misma en todos los
puntos del circuito.
Circuitos Paralelo
Se define un circuito paralelo como aquel circuito en el que la corriente eléctrica se bifurca
en cada nodo. Su característica más importante es el hecho de que el potencial en cada
elemento del circuito tiene la misma diferencia de potencial.
Circuito mixto
Es una combinación de elementos tanto en serie como en paralelos. Para la solución de
estos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que se encuentran en
serie y en paralelo para finalmente reducir a la un circuito puro, bien sea en serie o en
paralelo.
CAPACITORES
Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos
conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar
cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.
En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras
paralelas, de la misma superficie y encaradas, 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. Por su parte, teniendo una de las placas cargada
negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y la carga neta del
sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q.
Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cual
podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como un cortocircuito),
aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Es por esta
propiedad lo convierte en dispositivos muy útiles cuando se debe impedir que la corriente
continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico, pero si queremos que pase la
alterna.
Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las
radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes
capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más
potencia.
Capacitores de un conductor
Un condensador es un sistema de dos conductores aislados que tienen cargas iguales en
magnitud pero de signos contrarios. Si uno de los conductores tiene carga +q entonces la
otra parte posee carga -q, la magnitud de carga q se denomina carga del condensador y
el condensador que tiene esa carga se le denomina condensador cargado.
Circuito de capacitores
Los capacitores se pueden enlazar entre si en serie uno detrás del otro y también en
forma paralela o una combinación de ambas. Cuando esto ocurre la placa negativa del
primer condensador se une con la placa positiva del segundo condensador con la placa
positiva del tercer y así sucesivamente.
1. Encontrar la resistencia total del siguiente circuito:
Solución: El voltaje de la resistencia R1 se encuentra directamente encontrando la
resistencia total del circuito:
Por lo tanto la resistencia R2 tiene un voltaje de 6V, como podemos ver:
También debemos considerar que la corriente en un circuito en serie, como lo es esté,
por lo que la corriente en la resistencia R1 es la misma que la de R2 y por tanto:
Por último la resistencia total de las resistencias del circuito es:
2. Encontrar el voltaje de la resistencia R2 del siguiente diagrama
Solución. Aunque no se da el valor de la resistencia R1, podemos determinar el valor del
voltaje en la resistencia R2, ya que lo que si conocemos es la corriente en la resistencia R1,
la cual es la misma en el resto del circuito. Por lo tanto:
3. Encontrar el voltaje de la fuente del diagrama siguiente:
Solución: De manera inmediata podemos determinar que por tratarse de un circuito serie la
intensidad de la corriente es la misma en todos sus elementos. Por otro lado conocemos el
valor de las resistencias, no así el de la pila del cual no será considerada en este ejercicio, y
por tanto podemos obtener directamente el voltaje total del las componentes.
Entonces el voltaje total de la fuente es igual a:
Circuito en serie
Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los
dispositivos los cuales están unidos para un solo circuito (generadores, resistencias,
condensadores, interruptores, entre otros.) se conectan secuencialmente. La terminal de salida
del dispositivo uno se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.
Siguiendo un símil hidráulico, dos depósitos de agua se conectarán en serie si la salida del
primero se conecta a la entrada del segundo. Una batería eléctrica suele estar formada
por varias pilas eléctricas conectadas en serie, para alcanzar así el voltaje que se precise.
En función de los dispositivos conectados en serie, el valor total o equivalente se obtiene
con las siguientes expresiones:

Para Generadores (pilas)
Para Resistencias
Para Condensadores
Para Interruptores
Interrupt Interrupt Interrupt
or A
or B
or C
Abierto
Abierto
Abierto
Abierto
Abierto
Cerrado
Abierto
Cerrado
Abierto
Abierto
Cerrado
Cerrado
Cerrado
Abierto
Abierto
Cerrado
Abierto
Cerrado
Cerrado
Cerrado
Abierto
Cerrado
Cerrado
Cerrado
Salida
Abiert
o
Abiert
o
Abiert
o
Abiert
o
Abiert
o
Abiert
o
Abiert
o
Cerrad
o
Otra configuración posible, para la disposición de componentes eléctricos, es el circuito en
paralelo. En el cual, los valores equivalentes se calculan de forma inversa al circuito en
serie.
Es importante conocer que para realizar la suma de las magnitudes, solo en corriente
alterna, debe ser sumado en forma fasorial (vectorial), para ser sumado en forma de
módulo cada rama debe tener a lo más un elemento.
CAPACITORES EN PARALELO
Dos capacitores conectados como se muestra en la figura siguiente se conocen como una
combinación en paralelo, la figura muestra un diagrama de circuito para esta combinación
de capacitores. Las placas de la izquierda de los capacitores se conectan por un alambre
conductor en el terminal positivo de la batería y están, por tanto al mismo potencial
eléctrico que el de la terminal positiva. De igual modo las placas de la derecha están
conectadas al terminal negativo de la batería y por ello se encuentran al mismo potencial
que el terminal negativo. De este modo , las diferentes potencias individuales a través de
los capacitores conectados en paralelo son todas las mismas y son iguales a la diferencia
de potencial aplicada a través de la combinación.
En un circuito como el mostrado en la siguiente figura el voltaje aplicado a través de la
combinación es el voltaje terminal de la batería . Pueden ocurrir situaciones en las cuales
la combinación en paralelo estén en un circuito con otros elementos de circuito, la
diferencia de potencial a través de la combinación mediante el análisis de circuito
completo.
Cuando los capacitores se conectan primero en el circuito mostrado en la figura , los
electrones se transfieren entre los alambres y las placas, esta transferencia deja las placas
de la izquierda cargadas positivamente y a las placas derechas cargadas negativamente .
La fuente de energía para esta tranferencia de carga es la energía química almacenada en
la batería, la cual se convierte en energía potencial eléctrica asociada con la separación de
cargas . El flujo de la carga cesa cuando el voltaje a través de los capacitores es igual al que
cruza las terminales de la batería . Los capacitores alcanzan su carga máxima cuando se
interrumpe el flujo de carga . Denomine a las cargas máximas entre los capacitores como
Q 1 y Q 2 . La carga total Q se almacenada por los dos capacitores es:
Q = Q 1 + Q2
Esto es, la carga total en los capacitores conectados en paralelo es la suma de las cargas
en los capacitores individuales. Puesto que los voltajes a través de los capacitores son los
mismos las cargas que ellos conducen son:
Q 1 = C 1DV
Q 2 = C2DV
Bibliografía
http://es.wikipedia.org/wiki/
http://ayudaelectronica.com/materiales-conductores/
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/
http://es.scribd.com/doc